第10章

振動(dòng)測(cè)試目錄概述慣性式傳感器的力學(xué)模型振動(dòng)測(cè)量傳感器10.110.210.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定10.4激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介10.510.1概述

機(jī)械振動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中極為常見的現(xiàn)象。許多機(jī)械設(shè)備和裝置內(nèi)部都安裝著各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和零部件(都是彈性體),在運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載不均勻、結(jié)構(gòu)剛度各向不等、表面質(zhì)量不夠理想等原因,使得工作時(shí)不可避免地存在著振動(dòng)現(xiàn)象。如汽車、火車、飛機(jī)、輪船以及各種動(dòng)力機(jī)械在工作時(shí)均產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)包括起動(dòng)時(shí)的沖擊振動(dòng)以及平穩(wěn)工作時(shí)的隨機(jī)振動(dòng)。在許多情況下,這種振動(dòng)是有害的。許多設(shè)備故障的產(chǎn)生就是由于振動(dòng)過(guò)大,產(chǎn)生有損機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)載荷,而導(dǎo)致系統(tǒng)特性參數(shù)發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)可能使部件產(chǎn)生裂紋、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降或使機(jī)上設(shè)備失靈,其后果嚴(yán)重影響了機(jī)器設(shè)備的工作性能和壽命,甚至使機(jī)器遭受破壞。同時(shí),強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲還對(duì)人的生理健康產(chǎn)生極大的危害。近年來(lái),具有大功率、高速度、高效率等性能的大型化、復(fù)雜化(多為機(jī)、電、液綜合系統(tǒng))的機(jī)器正在飛速發(fā)展,而影響這些設(shè)備發(fā)展的振動(dòng)問(wèn)題已遍及機(jī)械制造工程的各個(gè)行業(yè),并引起人們的極大重視。

因此如何減小振動(dòng)的影響,將振動(dòng)量控制在允許的范圍內(nèi),是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。但在某些情況下,振動(dòng)也有可被利用的一面,例如利用振動(dòng)原理研制的振動(dòng)機(jī)械用于運(yùn)輸、夯實(shí)、搗固、清洗、脫水、時(shí)效等方面,只要設(shè)計(jì)合理,它們就有著耗能少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。10.1概述

機(jī)械振動(dòng)測(cè)試是現(xiàn)代機(jī)械振動(dòng)學(xué)科的重要組成部分,它是研究和解決工程技術(shù)中許多動(dòng)力學(xué)問(wèn)題必不可少的手段。在機(jī)械結(jié)構(gòu)(尤其是那些承受復(fù)雜載荷或本身十分復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu))的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)(阻尼、固有頻率、機(jī)械阻抗等)求解方面,目前尚無(wú)法用理論公式正確計(jì)算,振動(dòng)測(cè)試則是唯一的求解方法。在設(shè)計(jì)階段,為了提高結(jié)構(gòu)的抗振能力,往往需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行種種振動(dòng)試驗(yàn)、分析和仿真設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)具體結(jié)構(gòu)或相應(yīng)模型的振動(dòng)試驗(yàn),可以驗(yàn)證理論分析的正確性,找出薄弱環(huán)節(jié),改善結(jié)構(gòu)的抗振性能。此外,在現(xiàn)代的先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)中,除了要求各種機(jī)械具備低振動(dòng)和低噪聲的性能外,還隨時(shí)需對(duì)某運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷和對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制,這些技術(shù)措施也都離不開振動(dòng)的測(cè)量。由此可見,振動(dòng)測(cè)試在生產(chǎn)和科研的許多方面都占有重要地位。10.1概述

機(jī)械振動(dòng)測(cè)試,用于不同目的,大致可分為兩類:1)尋找振源,減少或消除振動(dòng),即消除被測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動(dòng)。例如在工作狀態(tài)下(如切削過(guò)程中),對(duì)結(jié)構(gòu)及部件進(jìn)行測(cè)量和分析。測(cè)量?jī)?nèi)容通常是振動(dòng)強(qiáng)度、頻譜,亦即測(cè)出被測(cè)對(duì)象某些點(diǎn)的位移、速度或加速度以及振動(dòng)頻率和一些需要做進(jìn)一步分析的信息,弄清振動(dòng)狀況并尋找振源,為采取有效對(duì)策提供依據(jù),使振動(dòng)得以消除或減小。或?qū)@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,并與已有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,用以判斷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在破壞、磨損、松脫等影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的各種故障,確定系統(tǒng)是否能繼續(xù)運(yùn)行和確定相應(yīng)方案,以進(jìn)行預(yù)知維修。10.1概述2)測(cè)定結(jié)構(gòu)或部件的動(dòng)態(tài)特性,以便改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高抗振能力。這是對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激振力,使其產(chǎn)生振動(dòng),同時(shí)測(cè)出輸入(激振力)和輸出(被測(cè)件)的振動(dòng)信號(hào),從而確定被測(cè)部件的頻率響應(yīng),然后進(jìn)行模態(tài)分析(ModelAnalysis)、譜分析和相關(guān)分析等,求得各階模態(tài)的振動(dòng)參數(shù),進(jìn)而確定被測(cè)對(duì)象的固有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動(dòng)參數(shù)。這類試驗(yàn)稱為機(jī)械模態(tài)試驗(yàn)、激振試驗(yàn),或稱頻率響應(yīng)試驗(yàn)。其目的是為了研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。10.1概述10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型

在工程振動(dòng)理論中,常用理論分析計(jì)算法來(lái)解決工程振動(dòng)問(wèn)題。利用振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度等物理量描述系統(tǒng)的物理特性,從而構(gòu)成系統(tǒng)的力學(xué)模型。而在對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)研究時(shí),一般要將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為某種理想化的力學(xué)模型,然后再進(jìn)行分析研究,通過(guò)數(shù)學(xué)分析,求出在自由振動(dòng)情況下的模態(tài)特性(固有頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)矢量等)。單自由度系統(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的力學(xué)模型。該系統(tǒng)的全部質(zhì)量m(kg)集中在一點(diǎn),并由一個(gè)剛度為k(N/m)的彈簧和一個(gè)黏性阻尼系數(shù)為c(N/ms-1)的阻尼器支持著。在討論中假設(shè)系數(shù)m、k和c不隨時(shí)間而變,系統(tǒng)呈線性。該系統(tǒng)可以用二階常系數(shù)微分方程來(lái)表述。單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)研究是多自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而且一些實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)。下面以單自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型來(lái)介紹慣性式傳感器的特性。10.2.1慣性式測(cè)振傳感器的力學(xué)模型與特性分析1.質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動(dòng)典型的單自由度系統(tǒng)如圖10-1所示。其質(zhì)量塊m在外力f(t)作用下的運(yùn)動(dòng)方程為：圖10-1單自由度系統(tǒng)在質(zhì)量塊受力時(shí)所引起的受迫振動(dòng)10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型

單自由度系統(tǒng)在質(zhì)量塊受力時(shí)所引起的受迫振動(dòng)，其頻率響應(yīng)H(ω)、幅頻特性A(ω)和相頻特性φ(ω)為：10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型

顯然,這就是本書“第3章

測(cè)試裝置的基本特性”中所述的二階系統(tǒng),其幅頻和相頻特性曲線可參閱圖3-15。10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型2.基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)

在許多情況下,振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)是由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為z1,質(zhì)量m的絕對(duì)位移為z0,作力的分析。由圖10-2,自由體上所受的力為：當(dāng)質(zhì)量塊m對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),則m的相對(duì)位移為將其代入式(10-3),則有圖10-2單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)激勵(lì)10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型則可得其頻率響應(yīng)H(ω)、幅頻特性A(ω)和相頻特性φ(ω)為：其幅頻特性、相頻特性曲線如圖10-3所示。圖10-3基礎(chǔ)激振時(shí),以質(zhì)量塊對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)位移為響應(yīng)時(shí)的頻率響應(yīng)特性

從圖中可看出當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的固有頻率(ω≤ωn)時(shí),質(zhì)量塊相對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)幅值為零,意味著質(zhì)量塊幾乎跟隨著基礎(chǔ)一起振動(dòng),兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)極小。而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)高于固有頻率(ω≥ωn)時(shí),A(ω)接近于1,這表明質(zhì)量塊和殼體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(輸出)和基礎(chǔ)的振動(dòng)(輸入)近乎相等。這表明質(zhì)量塊在慣性坐標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。該現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于測(cè)振儀器中。從圖中還可看出,就高頻和低頻兩頻率區(qū)域而言,系統(tǒng)的響應(yīng)特性類似于“高通”濾波器,但在共振頻率附近的頻率區(qū)域,則根本不同于“高通”濾波器,輸出位移對(duì)頻率、阻尼的變化都十分敏感。10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型

