瞬态冲击(非周期)及其测量的问题.doc

瞬态冲击(非周期)及其测量的问题林劲(Jing Lin)PCB Piezoronics Inc.,3425 Walden Avenue, Depew, NY 14043 USA前言瞬态冲击(非周期)与周期性的振动在频谱特性是不同的, 所以在对测量的传感器及仪器的要求选择上也不同. 本文用比较直观和浅显的方法来阐明. 希望有助于冲击测量的用户更好地, 更准确地测量冲击加速度.(一) 频谱分析的基础知识冲击(非周期)信号与周期性的信号在频谱特性是不同的. 通常动态信号都不是纯正弦波,可以分解为许多谐波成份,由其振幅和相位来表征.各次谐波按其频率高低排列成为该动态信号的频谱图形. 瞬态冲击(非周期)信号频谱特性是连续频谱;而周期性的信号频谱特性是离散(线谱)频谱. 如图1,2,3所示: A fo=1/T A t fo f T图 1. 纯正弦信号及其频谱 T fo=1/T A A t fo 2fo f 图 2. 失真正弦信号及其频谱 fo=1/T A T A t fo 3fo 5fo 7fo f 图 3. 周期方波信号及其频谱 而瞬态的冲击(非周期)信号频谱就不能用上述线谱来表示, 而必须用是连续频谱表示, 如图.4. 所示. F(f)/AT 1.0 A 0.5 0.0 0 T t 1/T 2/T 3/T f 图 4. 半正弦冲击波信号及其频谱其中F(f)=(2AT/p)*cos pfT/(1-4ffTT). F(f)/AT 1.0 A 0.5 0 f T t 0.0 1/T 2/T 3/T 图 5. 矩形冲击波信号及其频谱其中F(f)=(AT)*sin pfT/ pfT.(二) 瞬态冲击(非周期)信号对测量的冲击加速度计及仪器的要求由冲击波信号及其频谱分析及频谱分布图可知:1)凡上升时间越快的, 或持续(接触)时间越短的冲击; 其频谱的高频越高,而且这些高频在其频谱中的比例越多. 如硬的金属对金属的对撞冲击, 其持续(接触)时间约在敉十微秒左右.其频谱的高频成份可达十千赫芝. 又如火药爆炸的冲击, 或称爆冲(Pyroshock)上升时间可短于十微秒. 其频谱的高频成份可达数十千赫芝. 所以如要准确测量冲击的高频成份,这就要求测量的冲击加速度计具有较高的共振频率(高于50Khz以上)和较大的动态量程(100,000g).图6.所示共振频率不够高的冲击加速度计,测量较短持续(接触)时间的冲击时所产生的冲击加速度计共振对冲击测量的影响. G fo 0 T t 图 5. 共振频率fo=2/T加速度计测量脉宽T的半正弦冲击波的失真 G fo 0 T t图 6. 共振频率fo=5/T加速度计测量脉宽T的半正弦冲击波的失真 比较图5和图6,共振频率越高的加速度计,测量脉宽T的半正弦冲击波的失真比共振频率越低的加速度计测量失真更小.根据弹簧-质量结构的无阻尼加速度计对冲击响应的计算结果: 为了达到5%测量误差, 则要求测量加速度计的安装共振频率fo = 10/T 为了达到10%测量误差, 则要求测量加速度计的安装共振频率fo = 5/T 2) 凡持续(接触)时间越长的冲击; 其频谱的低频成份越低.如撞击接触面为软橡胶, 塑料材料, 其持续(接触)时间约在十至数十毫秒左右.如果是制动或弹射的负荷过载, 其持续时间可约在数十毫秒至数百毫秒.这些长接触时间及长持续过载的脉冲频谱则包含的低频成份可至直流, 而且其频谱的绝大部份都是这些低频成份. 这就要求测量持续时间在数十毫秒至数百毫秒的冲击碰撞或过载的冲击加速计具有较低的频率响应, 如 0.1Hz甚至直流响应. G 5% G0 T t 5% G图7. 矩形阶跃脉冲响应及低频影响 G 5% G 0 T t 图8. 半正弦脉冲响应及低频影响图7.8 表示无直流响应的加速度计对矩形波及半正弦波冲击脉冲输入的响应, 由于其低频响应不够低, 所以在T时刻其输出幅值下降了5%. 为了保证对矩形脉冲5%的测量误差,加速度计的低频-3dB截止频率 至少必须低于0.008/T,或低频时间常数即DTC=125T.这种矩形冲击脉冲在实际的机械冲击中是很难实现的.在工程中,实际的机械冲击波形大多都很近似于半余弦或半正弦脉冲,根据对半正弦波冲击计算结果: 为了5%的测量误差, 加速度计的低频-3dB截止频率至少必须低于0.05/T, 或低频时间常数即DTC=20T.(三) 冲击加速度计的零飘问题零飘问题是指在测量冲击过程,在冲击碰撞或曝炸结束后,测量的冲击加速度计的输出不能恢复到原来的零点. 如图9所示: G 0 t 图9. 冲击测量出现的零飘现象这种零飘现象出现可由以下几个方面引起:1) 传感器的敏感元件, 如压电晶体受到过大过载而引起晶格错位; 或预紧的机械另件受到过大过载而引起预紧的机械另件之间变形或错位而引起信号漂移.2) 二次仪表因为输入的信号过大饱和而引起信号漂移.3) 传感器的电缆连接接头不可靠, 受大冲击时松动接触不良而引起信号漂移.这种零飘现象可以通过对冲击加速度计的精心考虑和设计, 如选取弹性系数高的压电敏感材料作压电转换元件.基座及惯性质量等机械另件的材料也选取弹性系数高的材料. 在测量时对电缆及连接接头的安置处理等也需加以注意.(四) 冲击加速度计的线性动态量程冲击加速度计的线性又称为非线性,表示传感器的输出与输入之间的关系与直线的接近(或偏离) 的程度. 特别是测量大加速度的冲击时,冲击加速度计的线性问题就显得十分重要.在一定泛围内的惯性力,其受力的压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座的变形关系还呈现较小的非线性(较好的线性)关系.因为随着加速度的增大,作用在压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座上的惯性力也随着增大,其受力的压电晶体,弹性预紧另件以及金属基座的变形关系呈现出较大的非线性关系.一般规定: 用于冲击测量的加速度计的线性10%为其动态量程. 用于测量振动的加速度计的线性5%为其动态量程.在国内国家标总局也制定了JJG-233-81” 压电加速度计检定规程”, 规定了幅值线性度的计算方法采用最小二乘法.附录自由下落冲击加速度的估算方法1) 自由下落速度计算, 参见图10.:平均碰撞冲击速度(量值上)为最大下落速度与返弹速度之和的平均值:V = 2gH + 2gh /2 H (落高) h(返弹高度) 图10. 自由下落冲击示意图2) 半正弦碰撞冲击及冲击加速度估算, 参见图10 : 平均冲击加速度值 aavery = V/T 峰值冲击加速度值 apeak = V/0.636T apeak aavery 0 T t图11. 半正弦冲击加速度波形从上述计算分析可知:1)一般碰撞冲击的接触持续时间T取决于碰撞材料以及相同碰撞接触面形状. 与碰撞速度或碰撞物体的质量大小关系不大.2)而碰撞冲击加速度由碰撞冲击速度(落高H),以及碰撞冲击的接触持续时间T和返弹高度(碰撞材料以及碰撞接触面形状) 来决定.所以碰撞冲击速度越大(落高 H 及返弹 h 越高),