呂新超，孫浩琳，王 振，韓少志

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要是由振動(dòng)臺(tái)、功率放大器、振動(dòng)控制器、加速度傳感器、冷卻裝置等組成的一個(gè)閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示[1-2]，可以模擬試驗(yàn)產(chǎn)品所需的振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)種類主要分為：定頻正弦試驗(yàn)、正弦掃頻試驗(yàn)、隨機(jī)試驗(yàn)、混合振動(dòng)試驗(yàn)和小量級(jí)的沖擊試驗(yàn)[3]。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小到電子元器件，大到整車都需要進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，其目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境中工作的可靠性，估算產(chǎn)品壽命，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并找出改進(jìn)方向等，而電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的檢定合格對(duì)模擬振動(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用，所以國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《JJG948-2018 電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》，對(duì)系統(tǒng)的一些主要性能參數(shù)做出了要求，如失真度、幅值誤差等，需要每年對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量。筆者在5 年的計(jì)量工作中總結(jié)了一些計(jì)量檢定過程中遇到的問題及解決辦法，以下將分別介紹，希望能夠?yàn)閺V大從事電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)量檢定人員提供一些參考。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

1 試驗(yàn)系統(tǒng)開環(huán)

試驗(yàn)系統(tǒng)開環(huán)是計(jì)量檢測(cè)過程中最常見的一類問題，開環(huán)問題的出現(xiàn)會(huì)使振動(dòng)臺(tái)無法完成《JJG948-2018電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》中要求的檢定譜，導(dǎo)致計(jì)量工作無法開展。因?yàn)殡妱?dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其中任何一個(gè)部分出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致開環(huán)問題的發(fā)生，如果反饋端出現(xiàn)問題，對(duì)于沒有開環(huán)保護(hù)或自檢的控制器開環(huán)的表現(xiàn)形式一般為振動(dòng)臺(tái)會(huì)突然以超出所設(shè)計(jì)的額定參數(shù)振動(dòng)，可能造成功放或臺(tái)體不可逆損壞，如果是輸出端開環(huán)會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)無法啟動(dòng)，控制器控制界面自動(dòng)停止并報(bào)錯(cuò)“開環(huán)”。出現(xiàn)開環(huán)問題，我們需要逐個(gè)部分進(jìn)行排查。

1.1 反饋端開環(huán)

反饋端一般包含：加速度傳感器、電荷放大器、控制器輸入端[4]。反饋端開環(huán)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)接收不到設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，從而給功率放大器輸出錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)，導(dǎo)致功率放大器或振動(dòng)臺(tái)按超過其自身設(shè)計(jì)的參數(shù)振動(dòng)，對(duì)功率放大器的電路系統(tǒng)、振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)造成不可逆的損壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

反饋端開環(huán)常見的原因有：

1.振動(dòng)控制器輸入通道設(shè)置中耦合方式錯(cuò)誤。這種情況是最常見的反饋端開環(huán)原因，由于常見的振動(dòng)控制傳感器有電壓型和電荷型之分，電壓型傳感器一般在輸入通道設(shè)置中選用IEPE 供電，而電荷型傳感器則需要配合電荷放大器使用，振動(dòng)控制器的輸入端選擇AC 耦合，如果所使用的振動(dòng)控制器具有電荷模式，則輸入端選用電荷模式。

2.控制傳感器脫落或損壞?？刂苽鞲衅饕话闶怯媚z水或者螺釘剛性的固定在臺(tái)面上，由于一些振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)較大或者時(shí)間較長，可能會(huì)導(dǎo)致膠水粘貼不牢或是螺釘松動(dòng)，從而造成傳感器脫落。如果出現(xiàn)此類問題則需要重新粘貼或安裝傳感器。為以防萬一，最好在試驗(yàn)開始時(shí)檢查傳感器是否粘牢裝好。傳感器損壞是較少出現(xiàn)的情況，如果排除其他問題，則可安裝更換新的控制傳感器。

3.接線錯(cuò)誤。這種情況也是較常見的反饋端開環(huán)原因，因?yàn)檎駝?dòng)試驗(yàn)中往往需要粘貼至少一個(gè)控制傳感器，當(dāng)有多個(gè)傳感器控制時(shí)難免造成接線混亂，出現(xiàn)連接錯(cuò)線的情況。出現(xiàn)這種情況需要耐心地縷好線，并且與控制器的輸入端一一對(duì)應(yīng)。

4.電荷放大器設(shè)置錯(cuò)誤或者故障。這種情況較為少見，出現(xiàn)開環(huán)問題可先檢查電荷放大器的輸入端與輸出端是否接對(duì)，耦合方式是否選擇正確。一般的放大器只具有給電荷傳感器供電和放大輸出的作用，較常見的如B&K 公司的2692，但也有少部分電荷放大器還具有給電壓傳感器供電的功能，如恩Endevco 公司的133。使用時(shí)要確保電荷放大器設(shè)置正確且設(shè)備完好。

