振动冲击测试技术及数据处理之冲击响应谱

实习报告（论文）报告（论文）题目：振动冲击测试技术及数据处理之冲击响应谱 作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导人员姓名： 完 成 时 间 ： 北华航天工业学院教务制I摘 要论文的研究工作是以振动冲击测试技术为背景展开的，并且详细介绍了测量系统的组成及工作原理情况，以现在动态测试试验对振动冲击传感器、冲击振动仪器及数据处理方法中的击响响应谱的要求来描述的。本文在深入分析振动冲击测试技术的基础上，重点解析了数据处理方法中的击响应谱的优势，同时阐述了振动冲击传感器、冲击振动仪器的使用方法、分类及未来的发展趋势方向。现在振动与冲击传感器正朝着更小、更轻、更廉价、更高可靠性和更坚固耐用的方向发展，振动测试在近代工程中有极重要的地位，受到大家的普遍重视，很多部门和单位在进行试件探究，新的测试方法和手段不断涌现，这是因为振动是自然界和工程界广泛存在的现象，尤其是随着社会科学的发展，各类航天飞行器的进步，要求在投入使用前必定进行地面模拟试验，其对环境的适应直接从振动冲击试验中体现出来。要利用振动冲击测试技术造福人类，因此本文讲述了振动测量的意义及测量方法。关键词 振动冲击测试技术 振动冲击传感器 冲击振动仪器 击响响应谱II目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及研究概况 .11.2 振动冲击测试技术简述 .11.3 冲击振动测试仪器 .21.4 冲击响应谱的工程背景及意义 .2第 2 章 振动冲击测试技术概论 .52.1 测量系统的组成及工作原理 .52.2 振动测量 .72.2.1 振动试验设备 .72.2.2 振动试验夹具 .72.2.3 振动系统组成 .82.2.4 测试中的若干技术问题 .82.3 冲击测量 .102.3.1 冲击试验设备 .102.3.2 冲击测设的特点和要求 .122.3.3 测试中的若干技术问题 .12第 3 章 振动冲击传感器 .143.1 传感器的分类 .143.1.1 根据测量原理分类 .143.1.2 根据测量方式分类 .143.1.3 根据作用原理分类 .143.1.4 根据是否内置放大器分类 .163.2 传感器的选择 .173.3 传感器的发展 .18III第 4 章 冲击振动仪器的合理选择及使用 .214.1 冲击振动仪器的合理使用 .214.2 传感器的合理安装 .214.3 系列电荷放大器的合理使用 .22第 5 章 获得稳定测量数据的措施 .235.1 测量系统的校准方法 .235.2 测量精度的保证 .23第 6 章 数据处理之冲击响应谱 .266.1 研究现状 .266.2 冲击响应谱概述 .276.2.1 冲击响应谱的物理模型 .276.2.2 冲击响应谱分类 .27第 7 章 气炮冲击试验 .29致 谢 .31参考文献 .32附 录 .331振动冲击测试技术及数据处理之冲击响应谱第 1 章 绪论1.1 课题背景及研究概况振动测试在近代工程领域中有极重要的地位，受到大家普遍重视，很多部门和单位在进行实践探索和研究，新的测试方法和手段不断涌现，这是因为振动是自然界和工程界广泛存在的现象，要利用它造福人类或减少它的危害都离不开振动测试进入九十年代以来, 随着半导体加工工艺的日完美, 微电子技术的迅速发展, 微机化机械加工技术和工艺的不断更新, 现代振动与冲击测量传感器正朝着更小、更轻、更价廉物美、更高可靠性和更坚固耐用的方向发展。也正是因为具有了这些优点, 才使得振动传感器在更多的领域得以应用。航空、航天等尖端技术的发展促进了振动测量传感器的研制与开发, 采用新的微工艺加工的振动传感器无疑是对原有传感器的一次重大变革。而与此同时, 传统的压阻、压电式加速度传感器的加工水平也在不断改进提高, 这就使得测振传感器的发展和应用有了更广阔的空间。冲击响应谱技术是未来冲击试验发展的方向和趋势，但国内系统地阐述冲击响应谱本质及其实现方法的文章还未发现，本论文就是在这样的背景下从冲击响应谱的概念入手，把应用于航天、航空及其他领域的各种响应谱进行了深入系统地阐述。