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航空航天领域中的振动测试
《航空测试系统》
课程设计报告
课题：
航空航天中的振动测试技术
时间：
2011年11月2日
@北京航空航天大学自动化学院
第一章引言
第二章振动测试的使用设备
第三章振动测试的方法及原理
第四章振动测试的分类
第五章振动传感器转换原理
第六章振动测试的发展与前景
第七章参考文献
第一章引言
一、进行“振动测试”的原因
为了确保飞行器能够适应太空环境，在奔赴发射场前，它们都需
要经过一系列科学、严格、全面的“体检”。
科技工作者常常采用各种先进的测试手段，模仿飞行器从发射升空到太空飞行的各种环境，通过振动试验、噪声试验、真空热试验、泄复压试验等对其进行详细的“体检”，并对发现的各种问题进行分析与排查。
统揽世界各国的航空航天史，大多数的火箭发射失利，都是由于振动隐患引发了故障，只要能克服这个难题，就能保障火箭顺利升空。
因为航天器发射时，需要巨大的推动力，但同时这巨大的力量也会产生巨大的振动，所谓“地动山摇”也不过如此了。
因此航天器一定要能够经受住巨大的振动，才能保障不发生故障。
为了解决这一问题，人们需要在航天器发射前，对它进行振动测试，看看它是否能够经受的住巨大的振动所带来的破坏。
二、“振动测试”的基本内容
对航天器进行振动测试，有两方面需要考虑，这两方面也是航天器成功发射必须经受的两大考验。
一是力学试验，包括几十万个零部件，也包括安装后的整体。
如果航天器不能经受的住极端振动，那么很可能会在升空后出现发热、疲劳等故障。
二是气象试验，太空气象环境和地球上并不一样，可能会极端恶劣复杂，因此航天器必须要经受气象试验。
第二章振动测试的使用设备
一、“振动台”简介
振动试验是贯穿整个航天器测试始末的，这还需要足够强大的振动仪器。
电动式振动台是目前使用最广泛的一种振动设备。
它的频率范围宽，小型振动台频率范围为0~10kHz,大型振动台频率范围为0〜2kHz;动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。
二、振动台基本原理
电动式振动台是根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，当导体中通以交变电流时将产生振动。
振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信
号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。
电动振动台基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置五部分组成。
驱动线圈和运动部件是振动台的核心部件，它的一阶共振频率决定着振动台的使用频率范围，由于运动部件结构复杂，一阶共振频率计算非常困难，要靠经验估算，这常常造成设计失误。
702所在80年代末首次将有限兀方法用于电动振动台运动部件共振频率的计算，不仅提高了计算结
果的准确度，而且便于对结构进行优化设计，大大增加了振动台的设计可靠性。
三、振动台各部件简介
1、驱动线圈
振动台驱动线圈电流的产生方式有直接式和感应式。
直接式就是将放大器输出的电流直接加到驱动线圈上，这种方式是振动台的主流。
感应式是将交变电流通入一固定线圈，然后通过感应方式在驱动线圈产生电流。
感应式振动台的驱动线圈不需要引出电缆，结构简单，但这种振动台效率相对较低。
2、励磁单元
振动台的励磁单元可分为单励磁和双励磁。
单励磁只有一组励磁线圈，形成一个磁场回路，这种结构励磁效率低、耗电量大、漏磁很大，需要用消磁线圈来保证工作台面有一个低的磁场。
双励磁由两套励磁绕组产生磁场，分别置于工作磁隙的上下两侧，在工作磁隙的磁场互相叠加，而在工作台面上的磁场互相抵消，所以工作台面上的磁场就很小。
同时由于双励磁磁路缩短，磁阻减小，励磁效率比单励磁有显著提咼。
3、功率放大器
功率放大器是电动振动台系统的重要组成部分，它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。
功率放大器发展到现在已经历了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。
电子管放大器在新生产的设备中已基本不用，开关式放大器是近几年国外开发出来的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小，效率可高达90%，而普通的线性放大器的效率只有50%左右。
正是由于开关放大器本身发热少，它的冷却就非常简单，输出功率几十千伏安的放大器仅用很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的结构简
单可靠。
而同样的线性放大器必须要用水来冷却，结构复杂。
开关式
放大器在低功率输出时失真度相对较大，而且机壳需要较好的电磁屏蔽，否则会对周围设备造成电磁干扰。
第三章振动测试的方法及原理
、卫星整星振动试验
1、整星振动试验的特点
1）卫星整星质量大、尺寸大、重心高.质量大使其对振动台的反共
振影响大，尺寸大使其很难保证界面输入振级的均匀性，重心高可能
导致较大的正交振动（与激振方向垂直的横向振动）.