1.2 輸出端開環(huán)

輸出端開環(huán)相對(duì)于輸入端開環(huán)出現(xiàn)情況較少，常見的有如下幾種情況：

1.控制器故障或雜波干擾過大。作為輸出信號(hào)的控制器可能由于使用不當(dāng)導(dǎo)致輸出板卡損壞，從而無法正常輸出信號(hào)，如果排除反饋端問題后，系統(tǒng)開環(huán)問題仍未解決，可以采用控制器做自閉環(huán)的方法來排除是不是控制器自身的問題。如果使用環(huán)境中地線未接好可能導(dǎo)致控制器雜波干擾過大，進(jìn)而導(dǎo)致控制信號(hào)淹沒在雜波信號(hào)中，或者超出目標(biāo)譜的停止線（一般控制器目標(biāo)譜報(bào)警線為±3dB，停止線為±6dB，反饋信號(hào)超過目標(biāo)譜停止線會(huì)判定為試驗(yàn)失?。┻@種情況也會(huì)導(dǎo)致控制器報(bào)開環(huán)故障，解決辦法就是為控制器接好地線，或是適當(dāng)增大控制器目標(biāo)普啟動(dòng)電壓和上升電壓，或者部分控制器可以調(diào)節(jié)超出信號(hào)百分比，增大允許范圍。

2.功放增益未打開或輸出信號(hào)線斷路。如果功放增益沒有打開或者增益量級(jí)太小也會(huì)出現(xiàn)開環(huán)現(xiàn)象，解決辦法是打開增益到適當(dāng)量級(jí)，如不計(jì)量設(shè)備的極值，則一般功放增益設(shè)置為最大值的80%。輸出信號(hào)斷路需更換新的信號(hào)線。另外，有些功放具有前端后端兩個(gè)輸入端，操作時(shí)需注意信號(hào)線接入端與設(shè)置是否一致。

3.功放觸發(fā)保護(hù)。這種情況較為常見，多是設(shè)備使用不當(dāng)造成。常見的保護(hù)情況有：功放過熱；激勵(lì)電壓或電流過大；振動(dòng)臺(tái)體或者功放溫度過高；超過臺(tái)體設(shè)計(jì)的最大位移、速度、加速度等。功放過熱情況較為少見，如果出現(xiàn)可關(guān)機(jī)待功放冷卻后再開始計(jì)量。激勵(lì)電壓或者電流過大一般出現(xiàn)在振動(dòng)臺(tái)極值試驗(yàn)時(shí)，如果出現(xiàn)這種情況且沒有廠家專業(yè)人員在場不建議再繼續(xù)試驗(yàn)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)分為風(fēng)冷式與水冷式，二者都會(huì)出現(xiàn)臺(tái)體溫度過高的情況。風(fēng)冷式出現(xiàn)的原因一般為設(shè)備長時(shí)間在高溫狀態(tài)下持續(xù)高負(fù)荷的工作或者鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。解決辦法為停止試驗(yàn)使系統(tǒng)冷卻與更改鼓風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。水冷式臺(tái)體過熱一般為內(nèi)外循環(huán)水閥門未開或管道堵塞導(dǎo)致冷卻水流量不足，解決辦法是打開閥門清理管道和確保冷卻水流量充足。一般來說振動(dòng)臺(tái)內(nèi)部循環(huán)水溫最高可以為65℃，冷卻水溫過高不會(huì)影響設(shè)備本身技術(shù)指標(biāo)，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量，水溫一旦超過65℃，則功放會(huì)啟動(dòng)保護(hù)功能，無法啟動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備輸出端開環(huán)。

4.臺(tái)體或功放故障。這種情況一般功放內(nèi)部模塊警報(bào)燈會(huì)閃爍，故障原因多種多樣，在此不一一闡述。這種情況出現(xiàn)建議直接聯(lián)系廠家售后人員，對(duì)損壞模塊進(jìn)行維修或更換。

開環(huán)問題是計(jì)量電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中最常見也是出現(xiàn)情況最多的問題，出現(xiàn)開環(huán)問題后要冷靜思考，用排除法逐一排查。一般的經(jīng)驗(yàn)是優(yōu)先對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)功能進(jìn)行檢定，因?yàn)榇蠖鄶?shù)控制器具有隨機(jī)自檢功能，如果系統(tǒng)存在開環(huán)，則可在自檢中查出，降低設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，排查故障過程中一定要關(guān)閉功放增益，避免檢查系統(tǒng)線路時(shí)人體所帶的靜電通過輸入線驅(qū)動(dòng)功放，使功放和臺(tái)體過載，毀壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2 加速度諧波失真度過大