特性分析如下:1)在使用時(shí),一般取ω/ωn>>(3~5),即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測(cè)振動(dòng)的下限頻率。此時(shí)其幅值A(chǔ)(ω)≈1,不產(chǎn)生畸變,φ(ω)≈180°。2)若選擇適當(dāng)阻尼,可抑制ω/ωn=1處的共振峰,使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展,從而擴(kuò)大下限的頻率。例如,當(dāng)取ζ=0.7時(shí),若允許誤差為±2%,下限頻率可為2.13ωn;若允許誤差為±5%,下限頻率則可擴(kuò)展到1.68ωn。增大阻尼,能迅速衰減固有振動(dòng),對(duì)測(cè)量沖擊和瞬態(tài)過(guò)程較為重要,但不適當(dāng)?shù)剡x擇阻尼會(huì)使相頻特性惡化,引起波形失真。當(dāng)ζ=0.6~0.7時(shí),相頻曲線ω/ωn=1附近接近直線,稱為最佳阻尼。10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型3)該種傳感器測(cè)量上限頻率在理論上是無(wú)限的,但在實(shí)際應(yīng)用中要受到具體儀器結(jié)構(gòu)和元器件的限制,因此上限不能太高,下限頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和慣性塊尺寸、質(zhì)量的限制,使ωn不能過(guò)小。因此該種傳感器的頻率范圍是有限的。

此外通常把圖10-3所示幅頻曲線上幅值比最大處的頻率ωr稱為位移共振頻率。當(dāng)令式(10-6)對(duì)(ω/ωn)的一階導(dǎo)數(shù)為零時(shí),可求得

從式(10-7)上可看出位移的共振頻率隨著阻尼的減少而向固有頻率ωn靠近。所以在小阻尼時(shí),ωr很接近ωn的估計(jì)值。若輸入為力,輸出為振動(dòng)速度時(shí),則系統(tǒng)幅頻特性的最大值處的頻率稱為速度共振頻率,用ωv表示。速度共振頻率始終與固有頻率相等。而對(duì)于加速度響應(yīng)的共振頻率ωa,它總是大于系統(tǒng)的固有頻率。位移共振頻率ωr、速度共振頻率ωv和加速度共振頻率ωa與固有頻率ωn的關(guān)系分別為

可見,只有當(dāng)阻尼比ζ=0時(shí),它們才完全相等;當(dāng)ζ很小時(shí),ωr≈ωv≈ωa。

可見位移傳感器的工作范圍在頻率比ω/ωn≤1的區(qū)域,速度傳感器的工作范圍在ω/ωn=1的區(qū)域,加速度傳感器的工作范圍在ω/ωn≥1的區(qū)域。10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型10.2.2單自由度振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié)

在測(cè)試工作中,經(jīng)常遇到實(shí)際的工程問(wèn)題,往往可簡(jiǎn)化成彈簧-阻尼-質(zhì)量塊構(gòu)成的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)描述。由于在不同場(chǎng)合下所處理的輸入量、輸出量是不相同的,從而其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不相同。根據(jù)上述原理,將其歸納成表10-1。10.2慣性式傳感器的力學(xué)模型10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中,測(cè)試手段與方法多種多樣,目前廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量方法是電測(cè)法。它是將工程振動(dòng)的參量經(jīng)傳感器拾取后,轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)電子線路進(jìn)行放大傳輸處理,從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。

所選用的測(cè)振傳感器按是否與被測(cè)件接觸可將其分為兩類:接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸式傳感器中有磁電式速度傳感器和壓電式加速度計(jì)等,其機(jī)電轉(zhuǎn)換較為方便,因而用得最多。而電容傳感器、渦流傳感器常用于振動(dòng)位移的非接觸測(cè)量中。

按所測(cè)的振動(dòng)性質(zhì)可將傳感器分為絕對(duì)式傳感器和相對(duì)式傳感器。絕對(duì)式傳感器的輸出描述被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)。絕對(duì)式傳感器的殼體固定在被測(cè)物體上,其內(nèi)部利用彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)來(lái)感受振動(dòng)。測(cè)振時(shí),殼體和被測(cè)物體固接,殼體的振動(dòng)視同于被測(cè)物體的振動(dòng),也即傳感器的輸入。殼體對(duì)傳感器內(nèi)質(zhì)量塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量用來(lái)描述被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)量并作為力學(xué)模型的輸出,供有關(guān)的機(jī)-電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電量,成為傳感器的輸出,其頻率響應(yīng)可由表10-1查得。使用相對(duì)式傳感器時(shí),殼體和測(cè)量體分別與不同被測(cè)物體聯(lián)系,其輸出是描述此兩試件間的相對(duì)振動(dòng)。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

由于傳感器是振動(dòng)測(cè)試中的第一個(gè)環(huán)節(jié),除了要求它具有較高的靈敏度和在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)有平坦的幅頻特性曲線,以及與頻率呈線性關(guān)系的相頻特性曲線外,還要求慣性式傳感器(見圖10-4)的質(zhì)量小,這是因?yàn)楣潭ㄔ诒粶y(cè)對(duì)象上的慣性式傳感器將作為附加質(zhì)量使整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生變化,這些變化可近似地用下列兩式表示為10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器圖10-4慣性式傳感器的力學(xué)模型

顯然,只有當(dāng)mt≤m時(shí),mt的影響才可忽略。在對(duì)輕小結(jié)構(gòu)測(cè)振或做模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí),由于mt占m的相當(dāng)比例,需要對(duì)附加質(zhì)量加以特別考慮。

振動(dòng)的位移、速度、加速度之間保持簡(jiǎn)單的微積分關(guān)系,所以在許多測(cè)振儀器中往往帶有簡(jiǎn)單的微積分網(wǎng)絡(luò),根據(jù)需要可進(jìn)行位移、速度、加速度之間的切換。以下是關(guān)于這些傳感器的介紹。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.1

渦流式位移傳感器圖10-5渦流式位移傳感器

渦流式位移傳感器是一種相對(duì)式非接觸式傳感器,它是通過(guò)傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)位移和幅值的。實(shí)驗(yàn)表明,傳感器線圈的厚度越小,靈敏度越高。渦流式位移傳感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平線圈組成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖10-5所示。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

這種傳感器已成系列,測(cè)量范圍從±(0.5~10)mm不等,靈敏閾約為測(cè)量范圍的0.1%。例如外徑8mm的傳感器與工件安裝間隙約為1mm,在±0.5mm的測(cè)量范圍內(nèi)有良好的線性,靈敏度為8mV/μm。這類傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。渦流式傳感器屬于相對(duì)式傳感器,它能方便地測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件之間的間隙變化(例如轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軸承座的振動(dòng)等)。實(shí)驗(yàn)證明:表面粗糙度對(duì)測(cè)量幾乎無(wú)影響,但表面微裂縫和被測(cè)材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率對(duì)靈敏度有影響。所以在測(cè)試前,最好用和試件材料相同的樣件在校準(zhǔn)裝置上直接校準(zhǔn),以取得特性曲線。此外,如被測(cè)物體是小圓柱體,則其直徑與線圈直徑之比對(duì)靈敏度也有影響。這類傳感器在汽輪機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組等回轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障診斷中應(yīng)用甚廣。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.2

電容或傳感器

電容或傳感器中,非接觸式電容式傳感器常用于位移測(cè)量。其測(cè)量?jī)?nèi)容與渦流位移傳感器相近(參閱本書第4章4.3節(jié)電容式傳感器的內(nèi)容)。

接觸式電容式傳感器常用于振動(dòng)測(cè)量,其結(jié)構(gòu)外觀如圖10-6所示。該類型的電容式傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路,主要采用頻率調(diào)制型,目的在于增加電路的靈敏度和可靠性。這種電容式傳感器的工作頻率范圍,低頻可以從0Hz開始,上限可到300Hz,可實(shí)現(xiàn)超低頻振動(dòng)測(cè)量。例如:K-Beam電容式加速度計(jì)(見圖10-7)是由硅敏感元件、模擬專用集成電路(ASIC)、調(diào)節(jié)器、放大器、濾波器、供電系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)節(jié)電路及外殼、插頭電纜等組成。圖10-6電容傳感器的結(jié)構(gòu)外觀圖圖10-7K-Beam電容式加速度計(jì)的工作原理圖10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

硅敏感元件與上、下極板構(gòu)成兩個(gè)電容器,傳感器內(nèi)部封裝的氣體(氮?dú)?起阻尼作用。質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)取決于它相對(duì)兩個(gè)電極的位置。測(cè)量信號(hào)經(jīng)解調(diào)后,輸出對(duì)應(yīng)正比于加速度的電壓信號(hào)。圖10-8為電容式傳感器輸出信號(hào)示意圖。這種電容式加速度傳感器量程至50g(g=9.8m/s2),其頻響范圍0~300Hz(±50%),屬于真正的DC響應(yīng)。傳感器質(zhì)量小(小于8.0g)并與地絕緣。連接方式為螺栓或粘接。其性能為低噪聲,分辨率達(dá)0.1mg。圖10-8電容式傳感器輸出信號(hào)示意圖10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.3磁電式速度計(jì)圖10-9磁電式速度計(jì)

磁電式速度計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理工作的傳感器(見圖10-9),將傳感器中的線圈作為質(zhì)量塊,當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí),線圈在磁場(chǎng)中做切割磁力線的運(yùn)動(dòng),其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大小與輸入的速度成正比。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

