陈璐

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

在我国国防领域，随着新型火炮研制技术的不断提高，对火炮的射击准确度、可靠性等方面的要求也越来越高，火炮冲击振动研究的重要性也就越发突显出来，在某些方面，冲击振动计量与测试分析甚至已经成为解决问题的唯一入口。

为保证现代火炮振动冲击计量和测试分析中数据的可靠性和准确度，以及其力学环境实验中控制准确度满足要求，必须对测量使用的加速度计进行灵敏度、频响特性等校准测试。火炮系统的加速度数据为衡量火炮威力和改进火炮及车载设备设计、乘员安全至关重要，冲击综合自动校准系统的建立将为加速度计动态特性研究提供很好的技术支持，是对加速度计频响特性校准测试的扩展，不论是在加速度量值范围上还是频率范围上，都是一次技术的扩充。同时，将为冲击响应谱相关校准提供技术保障，是对冲击相关参数校准的完善，将为准确控制冲击响应谱环境试验打下坚实的技术基础。冲击综合自动校准系统将频响特性校准与冲击响应谱测量仪校准融合于一个系统，综合实现两种校准功能，为国防振动、冲击计量与校准提供了强有力的技术支持与保障。

1 冲击综合自动校准系统的组成

冲击综合自动校准系统主要包括两个部分:一部分是采用激光干涉法通过传递函数实现被校传感器的频响校准，即加速度计频响校准装置;一部分是采用激光干涉法实现冲击响应谱测量仪的绝对法校准，即冲击响应谱测量仪校准装置。本文将详细介绍冲击综合自动校准系统的软件实现方法，对于硬件装置将不作详细介绍。

2 冲击综合自动校准方法及原理

不论是加速度计传递函数测量装置还是冲击响应谱测量仪的校准装置，均采用激光多普勒原理，并利用虚拟仪器构建方法，建立冲击综合自动校准系统软件。通过虚拟仪器软件将激光干涉仪的输出信号解算出标准通道加速度信号，与被校加速度计的输出波形进行相应的数字信号分析，确定被测加速度计的传递函数;利用解算出的标准加速度信号，虚拟仪器软件能够同时进行相应的冲击响应谱分析，和被校冲击响应谱测量仪的冲击响应谱输出曲线进行比较，完成冲击响应谱测量仪的校准。

3 虚拟仪器软件的实现

3.1 结构设计及软件界面

软件的结构框图及主界面如图1，2 所示。冲击综合自动校准系统软件采用LabVIEW 编程，测试于WINDOWS XP 操作平台之下，主要用于对冲击加速度计的频响校准以及对冲击响应谱测量仪的校准。整个软件主要由硬件控制功能和冲击校准处理功能组成。

硬件控制模块包括采样硬件参数设置模块和测量模块。可实现对高速数据采集卡NI5124 的CH0，CH1及触发端，以及对NI6281 的AD 进行参数设置与数据采集控制。首先，利用NI5124 的触发端启动采集卡，然后分别利用NI5124 和NI6281 完成对光电信号和传感器信号的数据采集。

冲击自动校准模块包括光电信号解调模块、冲击响应谱校准模块和频响校准模块。光电信号解调模块中还包括对信号的相移、混频、滤波、求导等;冲击响应谱校准模块包括正/负向初始响应谱的获取和正向初始响应谱的最大峰值及对应频率的计算;频响校准模块中还包括连续/离散系统传递函数及校准灵敏度的计算等功能。

进行频响校准时，首先将激光干涉仪的光电信号分别接入NI5124 的CH0，再将传感器的输出信号同时接入NI6281 的AD 通道和NI5124 的触发端，当完成一次冲击过程时，传感器信号触发启动两块卡完成数据采集，再利用软件完成光电信号解调与频响校准数据处理，即可得到一次加速度计的频响校准结果;进行冲击响应谱校准时，首先利用数据采集卡获取激光干涉仪的光电信号，再利用软件完成信号解调与冲击响应谱校准功能，即可得到正/负向初始响应谱和正向初始响应谱的最大峰值及对应频率。

图1 软件结构框图

图2 软件主界面

3.2 算法实现

3.2.1 传递函数

传递函数法之精髓在于其由表及里的分析方法和分析思想，即从系统外部输出与输入之间的关系，通过分析其系统结构(模型)的重要参数与相关系数，如系统延迟时间、采样率等，从而获悉系统的固有特性。由此法不管系统内部结构复杂或简单，只要通过对系统外部输出与输入的仔细解析，便不难揭示系统内部的功能和结构特性。

