基于LabVIEW的冲击响应谱校准系统研究

朱永晓，厉巍

(贵州航天计量测试技术研究所，贵州贵阳550009)

0 引言

随着环境试验方法的更新和进步，对冲击参数的考核也越发严格和科学。振动和冲击经常一起出现，但振动是一种稳态的持续过程，而冲击则相反。在环境试验中，冲击试验的目的并不是研究冲击自身，而是关注冲击作用于受测品或系统的效果，用能量的说法就是研究冲击运动对系统造成的损伤势。国外标准中早已出现的冲击响应谱试验，即是研究该损伤势的环境试验方法。实践证明，冲击响应谱试验能够早期暴露产品在材料、结构和工艺等方面的缺陷。为了保证产品在高冲击环境下的可靠性，有必要进行高冲击环境模拟试验以便尽早暴露结构缺陷。目前，冲击响应谱试验在国内也逐渐得到推广，成为了部分航天航空产品的力学环境试验项目之一。

但是目前，冲击响应谱还没有十分有效地校准方法，国内也尚无相关方面的校准规范。随着冲击响应谱试验机的广泛运用，对冲击响应谱进行校准的需求日益增加。针对上述问题，本文研建了一种基于Lab-VIEW的冲击响应谱校准系统，以满足现有校准需求，实现对冲击响应谱的校准。

1 冲击响应谱分析理论

传统冲击试验以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际冲击环境，例如图1(a)所给出的两个面积相等但波形不同的半正弦脉冲(它们的速度变化相等)以及图1(b)所示的两个相同半正弦脉冲但其中之一叠有一极窄脉冲，仅用时间历程难于判别它们之间损伤势的异同，甚至可能得出错误的结论。

图1 冲击波形的时域比较

冲击响应谱试验与传统冲击试验不同，可从冲击作用于系统的效果进行分析，其物理模型见图2。大部分系统或结构均可用单自由度系统表征，冲击响应谱即指一系列固有频率不同的单自由度线性系统，受到同一冲击激励后响应的总结果。它不是描述冲击本身，而是描述冲击的影响。

图2 冲击响应谱的物理模型

对图1中所示各冲击波形进行冲击响应谱分析后，如图3所示。由响应谱的比较可知，冲击脉冲A对高频系统危害较大，而B对低频系统的损伤势大;脉冲C和脉冲D虽时间历程峰值相差很大，但其谱的差异除极高频外均可忽略，也就是说两者的损伤势在系统频率不是很高时是相同的。

通过冲击响应谱可判定出:系统在冲击作用下，各固有频率结构的冲击响应峰值大小，进而得出各个结构是否损伤的结论。根据不同的响应参数，冲击响应谱可分为等效加速度、速度谱、相对位移谱和绝对加速度、位移谱。环境试验中常用的是相对位移谱和绝对加速度谱，相对位移谱常用于考核冲击强度，而绝对加速度谱常用于规范冲击环境。本文中描述的校准系统，举例时绘制的曲线就是一条绝对加速度谱。

图3 与图1相应冲击的冲击响应谱波形

2 软件编制

2.1 分析算法

冲击响应谱的分析算法按出现时间先后可分为两类:一类是较早的FFT方法、直接积分法、递推法和递归数字滤波法;另一类是后期出现的应用于实际工程中的:样条函数法和改进的递归数字滤波法，后两个方法都是基于大量的实际应用，后逐步改进优化的。本文中描述的软件计算方法即是改进的递归数字滤波算法，该方法克服了递归数字滤波法低频时结果不稳定等问题，且计算速度快，计算精度高。该方法是Smallwood于1981年提出的，他用广义斜台函数来代替脉冲不变模型。广义斜台函数为［2］

式中:A是在t=KΔt时斜台的斜率;u(t-KΔt)为单位阶跃函数。应用叠加原理，可得到比原来的递归数字滤波法的矩形逼近更精确的模型:梯形函数逼近冲击输入的模型。

设输入信号ii(t)的采样值为Ui，i=1，2，…，N。单自由度系统响应x(t)的采样值为xi，i=1，2，…，N。则有如下的斜台不变模型的递归公式:

对系统的绝对加速度响应:

2.2 软件流程

依据冲击响应谱分析算法和实际校准步骤，本校准软件主程序流程图如图4所示，软件流程图如图5所示。

图4 冲击响应谱校准软件流程图

图5 冲击响应谱校准主程序流程图

冲击响应谱的求解是典型的线性系统在脉冲激励下的响应求解［3］，依据程序流程图及分析算法，运用LabVIEW数字滤波器和异步事件处理(AMC)的编程架构［4］，本文编写了冲击响应谱校准软件SRS-Lab-VIEW 1.0。软件主界面如图6所示。

图6 软件界面图

3 试验验证

3.1 试验对象

选取摆锤式冲击响应谱试验机，试验时，先将产品刚性固定在试验机的安装台面上，升起摆锤产生势能，然后放下摆锤使其撞击安装台面端面，通过事先安装好的垫块来调节冲击响应谱，由测试分析系统观测产生的目标谱形。图7为冲击响应谱试验机结构原理图。

图7 冲击响应谱试验机结构原理图

3.2 校准方法

把校准系统与冲击响应谱试验机控制系统所用压电加速度计刚性地连接在试验机端面(尽可能靠近)，按试验要求设置好各参数，待试验机落锤后，同时采集瞬时冲击信号，并将两者分析处理得到的冲击响应谱结果进行比对，校准原理框图如图8所示:

图8 校准原理框图

3.3 校准结果

现场校准试验结束后，试验机测量结果如图9所示，校准系统测量结果如图10所示。

图9 试验机测量结果

图10 校准系统测量结果

由图9与图10结果比对可知:①最大响应峰值出现频率及量级基本一致;②两测量结果均符合相应容差要求。

另外，本文笔者选择不同地点、不同型号、性能稳定的冲击响应谱试验机进行了为期6个月的稳定性、可靠性验证。通过对试验数据的整理、分析，最终形成表1。通过表1不难看出，校准系统可以达到对冲击响应谱的校准。

由此可见，通过该校准系统对冲击响应谱校准是科学可行的，可以初步解决响应谱校准的问题。经计算，该校准系统加速度测量结果的不确定度为Urel=8%(k=2)。

表1 校准数据

4 结论

本文从冲击响应谱分析理论出发，结合改进的递归数字滤波法，基于LabVIEW软件，编制了冲击响应谱校准软件，配置压电加速度计、电荷放大器等硬件，共同组建成了该套冲击响应谱校准系统。经过与专用冲击响应谱试验机测量结果的比对可知，该校准系统测量谱形很好地满足了试验容差要求，且最大响应峰值出现频率及量级与试验机结果基本一致。说明该校准系统软件程序编写正确，硬件配置合理。下一步将增加校准项目及校准范围，对冲击响应谱试验机的合理校准方法进行研究，确保校准方法的准确性，提高校准系统的稳定性。

［1］汪凤泉.电子设备振动与冲击手册.北京.科学出版社.1998.

［2］振动与冲击手册编辑委员会.振动与冲击测试技术.北京.国防工业出版社.1990.

［3］Eric Bogatin.信号完整性分析.北京.电子工业出版社.2010.

［4］陈树学刘萱.LabVIEW宝典.北京.电子工业出版社.2011.