如果將殼體7固定在一試件上,通過(guò)壓縮彈簧片2,使頂桿1以F力頂住另一試件,則線圈4在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度,速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成比例。圖10-9就是按這種原理工作的磁電式相對(duì)速度計(jì)的簡(jiǎn)圖。該傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及三組拱形彈簧片組成。三組拱形彈簧片的安裝方向是一致的。在測(cè)量振動(dòng)時(shí),必須先將頂桿1壓在被測(cè)物體上,并應(yīng)注意滿足傳感器的跟隨條件。設(shè)振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量為M,彈性剛度為K,則當(dāng)傳感器頂桿跟隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí),頂桿質(zhì)量m和彈簧剛度k附屬于被測(cè)物體上,如圖10-9所示,它成了被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的一部分,因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)注意滿足M>>m、K>>k的條件,這樣傳感器可動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)才能主要取決于被測(cè)物體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律,磁電式速度計(jì)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為

由于在機(jī)電變換原理中應(yīng)用的是電磁感應(yīng)定律,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)同被測(cè)振動(dòng)速度成正比,所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。

磁電式速度計(jì)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,使用方便,輸出阻抗低,從外部引入的電噪聲很小,輸出信號(hào)較大,靈敏度較大,有時(shí)可不加放大器,適用于測(cè)量低頻信號(hào)。主要缺點(diǎn)是體積大、笨重、不能測(cè)量高頻信號(hào)。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.4

壓電式加速度計(jì)1.壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)

常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖10-10所示。圖中S是彈簧,M是質(zhì)量塊,B是基座,P是壓電元件,R是夾持環(huán)。圖10-10a是中央安裝壓縮型,壓電元件-質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上,支柱與基座連接,這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測(cè)試對(duì)象連接時(shí),如果基座B有變形,則將直接影響傳感器輸出。此外測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件片,并使預(yù)緊力發(fā)生變化,易引起溫度漂移。圖10-10壓電式加速度計(jì)10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

圖10-10b為環(huán)形剪切型,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì),環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于黏結(jié)劑會(huì)隨溫度的增高而變軟,因此最高工作溫度受到限制。圖10-10c為三角剪切型,壓電元件片由夾持環(huán)夾牢在三角形中心柱上。

加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí),壓電元件片承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用,有較高的共振頻率和良好的線性。其剪切設(shè)計(jì)使質(zhì)量塊、基座和敏感元件之間的摩擦力產(chǎn)生正比于加速度的輸出信號(hào),則溫度靈敏度降低,對(duì)基座應(yīng)變也不敏感。壓電式加速度計(jì)由絕對(duì)加速度輸入,到壓電片的電荷輸出,實(shí)際上經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換。首先按圖10-4所示的傳感器力學(xué)模型,將加速度輸入轉(zhuǎn)換成質(zhì)量對(duì)殼體的相對(duì)位移z01。其次將與z01成正比的彈簧力轉(zhuǎn)換成電荷輸出。考慮到第二次轉(zhuǎn)換是一種比例轉(zhuǎn)換,因而壓電式加速度計(jì)的頻率響應(yīng)特性在很大程度上取決于第一次轉(zhuǎn)換的頻率響應(yīng)特性。其幅頻、相頻特性可由表10-1查得。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器如果加速度傳感器的固有頻率是ωn,顯然

式中k是彈簧板、壓電元件片和基座螺栓的組合剛度系數(shù),m是慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量。為了使加速度傳感器正常工作,被測(cè)振動(dòng)的頻率ω應(yīng)該遠(yuǎn)低于加速度傳感器的固有頻率,即ω<<ωn。很明顯,由于輸入和慣性質(zhì)量塊與基座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)z01成比例,加速度傳感器的壓電元件片受到交變壓力后,z01將與加速度成正比。所以加速度傳感器就能輸出與被測(cè)振動(dòng)加速度成比例的電荷。這就是壓電式加速度傳感器的工作原理。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器2.壓電式加速度傳感器的靈敏度

壓電式加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法,一個(gè)是電壓靈敏度SV;另一個(gè)是電荷靈敏度Sq。傳感器的電學(xué)特性等效電路如圖10-11b所示。圖10-11加速度傳感器的工作原理示意圖及等效電路(1)電荷靈敏度

已知壓電片上承受的壓力為F=ma,在壓電片的工作表面上產(chǎn)生的電荷qa與被測(cè)振動(dòng)的加速度a成正比,即qa=Sqa。式中,比例系數(shù)Sq就是壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度,量綱是[pC/(m·s-2)]。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器(2)電壓靈敏度

由圖10-11b可知,傳感器的開路電壓式中,Ca為傳感器的內(nèi)部電容量,對(duì)于一個(gè)特定的傳感器來(lái)說(shuō),Ca為一個(gè)確定值。所以u(píng)a=Sva。

也就是說(shuō),加速度傳感器的開路電壓ua也與被測(cè)加速度a成正比,比例系數(shù)SV就是壓電式加速度傳感器的電壓靈敏度,量綱是[mV/(m·s-2)]。對(duì)給定的壓電材料而言,靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電片的增多而增大。一般來(lái)說(shuō)加速度計(jì)尺寸越大,其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。

壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對(duì)橫向(垂直于加速度計(jì)軸線)振動(dòng)的敏感程度。橫向靈敏度常以主靈敏度(即加速度計(jì)的電壓靈敏度或電荷靈敏度)的百分比表示。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向,一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3%。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器3.壓電式加速度計(jì)的頻率特性圖10-12壓電式加速度計(jì)的幅頻特性

實(shí)際的壓電式加速度計(jì),由于電荷泄漏,其幅頻特性如圖10-12所示,從圖中可以看出壓電式加速度計(jì)工作頻率范圍很寬,只有在加速度傳感器的固有頻率ωn附近靈敏度才發(fā)生急劇變化。加速度傳感器的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率。一般小阻尼(ζ≤0.1)的加速度傳感器,上限頻率若取為共振頻率的1/3,便可保證幅值誤差低于1dB(即12%);若取為共振頻率的1/5,則可保證幅值誤差小于0.5dB(即6%),相移小于3°。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器4.加速度傳感器的安裝方法

壓電式加速度傳感器的共振頻率與加速度傳感器的固定狀況有關(guān),加速度傳感器出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難以達(dá)到剛性連接,因而共振頻率和使用的上限頻率都會(huì)有所下降。加速度傳感器與試件的各種固定方法如圖10-13所示。圖10-13固定加速度計(jì)的方法

其中圖10-13a采用鋼螺栓固定,是使共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔,以免引起基座變形,影響加速度計(jì)的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片來(lái)固定加速度傳感器(見圖10-13b),但墊圈應(yīng)盡量薄。用一層薄蠟把加速度傳感器粘在試件平整表面上(見圖10-13c),亦可用于低溫(40°C以下)的場(chǎng)合。手持探針測(cè)振方法(見圖10-13d)在多點(diǎn)測(cè)試時(shí)使用特別方便,但測(cè)量誤差較大,重復(fù)性差,使用上限頻率一般不高于1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度傳感器(見圖10-13e),使用方便,多在低頻測(cè)量中使用。此法也可使加速度傳感器與試件絕緣。用硬性黏結(jié)螺栓(見圖10-13f)或黏結(jié)劑(見圖10-13g)的固定方法也常使用。軟性黏結(jié)劑會(huì)顯著降低共振頻率,不宜采用。某種典型的加速度傳感器采用上述各種固定方法的共振頻率分別為:剛螺栓固定法31kHz、云母墊片法28kHz、涂薄蠟層法29kHz、手持法2kHz、永久磁鐵固定法7kHz。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器5.壓電式加速度計(jì)的前置放大器

壓電片受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱,電荷使壓電片邊界面和接在邊界面上的導(dǎo)體充電到電壓u=q/Ca(這里Ca是加速度計(jì)的內(nèi)電容)。要測(cè)定這樣微弱的電荷(或電壓)的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測(cè)量電路和加速度傳感器本身的電荷泄漏。換句話講,壓電加速度傳感器所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗,把泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。

用于壓電式加速度計(jì)的前置放大器有兩類:電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單,但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響,適用于一般振動(dòng)測(cè)量。電荷放大器以電容作為負(fù)反饋,使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中,通常用高質(zhì)量的元器件,輸入阻抗更高,但價(jià)格也比較昂貴。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

從壓電式加速度計(jì)的力學(xué)模型看,它具有“低通”特性,故可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。但實(shí)際上由于低頻,尤其是以小振幅振動(dòng)時(shí),加速度值小,傳感器的靈敏度有限,因此輸出信號(hào)將很微弱,信噪比很差;另外電荷的泄漏、積分電路的漂移(用于測(cè)量振動(dòng)的速度和位移)、器件的噪聲都是不可避免的,所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”,為0.1~1Hz。若配用好的電荷放大器,則可降低到0.1mHz。

微電子技術(shù)的發(fā)展,已提供了體積很小、能裝在壓電式加速度計(jì)殼體內(nèi)的集成放大器,由它來(lái)完成阻抗變換的功能。這類內(nèi)裝集成放大器的加速度傳感器可使用長(zhǎng)電纜而無(wú)衰減,并可直接與大多數(shù)通用的輸出儀器(如示波器、記錄儀、數(shù)字電壓表)連接。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.5阻抗頭

在激振試驗(yàn)中還常用一種名為阻抗頭的裝置,它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器為一體。其作用是在力傳遞點(diǎn)同時(shí)測(cè)量激振力和該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),因此阻抗頭由兩部分組成,一部分是力傳感器,另一部分是加速度傳感器,如圖10-14所示。圖10-14阻抗頭10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