编制了冲击响应谱分析软件，利用 MSCPATRAN、MSCNASTRAN 等 CAE 软件来设计冲击响应谱设验机的核心部件谐振板，得出了谐振板的固有特性及安装的边界条件等因素和冲击响应谱的关系，并在计算机上进行冲击试验的仿真分析，绘制在不同条件下的响应谱曲线。最后在垂直冲击试验台上安装谐振板来进行试验，把实验结果和仿真计算结果进行比较，检验仿真方法的正确性和计算结果的准确性。1.2 振动冲击测试技术简述多数振动工程问题的解决都需要对有关参数进行测量，为试验和分析提供基础数据，因此测量技术是振动工程的重要环节。2按照被测参数在测试过程中的状态，可分为静态测量与动态测量。静态测量是指被测量保持恒定不变（或缓慢变化）的测量；动态测量是指被测量随时间而不断变化的测量。在火箭振动工程中，动态测量是获取许多快速变化物理参数量值信息的手段。通过测量获得未知输入过程的变化规律；或者在给定的输入条件下测量研究对象的响应，以求得被试体系的各种特性参数。值得指出的是，在测量结构的传递函数时，包含了测量系统的传递函数，只有消除了测量系统的传递函数的影响，才能得到真正的结构的传递函数，所以测量系统动态特性的研究具有重要地位。测量技术是涉及力学、电子学等多种学科的综合性技术，它的发展有赖于这些学科的发展。测量方式已由机械式的直接测量发展为机电变换式的远距离测量；测量仪器由指针式仪表发展为实时显示装置；记录形式由一次性记录发展为能长期存储和重放的形式。随着微电子技术的发展，用微型计算机控制，自动进行数据采集和处理的数字式测试系统又将逐渐取代模拟式的串联测量系统。系统由分离的单元进一步发展为组合的形式，并形成与数据处理紧密相连的统一设备。1.3 冲击振动测试仪器无论哪种类型的冲击振动测量系统均由图 1.3.1 所示的三部分组成。一次仪表由不同类型的传感器组成，常用的有电磁感应式传感器，压电晶体式传感器，电容传感器，电感传感器，电阻传感器，涡流型传感器等，其作用是将非电量信号变成电量信号。二次仪表由各种不同类型的变换器组成，常用的有系列电荷放大器，静态电阻应变仪，动态电阻应变仪，静动态电阻应变仪。三次仪表为记录或显示设备，其作用是贮存信号或进行数据处理，常用的有，各种不同类型的磁带记录仪，系列瞬态记录仪等。图 1.3.1 冲击振动测量系统组成1.4 冲击响应谱的工程背景及意义产品在生产、运输、使用等过程中都会遭受各种冲击载荷，尤其是在国防和关系国计民生的一些支柱行业中，有关冲击的研究尤为重要。冲击不但会给产品带来一定的损3伤和破坏，而且会大大降低产品的可靠性。例如在航天领域，运载火箭的级间分离、整流罩分离等会产生多大的冲击力，这会对火箭的其它部件起到怎样的影响；在航空领域，飞机起落架在着地的过程中会产生多大的应力，这种应力会对机身产生怎样的潜在破坏；在军事领域，坦克高速行进在野外时其瞄准镜的抗冲击能力到底有多大；在电子消费品领域中，抗跌落性能的好坏直接影响到产品的用户满意度；在工业生产中，建筑工地的打夯机，在 1 吨冲击力的不断作用下，使用寿命有多长等等，如果这些问题不能很好解决的话，将会给国家经济带来巨大的损失。冲击试验则可以很好地对产品的性能及可靠性起到预检作用，通过对产品进行冲击试验可以使一些不良后果得到预先的控制。在经济生活中，小至日常用品，大至船舶、卫星、火箭及其他大型设备都需要进行冲击试验。并且，随着人们对产品可靠性认识和工业技术水平的提高，可靠性环境试验将会越来越受到重视。因此，有关冲击试验研究对于国防事业、国家经济的发展将具有非常重要和积极的现实意义。经过国内外众多学者的研究，冲击试验技术经过一百多年的发展至今已经相当成熟了。在众多关于冲击试验研究的基础上，总结概括起来，冲击试验主要包含两种测试技术，其一是采用经典波形控制实验，这种实验方法主要是利用跌落式冲击机产生简单的冲击脉冲如半正弦波、矩形波、梯形波及后峰锯齿波等，这种模拟方法使用方便、操作简单且重复性好，在没有冲击响应谱模拟能力的情况下通常采用此方法模拟冲击环境，但这种模拟方法不能真实有效地模拟冲击环境；其二是近年发展起来的冲击响应谱实验。