2）整星结构通常由数个分系统、数百个组件组成，结构复杂，模态密度大，频响峰谷密，可能导致界面输入波形失真大.
3）整星试验需要模拟卫星对运载火箭的反共振动力边界条件，使振级输入接近更真实的环境，因此试验条件比组件级条件复杂，给控制增加了难度.
4）整星试验，尤其是正样飞行星的试验应避免因试验失控或超差造成试验中断，这对试验控制提出了更高的要求.
采用多点平均控制、下凹控制、滤波控制、正交振动抑制、防止中断控制诸项技术，有效地解决了上述整星振动试验中存在的问题.此外，整星试验还有一些其它技术，如特征性检验技术、结构共振响应拟合控制技术等.应用这些技术将使整星振动试验更加科学合理.
2、整星振动测试技术简介
1）多点平衡控制
卫星整星通常是通过盆形（倒锥形）夹具与振动台台面相连，振动激励通过卫星转接锥与夹具的对接面传递给卫星.由于对接面尺寸大，而且多自由度、大尺寸、大质量的卫星对夹具的反作用，很难保证对接面上各点的振级输入一致，因此，采用单点控制将导致某些频率的过试验或欠试验.采用多点平均控制，使对接面各点输入的平均值满足试验条件，避免了单点控制带来的问题，使控制更加合理、真实。
2）下凹控制
实现下凹控制，目前有两种方法。
第一种方法是试验条件直接下凹，谷深由星箭的振动耦合分析确定，谷宽可用卫星的3dB共振带宽。
该方法比较直接，易于实现。
第二种方法是响应控制。
除了控制主控点（其位置在卫星与夹具对接面上）输入的加速度（单点或多点平均）之外，还要监控卫星关键部位（监控点）的响应。
通常是监控卫星主结构或危险部位的加速度、位移或应变响应，使其不超过预先设定的环境预示值，以此来限制通过夹具传递给卫星的过试验输入，达到下凹控制的目的。
响应控制的基本原理是：
将主控点和监控点传感器的输出信号，通过放大器分别接入控制系统的控制通道和辅助通道上。
然后在控制系统上进行试验参数设置。
在主控点设置正弦扫描实验条件，在监控点设置响应限制值。
试验中，当监控点响应未达到限制值时，其主控点输入仍按原试验条件。
结构共振时，当有任何一个监控点的响应达到或超过限制值时，控制系统的信号选择和限制功能自动地实现控制通道的转换，并控制监控点的响应，使其不超过限制值.共振峰过后，监控点响应下降，控制通道又转回到主控通道，并控制主控点按试验条件激励卫星.监控点响应达到限制值并受到限制控制时，主控点响应下降，从而呈现了试验条件的下凹控制.该方法直接限制主结构和
关键部位的振动响应，使其不超过环境预示值，因为主结构和这些关键组件在整星试验前大部分已按环境预示值通过了考核•故此方法比
较安全可靠.但环境预示值需要大量的地面试验和飞行遥测数据的统计分析而得到，因此在缺乏大量的实测数据时，环境预示值就很难确疋.
