基于激光干涉法的冲击响应谱测量仪.doc

基于激光干涉法的冲击响应谱测量仪
校准方法
Amethodfortheprimarycalibrationofshockresponsespectrumbylaserinterferometry
李新良曹亦庆宋昊张大治
北京长城计量测试技术研究所
北京1066信箱重点实验室100095
摘要:本文从冲击响应谱的定义出发，采用激光干涉法绝对测量冲击过程，根据单自由度弹簧质量系统方程，以Matlab数据处理语言为平台，得到该冲击过程对应的冲击响应谱曲线，与冲击响应谱测量仪的冲击响应谱曲线进行比较，实现冲击响应谱的绝对校准。
关键词：冲击响应谱激光干涉法冲击响应谱分析单自由度弹簧质量系统多普勒信号
Digest:Thispaperintroducesamethodforthecalibrationofshockresponsespectrum(SRS)bylaserinterferometry.BasedonthedefinitionoftheSRSandthetime-domainshockdata,theSRScurveisobtainedinvirtueofMatlabplatform.AtthesametimetheSRScurvetobecalibratedcomesfromtheSRSanalyzer.Andthencomparerthesetwocurvestofinishthecalibration.
Keywords:shockresponsespectrum(SRS),laserinterferometry,SRSAnalysis,singlefreedomspring-masssystem,Dopplersignal
引言
冲击响应谱是工程中广泛应用的一个重要概念，国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）所属的技术委员会以及我国的国家标准，都已经把冲击响应谱作为规定冲击环境的方法之一。由于工程研究的目的不是研究冲击波形本身，而更注重的是冲击作用于系统的效果，或是说研究冲击运动对系统的损伤势。损伤势不便用冲击的时间历程来描述，引入新的衡量冲击作用效果的尺度——冲击响应谱。用冲击响应谱表达冲击运动对结构的影响，是衡量冲击运动对设备作用力大小的一种方法，比较科学合理。冲击响应谱是对设备实施抗冲击设计的分析基础，也是控制产品冲击环境模拟试验的基本参数。在国防生产、科研和试验领域所涉及到的冲击环境试验中，冲击参数的准确计量不仅对保证产品质量和人员安全至关重要，而且为飞行器、武器、军事工程等的结构设计提供可靠的依据，因此很有必要进行冲击响应谱的绝对校准方法研究。
目前所开展的冲击校准体系中，没有针对冲击响应谱测量仪的校准设备。但我们在开展计量工作和一些工程试验中，均对冲击响应谱测量仪的校准提出了要求，虽然工程应用中已经大量采用冲击响应谱作为冲击环境规范，但对于响应谱进行绝对校准却没有进行。国家计量院和国防科工委第一计量研究中心均采用的是典型冲击波性试验进行加速度量值校准，还没有建立起冲击响应谱校准所必需的相应硬件和软件。随着产品试验的大量开展以及如何控制产品试验的欠试验、过试验，冲击响应谱试验愈来愈受到重视，因此，冲击响应谱校准方法的研究，建立冲击响应谱校准装置以及配套的冲击响应谱测量仪的校准规范的编制势在必行。
冲击响应谱测量仪绝对校准方法
1、冲击响应谱的数学模型
将冲击运动施加于一系列线性、单自由度质量弹簧系统时，将各单自由度系统的响应运动中的最大相应值，作为对应系统固有频率的函数而绘制的曲线，称作冲击响应谱。由定义可知，冲击响应谱是单自由度系统受到冲击作用后所产生的响应运动在频域中的特性描述，它不同于冲击源的傅立叶频谱，其区别在于：傅立叶频谱仅仅研究冲击源本身在频域的能量分布特性，仅仅是冲击源函数在频域的展开，不涉及任何一个要研究的机械系统的响应，二者虽然都是频率的函数，但有着明显的区别。
图1给出的是线性、无阻尼单自由度弹簧质量系统的力学模型。

…

图1系列线性单自由度弹簧质量系统的力学模型
其基础受到冲击加速度作用而产生的冲击响应运动，将由二阶微分方程描述：
（1）
式中，为系统质量；
为系统刚度；
为质量的位移和加速度响应；
为冲击激励输入。

D

t
D

t
D
（a）固有频率为f1的响应曲线b）固有频率为f2的响应曲线

f3
f1
f2

t
…
t

固有频率为f3的响应曲线（d）冲击响应谱曲线
图2冲击响应谱图解
图2给出的是在某种冲击激励下，固有频率分别为f1、f2、f3单自由度弹簧质量系统的输出波形，取其响应最大值在图2（d）画出对应的冲击响应谱曲线。
2、冲击响应谱的求取方法