目前，有关冲击响应谱试验的研究是国外研究的热点问题，而其在我国起步较晚，现在仅处于起步阶段。冲击响应谱之所以受到国内外专家学者的密切关注，主要原因在于冲击响应谱实验可以较真实的模拟系统所受到的真实冲击环境，可以很好的解决经典波形实验对产品所施加的过冲击，对系统的预检作用也更准确更安全。冲击响应谱是指一系列单自由度质量-弹簧-阻尼系统，当其公共基础受到冲击激励时产生的响应峰值做为单自由度系统固有频率的函数绘出的图形。冲击响应谱的用途极其广泛，其可以用做衡量冲击作用效果的尺度、可以用于冲击事件的统计分析、可以用于不同冲击波形的等效转换、可以用于试验有效性及重复性检查，也可以用于指导承受冲击作用系统的设计。和经典波形的冲击相比，冲击响应谱有如下几点优势：1) 研究冲击的目的不是研究冲击波形本身，而更注重的是冲击作用于系统的效果，或者说研究冲击运动对系统的损伤势。而用冲击的时间历程来描述损伤势不但困难，而且有时会得出错误的结论。而冲击响应谱规范则能很好的避免这样的错误；42) 传统的冲击规范严格规定脉冲的类型，而响应谱规范则对冲击脉冲的类型和产生冲击的方法不做严格要求，因此实验的灵活性增大；3) 冲击响应谱是响应等效的，对产品的作用效果也等效，因此冲击响应谱模拟比规定冲击脉冲来模拟更接近实际冲击环境；4) 对于工程设计人员来说，通过冲击响应谱的分析，可以对设备各部件所承受的最大动力载荷能够有比较准确的把握，从而预测出冲击潜在的破坏；同时还能提供给工程设计人员一个比较灵活的技术，以确保试验的可重复性。综合以上四点可以得到：冲击响应谱实验技术是冲击试验发展的方向。目前，美国等发达国家的冲击响应谱试验技术已经比较成熟，以美军标 MIL-STD-810F、MIL-STD-7005 等代表的冲击试验规范要求以冲击响应谱作为瞬态试验的标准。而我国 GJB-150A中仅规定对于某些特定产品采用冲击响应谱技术，例如爆炸分离等。这是因为我国的冲击试验机及相关的控制、分析软件还比较落后，不能够将此技术广泛应用于冲击试验。冲击响应谱试验技术在我国有很大的发展空间。研究冲击响应谱主要有如下意义：1) 用做衡量冲击作用效果的尺度。因为大部分系统和结构均可用单自由度系统表征，即使复杂的设备或结构亦可用优势频率或模拟频率来表示，故用冲击谱可以容易地判定结构在冲击作用下的响应峰值大小，得出是否会损伤的结论；2) 用于冲击事件的统计分析，可得到具有给定置信度及可靠度的代表冲击环境的规范谱；3) 用于不同冲击波形的等效转换，如将实际复杂冲击转换成损伤势等效的半正弦脉冲；4) 用于试验有效性及重复性检查；5) 用于指导承受冲击作用系统的设计。一般来说，冲击响应谱试验技术分为冲击响应谱试验实现和冲击响应谱试验规范两个方面。冲击响应谱试验的实现主要是通过计算机仿真、试验室试验两种方法来实现；而冲击响应谱规范则是检测所得到的曲线是否在允许的容差范围内，是否达到标准规定的量值，进而描述试验是否是一次合格的冲击试验，其普遍意义在于对产生的冲击响应谱的实用性及可靠性做一规范性的评述。即冲击试验时获得的冲击响应谱与给定的试验谱线吻合的程度是否满足规范要求。5第 2 章 振动冲击测试技术概论2.1 测量系统的组成及工作原理为了获取试验过程的动态信息，需要通过测量装置将变化的物理参数变换成电信号。若干有关设备组成的测量系统能完成这种转黄、记录，并准确地再现被测量信号的波形。鉴于电信号易于变换、传输、处理，电测装置具有惯性小、频带宽、动态范围等特点，动态测量普遍采用电测系统，一个完整的电测系统必须包括如下三个环节：1） 传感器获得信息，把非电量变成电量的部分；2） 信号调节器调节电信号的部分；3） 记录器记录。显示信息的部分。它们之间的关系可用框图 2.1.1 表示。图 2.1.1 传感器、信号调节器、记录器的关系图（1） 传感器的功能及类型传感器是感受测量对象的某种参量并按照一定规律将其转换成所需物理量的一种装置，在力学测量范畴多为机-点转换。传感器通常由直接感受被测的敏感元件和转换成电信号输出的变换部分组成。