Виброизмерительная аппаратура: структура, работа датчиков, калибровка каналов

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

В.А. Грибков, Д.Н. Шиян 

 

ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА: 
СТРУКТУРА, РАБОТА ДАТЧИКОВ, 
КАЛИБРОВКА КАНАЛОВ 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
по дисциплинам «Прочность конструкций космических  
летательных аппаратов», «Конструирование корпусов  
и агрегатов аэрокосмических систем» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 1 1  

 

УДК 620.175.5(075.8) 
ББК 32.844-07 
 Г82 
Рецензенты: О.В. Кузнецов, И.М. Колосков 

 
Грибков В.А. 
  
 
       Виброизмерительная аппаратура: структура, работа датчиков, калибровка каналов : учеб. пособие / В.А. Грибков,  
Д.Н. Шиян. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 
109, [3] с. : ил.  
 
В пособии представлены аппаратные средства измерения вибрации, конструктивные схемы датчиков, методы калибровки виброизмерительной аппаратуры. Указаны этапы развития виброизмерительной 
техники, приведены определения терминов, перечислены и охарактеризованы виды динамических испытаний ракетно-космических систем, 
определена роль испытаний в цикле работ по созданию летательных 
аппаратов.  
Для студентов 5-го и 6-го курсов, обучающихся по специальностям «Космические летательные аппараты и разгонные блоки» и «Ракетостроение», изучающих дисциплины «Прочность конструкций 
космических летательных аппаратов», «Конструирование корпусов и 
агрегатов аэрокосмических систем», выполняющих лабораторные работы по курсам «Гидроаэроупругость конструкций аэрокосмических 
систем», «Гидроупругость конструкций космических летательных 
аппаратов», «Гидроаэроупругость конструкций крылатых ракет». 
 
УДК 620.175.5(075.8) 
ББК 32.844-07 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

 Г82 

ВВЕДЕНИЕ 

Следует измерять все измеряемое 
и делать измеряемым то, что пока не 
поддается измерению. 
Галилео Галилей 

Измерение — нахождение значений физических величин опытным 
путем с помощью специальных технических средств. 
Принятое толкование  
термина «измерение» 

Теория — хорошая вещь, но правильный эксперимент остается навсегда. 
П.Л. Капица 

Проектирование летательного аппарата (ЛА) — сложный многоэтапный процесс, состоящий из работ теоретического и экспериментального характера. В число первых входят проектные, конструкторские и расчетные работы, в число вторых — все виды 
испытаний. Представление о сложности и разнообразии испытаний аэрокосмических систем дают иллюстрации, представленные 
на рис. В1. 
Испытания — важнейшая составная часть процесса проектирования, неразрывно с ним связанная, интегрированная в него.  
Под испытаниями понимают экспериментальное определение 
количественных и (или) качественных свойств объекта испытаний 
как результата воздействия на него при его функционировании 
(ГОСТ 16504–81). 
Чем сложнее проектируемая система, чем больше в ней реализовано новых идей, тем бóльшее значение приобретает экспери

ментальная составляющая. Объекты ракетно-космической техники 
(космические аппараты, ракеты-носители, крылатые ракеты) относятся к числу сложнейших технических систем. Их адекватное 
описание с использованием теоретических методов, основанных 
на математическом моделировании, не всегда возможно. В некоторых случаях теоретические методы позволяют получить лишь 
приближенный результат (иногда достаточно грубое приближение). Отдельные характеристики (например, характеристики 
демпфирования) надежно определяются только экспериментально. 
В связи с этим роль экспериментальной составляющей в процессе 
создания ЛА оказывается значительной.  
Согласно существующим оценкам [7], до 40 % проблем, возникающих при проектировании ракетно-космической техники, 
решаются посредством испытаний. По мнению генерального конструктора академика В.Н. Челомея, более 50 % времени, затрачиваемого на создание ЛА, тратится на доводку и испытания, причем 
80 % этого времени расходуется на борьбу с колебаниями (динамическими процессами). По данным [7], соотношение расходов на 
проведение одной доработки на стадиях проектирования, наземной отработки и летных испытаний можно оценить как 1:10:100. 
На работы экспериментального характера (опытную отработку) 
тратится до 90 % средств, расходуемых на создание ЛА (с учетом 
летных испытаний) [7]. Таким образом, по затратам времени (трудоемкости) и ресурсов (инженерного труда, финансовых средств) 
экспериментальные работы превосходят теоретические. Однако 
без результатов теоретических исследований, т. е. без данных о 
предполагаемом поведении системы (хотя бы оценочных), успешное выполнение испытаний, как правило, становится невозможным или существенно усложняется. 
Испытания при проектировании ракетно-космической техники 
принято разделять на наземные (лабораторные, стендовые) и летные. Важная роль в экспериментальном цикле принадлежит наземным вибрационным испытаниям.  
Под вибрационными испытаниями (виброиспытаниями) понимают испытания объекта при заданной вибрации (ГОСТ 24346–80). 
Вибрационные испытания являются составной частью динамических 
испытаний, включающих все виды испытаний конструкции ЛА на динамическое нагружение, в том числе и испытания на удар. 

