振动控制试验

凭藉扎实的理论基础和丰富的工程实践，汉航推出业界最小的手掌大小尺寸高精度振动控制仪-汉航H18，下一步汉航将推出火柴盒尺寸控制仪，使得振动控制仪的使用不再局限于试验室内的电磁或液压振动台闭环控制，同时使得系统某些关键部位的在线式主动振动控制和随动姿态控制成为可能。

• 精度与可靠性并举

• 控制电磁振动台、液压台、压电激振器

• 从实验室到现场，控制无处不在

1 什么是振动控制试验

振动控制试验，一般也被称为环境试验或者环境模拟试验，旨在通过模拟产品真实环境中的振动，来对产品的可靠性进行评估。藉由该测试，工程师能够对产品的耐振寿命和性能指标有一个全面的认识，找出有可能导致损坏或失效的薄弱环节，从而进行升级、改进，使得产品综合性能指标更为突出。现如今，环境可靠性试验作为产品质量认证过程中不可或缺的环节，且随着振动控制试验的广泛应用，其试验规范也愈加标准化。当前应用最为广泛的是GJB150或MIL810H等试验标准，这些标准对共振定频、正弦扫频、正弦拍波、宽带随机、经典冲击、冲击响应谱、声学控制、混合模式（宽带随机+窄带随机、宽带随机+正弦、宽带随机+窄带随机+正弦）等试验进行了规定。

振动控制试验多用于复现如飞机起飞或降落、火箭发射、交通运输等复杂的振动环境，也常被用于筛查工艺问题、发现早期故障和完善分析模型。通过对产品进行振动控制试验可以减少维修成本，提高产品可靠性及客户满意度，进而增加投资回报。

2 什么是振动控制仪

为了在试验室内复现产品工作时的振动环境，就必须具备一定的试验条件，如图1所示，其主要部件包括：

a）振动控制软件；

b）振动控制仪；

c）振动台及功放；

d）振动传感器；

具体试验流程如下：用户在软件中预设产品的振动试验谱，并通过振动控制仪将信号发给功率放大器，功率放大器将信号放大后传递到振动台，从而使振动台振动，振动控制仪获取传感器（粘贴在振动台面或者产品上）采集的振动信号，对其进行快速处理后与软件预设的目标谱对比，不停的修正迭代，直至均衡到目标谱的容差范围之内。

图1 振动控制流程

在整个试验流程中，振动控制仪负责驱动信号的发出及反馈信号的采集分析，是整个试验过程中的“大脑”，控制精准与否，对整个试验结果起到决定性的作用！汉航H18振动控制仪内置独立硬件DSP，闭环控制由DSP处理器实现，实时处理采集数据，保证实时控制精度，从而保证能及时、快速地响应试验系统的变化。

3 振动控制仪的应用

H18是汉航公司推出的一款高精度、功能强大的高端振动控制采集前端，完全符合振动控制、数据采集、动态信号分析等应用的需求，其尺寸仅仅为：宽133mm、高32mm、长180mm，是目前业界最小的振动控制仪。

图2 H18尺寸

H18振动控制仪可实现全系列振动控制的试验模式，包括随机控制、正弦扫频、经典冲击、正弦共振搜索与驻留、冲击响应谱（SRS）、混合模式、时域波形再现及正弦拍波等一系列试验。

此外，H18还配备了4个信号输出通道，与汉航NTS.LAB VCS软件相结合，不仅能够满足上述单轴振动控制试验，还能够进行多轴试验控制，如多轴随机、多轴正弦，多轴冲击、多轴路谱等试验。为了进一步完善振动控制技术，以适应更广泛的应用场合，汉航NTS.LAB VCS软件还具有诸如：随机峭度控制、限幅控制（正弦、随机）、冲击响应谱信号分析、瞬态捕捉、Data Reduction等功能。

H18硬件具有多种用途，它不仅支持NTS.LAB VCS振动控制软件，用于产品的可靠性试验，也支持NTS.LAB DSA 数据采集系统，用于实时FFT分析和通程时域数据采集、模态试验分析、旋转机械试验、声学测量以及振动状态监测。

H18振动控制仪不但具备动态信号分析中最广泛应用的全部硬件功能，还具有通道扩展性，可通过多台H18级联实现输入、输出通道的扩容。通过IEEE 1588v2 PTP精密同步协议，所有采集前端的测试将同时被触发，并完全同步，以便对整个测试数据进行正确的采集和分析。

图3 两台H18级联

4 振动控制仪的重要指标

H18振动控制仪具有4或8通道模拟输入、4或1通道模拟输出、模拟输入电路具有高精度的24位A/D转换器，且每个模拟输入端使用独立的A/D转换器，每通道可独立设置不同的采样率，提高精度的同时降低了噪声干扰，以下为H18的主要参数。

• 4或8模拟输入通道（电压/IEPE/应变/电荷）-可扩展通道（支持IEEE1588v2 PTP同步）

• 4或1信号源输出通道

• 最大采样频率204.8kHz（每通道可独立设置不同采样率）

• 支持IEPE传感器供电，持续检测IEPE传感器线缆的开路和短路状态，并在前面板LED显示状态

• 内置CF存储卡，用于离线数据采集

• 内置独立硬件DSP，实时处理采集数据，保证实时控制精度

• 动态范围高达130dB

• 支持AC/DC或POE供电，功耗小于7.2瓦

• 金属制导散热，无风扇设计，适用于对环境有要求的噪声测量

5 振动控制试验的类型

振动台产生的最常见的振动类型是正弦、随机和冲击，随着试验技术的快速发展和应用需要，诸如混合模式、冲击响应谱、拍波等试验也成为产品的常规测试项目，下面介绍NTS.LAB VCS振动控制试验的不同试验类型。

