李曉強，李建剛，王繼紅，唐海 波

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

基于GJB 150艦船沖擊測量中零漂問題分析

李曉強，李建剛，王繼紅，唐海 波

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

艦船沖擊試驗為破壞性試驗。由于沖擊的持續(xù)時間短并且能量釋放劇烈，在測試的過程中經(jīng)常出現(xiàn)信號丟失、過載或零漂現(xiàn)象，極大的影響了測量數(shù)據(jù)的可靠性。通過對沖擊測量過程中產(chǎn)生的零漂現(xiàn)象進行原因分析，從而提高測量信號的有效性。

艦船沖擊試驗；沖擊響應譜；基座材料；零線漂移

引言

近年來海軍裝備研制任務加大，其產(chǎn)品的沖擊試驗可以確保其將來的質(zhì)量和可靠性。傳統(tǒng)的沖擊試驗在國防和民用行業(yè)仍然是主要的考核方法。艦船沖擊試驗是用于電工電子產(chǎn)品經(jīng)受非接觸性的空中爆炸以及艦船機械、設(shè)備和系統(tǒng)在作戰(zhàn)中可能遇到的水下爆炸、近距離脫靶炮火等沖擊環(huán)境影響的適應性和結(jié)構(gòu)完好性，對于考核艦載產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，提高他們的可靠性有著極其重要的作用[1]。

對于產(chǎn)品在艦船沖擊試驗中的測量，不僅有利于分析工裝夾具的牢固程度和減震效果，也有助于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。而沖擊測量的過程中，零線漂移現(xiàn)象是最常見，也最難以查找原因的現(xiàn)象。零漂現(xiàn)象對數(shù)據(jù)的分析有極大的影響。

本文通過測量過程中發(fā)生的零線漂移現(xiàn)象，對其進行原因分析，從而提高測量信號的可靠性。

1 零漂現(xiàn)象

某次中量級沖擊試驗，機柜重量226.8 kg，底部通過4個無諧峰減震器固定在過渡底板上。采用沖擊型加速度傳感器測量沖擊加速度信號，在砧板幾何中心和減震器下部附近和減震器上方的幾何中心共布置3個測點，為防止沖擊作用導致傳感器脫落，將傳感器通過螺紋固定在鋁制基座上，鋁制基座通過兩個螺釘與產(chǎn)品固定[2]。

在傾斜方向第二次沖擊時，發(fā)現(xiàn)減震器上方布置得傳感器有零線漂移現(xiàn)象,測試數(shù)據(jù)見圖1，由于該點數(shù)據(jù)關(guān)系到分析減震器的減震效果，數(shù)據(jù)異常會導致無 法分析判斷減震器性能。

2 零漂現(xiàn)象的原因

造成零漂現(xiàn)象的最常見原因是傳感器和測試電纜。分析如下：

1）高加速度的沖擊作用使加速度計的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)調(diào)整，造成零漂現(xiàn)象。這種變形一般是永久變形，由于輸出含有直流分量，會導致永久飄零。通過圖一中2#/3#傳感器位置對調(diào)后，進行一次沖擊數(shù)據(jù)測量，均沒有產(chǎn)生零漂現(xiàn)象，因此，不屬于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)調(diào)整，造成零漂現(xiàn)象。

2）高頻沖擊使加速度計共振，造成零漂現(xiàn)象。對于是否存在高頻沖擊，可以通過測試的時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沖擊響應譜，分析最大響應對應的頻率，詳見本文第4章。

3）溫度環(huán)境造成的壓電晶體產(chǎn)生熱釋點輸出，導致輸入基線漂移。該次測試過程中，環(huán)境溫度為23 ℃，不存在超溫現(xiàn)象。

4）電荷放大器輸入飽和造成零漂，我們的信號分析儀的最大輸入電壓達31.6 V（m.s-2）-1，對應我們的傳感器靈敏度，最大可測試1.0×105g的加速度。我們的沖擊信號遠遠達不到該量級。

5）電纜的長度過長，連接部位抖動，連接不良等原因造成的零漂現(xiàn)象。查閱電荷放大器增益與電纜長度、傳感器絕緣電阻關(guān)系，在對應的增益下，允許電纜長度為小于500 m。我們使用的電纜長度一般為5 m。

