航空仪表是飞机飞行控制与状态监测的核心设备，其可靠性直接关联飞行安全。机械环境试验中的振动测试，用于模拟飞机起降、湍流等工况下的振动载荷，而数据采集作为测试的“神经中枢”，直接决定测试结果的准确性与有效性。本文聚焦航空仪表振动测试数据采集的关键方法与实施要点，从原理、硬件配置到数据处理，系统拆解专业流程，为试验实施提供参考。

振动测试数据采集的基础原理

振动测试数据采集的本质，是将机械振动的物理量（位移、速度、加速度）转化为可量化的电信号，并通过数字化处理存储为分析用数据。航空仪表的振动工况复杂，涵盖正弦振动（如发动机旋转激励）、随机振动（如湍流气流激励）及冲击振动（如着陆撞击），因此采集系统需适配不同信号的特性——正弦信号需还原波形周期性，随机信号需覆盖宽频功率谱，冲击信号需捕捉峰值瞬间。从流程看，传感器将振动量转换为电压/电荷信号，经信号调理器放大、滤波后，由数据采集卡完成A/D转换（模拟到数字），最终存储为可分析的数字化数据。

需特别注意的是，航空仪表对采集系统的动态范围要求极高：如发动机激励的高频振动（>1kHz）与湍流的低频振动（<10Hz）需同时覆盖，系统需具备宽频响（0.1Hz~10kHz）与高信噪比（>80dB），才能避免信号失真。

传感器的选型与安装要求

航空仪表振动测试中，压电加速度传感器因宽频响（0.1Hz~10kHz）、高灵敏度（10~100mV/g）及抗恶劣环境能力，成为主流选型。选型时需匹配三大核心参数：频率范围（如测量高频振动>1kHz，选小质量传感器避免附加质量影响仪表特性）、量程（覆盖最大振动加速度，如着陆冲击达50g以上需选100g量程）、灵敏度（与信号调理器放大倍数匹配，如100pC/g传感器配1mV/pC放大器，输出100mV/g）。

安装环节直接影响信号准确性：螺接方式（M5/M6螺钉）刚性最佳，适用于关键测点（如仪表外壳）；粘贴方式（氰基丙烯酸酯胶）需保证胶层均匀，避免谐振干扰；磁吸底座仅用于临时测试，不可用于高加速度工况。此外，传感器与仪表表面需清洁无油污，接触面积≥传感器底面的80%，防止信号衰减。

采集系统的硬件配置要点

采集系统的硬件需围绕“精准还原振动信号”设计，核心组件包括信号调理器与数据采集卡。信号调理器的作用是将传感器输出的弱信号（如压电传感器的pC级电荷）放大至采集卡可识别的电压范围（±5V或±10V），并滤除噪声。压电传感器需配电荷放大器，压阻式传感器需配电压放大器，放大倍数需与传感器灵敏度匹配（如10mV/g传感器配100倍放大器，输出1V/g）。

数据采集卡的选择需关注三大参数：采样率（需满足Nyquist定理，即至少为信号最高频率的2倍，航空测试中通常取5~10倍以保证波形还原）、分辨率（16位或24位，24位适用于弱信号测试，量化误差更小）、通道数（匹配测点数量，如仪表的外壳、电路板、连接器需3~6通道同步采集）。此外，系统需配高精度时钟源（如10MHz晶振），确保多通道采样的时间一致性。

采样参数的设定规范

采样参数直接决定数据的有效性，需严格遵循试验标准（如GJB 150A《军用设备环境试验方法》）。采样率设定：正弦振动需为基频的10~20倍（如100Hz基频需1000~2000Hz采样率），随机振动需覆盖功率谱密度（PSD）最高频率的5倍以上（如PSD到2kHz需10kHz采样率），冲击振动需为冲击脉冲宽度的20~50倍（如1ms脉冲需20~50kHz采样率）。

采样点数需满足分析需求：傅里叶变换（FFT）需2的幂次点数（如1024、2048点），方便快速计算；长时间测试需根据时长设定（如10kHz采样率采集1小时，需36000000点）。量程设定需覆盖传感器最大输出（如100mV/g传感器、50g量程，输出最大5V，采集卡输入范围设为±5V），避免截波失真。

数据预处理的关键步骤

原始数据需经预处理才能用于分析，核心步骤包括滤波、去趋势与去噪。滤波用于去除无关频率成分：低通滤波器（如Butterworth滤波器）去除高于信号带宽的噪声（如50Hz电源干扰），截止频率需设为信号最高频率的1.2~1.5倍；高通滤波器去除直流漂移（如传感器零漂），截止频率设为信号最低频率的0.5~0.8倍。

去趋势用于消除缓慢变化的误差：采用线性或多项式拟合去除温度变化导致的传感器输出漂移（如0.1mV/s的线性漂移），避免影响振动幅值计算。去噪针对随机噪声：移动平均法适用于低频噪声，小波变换法适用于高频噪声，需保留有用信号的幅值与相位特征（如不可过度去噪导致信号失真）。

干扰抑制的实用方法

测试现场的干扰（电源、电磁辐射、线缆耦合）会严重影响数据质量，需针对性抑制。接地方面，系统需单点接地（传感器、信号调理器、采集卡接地端连至同一接地点），避免接地环路产生的环流噪声（如2mV的环路电压会导致10g的加速度误差）。

屏蔽方面，传感器线缆需用双绞屏蔽线，屏蔽层一端接地（信号调理器端）；强电磁环境（如靠近雷达）需用金属屏蔽箱罩住仪表，屏蔽箱接地电阻<1Ω。线缆处理需避免与动力线平行布置，间距≥0.5m，减少电磁耦合；线缆需固定在仪表支架上，避免振动导致的摩擦噪声（如静电信号）。

多通道同步采集的实现策略

航空仪表的多个测点（如外壳、电路板、连接器）需同步采集，才能分析各点的振动相位关系。同步的核心是统一时钟源：数据采集卡需支持外部同步（如GPS时钟或10MHz晶振），确保各通道采样触发时间一致（误差<1μs）。

通道校准是同步的关键补充：用标准信号源（如100Hz、1g正弦信号）输入各通道，测量输出幅值与相位差，通过软件补偿调整（如幅值误差1.5%需减1.5%增益，相位差2°需延迟对应采样点），确保通道间一致性（幅值误差<1%，相位误差<1°）。分布式采集系统（如测点分散在飞机不同部位）需用以太网或光纤传输同步信号，避免长线缆导致的时钟延迟（如100m线缆延迟约0.3μs，会影响相位分析）。

数据存储的格式与要求

数据存储需兼顾“可追溯性”与“分析便利性”。常用格式中，TDMS（LabVIEW专用）支持元数据存储（传感器型号、采样率、测点位置），适用于LabVIEW分析；HDF5支持大数据存储（如10通道、24小时测试），适用于MATLAB或Python分析；CSV为文本格式，通用性强但不支持元数据。

存储内容需包含：①工况信息（测试时间、环境温度、仪表型号）；②传感器参数（型号、灵敏度、安装位置）；③采样参数（采样率、量程、滤波器类型）；④原始数据（未滤波的原始信号）；⑤预处理结果（滤波、去趋势后的信号）。数据需备份至至少2个介质（硬盘+云存储），并标注唯一标识符（如“仪表型号+测试日期+测点编号”），避免混淆。