试验中采用哪一种下凹控制方法取决于星箭振动耦合分析、环境预示值的准确程度以及控制系统的功能，大多数数字式振动控制系统都具有限制控制功，对一般模拟式正弦振动控制仪，在反馈回路中加入信号选择器也同样可实现响应控制。
3）结构特性检验
卫星结构的特性检验试验，是评价卫星经振动试验后结构是否完好的重要手段之一。
其方法是在卫星的正弦验收或鉴定试验前后，以低量级（1/4〜1/3的验收级）的试验条件对其进行激励，同时测量星上各点响应，比较前后两次试验的响应数据，其主要的固有频率及其相应的共振峰值不应发生明显的变化。
卫星整星验收试验的结构合格判据是，其主要共振频率（前几阶）的变化最好限制在0.5Hz以内，共振峰值不能有显著变化。
对鉴定试验的合格判据可以适当放宽。
某些部位共振频率的明显下降可能是结构的松动，甚至破坏而引起的。
因此卫星结构特性检验，不仅用于判断经历验收或鉴定试验后结构的完好性，而且还可以通过响应数据分析，对结构进行故障诊断。
4）滤波控制
在正弦扫描振动试验时，从示波器观察到的振动控制信号波形时常不是纯正弦波，而有较大失真和毛刺。
产生波形失真的原因有两方面，一是撞击失真，二是谐波失真。
撞击失真由连接松动、接触不良或试件内部结构碰撞而引起。
在卫星结构试验中，测得这种失真带来的误差，在某些频率特别是在共振频率处，有时达到百分之几十，甚至百分之百。
谐波失真比较复杂，因为试验设备中的每一个环节都可能产生谐波失真。
如激励系统，在正常情况下允许有2%的失真度。
假设卫星、振动台或振动夹具的共振频率正好与该谐频率相耦合，设
放大因子Q=10,那么2%的失真度就变成20%的畸变。
一般，造成谐波失真的原因除电荷放大器的噪声、试验夹具共振、振动台动框共振、功率放大器失真以外，卫星结构也会导致输入波形的谐波失真。
因为卫星结构复杂，常由数个分系统、数百个组件组成，其模态密度大、频响峰谷密、耦合振动多，从而导致界面输入波形的失真。
如果在控制回路中加入跟踪滤波器，即可滤去这些谐波失真引起的高频分量，仅保留基本信号输入控制仪进行控制。
该法消除了波形失真的影响，提高了控制精度。
5）共振响应拟合控制
质量较大的同步卫星大都采用液体燃料发动机作为远地点飞行的助推器。
当正样飞行星进行振动试验时，贮箱内一般不充工质，因此整星质量减轻，刚度加强，结构动特性改变，星体固有频率提高。
如果仍然使用原试验条件进行试验，势必导致某些频率欠试验（特别是在原卫星的主固有频率处），而在另一频率过试验（特别是在不加工质卫星的主共振频率处）。
二、航空发动机整机振动测试
1、航空发动机整机振动测试的基本内容
（1）发动机系统振动基本参数的测量。
测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部结构上的振动位移、速度、加速度总量；在轴承的适当位置测量轴承载荷及转子振动加速度、速度、位移值，以及频率、相位、外传力等参数。
（2）发动机系统振动特征参数的测试。
测量转子一支承系统以及机匣等其它产生高频振动和应力的构
件的固有频率、转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数和物理参数。
FFT是典型的谱分析方法，其幅值和相位充分反映了信号的各个
频率成分，适宜分析航空发动机等旋转机械的振动信号。
2、发动机振动台振动试验技术测试方法与原理
振动试验系统是用来对实验对象进行振动试验的一整套装置。
正弦振动台试验系统通常由振动台、功率放大器、正弦振动控制仪及辅助设备所组成。
磐2」正復嗓动控制聚址的
该系统是一个闭环控制系统，由控制仪发出的正弦信号经功率放大器放大后推动振动台振动，加速度计采集的振动信号经电荷放大器放大后又回到控制仪。
振级由测量的振动信号大小控制并不断调整驱动信号使之达到试验对象所需要的振级。
在做振动试验时，产生失真会使试验对象接受错误的信号。
而被测量的信号又假设成正弦波，因此有时会对试验产生很大的影响，严重时会中断试验。
产生失真的主要原因是功率放大器失真、共振产生非线性响应、结构件撞击产生的冲击信号、本底噪声、在低振级时信噪比太差等。
