基于GJB 150舰船冲击测量中零漂问题分析

李晓强，李建刚，王继红，唐海 波

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

基于GJB 150舰船冲击测量中零漂问题分析

李晓强，李建刚，王继红，唐海 波

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

舰船冲击试验为破坏性试验。由于冲击的持续时间短并且能量释放剧烈，在测试的过程中经常出现信号丢失、过载或零漂现象，极大的影响了测量数据的可靠性。通过对冲击测量过程中产生的零漂现象进行原因分析，从而提高测量信号的有效性。

舰船冲击试验；冲击响应谱；基座材料；零线漂移

引言

近年来海军装备研制任务加大，其产品的冲击试验可以确保其将来的质量和可靠性。传统的冲击试验在国防和民用行业仍然是主要的考核方法。舰船冲击试验是用于电工电子产品经受非接触性的空中爆炸以及舰船机械、设备和系统在作战中可能遇到的水下爆炸、近距离脱靶炮火等冲击环境影响的适应性和结构完好性，对于考核舰载产品的结构和性能，提高他们的可靠性有着极其重要的作用[1]。

对于产品在舰船冲击试验中的测量，不仅有利于分析工装夹具的牢固程度和减震效果，也有助于发现产品结构的薄弱环节。而冲击测量的过程中，零线漂移现象是最常见，也最难以查找原因的现象。零漂现象对数据的分析有极大的影响。

本文通过测量过程中发生的零线漂移现象，对其进行原因分析，从而提高测量信号的可靠性。

1 零漂现象

某次中量级冲击试验，机柜重量226.8 kg，底部通过4个无谐峰减震器固定在过渡底板上。采用冲击型加速度传感器测量冲击加速度信号，在砧板几何中心和减震器下部附近和减震器上方的几何中心共布置3个测点，为防止冲击作用导致传感器脱落，将传感器通过螺纹固定在铝制基座上，铝制基座通过两个螺钉与产品固定[2]。

在倾斜方向第二次冲击时，发现减震器上方布置得传感器有零线漂移现象,测试数据见图1，由于该点数据关系到分析减震器的减震效果，数据异常会导致无 法分析判断减震器性能。

2 零漂现象的原因

造成零漂现象的最常见原因是传感器和测试电缆。分析如下：

1）高加速度的冲击作用使加速度计的内部晶体结构调整，造成零漂现象。这种变形一般是永久变形，由于输出含有直流分量，会导致永久飘零。通过图一中2#/3#传感器位置对调后，进行一次冲击数据测量，均没有产生零漂现象，因此，不属于内部晶体结构调整，造成零漂现象。

2）高频冲击使加速度计共振，造成零漂现象。对于是否存在高频冲击，可以通过测试的时域数据转换为冲击响应谱，分析最大响应对应的频率，详见本文第4章。

3）温度环境造成的压电晶体产生热释点输出，导致输入基线漂移。该次测试过程中，环境温度为23 ℃，不存在超温现象。

4）电荷放大器输入饱和造成零漂，我们的信号分析仪的最大输入电压达31.6 V（m.s-2）-1，对应我们的传感器灵敏度，最大可测试1.0×105g的加速度。我们的冲击信号远远达不到该量级。

5）电缆的长度过长，连接部位抖动，连接不良等原因造成的零漂现象。查阅电荷放大器增益与电缆长度、传感器绝缘电阻关系，在对应的增益下，允许电缆长度为小于500 m。我们使用的电缆长度一般为5 m。

6）安装方式不当，冲击过程中固定传感器的基座产生形变，造成零漂现象。安装方式是否正确合理，难以控制，会引起相对机械运动，应该是造成零漂的主要因素[1]。

综上分析认为，安装方式可能会导致零漂。由于不同材质的基座以及基座与产品的安装方式，均对测试数据有影响，因此我们采用2925冲击校准仪模拟舰船冲击信号，现在对传感器的安装方式进行分析。

3 不同材质基座以及安装方式对冲击影响的验证

在2925冲击校准仪上，采用背靠背比较法方式进行数据采集分析。将标准参考加速度计与测量加速度计背靠背的承受同样的冲击，通过不同的试验方法，比较测试数据的误差来选取更优的方式。