6）安裝方式不當，沖擊過程中固定傳感器的基座產(chǎn)生形變，造成零漂現(xiàn)象。安裝方式是否正確合理，難以控制，會引起相對機械運動，應該是造成零漂的主要因素[1]。

綜上分析認為，安裝方式可能會導致零漂。由于不同材質(zhì)的基座以及基座與產(chǎn)品的安裝方式，均對測試數(shù)據(jù)有影響，因此我們采用2925沖擊校準儀模擬艦船沖擊信號，現(xiàn)在對傳感器的安裝方式進行分析。

3 不同材質(zhì)基座以及安裝方式對沖擊影響的驗證

在2925沖擊校準儀上，采用背靠背比較法方式進行數(shù)據(jù)采集分析。將標準參考加速度計與測量加速度計背靠背的承受同樣的沖擊，通過不同的試驗方法，比較測試數(shù)據(jù)的誤差來選取更優(yōu)的方式。

1）試驗一：不同材料

選用材料分別為鋁塊和不銹鋼塊時，在經(jīng)過不同壓力下的測量后所得數(shù)據(jù)如表1。

以上可以看出，不銹鋼的基座材質(zhì)對于信號的影響相對較小。

2）試驗二：不同安裝方式

測量傳感器與參考傳感器直接螺紋連接時，兩傳感器間存在空隙，可以加一墊片來消除該空隙的影響，對于這兩種安裝方式，測試數(shù)據(jù)如表2。

可見，采用螺紋安裝傳感器時，要盡量避免傳感器與基座之間的間隙。

3）試驗三：雙面膠與502膠的固定方式

圖1 零線漂移圖

表1

表2

表3

傳感器比較常見的固定方式為雙面膠或者502膠，優(yōu)點是固定簡單，并且不需要制作基座，可以排除基座造成對測量數(shù)據(jù)的影響。

可以看出，502膠粘接后的效果優(yōu)于雙面膠，但是二者均在量級增大后，無法有效固定加速度計，測量加速度計飛離參考加速度計，信號過載。

此外還驗證了尺寸大一些的鋁板作為基座連接，以及減少基座厚度，通過墊片壓緊等方式，由于測得兩背靠背傳感器的數(shù)據(jù)誤差較大，均在10 %以上，再此不在討論。

4）試驗四：安裝傳感器基座的連接

我們對基座與產(chǎn)品的連接進行受力分析，在圖2中，參考加速度計與測量加速度均安裝在鋁制基座上，基座是水平方向與產(chǎn)品壓緊，但是受到的沖擊力為垂直方向，即在沖擊過程中，固定基座的螺栓會受到剪切應力，容易產(chǎn)生相對位移。而進行水平向沖擊試驗時，由于基座直接安裝在減震器上方，固定基座的螺栓受到的是拉應力。

采用輕量級沖擊臺對此進行復現(xiàn)，沖擊時，擺錘從背向施加沖擊力，固定基座的螺釘在沖擊作用時受到剪切應力，采集到得數(shù)據(jù)如圖3。

由圖3可見，加速度計采集到得信號發(fā)生了在基準零線漂移現(xiàn)象的，因此，產(chǎn)生零漂的主要原因是加速度計安裝基座的固定方式引起。

4 測試數(shù)據(jù)的處理

為了進一步分析零漂現(xiàn)象，對圖3的縱向沖擊測試零漂數(shù)據(jù)進行分析。

我們知道，碰撞產(chǎn)生的能量集中在高頻區(qū)域，因此，通過沖擊響應譜的分析，可以看出沖擊作用時，基座是否與試驗臺體發(fā)生了相對碰撞。沖擊響應譜可通過求解單自由度系統(tǒng)運動方程，將加速度時程信號轉(zhuǎn)換為沖擊譜，包含瞬時譜和殘余譜，計算步驟如下：