 
Летные испытания аналога  
орбитального корабля «Буран»  
Модель орбитального корабля «Буран»  
в акустической камере 
Статические испытания  
орбитального корабля 

 
 
 

Модель корабля «Бор-5»  
на испытаниях 
Бак окислителя ракеты-носителя «Ангара» 
на вибропрочностных испытаниях 
Модель многоразового космического  
аппарата для испытания на бафтинг 

 

 

 
Рис. В1. Примеры испытаний объектов аэрокосмической техники 

При динамических испытаниях (в отличие от статических) измеряемые величины зависят от времени. Динамические испытания 
конструкций ЛА выполняют на натурных образцах или специальных уменьшенных копиях ЛА, называемых конструктивно подобными моделями. Динамические испытания конструкции ЛА отличаются большим разнообразием: частотные испытания, испытания 
на различные виды эксплуатационных нагрузок, испытания на удар, 
испытания на функционирование бортовой аппаратуры в условиях 
действия эксплуатационных динамических нагрузок и др. 
В организациях, занимающихся проектированием ЛА (ОАО 
«ВПК «НПО машиностроения», «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», 
РКК «Энергия», ФГУП «МИТ» и др.), существуют свои экспериментальные подразделения с лабораториями соответствующего профиля 
(лаборатории статических, динамических испытаний и т. п.). В некоторых случаях проектные организации используют лабораторные 
базы центральных институтов отрасли (ЦНИИМАШ, ЦАГИ и др.) 
Динамические испытания любых машин обычно подразделяют на две группы. К первой группе относят работы по определению собственных динамических характеристик объекта. Вторая 
группа испытаний включает исследование реакции (отклика) 
объекта на динамические воздействия разного рода (периодические и непериодические, ударные, акустические, силовые, кинематические и пр.). 
В подразделениях КБ и НПО ракетно-космической отрасли во 
второй группе принято выделять испытания на виброустойчивость 
и проводить три вида испытаний: 
1) частотные испытания; 
2) испытания на вибрационную прочность (вибропрочность) и удар; 
3) испытания на вибрационную устойчивость (виброустойчивость).  
Частотные испытания — экспериментальное определение 
основных динамических характеристик объекта испытаний (собственных частот, собственных форм колебаний и параметров демпфирования). Собственные частоты и формы колебаний определяют 
до испытаний расчетным путем и получают подтверждение в результате частотных испытаний. Коэффициенты демпфирования 
могут быть получены только опытным путем. 

Частотные испытания — важнейший вид динамических испытаний. Без результатов частотных испытаний, без знания основных 
динамических характеристик объекта невозможны проведение 
любого динамического расчета, любого испытания на вибропрочность или испытания на удар, а также верная интерпретация полученных результатов расчета и эксперимента. 
Испытания на вибропрочность и удар — испытания на прочность при заданной вибрации или ударе или после них (например, 
испытания спускаемого аппарата на прочность при посадке на воду). 
Под испытаниями на виброустойчивость понимают исследование способности объекта при заданной вибрации выполнять 
заданные функции и сохранять в пределах норм значения параметров (например, испытания на устойчивость функционирования 
бортовой аппаратуры при работе основной двигательной установки ЛА). 
Несмотря на наличие некоторых особенностей, присущих указанным выше трем видам испытаний, при их проведении применяют, как правило, универсальные средства измерений. Средством 
измерений называют техническое устройство, используемое при 
измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Средства измерений включают измерительные преобразователи, 
измерительные приборы и вспомогательные средства (например, 
проводники, клеммы, трансформаторы). Средство измерений — 
более общее понятие, чем измерительный прибор; оно включает в 
себя как отдельные (самостоятельные) измерительные средства 
(приборы, преобразователи), так и измерительные установки и устройства.  
Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, 
обработки и (или) хранения. Примерами измерительных преобразователей являются датчик, усилитель, сумматор, интегратор, 
фильтр и т. п. Измерительным прибором называют средство измерения, в котором информация об измеряемой величине вырабатывается в форме, удобной для восприятия человеком. Большинство 
измерительных 
приборов 
являются 
одновременно 
и 
измерительными преобразователями, поскольку имеют выходы 
для передачи сигнала другим средствам измерений. Измеритель