表 2.1.1 列出了常用的传感器类型及其可测参量。6传感器类型 变换原理 可测参量电位计式 机械位移转换成为电阻位移变化 线位移、角位移、压力应变电阻式 导体几何尺寸改变引起电阻变化 力、压力、位移、加速度、应变、扭 矩压阻式 压力引起电阻变化 力、压力、位移、加速度、应变、扭 矩电容式 电容随极板的极距、面积或介质变化 位移、力、压力、厚度、液位、物体电感式 磁路几何尺寸变化引起电感变化 位移、力、压力、加速度、厚度、扭 矩电涡流式 磁场耦合引起电涡流作用 位移、转速、厚度压电式 晶体受力产生电荷 力、压力、加速度压磁式 应力变化引起导磁体的导磁率变化 压力、拉力、弯矩、扭力、扭矩、推 力霍尔式 载流体在磁场中的电效应 位移、压力、加速度、速度、转速、 位置表 2.1.1 常用的传感器类型及其可测参量（2） 信号调节器的功能及类型信号调节器又称测量电路装置，它的功能是将传感器输出的电信号进行转换、放大和适调处理（如归一法、积分、滤波或多路切换） ，从而调节成便于记录、显示和作进一步数据处理的信号，与传感器配接的常用信号调节器及其基本测量电路如下表 2.1.2信号调节器的选择，除了柑橘相应的传感器外，还要考虑如下因素：放大倍数、频率特性、输出阻抗、输出阻抗、非线性失真、信噪比以及记录器类型等。信号调节器传感器类型工作原理 基本测量电路电阻式 将电阻变化量变换成电压变化量 交流供桥电阻应变仪、直流供桥电阻应变 仪电感式 将电感变化量变化成电压变化量 载波放大器电容式 将电容变化量变换成电压变化量 载波放大器、压控振荡器、脉宽调制电路压电式 阻抗变换。电荷、电压变换、电压放大 电压跟随器、电荷放大器、电压放大器电磁感应式 放大、整形、输出脉冲信号 波形变换器表 2.1.2 传感器配接的常用信号调节器及其基本测量电路（3） 记录器的功能及类型7记录器的主要功能是记录所测信号的时间历程，以便试验后院观察、分心或处理。有些记录器兼有显示或分析处理数据的功能，目前波形记录装置分为模拟式和数字式两大类。表 2.1.3 列出动态测量中几种常见的记录器及功能。名称 工作方式 特点 用途笔式记录仪 记录电压时间历 程操作简单、记录幅度宽、图形可长期保存、便于判读、上限频率低、不便于对信号进一步处理记录低频或已分析信号光线示波器 记录电流时间历 程 频率响应中等、多线记录、价格不高、不 便于对信号进一步处理 高低频信号的同时记 录模拟磁带机 电压或电流时间 历程的存储 频响好。多路同时记录。长期储存、多次 复制、时基变换灵活、易与计算机配合 高低频及暂态过程的同时记录、多路储存电子示波器照相 将波形拍照频带宽、动态响应好、操作复杂测点数有限 记录高频瞬态信号记录示波器 暂时存储波形 频带宽。但储存时间不长、测点有限 记录单次瞬态信号数字式磁带 存储二进制数字 信号 记录数据准确可靠、具备模拟式的优点、 结构复杂 可广泛应用数字存储示波器数字存储模拟显示局用无限长的存储时间。频带宽。测点有限 记录单次瞬态信号瞬态信号记录仪数字存储，数字和模拟输出 长时间存储，频响高、测点有限 记录瞬态信号信号分析仪 信号记录、数据 处理 记录与处理一并进行。现场实时分析 可广泛应用表 2.1.3 动态测量中几种常见的记录器及功能2.2 振动测量振动参数包括位移、速度和加速度等。测量这些参数或其中某一参数随时间变化的曲线，进行数据处理就可以得到振动工程所需要的各种信息。2.2.1 振动试验设备振动试验设备是振动试验的必备条件。随着试验目的、载荷性质、试验频率范围的不同，采用的振动试验设备也不同；振动试验设备一般可分为加载设备、控制设备及记录设备三部分。82.2.2 振动试验夹具振动台是振动试验室的通用设备。台面上有固定的连接螺孔，试验时，首先要将试件固定在台面上。一般情况下，试件无法直接连接到台面上或滑台上，因为螺孔位置和大小很难一致，这就需要一个过渡件把试件和振动台或滑台连接起来，这个过渡件就是振动试验夹具。2.2.3 振动系统组成最基本的振动测量系统由振动传感器、信号调节器和记录器组成。