1、Page 1 10.310.3常用測振放大器常用測振放大器 常用的測振放大器常用的測振放大器 有：有： 調制型放大器調制型放大器適用于適用于參量變化型傳感器參量變化型傳感器， 如應變式、電磁式、電容式；如應變式、電磁式、電容式； 電壓、電荷放大器電壓、電荷放大器適于發電型傳感器，如壓電式、磁電式等。適于發電型傳感器，如壓電式、磁電式等。 電壓放大器電壓放大器把電荷變成電壓，再放大傳輸。把電荷變成電壓，再放大傳輸。 高輸入阻抗、低輸出阻抗高輸入阻抗、低輸出阻抗 ，電路較簡單，電路較簡單， 但輸出受連接電纜對地電容的影響。但輸出受連接電纜對地電容的影響。 電荷放大器電荷放大器將電荷直接放大，再進行

2、傳輸。將電荷直接放大，再進行傳輸。 以電容作負反饋，基本不受電纜電容的影響。以電容作負反饋，基本不受電纜電容的影響。 通常用高質量的元器件，輸入阻抗高，價格較貴。通常用高質量的元器件，輸入阻抗高，價格較貴。 兼有微積分、濾波功能兼有微積分、濾波功能 分類分類 阻抗變換器阻抗變換器 前置放大器前置放大器 對壓電式加速度計放大有兩種形式：對壓電式加速度計放大有兩種形式： Page 2 電壓放大器電壓放大器（放大倍數不大，主要其阻抗變換作用）（放大倍數不大，主要其阻抗變換作用） 將壓電加速度計的高輸出阻抗變成較低阻抗將壓電加速度計的高輸出阻抗變成較低阻抗（又稱阻抗變換器）（又稱阻抗變換器）， 以便和

3、主放大器連接。以便和主放大器連接。 壓電加速度計壓電加速度計電纜電纜電壓放大器輸入端電壓放大器輸入端 10.3.1電壓放大器電壓放大器 10.3常用測振放大器常用測振放大器 組合電路 加速度計 產生的總 電荷 放大器輸入端電阻、電容 加速度計內部絕緣電阻、 加速度計內部電容 Page 3 簡化為等效電路簡化為等效電路 等效電容等效電容（并聯）（并聯） 等效電阻等效電阻（并聯）（并聯） ica CCCC ia ia RR RR R 等效電路等效電路 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 4 傳感器產生的傳感器產生的總電荷量總電荷量為：為： 式中使電容充電到電壓的電荷；式中使電容充電到電

4、壓的電荷； 經電阻漏掉的電荷，在電阻上產生壓降，經電阻漏掉的電荷，在電阻上產生壓降， 其值相當于；其值相當于； 壓電晶體的壓電系數；壓電晶體的壓電系數； 作用于壓電晶體上的作用于壓電晶體上的 交變力交變力 12 10 18 aaa qqqD F 1a q Cu R2a q u D F tFFsin 0 C q u a1 R td qd u a2 10.3常用測振放大器常用測振放大器 等效電路等效電路 Page 5 對（對（1818式）進行微分，則有式）進行微分，則有 代入各代入各電荷的導數電荷的導數及及交變力的導數交變力的導數，有：，有： 整理得：整理得： 解此微分方程，其特解得解此微分方程，

5、其特解得 td Fd D td qd td qd td qd aaa 21 0 cos duu CDFt dtR tFDRu td ud RC m cos )(sintuu m 一階系統一階系統 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 6 其中其中 即即電壓放大器的輸入電壓電壓放大器的輸入電壓 與壓電傳感器、電纜的參數有關，與壓電傳感器、電纜的參數有關， 還與還與 、 有關有關。 2 0 )(1CR RFD um 0 22 1/() DF RC RG/1 0 F u 電導電導 討論：討論： 時，即時，即不能做靜態測量；不能做靜態測量； 時，即時，即振動體的頻率足夠大時，振動體的頻率足夠

6、大時， 電壓放大器輸入電壓與頻率無關；輸入電壓與頻率無關； CR/1 C FD u 0 00u Page 7 討論：討論： 時，即時，即放大器的輸入電壓放大器的輸入電壓 是振動頻率是振動頻率 的函數，的函數， 隨隨 的降低而降低。的降低而降低。 一般一般下限截止頻率下限截止頻率規定為：規定為： 電壓放大器的輸入電壓電壓放大器的輸入電壓 下降到下降到 相對高頻時的輸入電壓少相對高頻時的輸入電壓少 （即（即 ）處的頻率，）處的頻率， 此時有：此時有： CR/1 0 uD FRu 3dB m uu707.0 10.3常用測振放大器常用測振放大器 2 0 )(1CR RFD um 1 1/1=1024