加速度諧波失真度是評(píng)價(jià)電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，波形失真度表示實(shí)際的加速度波形相對(duì)于加速度基波波形的畸變程度。國內(nèi)外均統(tǒng)一定義為各次諧波幅值的均方根值與基波幅值之比。即：

式中Ui表示表示加速度波形的基波，二次諧波……n 次諧波的幅值；γ 為波形失真度，規(guī)程要求檢定電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的諧波數(shù)為5 次諧波，規(guī)程給定的諧波失真度為評(píng)率小于20Hz 時(shí)失真度應(yīng)不大于±25%，大于20Hz 時(shí)，加速度諧波失真度應(yīng)不大于±10%。導(dǎo)致失真度過大的原因也多種多樣，以下將列舉幾種常見的失真度過大的原因和解決辦法。

1.振動(dòng)控制器存在較大噪聲干擾。這種情況較為少見且影響較小，如果出現(xiàn)可將振動(dòng)控制器接地。

2.臺(tái)面加裝的隔熱板或其他附加臺(tái)面與臺(tái)體動(dòng)圈之間的沖擊摩擦。如果出現(xiàn)這種情況解決辦法是建議拆除隔熱板或附加臺(tái)面后重新計(jì)量。

3.臺(tái)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈出現(xiàn)裂紋或結(jié)構(gòu)緊固螺栓出現(xiàn)松動(dòng)（以風(fēng)冷臺(tái)為例）[5]。一般上導(dǎo)輪松動(dòng)或損壞會(huì)導(dǎo)致低頻加速度諧波失真度過大，下導(dǎo)輪松動(dòng)或損壞會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)高頻諧加速度波失真度過大，出現(xiàn)這種情況需要停止計(jì)量，聯(lián)系廠家售后人員。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)加速度噪聲過大

規(guī)程要求試驗(yàn)系統(tǒng)加速度噪聲應(yīng)≤5m/s2，加速度噪聲過大可能是控制器或功率放大器內(nèi)部器件噪聲過大導(dǎo)致，需要廠家人員解決。一般來說加速度噪聲過大多是功放、控制器接地不好導(dǎo)致，需要加深地線的深度，確保地線完好。如果有噪聲信號(hào)過大的情況，也會(huì)導(dǎo)致某些試驗(yàn)控制器自檢不合格，無法開啟規(guī)程所規(guī)定的目標(biāo)譜，解決辦法是適當(dāng)增大啟動(dòng)電壓，使啟動(dòng)信號(hào)大過噪聲信號(hào)。

4 振動(dòng)加速度幅值示值誤差過大

振動(dòng)加速度幅值示值誤差是評(píng)價(jià)系統(tǒng)是否合格的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。規(guī)程規(guī)定振動(dòng)加速度幅值示值誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)，超出此范圍則判定為不合格。以下是幾種常見的導(dǎo)致幅值誤差過大的原因和解決辦法。

1.控制加速度靈敏度設(shè)置有誤。這種情況是最常見的導(dǎo)致幅值誤差過大的原因。出現(xiàn)這種情況時(shí)，需要檢查控制加速度傳感器靈敏度是否與振動(dòng)控制器輸入端的靈敏度一致，如果是電荷傳感器配合電荷放大器使用的反饋方式，也要檢查電荷放大器的輸入端靈敏度值與控制電荷傳感器是否一致，輸出端值與振動(dòng)控制器輸入端值設(shè)置是否一致。

2.控制傳感器絕緣墊片過厚或未剛性連接在臺(tái)面上。這種情況一般會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在高頻時(shí)加速度示值誤差過大。解決辦法是可選用剛性更好的絕緣墊片或者改用薄片。要把控制傳感器與動(dòng)圈剛性連接，不要貼在臺(tái)面的隔熱板上（如果有隔熱板建議拆除后重新計(jì)量）。

3.控制傳感器粘貼位置較差。這種情況同樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)高頻振動(dòng)時(shí)加速度示值誤差過大，建議控制傳感器的安裝位置為靠近臺(tái)面中心處最內(nèi)側(cè)螺栓處，可以與螺栓連成一條直線，此處的動(dòng)圈剛性最好，控制傳感器高頻反饋也較好。

以上就是 本文對(duì)于計(jì)量電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中遇到的一些常見問題與解決辦法的總結(jié)，電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)在振動(dòng)計(jì)量設(shè)備中是較為復(fù)雜的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜出現(xiàn)的不正常狀態(tài)也就越多，出現(xiàn)問題需要耐心地逐個(gè)排除，重視積累，熟悉后可解決大部分計(jì)量中出現(xiàn)的問題，希望可以通過本文的總結(jié)，為從事電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的計(jì)量人員提供一定的參考和幫助。