对于低频振动，选择位移作为测量参数有利；相反，在高频情况下，选择加速度作为测量参数有利。因此在早期发展了多种位移、速度和加速度传感器，以适应不同频率信号的测量。但随着测量技术的发展。由于加速度是以惯性系为参考的绝对测量，加之加度计的质量小频带宽等许多优点。它逐渐取代其它传感器。除某些情况外大部分使用加速度测量系统。常用测振系统的烈性及特点列于表 2.2.1，压电式加速度测量系统由压电加速计、电荷放大器和记录器组成。表 2.2.1 常用测振系统的烈性及特点2.2.4 测试中的若干技术问题以上阐述的测量的一般性原则是必须注意的，然而许多实际操作问题也会严重的影名称 原理 直接测 量量 优点 缺点 应用电容式 电容变化 位移 构造简单、使用方 便、输出信号大 受温度湿度和电缆参数影响、易于受外界干扰 高频小位移、 相对 振动参数电动式 电磁变化 速度 不耗电源、信号输出大、抗干扰性好 可测最低频率仅 810HZ 宽振幅范围的绝对 速度应变式 应变效应， 压阻效应 位移加 速度 低频响应好、低阻 抗、稳定力强 工作温度范围小 中低频和大振幅动 载荷压电式 压电效应 加速度 动态范围大、频带宽、结构简单可靠 高阻抗、易受天气干扰、 无零频响应 变频和高 g 值范围加速度伺服式 力平衡 加速度 分辨率高、精度高、 稳定性好 结构复杂、价格昂贵、 使用范围窄 0.0110g 小量程测量9响测量正确性和精确度，也是不容忽视的。下面扼要讨论这些问题。（！） 传感器的安装传感器及安装支座组合体的共振频率直接影响传感器可测得最高频率，因此不可忽视。安装形式的选择除考虑可靠、方便等条件外，主要考虑测量信号频率范围的要求。常用的安装方式如下：1） 钢螺栓直接固定：连接刚度大，安装共振频率高，测量频率范围最宽，可靠性好。2） 绝缘螺栓或绝缘块连接：用非金属螺栓穿过绝缘垫圈固定传感器，或通过非金属转接块用两个分离的钢螺钉将传感器固定到试件上，这是解决系统地回路噪声的最好办法，但连接刚度略小，测量频率范围降低。3） 粘接：如果不允许在被测体表面钻孔时，可用粘接法。粘接的可靠性决定于粘接剂的强度。要求有较高粘接技术，否则可靠性降低。当需要在宽频带振动信号中拾取低频信号时，可以在传感器与被测物体之间安装机械滤波器，以滤去被测信号中的高频分量，而保留其低频成分。（2） 系统接地方式压电式传感器是高阻抗信号源，对噪声干扰极为敏感，为了有效地抑制噪声，需选择最佳的系统接地方式。1） 传感器接地安装-放大器单端接地由于测量系统形成两点接地，构成地回路，地回路噪声会严重影响测试结果。2） 传感器绝缘安装-放大器浮地这是一个全浮系统，由于无接地点，仪器壳体和屏蔽层上感应的噪声电荷无可泄通道，对干扰敏感。3） 传感器接地安装-放大器浮地形式上系统是单端接地，然而电荷放大器与地之间有分布电容，仍存在对地的交流通路。噪声会影响低量级振动的测量。4） 传感器绝缘安装-放大器单端接地这种接地方式使系统具有最好的噪声抑制特性，因而是最可取方式。还需指出，在不能采用传感器绝缘安装而干扰又比较大时，应选用带接地隔离的放大器；或使用平衡差动压电传感器配以差动电荷放大器。在干扰特别严重的环境下，可以将信号调节器的电荷/电压变换部分尽可能地靠近压10电传感器；或者选用与信号调节器组装在一起的、具有低阻抗输出的压电传感器。2.3 冲击测量2.3.1 冲击试验设备为了进行冲击强度和冲击环境试验，应具备某些基本的冲击试验设备。比较成熟的有下述几种，可根据具体情况选用。（1） 跌落式冲击机跌落式冲击机由刚性平台、平台轨迹、释放机构和碰撞缓冲机构组成。试验时，将平台提升到预定高度，释放后，平台沿导轨下滑与缓冲机构相撞。利用平台撞击时的能量转换产生加速度冲击脉冲，脉冲的形状、幅值、脉宽由平台质量、跌落高度和缓冲机构性质决定。跌落式冲击机是冲击试验中使用最为广泛的设备，主要用来产生简单脉冲；经过适当改造，也可用来产生复杂冲击脉冲。模型如图 2.3.1图 2.3.1 跌落冲击机和多次联系冲击机（2） 多次连续冲击机多次连续冲击机由一个具有等角螺线的凸轮和带有导轨的平台组成。