7、 2 RCR Cf RC 下 即或 0 22 1/() DF RC Page 8 因為因為 、很大，即等效電阻、很大，即等效電阻 也相應較大，則電壓放也相應較大，則電壓放 大器的輸入電壓（大器的輸入電壓（10-2310-23）式變為：）式變為： 當傳感器、放大器選定后，當傳感器、放大器選定后， 與與 是一定的，所以只取決是一定的，所以只取決 于于 （電纜的電容）。（電纜的電容）。 電纜越長，分布電容電纜越長，分布電容 越大，則輸入電壓就越小，測量信越大，則輸入電壓就越小，測量信 號可能被干擾信號淹沒。號可能被干擾信號淹沒。 連接電纜不能太長，一般有專用的短的低噪音電纜。連接電纜不能太長，一般有

8、專用的短的低噪音電纜。 a R i R 00 aci D FD F CCCC a C i C c C c C 10.3常用測振放大器常用測振放大器 0 22 1/() m DF u RC R Page 9 優點優點 線路簡單；線性度好；穩定性好。線路簡單；線性度好；穩定性好。 缺點缺點 電壓靈敏度是阻抗的函數，電壓靈敏度是阻抗的函數， 且隨電纜的長度而變化。且隨電纜的長度而變化。 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 10 10.3.2電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一種輸出電壓與電荷成正比的前置放大器，電荷放大器是一種輸出電壓與電荷成正比的前置放大器， 它是基于適當增加總電容量，

9、使它是基于適當增加總電容量，使 很低，很低， 并不受電纜分布電容的影響而設計的。并不受電纜分布電容的影響而設計的。 C 下 f 壓電加速度計壓電加速度計電纜電纜電荷放大器輸入端電荷放大器輸入端 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 11 負反饋網絡的電容負反饋網絡的電容 上的電荷量為：上的電荷量為： 電荷放大器的輸出電壓為：電荷放大器的輸出電壓為： 【聯解、整理上面兩式聯解、整理上面兩式】 00 00 0 / / uAuC uAuC uuCq F F iFF F C Fica a CACCC qA u 1 0 10.3常用測振放大器常用測振放大器 電荷放大電荷放大 器輸入端器輸入端

10、壓電加壓電加 速度計速度計 內部電容內部電容 電纜電纜 電容電容 運放增益運放增益 而電荷放大器的輸入電壓，即為而電荷放大器的輸入電壓，即為電荷電荷 差差 在等效電容在等效電容 兩端形成的兩端形成的電位差電位差： 電荷放大電荷放大 器輸入端器輸入端 電容電容 ica FaFa i CCC qq C qq u C 反向放大反向放大 Page 12 因因 ，并，并 ， 則電荷放大器的輸出電壓改為：則電荷放大器的輸出電壓改為： 電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷量成正比。電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷量成正比。 且與負反饋網絡的電容有關，與電纜的分布電容無關。且與負反饋網絡的電容有關，與電纜的分布電容無

11、關。 故可以采用長導線（上千米）測量。故可以采用長導線（上千米）測量。 下限截止頻率：下限截止頻率： （推導見（推導見P258P258） 1A 1 F A CC F a F a C q CA qA u 1 0 FF CR f 2 1 下 10.3常用測振放大器常用測振放大器 電荷放大器的頻率下限取決于負反饋網絡的參數電荷放大器的頻率下限取決于負反饋網絡的參數 與與 ， 一般頻率下限可達一般頻率下限可達 ，甚至達，甚至達 量級。量級。 F R F C Hzf003. 0 下 4 10 半功率點半功率點處對應頻率處對應頻率 Page 13 優點優點 低頻性能好，低頻性能好， ； 下 fHz3 .0

12、003.0 與電纜長度無關（但也不宜過長）；與電纜長度無關（但也不宜過長）； 有上限可調的低通濾波，有上限可調的低通濾波， 可去掉無用的高次諧波；可去掉無用的高次諧波； 信噪比好于電壓放大器。信噪比好于電壓放大器。 有適調開關，有歸一化輸出，有適調開關，有歸一化輸出， 便于隨機振動測量及信號處理；便于隨機振動測量及信號處理； 但結構復雜、價格貴、使用要求高。但結構復雜、價格貴、使用要求高。 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 14 電荷放大器的使用應注意以下幾點：電荷放大器的使用應注意以下幾點： （1 1）電荷放大器的輸入端不能直接接入像磁電式傳感器、）電荷放大器的輸入端不能直接接