阻抗頭裝在激振器頂桿和試件之間。阻抗頭前端是力傳感器,后面為測(cè)量激振點(diǎn)響應(yīng)的加速度傳感器。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)使兩者盡量接近。它的優(yōu)點(diǎn)是,保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭(測(cè)力端)連向結(jié)構(gòu),將大頭(測(cè)量加速度端)與激振器的施力桿相連。從力信號(hào)輸出端有“測(cè)量激振力的信號(hào)”,從加速度信號(hào)輸出端有“測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)”。

注意,阻抗頭一般只能承受輕載荷,因而只可以用于對(duì)輕型結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無(wú)論是力傳感器還是阻抗頭,信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體,因而其測(cè)量電路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器10.3.6現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展

大型裝備的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)的故障診斷、主動(dòng)振動(dòng)控制等均需要測(cè)量各種裝備的振動(dòng),并且對(duì)測(cè)量方法和傳感器的要求愈來(lái)愈高。為了適應(yīng)這種需要,加之材料科學(xué)、電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,近年來(lái)振動(dòng)傳感器和儀器的功能與性能均得到很大的改善,并發(fā)展了一些新的振動(dòng)測(cè)量方法,下面予以簡(jiǎn)要介紹。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器1.壓電加速度計(jì)

壓電加速度計(jì)是應(yīng)用最廣泛的振動(dòng)測(cè)量傳感器,近年來(lái)在壓電材料、結(jié)構(gòu)和性能上均有很大改善。過(guò)去慣性加速度計(jì)廣泛使用天然石英與壓電陶瓷,由于存在雜質(zhì)或性能上的問(wèn)題,使其溫度穩(wěn)定性、靈敏度、橫向效應(yīng)等方面欠佳。近年來(lái)培植的人工晶體應(yīng)用于加速度計(jì),使其性能得到大幅度提高。例如目前發(fā)展的一種壓電晶體傳感器,采用新型晶體材料K185,具有與石英晶體同樣的晶體對(duì)稱性,有600°C以上的高溫穩(wěn)定性,高靈敏度,縱向靈敏度(pC/N)比石英晶體的傳感器高3.9倍,熔點(diǎn)以下無(wú)相變、無(wú)熱電效應(yīng),頻響范圍寬。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,傳感器中嵌入阻抗轉(zhuǎn)換電路,得到電壓輸出(即電壓靈敏度),簡(jiǎn)化了后續(xù)設(shè)備;嵌入存儲(chǔ)有傳感器的序列號(hào)、靈敏度等信息的數(shù)字芯片,與相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器連接,儀器開機(jī)后可自動(dòng)讀入這些信息。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

近年來(lái)慣性式加速度計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有很大改進(jìn)。例如剪切設(shè)計(jì)的加速度計(jì)利用質(zhì)量塊2和敏感元件3之間的摩擦力產(chǎn)生正比于加速度的輸出信號(hào),具有溫度靈敏度低、對(duì)其座應(yīng)變不敏感等優(yōu)點(diǎn)(見圖10-15)。圖10-15剪切設(shè)計(jì)的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

傳統(tǒng)的三軸加速度計(jì)由三個(gè)單獨(dú)的單軸加速度計(jì)安裝在一個(gè)殼體中構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)限制了加速度計(jì)尺寸的減小,同時(shí)三個(gè)慣性質(zhì)量意味著有不同的參考點(diǎn),造成測(cè)點(diǎn)加速度誤差。此外,傳感器是由三個(gè)單獨(dú)的傳感器組合而成,所以總重量較大。若要滿足輕型結(jié)構(gòu)的測(cè)量要求,減輕重量,則要減輕每個(gè)慣性質(zhì)量的重量,降低測(cè)量靈敏度,減小動(dòng)態(tài)范圍。近年發(fā)展了一種新型的三軸加速度計(jì),這種加速度計(jì)的三軸共享一個(gè)共同的慣性質(zhì)量和壓電環(huán)(PZ環(huán)),因而大大減小了重量/靈敏度比,消除了多參考點(diǎn)造成的測(cè)量誤差,減小了傳感器的尺寸和基座彎曲靈敏度。圖10-16為新型三軸傳感器中心部分結(jié)構(gòu)圖。圖10-16新型三軸傳感器中心部分結(jié)構(gòu)圖10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器圖10-17分別為新型三軸傳感器X、Y、Z三個(gè)方向的主振型圖。圖10-17新型三軸傳感器X、Y、Z三個(gè)方向的主振型圖圖10-18為新型三軸傳感器的照片。圖10-18新型三軸傳感器照片10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器2.激光多普勒振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

通常振動(dòng)測(cè)量是在被測(cè)物體上安裝慣性加速度計(jì)的接觸式測(cè)量,對(duì)于小型物體或輕型結(jié)構(gòu),傳感器的附加質(zhì)量要影響被測(cè)物體的振動(dòng)狀態(tài),從而造成很大的測(cè)量誤差。對(duì)于特殊狀態(tài)下的測(cè)量對(duì)象,例如高溫物體,根本無(wú)法安裝加速度計(jì)。在這種情況下,激光全息方法、激光多普勒測(cè)量等非接觸測(cè)量就是很好的振動(dòng)測(cè)量方法。這里介紹激光多普勒振動(dòng)測(cè)量方法。

激光多普勒效應(yīng)是當(dāng)波源向著接收器移動(dòng)時(shí),波源和接收器之間傳遞的波將發(fā)生變化,波長(zhǎng)縮短,頻率升高;反之,當(dāng)波源背著接收器移動(dòng)時(shí),波源和接收器之間傳遞的波長(zhǎng)將變長(zhǎng),頻率會(huì)降低。發(fā)生多普勒效應(yīng)的波可以是聲波,也可以是電磁波。利用激光多普勒效應(yīng),不僅能測(cè)量固體的振動(dòng)速度,還可以測(cè)量流體(液體和氣體)的流動(dòng)速度。10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

目前激光多普勒速度計(jì)產(chǎn)品已有很好的性能,具有很高的空間分辨率、測(cè)量精度和測(cè)量效率。激光多普勒速度計(jì)有單點(diǎn)測(cè)量型和掃描型兩種,圖10-19為使用單點(diǎn)激光多普勒速度計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。這種測(cè)量是激光束直接照射到被測(cè)物體上,利用被測(cè)物體表面的反射實(shí)現(xiàn)測(cè)量。圖10-19單點(diǎn)激光多普勒速度計(jì)10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器圖10-20為掃描型激光多普勒速度計(jì)。圖10-20掃描型激光多普勒速度計(jì)10.3

振動(dòng)測(cè)量傳感器

圖10-21為使用掃描型激光多普勒速度計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車車身多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量或模態(tài)試驗(yàn)。掃描型激光多普勒速度計(jì)有安裝在鏡架上的計(jì)算機(jī)控制的鏡片,激光束通過(guò)鏡片的反射照射在被測(cè)物體上實(shí)現(xiàn)測(cè)量。將被測(cè)物體上多測(cè)量點(diǎn)的幾何造型送入控制鏡片旋轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)中,通過(guò)鏡片的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)掃描振動(dòng)測(cè)量。圖10-21車身和車輪的多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量與模態(tài)試驗(yàn)10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定10.4.1振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的組成

機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量主要是指測(cè)定振動(dòng)體(或振動(dòng)體上某一點(diǎn))的位移、速度、加速度大小以及振動(dòng)頻率、周期、相位、振型、頻譜等,在工程實(shí)踐中有時(shí)還要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定(或確定)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù),如固有頻率、阻尼、動(dòng)剛度、動(dòng)質(zhì)量等。振動(dòng)測(cè)量的方法多種多樣,這里簡(jiǎn)要介紹如下。

振動(dòng)測(cè)量廣泛采用電測(cè)法,這種方法靈敏度高,頻率范圍及線性范圍寬,便于遙測(cè)和運(yùn)用電子儀器,還可以用計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí),用傳感器將被測(cè)振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量,而后再通過(guò)對(duì)電量的處理獲取對(duì)應(yīng)的振動(dòng)量。振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)就是按照這個(gè)原理,針對(duì)不同的測(cè)量類型組成的。

根據(jù)前面的討論,如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng)),就可以求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,振動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗(yàn)方法。根據(jù)測(cè)試的對(duì)象和任務(wù)不同,一般可將其分為兩種類型,下面分別予以介紹。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定1.僅測(cè)量系統(tǒng)的輸出(響應(yīng))

這類測(cè)試主要發(fā)生在兩種情況之下。第一種情況是系統(tǒng)在一定的初始條件下發(fā)生自由振動(dòng),此時(shí)只要測(cè)得自由振動(dòng)的時(shí)間歷程,即可求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;第二種情況是系統(tǒng)在自然激勵(lì)(例如環(huán)境激勵(lì)或工作激勵(lì))作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng),系統(tǒng)的輸入一般難以測(cè)量或不可測(cè)量,此時(shí)主要通過(guò)測(cè)出系統(tǒng)的輸出,求出其相關(guān)函數(shù)或功率譜密度函數(shù)來(lái)確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或找出引起振動(dòng)的原因。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定2.同時(shí)測(cè)量輸入和輸出