解决正弦控制波形失真的方法是采用跟踪滤波器。
跟踪滤波器实际上是个带通滤波器，它有跟随证弦扫描信号频率的能力。
采用外部跟踪滤波器也会带来一些缺点，例如需要附加同步信号；滤波器未接牢使试验中断：
因滤波器带来相位移；延长了信号处理时间等。
有时在正弦控制系统中会把跟踪滤波器集成到控制仪里，克服了上述缺点。
这样由控制仪测量的信号是正弦波，而且可以采用峰值和均方值之间的关系。
不管控制仪采用哪种方式控制都可以得到相同的试验结果。
基于振动台正弦振动控制技术，需对以下参数进行测试：
（1）加速度谐波失真度
为了测量发动机或其零部件在某个振动环境下的各阶谐波，检验其是否仍在规定值范围内，可设计加速度谐波失真度试验。
试验装置设置如图2.2所示。
|；Vf2.2加逛废1賊光衣变试怜装芒曲1旳
试验时，在试验系统的工作频率范围内，按倍频程选取包括上限，下限频率在内的多个频率值，测量所选频率下的基波和至少五次谐波，然后计算谐波失真度。
通过试验，也可在试验台系统工作频率范围内，采用振动测试系统，反复寻找加速度谐波失真度较大的频率点，并测量该频率下的加速度谐波失真度和所对应的频带宽度。
（2）加速度幅值均匀度
为了测量发动机或其零部件在某个振动环境下的振动加速度幅值，并检验试
件各个测点位置的振动均匀度，可设计加速度幅值均匀度试验。
试验时，将不少于5只加速度计刚性连接在振动台台面中心和不同直径的安装螺孔分布圆周上，如图2.3所示，图中1,2，3,4，5点为加速度计安装点。
加速度计通过电荷放大器再接振动测试系统的各通道。
图2.3台臼同谨度幅佔均勺度出驻加速厦计理忙咅命鹅卩”
在振动台系统工作频率范围内，按倍频程选取包括上限，下限频率在内的多个频率值，对选定频率下的最大振动幅值的50%以上进
行测量，测得各个测点的振动加速度幅值，然后计算出加速度幅值均匀度。
通过试验，也可在振动台系统的工作频率范围内，测出振动台台面最大加速度幅值均匀度和所对应的频带宽度。
⑶横向振动比
为了测量发动机或其零部件在某个振动环境下各方向的振动加
速度幅值，并检验试件测点位置的横向振动比，可设计横向振动比试验。
试验时，将三轴向加速度计刚性连接在振动台台面中心，使三轴向加速度计的x轴（或丫轴）与振动台的耳轴平行。
加速度计通过电荷放大器分别接多通道振动测试系统。
在振动台工作频率范围内，振动控制仪在主振方向上采用平直加速度功率谱密度随机闭环控制（如图2.2所示），用振动测试系统测量横向加速度频率Hx（f）和Hy（f），确定最大横向振动比及所对应的频带宽度。
在试验系统规定的工作频率范围内，按倍频程选取包括上限，下限频率在内的多个频率值，在所选频率下以振动台主振方向所允许最大振动幅值的50%以上进行振动，依次测量三个方向的加速度幅值，
然后计算出横向振动比。
（4）加速度幅值稳定性
为了测量发动机或其零部件长期处于某个振动环境下的振动加
速度幅值变化，并检验试件各个测点位置的振动稳定性，可设计加速度幅值稳定性试验。
试验时，按图2.3方法安装加速度计及连接测量仪器，预选某一频率值。
加速度幅值调至频率下最大加速度幅值的80%,连续考察1小时，每隔5分钟记录一次加速度幅值示值，然后计算加速度幅值示值稳定性。
（5）定振扫频
为了测量发动机或其零部件在某个振动环境下在一定频率范围
内的振动曲线和使控制参数变化的频率点，可设计定振扫频试验。
试
验时，将加速度计刚性安装在振动台台面中心，加速度计经电荷放大
器输出到振动测试系统。
在试验系统工作频率范围内，以振动幅值为额定工作特性曲线幅值的50%以上作定振扫频振动。
可按式2-3计算定位移到定速度交越频率fl和定速度到定加速度交越频率f2。
/；=—-—
0,00314^
式2-3
式中d峰-峰位移（mm）
v振动速度（m/s）g――加速度值，单位为g（g=9.8m/s2）
试验系统以1oct/min的速率作定振扫频振动，按式（2-4）计算理论扫描时间tn。
用秒表测量振动台扫描时间t，可按式（2—5）计算扫频时间误差a。
I■*
hie!
