振动试验系统计量现状及发展综述

振动及振动试验系统计量现状及发展综述

杨晓伟

北京航天计量测试技术研究所

1.前言

振动是用位移、速度、加速度和频率等物理量来描述。振动测试在现代工程中诸如振动试验，结构分析，机器状态监测和故障诊断等，测试数据的准确与否直接取决于计量结果。

上世纪五十年代初，世界各国得到的振动校准结果很不一致，误差往往大于10％，经过几年的努力，校准误差降低了一个数量级，这是由于发明了绝对互易校准技术而实现的，其最低校准不确定度可达0.5%。进入60年代以来，激光干涉技术逐渐成熟，振幅测量可从0.2µm到2m以上，几乎能把所以振动的幅值范围覆盖起来，而且准确度高。基于激光干涉仪的振动基准装置很快在70年代研制出来，并获得广泛地应用。而与此同时，互易校准由于其方法繁琐，频率范围窄，且难以获得好的结果，几乎无人使用了。目前世界各国振动基准都采用激光干涉法校准。2.振动计量的现状

振动计量实际上指的是振动传感器计量，分为两种校准方法，即绝对法和比较法。绝对法校准指的是用测量物理量的基本单位和导出单位的方法来确定振动传感器的灵敏度；比较法校准指的是被校传感器灵敏度与已知灵敏度的标准传感器作相对比较，从而得出被校传感器的灵敏度。

典型激光干涉法振动绝对法校准装置图中，激光沿着x轴传播，激光光束经分光镜分成两束，一束光透过的分光镜至参考镜，另一束经分光镜至固定在振动台面上的测量镜片上。因为参考镜的位置是固定的，因此光线通过的路程是常数，而测量镜则随振动台做上下振动，因此光程是变数。两束光经参考镜和测量镜反射后和成产生光的干涉，形成明暗相间的干涉条纹R。

光电信号与振动信号之间的关系见下图，两光束的光程差每增减一个波长，干涉条纹就相应移动一条，光电元件接受的光的明暗就变化一次。

对干涉条纹的光电信号处理方法不同，形成了不同的测振幅的方法，主要有频比计数法，多周期平均值法，干涉条纹细分法，贝塞尔函数法。这些方法的使用覆盖的振动校准频率范0.1Hz-50kHz。

光电信号处理方法各类校准方法适用的频率范围及校准不确定度

迈克尔逊激光干涉仪以及频比计数法、贝塞尔函数法等技术成熟，设备简单，但它们仅能获取振动信号的幅值，无法测量其相位。振动信号是一个矢量，不仅有大小，而且还有方向。因此应对振动传感器的灵敏度进行幅值及相位校准。上世纪90年代中期，德国物理技术研究院(PTB)发明了激光干涉正弦逼近法，这是一种即可测量振动信号的幅值又可获取其相位的新方法。

振动绝对相位校准研究采用正弦逼近法的迈克尔逊正交激光干涉仪

正弦逼近法在迈克尔逊激光干涉仪上做了改进,使其干涉输出有两路正交信号,加之后续的波形记录与数据处理,所以一次绝对校准后不仅获得了加速度幅值，而且可以获得相位,这是近年来振动绝对校准的一个突破。

目前按照ISO16063-11,激光干涉振动绝对校准依频率范围与加速度动态范围的不同,其校准方法分为:(1)条纹计数法;(2)最小点法(贝塞尔函数法)(3)正弦逼近法。方法(1)对应的频率范围为1Hz～800Hz,方法(2)对应的频率范围为800Hz～10kHz，方法(3)对应的频率范围为1Hz～10kHz。对测量不确定度的要求是在满足校准参考条件下,灵敏度值的校准不确定度应达到0.5%,灵敏度相移的校准不确定度应达到0.5°,而当偏离了校准参考条件时,也应满足灵敏度值≤1%,灵敏度相移≤1°。上述的迈克尔逊激光干涉仪是零差式激光干涉仪，尽管零差式正弦逼近法有上述突破,但当其校准振动位移幅值≤0.5μm时就存在一定困难,甚至是不适宜的。近年来PTB和中国计量院已采用外差式激光干涉仪可实现微小振动位移幅值的校准,且达到1nm的水平。目前,采用改进后的零差式迈克尔逊激光干涉仪的正弦逼近法可以实现微米级振动幅相特性的精确校准,而外差式激光干涉仪的正弦逼近法能够实现纳米级振动幅相特性的精确校准。振动比较法校准原理图

在比较法校准中，需测灵敏度的传感器以背对背方式固定于参考传感器上，它们再一起被安装在校准振动台上。由于两个传感器的输入加速度是相同的，它们的输出之比就是它们的灵敏度之比。由于比较法要使用经绝对法校准的参考加速度计，所以在任何情况下，比较法的校准不确定度高于所用参考加速度计的校准不确定度。

由于在多数场合下，经比较法校准的传感器都能满足振动测试的要求，加之原理简单，操作方便，因而得到广泛的应用。多年来随着计算机技术、电子学、信号分析处理技术等的发展，涌现了许多先进的自动校准系统，其校准不确定度均可以达到2%以下。随机激励和正弦激励是目前比较法校准的两项主要技术，孰优孰劣、见仁见智。应当说两种方法有各自适用范围，能起到相互补充的作用。随机激励和正弦激励的主要特点对比校准激励方式随机正弦分析中泄漏有可避免非线性的线性拟合可拟合不可校准速度快慢对环境要求低高3．振动传感器与振动试验系统计量量传关系