凸轮转动时将平台从中间顶起。转到螺线断开处，平台便跌落到缓冲器上产生冲击脉冲。脉冲的形状和幅值取决于缓冲器的类型。试验时，将试件装在平台上，平台随着凸轮的转动，反复地跌落和顶起，使试件经受多次重复的简单脉冲。重复的频度可由凸轮转动的速率来调11整。用计数器记录冲击的次数，达到预先规定的次数时便停止试验。模型如图 2.3.1（3） 锤击机锤击机由金属重锤、刚性平台和环形导轨组成，用金属重锤瞬时地打击平台的底面或侧面，平台便在打击方向产生加速度响应，冲击加速度的幅值由重锤的质量和落高来调节。由于重锤与平台之间碰撞的面积很小，难于放入一个缓冲器，因此很难控制平台的加速度波形和持续时间。为了防止平台在重锤打击方向飞出，须用螺钉弹簧制动器阻挡平台运动。因此必然产生许多弹性碰撞，所以锤击机平台上的冲击加速度波形往往是复杂振荡脉冲。平台与重锤都具有较大的刚性，它们的碰撞接近于刚性碰撞，碰撞持续时间很短，所以锤击机产生的冲击加速度幅值往往很大，冲击的高频成分也较多。（4） 气动冲击机气动冲击机由平台，砧座，缓冲垫，上、下气缸，活塞杆和活塞，底座和外筒等组成。此外还有管道，阀门，气瓶及控制仪表等。模型如图 2.3.2图 2.3.2 气动冲击机（5） 其它冲击试验设备随着电子技术飞速发展，环境模拟方法也发生很大变化，其中最引人注目的是，研制出能使振动台产生冲击运动的数字控制系统。这种系统以傅立叶变换和传递函数分析为基础，使振动台产生规定的冲击运动或使冲击满足冲击谱要求；除控制算法外，所用的试验设备与随机振动试验的完全相同。所以，只要对随机振动控制系统的软件功能加以扩展，便能利用常规振动试验设备进行冲击试验，这种系统的优点是自动化程度高，试验结果精确，便于重复试验等，但受振动台推力和位移极限限制，只能进行低量级冲击试验。12此外，还有一些进行结构冲击强度试验的设备和模拟火工频爆炸冲击环境的试验装置，如外压冲击机、冲击响应支架、爆炸分离试验装置等，由于它们的专用型，将进行专门论述。2.3.2 冲击测设的特点和要求冲击信号的特点是强度大、频带宽、相频特性要求高。要求测量系统有足够的动态范围。同时换能元件有较高的结构强度。典型的冲击脉冲波形和它们的傅立叶谱，可以看出频谱是连续的，一般的说，脉冲的前沿特性决定了频谱的高频特性，脉宽决定了低频的特性，冲击的脉冲前沿特性随物理过程的不同而不同。在实际应用中名主要有看三部分的要求和限制：1） 幅频响应的要求 2）相频特性的要求3） 信号上升斜率的限制2.3.3 测试中的若干技术问题（1） 零漂现象冲击测量，特别是压电式冲击测量中往往出现零漂，轻则影响测量精度，重则危及测量数据的获得，特别在高量级的冲击环境测量中尤为严重。零漂的形成有很多种原因，最主要的是压电加速度计在强冲击脉冲作用下，其晶体片受到过量的动应力，引起晶畴的重新排列甚至永久性翻转；以及加速度计晶体片、质量块与基座之间的预紧力不够，在冲击力作用下使晶体片产生移位等。抑制零漂的主要途径是用压电加速度计的线性工作段，即所测最高加速度低于非线性输出 4%所对应的校准点，以避免晶体的过应力；采用剪切式等不同结构形式的加速度计也有利于改善零漂。（2） 滤波器的使用通过高、低通滤波可以选择合适的测量频带，防止传感器共振响应或其它干扰造成被测信号的畸变，但必须注意以下两点：滤波器的设置应尽可能靠近信号源端；13必须避免滤掉有用信号和产生相移。（3） 冲击校准由于冲击测量的瞬态性和高过载等特殊要求，仅用普通的动态特性校准方法已不能满足要求，必须进行专门的冲击校准。加速度计的冲击校准除了校准冲击灵敏度、幅值线性度、瞬态响应能力外，还包括检验加速度极限、正负高 g 值冲击下加速度输出的不对称性，以及加速度计的零漂等。测量仪器的冲击校准包括频响和上升时间，后者是为了确定仪器对脉冲的瞬态响应能力。冲击传感器校准方法有速度增量法、速度切线法和冲击力法。近来发展了冲击峰值响应比较校准和利用傅立叶变换的冲击比较校准。它们可在高加速度下进行，且傅立叶变换的冲击比较校准将冲击时间响应转换到频域，可给出整个校准频带内任意点的灵敏度值。