/min
式2-4
’式2-5
式中：
fL――振动台系统工作频率下限值
fH振动台系统工作频率上限值。
第四章振动测试的分类
、按试验目的分类
每个振动试验均有自己试验的目的，按振动试验的目可分为：
1）环境适应性试验
环境适应性试验的目的是选用试件未来可能承受的振动环境去激励试件，检验其对环境的适应性。
目前，航空航天中使用的机载（箭
载）仪器和设备，大部分必须进行此项试验，以便评估其性能是否满足要求。
此类试验的最大特点是振动条件越接近真实环境越好。
2）动力学强度试验
动力学强度试验的目的是考核试件结构的动强度，检验在给定的试验条件下试件是否会产生疲劳破坏。
这类试验的试件大部分是结构件，试验时间较长。
试验条件，一般应从实际振动环境中选取。
3）动力特性试验
动力特性试验的目的是用试验的方法测出试件的动特性参数，如振型、频率、阻尼等。
此类振动试验的特点是激振力可以很小，激振力与实际振动环境无关。
但必须选好激振点的位置，而测试点要很多，测出足够多的数据才能得出准确的参数。
4）其它目的的振动试验
有些振动试验与上述目的不同，如振动筛选试验，其目的是对生产线上的元件、组件、进行振动筛选，找出工艺生产中的薄弱环节，剔除低质量的产品从而提高整个产品的可靠性。
又如消除大型铸件残余应力的振动试验，在大型铸件上装一机械式激振器激振铸件，使铸件的残余应力很快消除。
这些试验的振动条件通常与产品任务环境无关。
二、按试验所加载荷性质分类
很多振动试验要根据实际环境给试件加振，按所加载荷性质可分为：
1）正弦振动试验
此类试验给试件施加的振动是正弦振动，可以是定频正弦振动试验也
可以是扫频正弦振动试验。
2）随机振动试验
给试件施加随机振动的试验叫随机振动试验，按随机振动的频带宽度分为宽带随机试验和窄带随机试验。
3）混合型振动试验
给试件施加的载荷既有随机又有正弦的振动试验叫混合型振动试验。
一般是宽带随机的背景上加一个或几个正弦信号（如飞机的炮振试验和直升飞机的振动试验等），这些正弦信号的频率可以是固定的也可以是变化的（即扫频）；另一种是宽带随机背景上加一个或几个窄带随机信号，窄带随机的中心频率可以是固定的，也可以变化（扫频）；还有宽带随机背景上加正弦信号又加窄带随机信号。
这三种都称为混合型振动试验。
三、按振动试验在研制和生产的不同阶段分类
在产品研制过程中振动试验分为设计试验和鉴定试验。
设计试验是产品研制过程中用于寻找样机的频响特性和缺陷，为修改设计提供依据的试验。
鉴定试验是用来检验产品是否达到合同或任务书规定要求的试验在产品生产过程中，振动试验分为验收试验和例行试验。
验收试验为全部产品均应通过的最低量级的振动试验。
例行试验是从一批产品中抽取一定数量产品进行较高量级的振动试验，被抽检进行试验的产品一般不再作为正式产品使用。
四、按试验时间分类
在确定振动试验时间时可以分为普通试验和加速试验。
如果动力学破坏机理是疲劳破坏，可以提高应力水平的方法来加速试验，这可大大节省振动试验的时间。
这种提高量级缩短时间的振动试验称为加速试验。
第五章振动传感器转换原理
振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要
振动传感器原理
是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。
由于它也是一种机电转换装置。
所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。
因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。
1、相对式机械接收原理
由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。
传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。
相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。
由此可知，相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振动。
这样，就发生一个问题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。
例如：
在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振动……
都不存在一个不动的参考点。
在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。
2、惯性式机械接收原理
惯性式机械测振仪测振时，是将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下质量元件与外壳的相对振动位移幅值，然后利用惯性质量块与外壳的相对振动位移的关系式，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。
一般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多,应用范围也极其广泛。
在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。
由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。
有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振
动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。
一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。
因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。
测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。
因此，振动传感器按其功能可有以下几种分类方法：
按机械接收原理分：
相对式、惯性式；
按机电变换原理分：
电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；
按所测机械量分：
位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。
以上三种分类法中的传感器是相容的。
1、相对式电动传感器
电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生
产的传感器称为电动式传感器。
振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器2、电涡流式传感器
电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。
电涡流传感器具有频率范围宽（0〜10kHZ）,线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。
3、电感式传感器
依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。
因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。
4、电容式传感器
电容式传感器一般分为两种类型。
即可变间隙式和可变公共面积式。
可变间隙式可以测量直线振动的
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