13、入像磁電式傳感器、 信號發生器或直流電壓等類的電壓信號；信號發生器或直流電壓等類的電壓信號； （2 2）電荷放大器的輸入端絕緣電阻要求很高，因此要保持輸入）電荷放大器的輸入端絕緣電阻要求很高，因此要保持輸入 插座及電纜插頭的清潔與干燥，甚至不允許用手觸摸；插座及電纜插頭的清潔與干燥，甚至不允許用手觸摸； （3 3）電荷放大器的輸入阻抗極高，）電荷放大器的輸入阻抗極高， 因此不能在儀器接通電源后再裝卸輸入插頭，以免損壞儀器，因此不能在儀器接通電源后再裝卸輸入插頭，以免損壞儀器， 儀器的輸出端也不能短接；儀器的輸出端也不能短接； 10.3常用測振放大器常用測振放大器 Page 15 （4 4）電荷

14、放大器不受連接電纜的限制，）電荷放大器不受連接電纜的限制， 但這只是在理想的情況下，但這只是在理想的情況下， 因此輸入端的連接電纜也不宜過長；因此輸入端的連接電纜也不宜過長； （5 5）要合適地選擇上下限頻率范圍）要合適地選擇上下限頻率范圍 （根據被測振動體的振動頻率范圍），（根據被測振動體的振動頻率范圍）， 這樣有助于減少噪聲和干擾。這樣有助于減少噪聲和干擾。 10.3常用測振放大器常用測振放大器 # Page 16 10.410.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 激振設備：激振設備：可分為激振器和振動臺兩種可分為激振器和振動臺兩種 激振器激振器裝在被激振的物體上，裝在被激振的物體上，

15、 由其產生一定頻率和大小的激振力，由其產生一定頻率和大小的激振力， 作用在實驗物體上，使其產生受迫振動。作用在實驗物體上，使其產生受迫振動。 振動臺振動臺將實驗對象置于振動實驗臺上，將實驗對象置于振動實驗臺上， 由臺面提供一定頻率、振幅的振動。由臺面提供一定頻率、振幅的振動。 Page 17 10.4.1振動的激勵振動的激勵 穩態正弦激振穩態正弦激振 穩態正弦激振是最普遍的激振方法穩態正弦激振是最普遍的激振方法； 借助激振設備施加頻率可控制的單頻、穩定的簡諧激振力借助激振設備施加頻率可控制的單頻、穩定的簡諧激振力 ； 測定穩態振動響應和激振力的幅值比和相位差；測定穩態振動響應和激振力的幅值比和

16、相位差； 緩慢進行頻率掃描，緩慢進行頻率掃描， 以期獲得整個頻率范圍的響應。以期獲得整個頻率范圍的響應。 相應地采用模擬的測量儀器，相應地采用模擬的測量儀器， 如傳遞函數分析儀、譜分析儀等。如傳遞函數分析儀、譜分析儀等。 Page 18 隨機激勵隨機激勵 一般用一般用白噪聲白噪聲或或偽隨機信號偽隨機信號發生器作為信號源，發生器作為信號源， 屬于寬帶激振的方法，屬于寬帶激振的方法， 使被測物體在一定頻率范圍內產生隨機振動，使被測物體在一定頻率范圍內產生隨機振動， 與譜分析儀相配合，獲得被測對象的頻率響應，與譜分析儀相配合，獲得被測對象的頻率響應， 隨機振動系統可實現快速的在線測量隨機振動系統可實

17、現快速的在線測量 快速測試，設備復雜，價格快速測試，設備復雜，價格高高 并非隨機生成的信號， 而是通過相對復雜的算法得出的 有規律可循的變化信號。 Page 19 瞬態激振瞬態激振 也屬于寬帶激振也屬于寬帶激振 可分為：可分為： 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 激振信號頻率在激振信號頻率在掃描周期掃描周期T T中中 呈線性增大呈線性增大變化，變化， 但是幅值保持不變。但是幅值保持不變。 一般掃描時間為一般掃描時間為1 12 s 2 s ， 因而可以快速測試出因而可以快速測試出 被測對象的頻率特性。被測對象的頻率特性。 T 快速正弦掃描函數及其頻譜快速正弦掃描函數及其頻譜 10.4振動的激勵與

18、激振器振動的激勵與激振器 ()f t Page 20 激振函數激振函數 式中式中 激振信號的上、下限頻率激振信號的上、下限頻率 及掃描周期及掃描周期 視試驗要求而定。視試驗要求而定。 tbt atf tfTtf )(2sin)( )()( )0(Tt T ff a minmax min fb maxmin ff、 T 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 T 快速正弦掃描函數及其頻譜快速正弦掃描函數及其頻譜 與正弦函數相似， 頻率不斷變化， 屬于瞬態激振。 ()f t 隨時間線性增大 ()atb Page 21 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器電荷放大器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 加速度計