14第 3 章 振动冲击传感器3.1 传感器的分类为适应各种场合下振动测量的需要，半个世纪来研制了各种原理各种形式的传感器，如表 3.1.1：分类的依据 类 别测量原理 绝对式传感器、相对式传感器测量方式 接触式传感器、非接触式传感器被测参数 位移计、速度计、加速度计作用原理压电传感器、压阻传感器、感应传感器电容传感器、涡流传感器、应变传感器伺服传感器、电感传感器等是否带内装放大器 带内装放大器的集成电路式传感器不带内装放大器的表 3.1.1 各种原理各种形式的传感器3.1.1 根据测量原理分类绝对式传感器是以大地为参考基准，即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对位移或速度。3.1.2 根据测量方式分类接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等，非接触式传感器有电涡流式和光学式等。在测试中所用的传感器多数是磁电式、电涡流式、电阻应变式和压电式。 153.1.3 根据作用原理分类（1） 压电传感器压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式传感器的体积小，重力小、刚度大，所以它的固有频率很高，一般可达几十千赫，甚至更高。（2） 压阻传感器压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到几十千赫兹的高频测量。（3） 电容传感器电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。（4） 电感式传感器电感式传感器与机械二阶系统结合，就可用于振动的测量。由二阶系统分析可知，当弹簧刚度很小、质量很大时，可用来测量振动的幅值；当弹簧刚度很大，质量很小时，又可用来测量振动加速度。这种传感器响应一般为 0150Hz。（5） 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。传感器线圈的厚度越小，其灵敏度越高。 （6） 感应传感器感应同步器是 60 年代末发展起来的一种自动高精度位移（线位移，角位移）传感器。按其用途有两大类：直线位移感应同步器；测量角位移的圆感应同步器。由于它具有测16量精度高，受环境影响小，使用寿命长，维护简便，可拼接成各种测量长度并能保持单元精度，抗干扰能力强，工艺性好，成本低等优点，广泛应用于大型机床和中型机床上，作为数字位移读出和控制装置用。（7） 应变传感器电阻应变式传感器与其他类型传感器相比，有以下特点：测量范围广。如应变力传感器可测量 10-2107N 的力；应变式压力传感器可测量 10-1106Pa 的压力；精度高。高精度应变式传感器的误差可达 0.1%或更高；输出特性线形好；工作性能稳定、可靠能在恶劣的环境下工作。这类传感器能在大加速度和振动的条件下工作，只要进行适当的结构设计及选用合适的材料，应变式传感器能在高温、低温、强腐蚀及核辐射的条件下可靠的工作。（8） 伺服传感器伺服式加速度计又称“力平衡式传感器” 。采用这种原理工作的传感器，早先主要用于导航的线加速度测量、精密的静态压力测量以及精密天平中。其主要应用是实现低 g值的测量，或者是为了实现高精度的振动测量。（9） 光纤传感器光纤传感器是 20 世纪 70 年代迅速发展起来的一种新型传感器。它具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点。光纤加速度传感器的频率响应并不高，一般只能响应几百赫兹频率的振动。但对加速度却有良好的线形响应。（10） 光电传感器光电传感器：是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件。它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转换成电信号的器件。