這類測(cè)試是典型的實(shí)驗(yàn)室方法,被測(cè)系統(tǒng)通常在人為激勵(lì)(例如脈沖錘擊激勵(lì))作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng),同時(shí)測(cè)出系統(tǒng)的輸入和輸出,求取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

圖10-22所示系統(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),它用于第一類測(cè)試。加速度計(jì)將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量,從振動(dòng)計(jì)上可以直接讀出振動(dòng)量的位移、速度和加速度的量值,用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量很方便。圖10-22最簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

圖10-23所示系統(tǒng)能把現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)記錄下來(lái),供分析時(shí)反復(fù)使用。若配上適當(dāng)?shù)臑V波器組成圖10-24所示系統(tǒng),不僅在現(xiàn)場(chǎng)可以讀出振動(dòng)的量級(jí),還可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)作頻率分析,用記錄儀畫振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程曲線和頻譜圖。圖10-23測(cè)量記錄系統(tǒng)圖10-24加濾波器的測(cè)量系統(tǒng)10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

圖10-25所示為頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)中,若采用低阻加速度計(jì),則不用電荷放大器,而使用前置放大器(即電壓放大器)。圖10-25頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定10.4.2測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

為了保證振動(dòng)測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果的可靠性與精確度,也即為了保證機(jī)械振動(dòng)測(cè)量的統(tǒng)一和傳遞,國(guó)家發(fā)布了振動(dòng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)振傳感器的檢定標(biāo)準(zhǔn),并設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振裝置和儀器作為量值傳遞基準(zhǔn)。對(duì)于新生產(chǎn)的測(cè)振傳感器都需要對(duì)其靈敏度、頻率響應(yīng)、線性度等進(jìn)行校準(zhǔn),以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。此外,由于測(cè)振傳感器的某些電氣性能和機(jī)械性能會(huì)因使用程度和隨時(shí)間而變化,傳感器使用一段時(shí)間后靈敏度會(huì)有所改變,像壓電材料的老化會(huì)使靈敏度每年降低2%~5%,因此測(cè)試儀器必須定期按它的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)。使用中還經(jīng)常碰到各類型的拾振器和放大器、記錄設(shè)備配套問(wèn)題,進(jìn)行重大測(cè)試工作之前常常需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)或某些特性校準(zhǔn),以保證獲得滿意的結(jié)果。所以靈敏度和使用范圍的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)需要重新確定,也即重新標(biāo)定。標(biāo)定的過(guò)程一般分為三級(jí)精度:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行的標(biāo)定是一級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。在此處標(biāo)定出的傳感器叫作標(biāo)準(zhǔn)傳感器,它具有二級(jí)精度。用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以對(duì)出廠的傳感器和其他方式使用的傳感器進(jìn)行標(biāo)定,得到的傳感器具有三級(jí)精度,也就是我們?cè)谠囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)所用的傳感器。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí),應(yīng)有一個(gè)對(duì)傳感器產(chǎn)生激振信號(hào),并知其振源輸出大小的標(biāo)準(zhǔn)振源設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)振源設(shè)備主要是振動(dòng)臺(tái)和激振器。激振器可安裝在被測(cè)物體上并直接產(chǎn)生一個(gè)激振力作用于被測(cè)物體。而振動(dòng)臺(tái)則把被測(cè)物體安裝在振動(dòng)平臺(tái)上,振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)變化的位移而對(duì)被測(cè)物體施加激振。振源設(shè)備可以產(chǎn)生振幅和頻率可調(diào)的振動(dòng),是測(cè)振傳感器校準(zhǔn)不可缺少的工具。常用的靈敏度標(biāo)定方法有絕對(duì)法、相對(duì)法和校準(zhǔn)器法。下面對(duì)前兩者進(jìn)行介紹。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定1.絕對(duì)法

這一般是由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)行一級(jí)標(biāo)定所用的方法,用來(lái)標(biāo)定二級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。標(biāo)定時(shí),將被標(biāo)定的傳感器固定在標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)上,用激光干涉測(cè)振儀直接測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的振幅,再和被標(biāo)定的傳感器的輸出比較,以確定被標(biāo)定傳感器的靈敏度。這種用激光干涉測(cè)振儀的絕對(duì)校準(zhǔn)法,其校準(zhǔn)誤差是0.5%~1%。此法同時(shí)也可測(cè)量傳感器的頻率響應(yīng)。例如用我國(guó)的BZD—1中頻校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái),配上GDZ—1光電激光干涉測(cè)振儀,在10~1000Hz之間有0.5%~1%的校準(zhǔn)誤差,在1~4kHz之間有0.5%~1.5%的校準(zhǔn)誤差。此法設(shè)備復(fù)雜,操作和環(huán)境要求高,只適合計(jì)量單位和測(cè)振儀器制造廠使用。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

其原理如圖10-26所示,其中正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出,一路經(jīng)功率放大后去推動(dòng)振動(dòng)臺(tái),另一路送頻率測(cè)量?jī)x作為頻率測(cè)量的參考信號(hào),被校準(zhǔn)的壓電加速度計(jì)的輸出經(jīng)電荷放大器后用高精確度數(shù)字電壓表讀出。激光干涉測(cè)振干涉儀的工作臺(tái)臺(tái)體移動(dòng)λ/2(常用的氦-氖激光波長(zhǎng)λ=0.6328μm),光程差變化一個(gè)波長(zhǎng)λ,干涉條紋移動(dòng)一條。所以根據(jù)移動(dòng)條紋的計(jì)數(shù)可以測(cè)出臺(tái)面振幅,再根據(jù)實(shí)測(cè)的頻率可以算出傳感器所經(jīng)受的速度或加速度。圖10-26利用振動(dòng)臺(tái)和激光干涉測(cè)振儀的絕對(duì)校準(zhǔn)法10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

在進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí),使信號(hào)發(fā)生器做慢速的頻率掃描,同時(shí)用反饋電路使振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)速度或加速度幅值保持不變,并測(cè)量傳感器的輸出,便可給出被校速度或加速度傳感器的頻響曲線。在振動(dòng)臺(tái)功率受限時(shí),高頻段臺(tái)面的振幅相應(yīng)較小,振幅測(cè)量的相對(duì)誤差就會(huì)有所增加。10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定2.相對(duì)法

相對(duì)法又稱為背靠背比較標(biāo)定法。將待標(biāo)定的傳感器和經(jīng)過(guò)國(guó)家計(jì)量等部門嚴(yán)格標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器背靠背地(或仔細(xì)地、并排地)安裝在振動(dòng)臺(tái)上承受相同的振動(dòng)。將兩個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行比較,就可以計(jì)算出在該頻率點(diǎn)被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度。這時(shí),標(biāo)準(zhǔn)傳感器起著傳遞“振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)”的作用,通常稱為參考傳感器。圖10-27是這種相對(duì)校準(zhǔn)加速度計(jì)簡(jiǎn)圖。圖10-27用相對(duì)法標(biāo)定加速度計(jì)10.4振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定這時(shí)被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度為

振動(dòng)傳感器應(yīng)定期校準(zhǔn)。任何外界干擾,包括地基振動(dòng),都會(huì)影響校準(zhǔn)工作,帶來(lái)誤差。因此高精度的校準(zhǔn)工作應(yīng)在隔振基座上進(jìn)行。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō),這是很難辦到的事情。而實(shí)際校準(zhǔn)工作卻又要求在模擬現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境(溫度、濕度、電磁干擾)下進(jìn)行。考慮到工業(yè)中用于振動(dòng)工況監(jiān)測(cè)的傳感器首先追求的是可靠性,而不是很高的精確度等級(jí),所以一個(gè)可行的辦法是測(cè)量振動(dòng)臺(tái)基座的絕對(duì)振動(dòng),同時(shí)再測(cè)量臺(tái)面對(duì)基座的相對(duì)振動(dòng),經(jīng)過(guò)信號(hào)疊加處理獲得臺(tái)面的絕對(duì)振動(dòng)值,也就是傳感器的振動(dòng)輸入值。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

激振設(shè)備在振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的作用是為被測(cè)系統(tǒng)提供輸入能量,使之發(fā)生振動(dòng),也即對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力,以激起試件振動(dòng)的一種裝置。一般要求激振設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠在所要求的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力,在某些情況下還需施加穩(wěn)定力。穩(wěn)定力能使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷,以便消除間隙或模擬某種穩(wěn)定力(如切削力的不變成分)。為了減小激振設(shè)備的質(zhì)量對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響,應(yīng)盡量使激振設(shè)備體積小、重量輕。目前最常用的激振設(shè)備是振動(dòng)臺(tái)、激振器和力錘3種,它直接為振動(dòng)試驗(yàn)提供振動(dòng)源。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介10.5.1振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)臺(tái)通常分為機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電磁式振動(dòng)臺(tái)和電-液伺服振動(dòng)臺(tái)三種。電-液伺服振動(dòng)臺(tái)是將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械設(shè)備,其原理如圖10-28所示。其中臺(tái)體由電液控制閥、液壓缸、高壓油路(供油管路)、低壓油路(回油管路)等主要部件組成。電液控制閥的驅(qū)動(dòng)線圈由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器供給驅(qū)動(dòng)電信號(hào),從而驅(qū)動(dòng)控制閥工作。