1)计算方法

对于线性定常系统，在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比，称为系统的传递函数。

质量－弹簧－阻尼系统，由二阶微分方程式来描述它的动态特性，即

在所有初始条件均为零的情况下，对上式进行拉氏变换，得

按定义，传递函数为

系统输出量的拉氏变换Xo(s)为

同样，在零初始条件下，对式(1)进行拉氏变换，可得无源电路网络的传递函数为

式(1)和式(3)表明，传递函数是复数S 域中的系统数学模型，它仅取决于系统本身的结构及参数，而与输入、输出的形式无关。

由式(2)可知，如果Fi(s)给定，则输出Xo(s)的特性完全由传递函数G(s)决定，因此，传递函数G(s)表征了系统本身的动态本质。这是容易理解的，因为G(s)是由微分方程式经过拉氏变换得来的，而拉氏变换是一种线性变换，只是将变量从时间域变换到复数域，将微分方程变换为s 域中的代数方程来处理，所以不会改变所描述的系统的动态本质。

设线性定常系统的微分方程的一般形式为

式中:xo(t)为系统输出量;xi(t)为系统输入量;a0，a1，…，an及b0，b1，…，bm均为系统结构参数所决定的实常数。

设初始条件为零，对式(4)进行拉氏变换，可得系统传递函数的一般形式

令

式(5)可表示为

D(s)=0 称为系统的特征方程，其根称为系统特征根。特征方程决定着系统的稳定性。

2)软件实现

在LabVIEW 平台下，主要利用如下两个重要的子VI 完成:

SI Estimate Continuous Transfer Function Model (SISO Array).vi (计算单输入单输出系统连续传递函数)。

SI Estimate Frequency Response (Array). vi (计算系统频率响应)。

具体的计算步骤如下图所示:①验证输入波形的有效信息;②参数检验;③计算连续传递函数的初始系数;④优化连续传递函数;⑤建立系统传递函数的模型;⑥计算传函结构(模型)的系数;⑦计算传函结构(模型)的延迟时间;⑧计算该系统结构(模型)的采样率;⑨完成系统传函的计算，并输出。

3.2.2 冲击响应谱

冲击响应谱是一种冲击响应的谱分解法。系统在受到冲击作用后，为了描述系统运动参数的实践历程，响应的最大峰值可综合成不同阻尼比的响应系统的固有频率或固有周期的函数，并将这种表示方法称为冲击响应谱。

1)计算方法

冲击响应谱的计算流程如图3 所示。

图3 冲击响应谱计算流程

其求取方法主要有:直接积分法，Fourier 变换法，递推法，数字滤波器。本文主要采用数字滤波器法实现，其具体计算步骤如下:①验证输入波形数据的有效性;②获得信号通道信息;③预处理冲击信号;④计算所有频率成分;⑤计算递归滤波器的参数并进行滤波;⑥计算对应频率下的最大峰值响应;⑦单位转换;⑧完成冲击响应谱的计算，并输出。

2)软件实现

在LabVIEW 平台下，主要利用如下两个重要的子VI 完成。

SVT Shock Response Spectrum (1 Ch－1 Max Type). vi (计算冲击响应谱);

SVL Scale Voltage to EU (1 Ch). vi (单位转换)。

4 试验验证

4.1 加速度计频响校准方法验证

对B＆K 公司的8309 型加速度计进行冲击校准实验，利用系统软件的频响校准功能对实验数据进行处理，得到如表1 处理结果。

表1 8309 频响试验数据结果

4.2 冲击响应谱测量仪校准方法验证

对200 kg 冲击响应谱试验机(型号:Y52200 －12/ZF;编号:10001)，在冲击加速度峰值分别为75 g和500 g 两个点下进行冲击实验，利用标准试验系统中的校准软件和本系统中的校准软件分别对实验数据进行冲击响应谱的计算，对两种算法进行比较验证。

表2 不同加速度峰值的数据处理结果

图4、图5 和图6 分别为原始冲击波形、标准软件下的冲击响应谱谱图和本系统软件下的冲击响应谱谱图。

图4 原始冲击波形

5 结论

通过比对试验证明:冲击综合自动校准系统完全能够实现加速度计频响校准和冲击响应谱测量仪的绝对法校准功能，在数值上传递函数法校准灵敏度与传统峰值法校准灵敏度的最大偏差小于2.0%，而冲击响应谱测量仪校准方法与标准试验系统的处理结果，不论是数值还是谱图趋势上也完全能够对应上，而且与标准系统中软件相比，大大提高了处理速度，这就验证了冲击综合自动校准系统的可行性与正确性，为冲击振动计量与校准提供了新的方法与手段，极大地提高了航空领域冲击振动测量与校准能力，提高了测量与校准效率。

图5 标准软件下的冲击响应谱谱图

图6 本系统软件下的冲击响应谱谱图

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