19、加速度計 被測件被測件 脈沖錘（激振錘）脈沖錘（激振錘） 脈沖激振測試框圖脈沖激振測試框圖 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 脈沖激振脈沖激振 見圖見圖10-21 Page 22 用脈沖錘敲擊被測對象。用脈沖錘敲擊被測對象。 脈沖的持續時間脈沖的持續時間 取決于錘端的材料，取決于錘端的材料， 材料越硬，值越小，則頻率范圍越大。材料越硬，值越小，則頻率范圍越大。 用脈沖錘激振簡便高效。用脈沖錘激振簡便高效。 但是在敲擊點的位置、敲擊力的大小、方向的控制等方面，但是在敲擊點的位置、敲擊力的大小、方向的控制等方面， 需要有熟練的技巧。需要有熟練的技巧。 10.4振動的激勵與激振器振動的激

20、勵與激振器 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器電荷放大器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 加速度計加速度計 被測件被測件 脈沖錘（激振錘）脈沖錘（激振錘） Page 23 錘頭越硬，頻譜越寬，錘頭越硬，頻譜越寬， 但是，其單位頻率的能量卻越小。但是，其單位頻率的能量卻越小。 所以在滿足最大頻率要求的前提下，所以在滿足最大頻率要求的前提下， 盡可能選軟一些的材料。盡可能選軟一些的材料。 當要求所激起的響應當要求所激起的響應 偏于低頻范圍時，偏于低頻范圍時， 則持續時間應當稍長一些。則持續時間應當稍長一些。 各種材料的錘頭的頻響曲線 1鋼；2鋁；3尼龍；4橡膠 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 電

21、荷放大器電荷放大器 電荷放大器電荷放大器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 加速度計加速度計 被測件被測件 脈沖錘（激振錘）脈沖錘（激振錘） Page 24 400018001510820750頻率上限（Hz） 鋼鋼鋁鋼鋁試件 鋼鋁鋁尼龍尼龍錘頭 單點激振，多點測量；單點激振，多點測量； 多點激振，單點測量。多點激振，單點測量。 特點：特點： 可重復試驗，多次平均，以減少隨機誤差；可重復試驗，多次平均，以減少隨機誤差； 可移動激振點，而固定加速度計；可移動激振點，而固定加速度計； 激振點可移動，以避免激振點處于節點位置；激振點可移動，以避免激振點處于節點位置； 磁帶記錄儀記錄，便于頻譜分析。磁帶記錄儀記錄

22、，便于頻譜分析。 頻率范圍上限表頻率范圍上限表 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器簡簡 略略 Page 25 階躍激振階躍激振 階躍激振的激振力來自一根剛度大、重量輕的弦。階躍激振的激振力來自一根剛度大、重量輕的弦。 試驗時，在激振點處，力傳感器將弦的張力施加于被測對象上，試驗時，在激振點處，力傳感器將弦的張力施加于被測對象上， 使之產生初始變形，使之產生初始變形， 然后突然切斷張力弦，相當于施加一個負的階躍激振力。然后突然切斷張力弦，相當于施加一個負的階躍激振力。 階躍激振也屬于寬帶激振。階躍激振也屬于寬帶激振。 在輸電塔結構、建筑結構的振動測試中被普遍應用。在輸電塔結構、建筑結構

23、的振動測試中被普遍應用。 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 激振過程激振過程 激振性質激振性質 應用領域應用領域 Page 26 電動式激振器電動式激振器 10.4.2激振器激振器 用于較大型的激振用于較大型的激振 器，即振動臺。器，即振動臺。 10.4振動的激勵與激振器振動的激勵與激振器 勵磁式勵磁式永磁式永磁式 電動式激振器電動式激振器 按照其磁場的形成方法分按照其磁場的形成方法分 用于小型用于小型 激振器激振器 * *驅動線圈位于磁極所形成的高驅動線圈位于磁極所形成的高 磁通密度的氣隙中，磁通密度的氣隙中， * *當線圈有交變電流通過時，受當線圈有交變電流通過時，受 電動力作

24、用，電動力作用， * *力通過頂桿傳給試件，形成所力通過頂桿傳給試件，形成所 需激振力。需激振力。 （驅動線圈） Page 27 電動激振器的安裝方式電動激振器的安裝方式 高頻激振，用軟彈簧將激振器懸掛起來，高頻激振，用軟彈簧將激振器懸掛起來， （加配重，降低懸掛系統的固有頻率，（加配重，降低懸掛系統的固有頻率，要低于激振頻率要低于激振頻率1/31/3以上以上。）。） 低頻激振，固定在剛性基礎上，低頻激振，固定在剛性基礎上， 使激振系統固頻使激振系統固頻高于激振頻率的三倍高于激振頻率的三倍。 高頻水平激振，懸掛成單擺，固有頻率與擺長有關。高頻水平激振，懸掛成單擺，固有頻率與擺長有關。 低頻水平激振，則用剛性基礎安裝。低