電-液伺服振動(dòng)臺(tái)的工作原理如圖10-28a所示,振動(dòng)臺(tái)處于平衡位置時(shí),即控制閥的滑閥正好關(guān)閉了所有的進(jìn)出油孔,使高壓油不能通過(guò)控制閥而進(jìn)入液壓缸,于是活塞處于靜止平衡位置。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介圖10-28電-液伺服振動(dòng)臺(tái)10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

當(dāng)給驅(qū)動(dòng)線圈加一驅(qū)動(dòng)信號(hào)使可動(dòng)部分向上移動(dòng)時(shí),控制閥即離開平衡位置向上運(yùn)動(dòng),如圖10-28b所示,從而打開控制閥的高壓油孔,高壓油經(jīng)油路從下面進(jìn)入液壓缸,并推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),這樣振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面就向上運(yùn)動(dòng),而處在控制閥和活塞上端的油經(jīng)回油管流入油箱中;當(dāng)外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)使驅(qū)動(dòng)線圈的可動(dòng)部分向下運(yùn)動(dòng)時(shí),控制閥即向下運(yùn)動(dòng),如圖10-28c所示,高壓油從上面進(jìn)入液壓缸而推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng),這樣振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面就向下運(yùn)動(dòng)。不難看出,液壓振動(dòng)臺(tái)就是利用控制閥控制高壓油流入液壓缸的流量和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)面的振動(dòng),臺(tái)面振動(dòng)的頻率和驅(qū)動(dòng)線圈的振動(dòng)頻率相同。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面由活塞桿推動(dòng),其上的位移傳感器測(cè)量臺(tái)面和缸體之間的運(yùn)動(dòng),它的輸出通過(guò)截止頻率極低(1.5Hz)的低通濾波器反饋給伺服放大器,作用是保持活塞在調(diào)定零點(diǎn)附近振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)的工作原理是:信號(hào)發(fā)生器的信號(hào),經(jīng)過(guò)放大后操縱由電動(dòng)激振器、操縱閥、功率閥所組成的電液伺服閥以控制油路,使活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞臺(tái)面上的加速度傳感器經(jīng)過(guò)前置放大器,由A-D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)入計(jì)算機(jī),以計(jì)算機(jī)作為控制器,其輸出經(jīng)D-A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)去激振被試件。活塞端部輸入一定壓力的油液,以形成靜壓力p靜,對(duì)被試件加上預(yù)載。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

由于電-液伺服振動(dòng)臺(tái)可比較方便地提供大的激振力,臺(tái)面能承受大的負(fù)載,因此,一般都做成大型設(shè)備加以使用,以便適應(yīng)大型結(jié)構(gòu)的模擬試驗(yàn)。它的工作頻率段下限可低至零赫茲,上限可達(dá)幾百赫茲。由于臺(tái)面由高壓油推動(dòng),因而避免了漏磁對(duì)臺(tái)面的影響。但臺(tái)面的波形直接受油壓及油的性能的影響。因此,壓力的脈動(dòng)、油液受溫度的影響等都將直接影響臺(tái)面的振動(dòng)波形。所以,與電磁式振動(dòng)臺(tái)相比,它的波形失真度相對(duì)來(lái)說(shuō)要大一些。此外,它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高,并且需要一套液壓系統(tǒng)。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介10.5.2激振器

常用的激振器有電動(dòng)式、電磁式。這里主要介紹電動(dòng)式激振器。

電動(dòng)式激振器按其磁場(chǎng)的形成方法有永磁式和勵(lì)磁式兩種。前者多用于小型激振器,而后者多用于較大型的激振器,也即激振臺(tái)中。

電動(dòng)式激振器的結(jié)構(gòu)如圖10-29所示。圖10-29電動(dòng)式激振器10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

在圖10-29中，驅(qū)動(dòng)線圈6固裝在頂桿12上,支承彈簧11支承在殼體8中。線圈6正好位于磁極板7與鐵心9的氣隙中。線圈6通入經(jīng)功率放大后的交變電流時(shí),根據(jù)磁場(chǎng)中載流體受力的原理,線圈6受到與電流成正比的電動(dòng)力的作用,此力通過(guò)頂桿12傳到試件上,便是所需的激振力。這里要注意,由頂桿施加到試件上的激振力不等于線圈受到的電動(dòng)力。激振力和激振器運(yùn)動(dòng)部件的彈性力、阻尼力及慣性力的矢量和才等于電動(dòng)力。而傳力比(電動(dòng)力與激振力之比)與激振器運(yùn)動(dòng)部分和試件本身的質(zhì)量、剛度、阻尼等有關(guān),并且是頻率的函數(shù)。只有當(dāng)激振器運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量與試件相比可忽略不計(jì)時(shí),并且激振器與試件連接剛度好、頂桿系統(tǒng)剛性也很好的情況下,才可認(rèn)為電動(dòng)力等于激振力。一般最好使頂桿通過(guò)一只力傳感器去激勵(lì)試件,以便精確測(cè)出激振力的大小和相位。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

電動(dòng)式激振器主要用于使試驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生絕對(duì)振動(dòng)(以大地作為參考坐標(biāo),習(xí)慣上稱為絕對(duì)振動(dòng)),因而激振時(shí)應(yīng)使激振器殼體在空中保持靜止,使激振器產(chǎn)生的能量盡量用于試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)。

為了使激振器的能量盡量用于對(duì)試件的激勵(lì)上,圖10-30所示的激振器安裝方法能滿足這一要求。圖10-30絕對(duì)激振時(shí)激振器的安裝10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

在進(jìn)行較高頻率的激振時(shí),激振器都用軟彈簧(如橡膠繩)懸掛起來(lái),如圖10-30a所示,并可加上必要的配重,以盡量降低懸掛系統(tǒng)的固有頻率,至少使它低至激振頻率的1/3。試驗(yàn)時(shí),通常是用軟彈簧繩3(例如舊V帶)套在激振器殼體的兩個(gè)把手上,將它懸掛在空中對(duì)試驗(yàn)對(duì)象2進(jìn)行激振。這時(shí)因?yàn)榧ふ衿鞅旧碜灾卮?軟彈簧繩剛度低,當(dāng)激振力頻率不太低時(shí),激振器殼體在空中近于靜止。激振器懸掛于空中做水平方向的激振時(shí),為降低懸掛系統(tǒng)的固有頻率,應(yīng)有足夠的懸掛長(zhǎng)度和配重。為了產(chǎn)生一定的預(yù)加載荷,激振器需要傾斜α角懸掛,如圖10-30b所示,這樣一方面可對(duì)試驗(yàn)對(duì)象2施加固定的預(yù)加載荷,也可使激振器的彈簧工作于水平段。低頻激振時(shí),要維持上述條件的懸掛是辦不到的,因而都將激振器剛性地安裝在地面,或剛性很好的架子上,如圖10-30c所示,讓安裝的激振器的固有頻率比激振頻率高3倍以上。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介10.5.3力錘

力錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力的激振器,它也是目前試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中經(jīng)常采用的一種激勵(lì)設(shè)備。它由錘體3、手柄和可以調(diào)換的錘頭1和配重4組成(見圖10-31),通常在錘體和錘頭之間裝有一個(gè)力傳感器2,以測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)所受錘擊力的大小。一般來(lái)說(shuō),錘擊力的大小是由錘擊質(zhì)量和錘擊被測(cè)系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度所決定的。操作者往往是控制速度而不是控制力的大小。圖10-31力錘10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

脈沖激振是指在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)被側(cè)對(duì)象施加一作用力使其產(chǎn)生振動(dòng)的激振方式。工程測(cè)試中,常用力錘敲擊被測(cè)對(duì)象,實(shí)現(xiàn)脈沖激振。激勵(lì)譜的形狀由所選錘頭材料和錘頭總重量決定。使用錘頭附加質(zhì)量可以增加激勵(lì)能量。它對(duì)被測(cè)對(duì)象作用力的變化近似半正弦波,激振力的頻譜在一定頻率范圍內(nèi)接近平直譜(見圖10-32)。圖10-32敲擊激振力及其頻譜10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

激振力的大小及有效頻率范圍取決于脈沖錘的質(zhì)量及敲擊時(shí)接觸時(shí)間的長(zhǎng)短。由表10-2可見,隨著錘頭質(zhì)量增加,激勵(lì)頻寬降低;激勵(lì)頻譜隨錘頭材料軟硬不同而變化。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

當(dāng)脈沖錘質(zhì)量一定時(shí),就取決于錘頭墊(錘頭與試件接觸部分)材料的軟、硬程度。錘頭墊越硬,則敲擊時(shí)接觸的時(shí)間越短,激振力越大,有效作用頻帶越寬;反之,錘頭越軟,敲擊接觸時(shí)間越長(zhǎng),激振力越小,有效作用頻帶越窄。因此,只要選擇合適的錘頭墊材料就可獲得希望的激振頻率范圍。常用的錘頭墊材料有鋼、黃銅、鋁合金、橡膠等。敲擊力的大小可調(diào)節(jié)脈沖錘配重和敲擊加速度來(lái)改變。其額定頻率范圍由力脈沖寬度Tc決定。而Tc又由硬度不同的錘頭材料控制。錘頭材料越硬,Tc越窄,敲擊激振力的波形就越尖,說(shuō)明它含較高的頻率成分。例如在Kistler振動(dòng)傳感器中,型號(hào)為9912型的錘頭墊最軟,脈沖寬度寬,能量以窄帶分布;9902A最硬,脈沖寬度窄,能量以寬帶分布。脈沖激振的主要缺點(diǎn)是:力的大小不易控制,過(guò)小會(huì)降低信噪比,過(guò)大會(huì)引起非線性;敲擊時(shí)間也不易掌握,它影響敲擊激振力的頻譜形狀。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介10.5.4模態(tài)分析中的幾種激勵(lì)信號(hào)介紹