1）试验一：不同材料

选用材料分别为铝块和不锈钢块时，在经过不同压力下的测量后所得数据如表1。

以上可以看出，不锈钢的基座材质对于信号的影响相对较小。

2）试验二：不同安装方式

测量传感器与参考传感器直接螺纹连接时，两传感器间存在空隙，可以加一垫片来消除该空隙的影响，对于这两种安装方式，测试数据如表2。

可见，采用螺纹安装传感器时，要尽量避免传感器与基座之间的间隙。

3）试验三：双面胶与502胶的固定方式

图1 零线漂移图

表1

表2

表3

传感器比较常见的固定方式为双面胶或者502胶，优点是固定简单，并且不需要制作基座，可以排除基座造成对测量数据的影响。

可以看出，502胶粘接后的效果优于双面胶，但是二者均在量级增大后，无法有效固定加速度计，测量加速度计飞离参考加速度计，信号过载。

此外还验证了尺寸大一些的铝板作为基座连接，以及减少基座厚度，通过垫片压紧等方式，由于测得两背靠背传感器的数据误差较大，均在10 %以上，再此不在讨论。

4）试验四：安装传感器基座的连接

我们对基座与产品的连接进行受力分析，在图2中，参考加速度计与测量加速度均安装在铝制基座上，基座是水平方向与产品压紧，但是受到的冲击力为垂直方向，即在冲击过程中，固定基座的螺栓会受到剪切应力，容易产生相对位移。而进行水平向冲击试验时，由于基座直接安装在减震器上方，固定基座的螺栓受到的是拉应力。

采用轻量级冲击台对此进行复现，冲击时，摆锤从背向施加冲击力，固定基座的螺钉在冲击作用时受到剪切应力，采集到得数据如图3。

由图3可见，加速度计采集到得信号发生了在基准零线漂移现象的，因此，产生零漂的主要原因是加速度计安装基座的固定方式引起。

4 测试数据的处理

为了进一步分析零漂现象，对图3的纵向冲击测试零漂数据进行分析。

我们知道，碰撞产生的能量集中在高频区域，因此，通过冲击响应谱的分析，可以看出冲击作用时，基座是否与试验台体发生了相对碰撞。冲击响应谱可通过求解单自由度系统运动方程，将加速度时程信号转换为冲击谱，包含瞬时谱和残余谱，计算步骤如下：

1）用Duhamel积分公式（1）表示质量点上的响应。

式中：

图2 轻量级基座与传感器的安装方式

图3 测量加速度计的安装方式（90°摆锤高度）

x—质量点与基础的相对位移的数值，即位移谱，单位为米（m）；

ω—单自由度系统的圆频率的数值，单位为赫兹（Hz）；

ξ—阻尼比，通常取0.01；

Z—基础受冲击后的位移的数值，单位为米（m）；

e—自然常数，约为2.7182 8；

τ—时间变量

t—积分时间，单位为秒（s）；

2）使用公式（2）计算速度谱。

式中：

V—速度谱的数值，单位为米每秒（m/s）；

3）按公式（3）计算加速度谱。

图4 零线漂移现象时的冲击响应谱

图5 未发生零线漂移现象时的时域波形（1.5米摆锤高度）

图6 未发生零线漂移现象时的冲击响应谱

式中：

A—加速度谱的数值，单位为米每二次方秒（m/ s2）；

g—重力加速度的数值，单位为米每二次方秒（m/ s2），g=9.81。[3][4]

通过matlab软件，将试验五中传感器采集到得数据进行加速度冲击响应谱的转换[5]，得到波形如图4所示。

通过对上图的放大区域进行分析，发现加速度计均在2 750 Hz左右有峰值响应，最大响应放大倍数约为6倍，最大响应发生在高频区域，即加速度计的基座发生了相对碰撞。

采用垂向摆锤进行冲击试验，加速度计安装时的受力方向也为垂向，固定基座的螺钉在冲击时受到拉应力，得到的冲击数据以及转化的冲击响应谱见图5。

通过对图5的放大区域进行分析（见图6），发现安装加速度计的基座与冲击力方向一致垂向安装时，在1 149 Hz左右有峰值响应，最大响应发生区域远小于发生零线漂移时的最大响应区域2 750 Hz。根据加速度计的频响特性曲线，可以得出在2 750 Hz时，加速度计测量数据的误差较大，很容易造成加速度计的过载或者零线漂移，而影响零漂的因素就是因为安装加速度计的基座与冲击力方向是垂向还是纵向安装息息相关。在本案例中，只要固有频率小于1 149 HZ时，是不会产生零漂的，超过2 750 HZ时则会产生零漂现象。

5 结论

本文通过分析信号分析仪采集到得时域信号和冲击响应谱，对不同安装方式对信号测量过程中的影响，通过改进基座的材质、尺寸和粘接方式，提高了测试数据的准确性。同时，对零线漂移造成的原因进行了分析，确定传感器基座的安装方式是导致零漂的主要因素，为避免测试出现零漂提供了解决方法，提升冲击时数据测量的效率。

[1]刑天虎,等.力学环境试验技术[M].西安:西北工业大学出版社, 2003: 407, 469-473.

[2] GJB150.18-86,军用设备环境试验方法-冲击试验[S].

[3]l李锋,邓长华,鲍福延.液体火箭发动机冲击响应谱分析计算方法[J].西北工业大学学报, 2009, 29(1):28-30.

[4] 刘树林,等,冲击与振动手册（第5版）[M].北京:中国石化出版社, 2008: 568-574.

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

李晓强，男，本科，助理工程师，主要研究方向为振动与冲击，环境与可靠性等。

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