ные преобразователи и приборы называют измерительными устройствами. Любые измерительные устройства в обобщенном 
смысле можно отнести к измерительным преобразователям. 
При динамических испытаниях ракетно-космической техники 
под средством измерений подразумевают аппаратную (приборную) 
составляющую динамических испытаний: датчики, виброизмерители, фильтры, приборы (блоки) регистрации, приборы (блоки) хранения измерительной информации и т. п. Измерительной аппаратурой называют все технические устройства, предназначенные для 
проведения испытаний. Средство измерений параметров вибрации 
обычно делят на структурные элементы (составляющие): датчики, 
измерители, регистраторы. Перечисленные структурные элементы 
составляют простейшую схему измерительного тракта. 
Измерительное устройство сложной структуры состоит из ряда 
измерительных преобразователей — измерительного канала, т. е. 
канала для передачи и преобразования информации. Функционирование измерительного устройства обычно представляют в рамках упорядоченной совокупности измерительных элементов — 
измерительной цепью. 
В развитии вибрационных испытаний выделяют три рубежа: в 
60-х годах ХIХ в. начались систематические исследования и измерения вибрации, в 30-х годах ХХ в. появились электромеханические измерители вибрации с преобразованием механических параметров в электрические, в 90-х годах ХХ в. для испытаний начали 
использовать компьютерную технику. Компьютер стал основным 
воспринимающим, обрабатывающим и управляющим звеном системы измерений. Естественно, для использования компьютеров 
необходимы согласующие элементы, преобразующие аналоговый 
(непрерывный) сигнал с датчика в цифровой (дискретный) сигнал, 
обрабатываемый компьютером [26].  
Важным направлением развития средств измерений является 
создание и использование виртуальных приборов (например, виртуальных средств LabVIEW фирмы National Instruments (США)). 
Виртуальные приборы состоят из двух частей: программного продукта, устанавливаемого на персональный компьютер, и контроллера (аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей), размещаемого в системном блоке или в небольшом внешнем блоке, 
подключаемом через стандартный USB-порт. Особенностью вирту

альных приборов является не только заложенная в них возможность 
адаптировать, подстраивать по усмотрению и вкусу пользователя 
внешний облик передней панели прибора, представляемой на экране компьютера, но и создавать отдельные приборы и измерительные 
системы, обладающие необходимыми для решения конкретной задачи испытаний свойствами и характеристиками. 
Современному инженеру следует иметь представление о классических трудах по виброметрии [1, 2]. Виброметрией называют 
совокупность методов и средств измерений величин, характеризующих вибрацию. Виброметрия является одним из разделов теории измерений — метрологии. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах 
достижения требуемой точности. Классические монографии [1, 2] 
содержат изложение теоретических основ виброметрии, не утратившее актуальности и в наши дни.  
Из-за ограниченного объема пособия в него не вошли материалы справочного характера, необходимые при планировании и проведении динамических испытаний реальных объектов ракетнокосмической техники. Справочные данные следует искать в источниках [8—13] и на сайтах фирм — разработчиков средств измерений вибрации [29—40]. 

1. ИЗМЕРЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВИБРАЦИИ И УДАРА 
(ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ) 

Успешное проведение динамических испытаний зависит от 
правильного понимания динамических свойств объекта испытаний, квалифицированного использования имеющихся в наличии 
средств испытаний, и в первую очередь от верного выбора датчиков и места их размещения на объекте. 
Рассмотрим произвольный колеблющийся механический объект. Выделим на его поверхности некоторую точку, в которой следует выполнить измерение колебаний. Ее называют узлом, или 
точкой, измерений.  
В общем случае узел измерений А (рис. 1.1) движется (совершает колебания) поступательно по осям координат X, Y, Z и поворачивается вокруг этих осей. Поэтому прежде чем приступить к 
проведению измерений колебаний в узле измерений, следует решить, какие именно колебания будут исследоваться: прямолинейные (поступательные) или угловые (вращательные), и в направлении каких именно осей. От этого зависят выбор датчиков 
вибрации (измеряющих прямолинейную или угловую вибрацию) и 
их размещение в каждом узле измерений. Обычно используются 
отдельные измерительные каналы многоканального виброизмерителя для каждой отдельной составляющей колебаний (одной из 
шести) со своими датчиками вибрации (однокомпонентные датчики). Гораздо реже применяют многокомпонентные датчики 
вибрации (двух- или трехкомпонентные). Чаще используют датчики прямолинейных колебаний, реже — угловых колебаний. 
Обычно на датчиках прямолинейных колебаний стрелкой указано направление, в котором датчик измеряет вибрацию. Это направление называют осью чувствительности (измерительной 
осью) датчика. В тех случаях, когда однокомпонентный датчик