由于線性簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)的頻響函數(shù)與傳遞函數(shù)是等同的,它反映了振動(dòng)系統(tǒng)的固有動(dòng)態(tài)特性,從理論上講,激振和響應(yīng)的大小無(wú)關(guān),無(wú)論激振力和響應(yīng)是否是簡(jiǎn)諧的、負(fù)載周期性的、瞬態(tài)的還是隨機(jī)的,所求得的頻率響應(yīng)函數(shù)都應(yīng)該是一樣的。但是對(duì)于動(dòng)態(tài)特性不同的測(cè)試對(duì)象,采用不同的激勵(lì)信號(hào),測(cè)試結(jié)果的優(yōu)劣則有區(qū)別。因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得頻率響應(yīng)函數(shù)的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的方法很多,根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的特性和測(cè)試對(duì)象的目的、要求,激振信號(hào)有如下幾種:10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介1.穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)

穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)是一種測(cè)量頻率響應(yīng)函數(shù)的經(jīng)典方法。在選定的頻率范圍內(nèi),從最低頻到最高頻選定足夠數(shù)目的離散頻率值,每次用單一頻率信號(hào)激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng),經(jīng)適當(dāng)延時(shí),測(cè)出該激勵(lì)下的穩(wěn)定響應(yīng)后,再轉(zhuǎn)到下一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行同樣的測(cè)量,直到在所有預(yù)先設(shè)定的離散頻率點(diǎn)上都測(cè)量完畢。假如設(shè)定的頻率點(diǎn)共有N個(gè),在測(cè)量到第i個(gè)點(diǎn)時(shí),力信號(hào)為fi=Fisin(ωit),其穩(wěn)定響應(yīng)信號(hào)為xi=|Xi|sin(ωit+φi),經(jīng)過(guò)N個(gè)點(diǎn)的測(cè)量,即可得到在這一頻段的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線,即10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介2.自動(dòng)正弦掃描激勵(lì)

這一方法是用自動(dòng)控制的方法使激勵(lì)信號(hào)的頻率緩慢而連續(xù)地變化,從低到高掃過(guò)所關(guān)心的頻率范圍。在測(cè)量前需做預(yù)掃描,以便確定能獲得穩(wěn)定響應(yīng)的掃描速度。如果以某一速度進(jìn)行由低頻到高頻和由高頻到低頻掃描所得到的曲線相同,那么這個(gè)速度就是合適的速度。

從理論上講,掃描法是不能得到穩(wěn)定響應(yīng)的,因?yàn)闊o(wú)論掃描速度多么慢,對(duì)于響應(yīng)來(lái)說(shuō)都是太快了。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),根據(jù)不同的結(jié)構(gòu),總可以找出一個(gè)合理的速率,使正弦慢掃描法所得的結(jié)果在一定允許的誤差范圍內(nèi)。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介3.瞬態(tài)激勵(lì)

用瞬態(tài)力信號(hào)來(lái)激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)量,是一種常用的方法。用力錘敲擊結(jié)構(gòu)來(lái)提供激勵(lì),每次敲擊都可以看作一次瞬態(tài)激勵(lì)。對(duì)一線性系統(tǒng),如果用任一瞬態(tài)函數(shù)激勵(lì),只要它的傅里葉變換在感興趣的頻帶內(nèi)均有值,則可以用它的傅里葉變換求取頻率響應(yīng)函數(shù)。根據(jù)一次瞬態(tài)激勵(lì)及其響應(yīng)來(lái)確定頻率響應(yīng)函數(shù)必然會(huì)有較大的誤差。只要有可能,應(yīng)采用多次激勵(lì),用平均的辦法來(lái)消除誤差。10.5激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介4.隨機(jī)激勵(lì)

運(yùn)用隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)有兩大優(yōu)點(diǎn),其一是它比瞬態(tài)激勵(lì)更易于控制;其二是應(yīng)用功率譜的總體平均可以消除噪聲和結(jié)構(gòu)動(dòng)特性中的非線性影響。

在隨機(jī)激勵(lì)的模態(tài)試驗(yàn)中,對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換,求得激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的自功率譜密度和互功率譜密度函數(shù),然后由這些譜密度函數(shù)數(shù)據(jù)求得頻率響應(yīng)函數(shù)。思考題與習(xí)題10-1在穩(wěn)態(tài)正弦振動(dòng)中,是否可以用只測(cè)位移,再對(duì)位移進(jìn)行微分的方法,求速度和加速度?或者只測(cè)加速度,再用對(duì)其進(jìn)行積分的方法求得速度和位移?為什么?10-2分析慣性傳感器的工作原理。10-3有一個(gè)壓電加速度測(cè)量系統(tǒng),用其測(cè)量信號(hào)的最高頻率f=30kHz,欲使幅值測(cè)量誤差小于5%,傳感器的固有頻率為何值?用50kHz的傳感器能否測(cè)量?為什么?10-4壓電加速度傳感器有哪幾種安裝方法?安裝時(shí)有哪些注意事項(xiàng)?10-5如何對(duì)測(cè)振傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)?請(qǐng)簡(jiǎn)述方法。10-6選擇測(cè)振傳感器的主要事項(xiàng)是什么?10-7用壓電加速度傳感器和電荷放大器測(cè)量振動(dòng)加速度,如果加速度傳感器的靈敏度為80pC/g,電荷放大器的靈敏度為20mV/pC,當(dāng)振動(dòng)加速度為5g時(shí),電荷放大器的輸出電壓為多少?此電荷放大器的反饋電容為多少?謝謝！第11章

聲學(xué)測(cè)量目錄概述聲測(cè)量傳感器與儀器聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器11.111.211.311.1概述

聲音是廣泛存在于人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N客觀物理現(xiàn)象。人們通常可以聽到的聲主要有語(yǔ)聲、樂(lè)聲和環(huán)境聲等,如人們說(shuō)話的聲音、樂(lè)器演奏的聲音、小河的流水聲和機(jī)器的轟鳴聲等。

聲學(xué)是研究聲的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。聲學(xué)測(cè)量是對(duì)聲學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行客觀度量的一項(xiàng)專門技術(shù),它既是聲學(xué)學(xué)科的重要組成部分,又是聲學(xué)理論和聲學(xué)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的基礎(chǔ)。

從聲學(xué)測(cè)量信號(hào)中提取出的多種聲學(xué)參量,可以滿足各類聲學(xué)工程的需要,所以聲學(xué)測(cè)量對(duì)于低噪聲機(jī)器和設(shè)備的開發(fā)、機(jī)械故障診斷、水下目標(biāo)定位、聲音記錄與復(fù)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)診斷及環(huán)境噪聲的治理等都是非常重要的。傳統(tǒng)的聲學(xué)測(cè)量傳感器和儀器有測(cè)量麥克風(fēng)、聲級(jí)計(jì)等,如今一些新的測(cè)量?jī)x器不斷出現(xiàn),如聲強(qiáng)探頭、聲學(xué)照相機(jī)、聲學(xué)顯微鏡和聲學(xué)刷等。

聲與振動(dòng)是緊密相連的,如說(shuō)話的聲音來(lái)源于聲帶的振動(dòng),弦樂(lè)器發(fā)出的樂(lè)聲來(lái)源于琴弦的振動(dòng),機(jī)械噪聲來(lái)源于機(jī)器零部件的振動(dòng)。可發(fā)聲的物體都稱為聲源。聲源既可以是固體,也可以是液體和氣體。

聲源誘發(fā)的振動(dòng)在介質(zhì)中傳播,形成聲波。若聲波通過(guò)空氣傳入人耳,則引起耳內(nèi)鼓膜的振動(dòng),刺激聽覺神經(jīng),就產(chǎn)生聲音的感覺。通常把頻率范圍在20~20000Hz之間能引起人類聽覺的聲音稱為音頻聲;頻率高于20000Hz的聲音稱為超聲;低于20Hz的聲音稱為次聲。超聲及次聲一般不能引起人聽覺器官的感覺,但可借助一些儀器設(shè)備進(jìn)行觀察和測(cè)量。

聲波不僅可以在空氣中傳播,也可以在固體和液體中傳播,即一切彈性介質(zhì)都可以傳播聲波。聲波的傳播與介質(zhì)本身的彈性及慣性有關(guān)。由于聲波的傳播總是與某種介質(zhì)相聯(lián)系的,因此聲波不能在真空中傳播。11.1概述11.1.1聲的產(chǎn)生和傳播11.1概述圖11-1聲波傳播過(guò)程示意圖