5.1随机控制

在实际使用中，产品所经历的振动大部分为宽带频谱。也就是说，振动的能量分布在一个相对较宽的频率范围内，且每个频点的能量不同。振动振幅可以随机变化或周期性变化，也可以是随机和周期性混合变化的组合。

通常，使用功率谱密度函数（PSD）作为目标振动的参考谱，如图4所示。随机振动常用于高循环次数、低振幅的疲劳测试。常见的测试对象大小不一，涉及各个品类，小至电子元器件、电路板，大到航空电子箱、全弹和航天器等。

图4 随机控制试验

由于并非所有振动都是高斯随机分布，因此时域峰值振动的次数可以增加或减少，通过控制随机信号的峭度，控制振动峰值的概率分布。

图5 峭度值为3和5的时域对比

峭度统计量用于测量随机振动中的峰值或“尖峰”的数量，如图5所示。峭度为3时，高峰值较少，随机振动在分布上接近高斯随机。高时域峰值的数量随着峭度数从3（高斯分布）增加而增加。

5.2 正弦扫频试验：

正弦扫频可靠性试验通常通过各种标准规定的试验谱来验证产品是否具有标准规定的健壮性，与工作寿命中所经历的振动的关联性。可以用加速度和频率表示。正弦振动主导的环境以基频和该基频的谐波(倍数)为特征，模拟产品在实际使用和运输中可能受到的振动影响，可以用来发现潜在破坏性的共振点。如低性能螺旋桨飞机和直升机，其振动环境基本上是正弦激励，其激励来源于发动机旋转、螺旋桨和涡轮叶片、转子叶片及其谐波。

图6 正弦扫频试验

5.3 共振搜索与驻留试验

为了研究疲劳损伤对共振频移的影响，有时需要在其共振频率处对结构进行长时间的激励。通常情况下，需要对产品进行扫频试验确认大致共振位置，并在此位置处进行更细致的共振搜索，然后进行共振驻留测试。正弦驻留测试通常应用在飞机发动机叶片，发电涡轮机和隔振器上。

图7 某部件叶片的共振疲劳试验

5.4 经典冲击

进行冲击试验是为了考核产品抵抗瞬间冲击的能力，确保被测产品在物理上和功能上能够承受在搬运、运输和工作环境中遇到的瞬态冲击。可用于冲击试验模拟的工况包括：功能性冲击、运输跌落、碰撞危险试验、弹射器发射/降落等试验工况。通常在振动台系统上运行的经典冲击包括半正弦、锯齿波、方波和梯形波。

图8 半正弦波控制

5.5冲击响应谱

图9 冲击响应谱控制

冲击响应谱是指一系列单自由度质量阻尼系统，当其公共基础受到冲击激励时各单自由度系统产生的响应峰值作为单自由度系统固有频率的函数绘出的曲线。简单来说就是在笛卡尔坐标系下以单自由度系统的固有频率为横坐标，以其响应峰值为纵坐标画成的曲线，SRS可以量化来自无数不同事件的瞬态振动：如地震、爆炸、导弹发射等冲击环境。

在基于SRS的冲击控制过程中，一个典型的步骤是冲击响应拟合，进行小波分解以产生符合振动台限值的等效时间历程输入。

5.6 混合模式

在某些情况下，振动环境的特征是来自往复或旋转结构和机构(例如，转子叶片，螺旋桨，活塞，枪炮)的准周期激励。当这种形式的激励占主导地位时，混合模式振动是最佳匹配。混合模式振动的特征是宽带随机振动与高量级窄带随机振动或正弦振动的叠加。

宽带随机+正弦：模拟如发动机产生的振动环境，可以同时具有正弦周期激励和随机激励。

图10 混合模式：随机+正弦（SoR）

宽带随机+窄带随机：一些产品产生高量级窄带随机振动，如推土机履带式车辆，如下图11所示。

图11 混合模式：宽带随机+窄带随机（RoR）

同样的，还有宽带随机+窄带随机+正弦（SoRoR）试验模式，多用于坦克或螺旋桨类航空器。

5.7时域波形再现（道路模拟试验）

时域波形再现通常是在实验室中用单个或多个电磁或液压振动台重现测量或分析指定的时域波形，并精确地保存振动环境的频谱和时间特征。

在试验中，被测结构由预定义的时域波形进行激振，通过测量被测结构的响应，在闭环回路中调整输出信号，使得输入控制信号与预定义的波形保持一致。

图12 时域波形再现

5.8 拍波试验

主要用于耐震或抗震试验，特别是结构受到短时间脉沖力和周期性冲击力后的疲劳损伤情况。类似于具有一个共振频率的单纯构造物的地面受到水平方向地震波，试验确认其健全性，符合IEEE 344和IEC 980标准。

图13 正弦拍波试验

6 总结

振动控制仪广泛应用于航空航天、兵器、船舶、汽车、家电、电子等众多领域，用于鉴定考核产品的耐振及使用寿命情况。汉航H18高精度控制仪可用于从4到数百个输入通道的振动控制试验，其紧凑、坚固、低功耗设计，使得汉航H18具有良好的环境适应性，可在恶劣的环境下使用，确保试验的安全性和可靠性！

汉航高精度的硬件匹配功能强大的振动控制软件，将会使测试效果更臻完美！汉航NTS.LAB VCS振动控制模块，可提供共振搜索与驻留、正弦扫频、正弦拍波、宽带随机、经典冲击、冲击响应谱、混合模式（宽带随机+窄带随机、宽带随机+正弦、宽带随机+窄带随机+正弦）等试验模块，涵盖了环境可靠性试验的各个标准，此外，汉航NTS.LAB振动控制软件操作界面从工程应用和工程师视角出发，界面力求简洁、专业，操作简便快捷。