1）用Duhamel積分公式（1）表示質(zhì)量點上的響應。

式中：

圖2 輕量級基座與傳感器的安裝方式

圖3 測量加速度計的安裝方式（90°擺錘高度）

x—質(zhì)量點與基礎(chǔ)的相對位移的數(shù)值，即位移譜，單位為米（m）；

ω—單自由度系統(tǒng)的圓頻率的數(shù)值，單位為赫茲（Hz）；

ξ—阻尼比，通常取0.01；

Z—基礎(chǔ)受沖擊后的位移的數(shù)值，單位為米（m）；

e—自然常數(shù)，約為2.7182 8；

τ—時間變量

t—積分時間，單位為秒（s）；

2）使用公式（2）計算速度譜。

式中：

V—速度譜的數(shù)值，單位為米每秒（m/s）；

3）按公式（3）計算加速度譜。

圖4 零線漂移現(xiàn)象時的沖擊響應譜

圖5 未發(fā)生零線漂移現(xiàn)象時的時域波形（1.5米擺錘高度）

圖6 未發(fā)生零線漂移現(xiàn)象時的沖擊響應譜

式中：

A—加速度譜的數(shù)值，單位為米每二次方秒（m/ s2）；

g—重力加速度的數(shù)值，單位為米每二次方秒（m/ s2），g=9.81。[3][4]

通過matlab軟件，將試驗五中傳感器采集到得數(shù)據(jù)進行加速度沖擊響應譜的轉(zhuǎn)換[5]，得到波形如圖4所示。

通過對上圖的放大區(qū)域進行分析，發(fā)現(xiàn)加速度計均在2 750 Hz左右有峰值響應，最大響應放大倍數(shù)約為6倍，最大響應發(fā)生在高頻區(qū)域，即加速度計的基座發(fā)生了相對碰撞。

采用垂向擺錘進行沖擊試驗，加速度計安裝時的受力方向也為垂向，固定基座的螺釘在沖擊時受到拉應力，得到的沖擊數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)化的沖擊響應譜見圖5。

通過對圖5的放大區(qū)域進行分析（見圖6），發(fā)現(xiàn)安裝加速度計的基座與沖擊力方向一致垂向安裝時，在1 149 Hz左右有峰值響應，最大響應發(fā)生區(qū)域遠小于發(fā)生零線漂移時的最大響應區(qū)域2 750 Hz。根據(jù)加速度計的頻響特性曲線，可以得出在2 750 Hz時，加速度計測量數(shù)據(jù)的誤差較大，很容易造成加速度計的過載或者零線漂移，而影響零漂的因素就是因為安裝加速度計的基座與沖擊力方向是垂向還是縱向安裝息息相關(guān)。在本案例中，只要固有頻率小于1 149 HZ時，是不會產(chǎn)生零漂的，超過2 750 HZ時則會產(chǎn)生零漂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文通過分析信號分析儀采集到得時域信號和沖擊響應譜，對不同安裝方式對信號測量過程中的影響，通過改進基座的材質(zhì)、尺寸和粘接方式，提高了測試數(shù)據(jù)的準確性。同時，對零線漂移造成的原因進行了分析，確定傳感器基座的安裝方式是導致零漂的主要因素，為避免測試出現(xiàn)零漂提供了解決方法，提升沖擊時數(shù)據(jù)測量的效率。

[1]刑天虎,等.力學環(huán)境試驗技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學出版社, 2003: 407, 469-473.

[2] GJB150.18-86,軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法-沖擊試驗[S].

[3]l李鋒,鄧長華,鮑福延.液體火箭發(fā)動機沖擊響應譜分析計算方法[J].西北工業(yè)大學學報, 2009, 29(1):28-30.

[4] 劉樹林,等,沖擊與振動手冊（第5版）[M].北京:中國石化出版社, 2008: 568-574.

[5] ISO/WD 18431-4, Mechanical vibration and shock - Signal processing - Part 4: Shock response spectrum analysis[S].

李曉強，男，本科，助理工程師，主要研究方向為振動與沖擊，環(huán)境與可靠性等。

Analysis on Zero Drift Problem in Ship Shock Measurement Based on GJB 150

LI Xiao-qiang, LI Jian-gang, WANG Ji-hong, TANG Hai-bo
(NO.722 of CSIC, Wuhan 430079)

The ship shock test is subversive for equipment.The situation that the testing signal missing, overload and zero drift phenomenon often occurs in the process of the ship shock test, duo to the impact of short duration and energy release acute.As a result, it greatly affects the testing result of the measurement data.This paper collects the acceleration signal in the process of shock test and analysis the possible reason, so as to improve the effectiveness of the measure data.

ship shock test; shock response spectrum; base material; zero drift phenomenon

TB52+3

B

1004-7204（2016）05-0075-04