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等，也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度以及物体的形状、工作状态的识别等。3.1.4 根据是否内置放大器分类（1） ICP 传感器17ICP 传感器就是指内置集成电路的压电传感器，典型的 ICP 系统常用恒流源供电，供电电缆同时做为信号输出线，输出低阻抗信号，整个系统包括 ICP 传感器。普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的 ICP 系统都需要一个不间断电源为 ICP 传感器提供恒定的电流。ICP 传感器的高频响应通常受三个因素的限制：传感器的固有频率，内置放大器的类型以及传输电缆。ICP 传感器的低频响应，主要考虑两个因素：一是传感器的放电时间常数；另外一个因素则是信号适调器的耦合电容，如果信号采用直流耦合方式，则低频响应只决定与传感器的放电时间常数，但直流耦合会带来零漂问题，因此大多数信号适调器都采用交流耦合。（2） 电压输出型压电加速度传感器电压输出型压电加速度传感器，是内装 IC-集成电路放大器的加速度传感器，它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统，提高了测量精度和可靠性。其突出特点如下：低阻抗输出，抗干扰，噪声小 性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。3.2 传感器的选择我们在做测量的时候,选择合适的传感器是很重要的一个环节,就传感器而言,种类就有很多,一旦选的不好,就会给后期工作带来很多的麻烦,下面介绍几种选择传感器的简单方法。（1） 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量.在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。（2） 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，18传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。（3） 频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。（4） 线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。（5）稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。（6） 精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，19就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。在一般情况下,如果考虑到了上面几点,就可以选择到合适的传感器了。3.3 传感器的发展传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。传感器是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、 多功能化和网络化的方向发展。（1） 微型化传感器微传感器是在微机械电子系统技术基础上发展起来的一类新型传感器。微传感器具有体积小、重量轻、易于批生产、成本低等特点，就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响。许多常规传感器不能胜任的工作，通过使用微传感器可以很好地完成。（2） 智能化传感器智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。一个通用的检测仪器通常只能用来探测一种物理量。其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的；但智能化传感器却能够实