通过对振动传感器的校准（检定），可以将国家最高计量标准所复现的振动量值通过对振动试验系统的控制和校准（检定），传递到各类振动试验系统中，以保证振动试验系统试验参数的准确和一致。对大多数的振动试验系统来讲，由于传感器的安装，长电缆的使用，信号调节，控制系统与驱动和反馈环节的匹配等系统因素，振动参数最小误差可达2%，最大误差可达10%。

振动量值传递框图

4．振动试验系统的校准（检定）

近年来计算机软硬件技术和信号处理技术的飞速发展,使得数字控制系统能快速计算各类信号（随机、正弦和冲击），并与所要求试验信号相比较，经计算并输出相应信号，使得各种振动试验诸如随机、随机加正弦、随机加随机及冲击响应谱等成为成为现实。目前基于数字控制系统的振动、冲击碰撞、运输颠簸试验台等获得了广泛应用。选择具有代表性的数字式电动振动试验系统对其的校准（检定）的现状及发展作一介绍。目前功能最齐全的数字式电动振动试验系统具有正弦、随机、冲击及冲击响应谱，《JJG948-1999数字式电动振动试验系统检定规程》详细规定了检定方法，合格性判定指标和准确度等级划分，是一个操作性很强的规程，主要包括以下四个方面：

1）正弦振动试验系统

大多数正弦振动试验系统频率范围可达2Hz-5000Hz，检定频率范围为5Hz-2000Hz，主要检定项目有振动位移、速度、加速度幅值示值误差及台面横向振动比、加速度幅值均匀度和失真度。精心选用加速度计、配套测振仪和动态信号分析仪可使校准不确定度达到2%。

台面横向振动比和加速度幅值均匀度，按规程的方法操作一个非常繁琐的过程，目前已有新的测量方法对此进行了改进。主要有两种方式：a.当数字式控制仪有足够的测量通道时，检定用的多个加速度计可接入这些通道，一次扫频可连续记录各个加速度计的输出值；b．扫频过程中，用信号分析仪采用峰值平均方法采集所有通道加速度幅值，编制后处理程序。这两种方法计算台面横向振动比和加速度幅值均匀度，可以给出电动振动试验系统在整个工作频率范围内而非几个选定点上的均匀度和横向比参数，得出均匀度和横向比的频响曲线。2）随机振动试验系统

试验方法有宽带随机振动试验、正弦加宽带随机振动试验和窄带随机加宽带随机振动试验，其试验谱形如下图所示：宽带随机振动试验所用的频谱范围为20Hz-2000Hz，检定项目为要求的加速度频谱的谱密度、加速度总均方根值和谱形控制精度；正弦加宽带随机振动试验所用的频谱范围为20Hz-500Hz，检定项目为要求的正弦频率、加速度峰值、加速度频谱的谱密度、加速度总均方根值和谱形控制精度；窄带随机加宽带随机振动试验所用的频谱范围为20Hz-1000Hz，检定项目为要求的中心频率的加速度频谱的谱密度、加速度总均方根值和谱形控制精度；

3）冲击试验系统

用电动振动台做冲击试验可以产生规定的各种各样的脉冲形状，主要有以下三种最为普遍，半正弦、后峰锯齿及梯形。如下图：

主要检定项目为脉冲宽度和脉冲峰值，校准不确定度通常在2%～5%范围内。冲击试验包括两类，除上述冲击脉冲时间历程外，还有冲击响应谱，电动振动试验系统越来越广泛使用冲击响应谱，但目前没有有关冲击响应谱的检定规程或校准规范，主要原因是

a.可以证明，差别很大的时间函数可以有同样的冲击响应谱；

b.相同的时间函数，按不同的算法产生冲击响应谱也有所不同。5．振动计量发展趋势

近年来,随着计算机软硬件技术和信号处理技术的飞速发展,数据采集卡的采集速度、分辨率和存储量的大幅度增长,使得实现对频率变化达数MHz以上的光电信号的采集和存储成为可能。而计算机运算速度的提高和应用软件的强大功能,也使得完成数据分析处理和复杂的数学解算相对容易。这些为振动计量的发展注入了强大的生命力，其发展趋势主要体现在以下几个方面:

不断采用新技术

目前普遍采用的激光干涉正弦逼近法振动校准,完全是基于现代计算机技术和数字信号处理技术的发展而产生的，在此基础目前已发明了外差式正弦逼近法和外差式时间内隔法，并都取得了很好的效果。例如将外差激光干涉仪与虚拟仪器技术相结合,利用高速数据采集卡采集多普勒信号,通过软件编程各类数学运算，可以在10kHz～50kHz范围内,实现振动传感器相位的精确校准。目前这一领域已取得进展。

集成化、自动化和模块化

现代计算机技术完全可以利用虚拟仪器技术将图形化编程软件、数据采集通信及必要的仪器模块等硬件和计算机结合起来,能够制造集成化、自动化和模块化程度较高的振动传感器和振动试验系统校准检定装置。

各类振动试验系统校准规范、检定规程在不断的制定和完善中

为提高产品的可靠性，各类振动综合试验设备得到了广泛的应用,为了改善试验设备的技术性能，提高其控制精度，提高我国相关振动试验的水平，近年来相关部门制定和完善许多校准规范和检定规程，“三综合试验设备系统校准规范”、“角振动试