圖11-1為聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程的示意圖。把發(fā)射器周圍介質(zhì)分成無(wú)窮多個(gè)薄片。當(dāng)發(fā)射器的發(fā)射面(振動(dòng)表面)振動(dòng)時(shí),貼近它的介質(zhì)薄片產(chǎn)生振動(dòng),并受到壓縮。由于介質(zhì)具有彈性,所以壓縮后表現(xiàn)出彈性力,此力的作用使離發(fā)射面較遠(yuǎn)處的介質(zhì)薄片依次振動(dòng)。由于介質(zhì)具有質(zhì)量,因而具有慣性,這就使得各介質(zhì)薄片的振動(dòng)依次落后一定時(shí)間。通過(guò)介質(zhì)的彈性和慣性的作用,介質(zhì)中局部的振動(dòng)或變形就傳遞到介質(zhì)的另一點(diǎn)。介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程,即聲波的傳播過(guò)程。

當(dāng)聲波在氣體和液體中傳播時(shí),形成壓縮和伸張交替運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,所以聲波在流體介質(zhì)中表現(xiàn)為壓縮波的傳播,即縱波。在固體中由于存在切應(yīng)力,所以除有縱波外還有橫波。在介質(zhì)中,聲波所及區(qū)域統(tǒng)稱為聲場(chǎng)。11.1概述11.1.2工程聲學(xué)測(cè)量的有關(guān)概念1.聲音的波長(zhǎng)、頻率和聲速

聲源完成一周的振動(dòng)過(guò)程聲波所傳播的距離,或者是具有相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩相鄰空氣層之間的距離,稱為聲波的波長(zhǎng)λ(單位為m)。

聲音的頻率f(單位為Hz)是聲源每秒振動(dòng)的次數(shù)。如果聲源每秒振動(dòng)80次,那么,這一聲源或所產(chǎn)生聲波的頻率為80Hz;如果每秒振動(dòng)250次,則頻率為250Hz。

介質(zhì)中聲波傳播過(guò)程有時(shí)間滯后,即聲波在介質(zhì)中傳播有一定速度,稱為聲波的傳播速度,簡(jiǎn)稱為聲速c(單位為m/s)。

聲速與溫度有關(guān),隨大氣溫度的升高而增大。聲波在空氣中的傳播速度c與溫度t(單位為℃)的關(guān)系為c=331.4+0.6t(11-1)0℃時(shí)的聲速是331.4m/s。在一般室溫23℃時(shí),根據(jù)式(11-1)可算出聲速為345m/s。在做一般計(jì)算時(shí),如果沒(méi)有特別指明空氣溫度,則常取室溫時(shí)的聲速345m/s。

聲速除與溫度有關(guān)外,還隨介質(zhì)的變化而變化,其傳播速度差別很大。如在鋼中為6300m/s,在20℃的水中為1481m/s。11.1概述

頻率f是每秒振動(dòng)的次數(shù),而波長(zhǎng)λ是每振動(dòng)一次聲波傳播的距離,那么fλ應(yīng)該是聲波每秒傳播的距離,即聲速c的表達(dá)式為c=fλ(11-2)

可見頻率f與波長(zhǎng)λ成反比關(guān)系,即頻率越高波長(zhǎng)越短。頻率的倒數(shù)T=1/f稱為振動(dòng)的周期。

按照一般常溫時(shí)的聲速c=345m/s計(jì)算,從式(11-2)中,可以很容易地得出100Hz和8000Hz聲音的波長(zhǎng)依次為波長(zhǎng)69cm的聲音頻率則為11.1概述

正常人一般能聽到頻率20~20000Hz的聲音,最低到最高相差1000倍,適應(yīng)范圍很廣。但是許多材料對(duì)聲波的有效吸收和隔聲等頻率特性適應(yīng)較窄,因此聲音的這一廣泛的頻率變化范圍,也就給人們對(duì)噪聲的控制帶來(lái)很大麻煩。

但一般聲音,都是由許多頻率組成的復(fù)合聲。聲音不同,其組成頻率和能量分布也不相同。正因如此,才能區(qū)別各種各樣的聲音。聲音的這些組成頻率和能量分布的關(guān)系,稱為這一聲音的頻譜。不同的聲音具有不同的頻譜。11.1概述2.聲壓和聲壓級(jí)

在聲波作用下,某一點(diǎn)上氣壓和平均氣壓的瞬時(shí)差稱為聲壓。聲壓的大小反映了聲波的強(qiáng)弱。聲壓的測(cè)量單位是帕斯卡(Pa),最為常用的是μPa。

均方聲壓定義為純音聲波為11.1概述對(duì)于純音聲波可以給出任一點(diǎn)上的均方聲壓為

在典型的測(cè)量中,聲壓為一段時(shí)間內(nèi)的平均值,該段時(shí)間內(nèi)應(yīng)盡量多地包含人們感興趣的頻率成分的周期數(shù)量,這樣其他不感興趣的聲音就不會(huì)對(duì)該方均根值產(chǎn)生很大的影響。11.1概述

一個(gè)聽覺正常的人,能夠忍受的最大聲壓與能夠辨別的最小聲壓之比,約為87∶1(見圖11-2)。由于其數(shù)量范圍很大,通常采用分貝數(shù)來(lái)度量聲音和噪聲。圖11-2典型聲壓和聲壓源11.1概述分貝是功率比的量度,其定義式為又因?yàn)楣β收扔诼晧旱亩畏?式(11-7)可以寫為

分貝表示的是一個(gè)相對(duì)量。

實(shí)際上采用敏銳聽力閾值(p0=0.00002Pa=20μPa)作為聲壓級(jí)的參考聲壓,因此聲壓級(jí)表示為11.1概述例如,可以求得方均根聲壓1Pa的聲壓級(jí)為

當(dāng)兩個(gè)純音同一時(shí)間發(fā)生時(shí),其合成效應(yīng)取決于接收器處的聲壓幅值、頻率和相位。考慮空間某點(diǎn)有如下的兩個(gè)聲波p1=P1cos(ω1t+φ1)(11-10)p2=P2cos(ω2t+φ2)(11-10a)

式中

p——瞬時(shí)聲壓;

P——聲壓幅值;

ω=2πf——圓頻率;

φ——相位角。

由這兩個(gè)波產(chǎn)生的瞬時(shí)聲壓是這兩個(gè)瞬時(shí)聲壓之和。合成純音的均方聲壓為11.1概述將式(11-10)和式(11-10a)代入式(11-10b)并積分,得式中,平均時(shí)間T滿足以下關(guān)系,即

其中,fmin是最低頻率。

若要確定兩個(gè)聲壓幅值相等但頻率不等的純音相加的結(jié)果,應(yīng)該使用式(11-10c)中的第一個(gè)表達(dá)式。合成聲壓級(jí)SPLCOMB與單個(gè)純音的聲壓級(jí)之差為11.1概述

人們經(jīng)歷的大多數(shù)工業(yè)和社區(qū)噪聲都是無(wú)關(guān)聯(lián)聲源的組合。它們的振幅和頻率可能都是隨機(jī)變化的。對(duì)于不相關(guān)的噪聲源,可應(yīng)用式(11-10c)中的第一個(gè)表達(dá)式。由此可知,兩個(gè)相同的聲音合成的總聲壓級(jí)比一個(gè)聲壓大3dB。進(jìn)而可以推出在一點(diǎn)n個(gè)相同聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí)為

對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的聲壓級(jí),為了簡(jiǎn)化,可以利用圖11-3計(jì)算。圖中,橫坐標(biāo)為兩個(gè)聲壓級(jí)之差Lp1-Lp2,Lp1是兩個(gè)聲壓級(jí)中較大的一個(gè),Lp2是較小的一個(gè);縱坐標(biāo)附加值ΔL是兩聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí)增加的數(shù)值。因此總聲壓級(jí)為

如有兩個(gè)聲音在某點(diǎn)的聲壓級(jí)為95dB和98dB,求出這一點(diǎn)的兩個(gè)聲音合成的總聲壓級(jí)。11.1概述

根據(jù)上述要求,先得出兩聲壓級(jí)分貝的差值,Lp1-Lp2=(98-95)dB=3dB,然后在圖11-3中的橫坐標(biāo)上3dB處沿垂直線向上找到交于曲線的一點(diǎn),再?gòu)脑擖c(diǎn)作水平線交于縱坐標(biāo)上一點(diǎn),該點(diǎn)的數(shù)值為1.8,即ΔL=1.8dB,將此值加在最大的一個(gè)聲壓級(jí)上,即得總聲壓級(jí)圖11-3從兩個(gè)噪聲級(jí)查總聲壓級(jí)的附加值SPLCOMB=(98+1.8)dB=99.8dB

對(duì)由兩個(gè)以上聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí),可以利用圖11-3將其中的兩個(gè)先合成,再將此總聲壓級(jí)與第三個(gè)聲壓級(jí)合成。依此類推,就可得到任何一個(gè)聲壓級(jí)的合成。11.1概述3.聲功率、聲強(qiáng)和聲功率級(jí)

聲源的聲功率指在單位時(shí)間內(nèi)聲源向空間輻射的總能量,常用單位是瓦特(W)。當(dāng)聲音從一個(gè)理想點(diǎn)源向外傳播時(shí),它將不斷地?cái)U(kuò)展到越來(lái)越大的空間。

在任何位置上的聲強(qiáng)用“瓦特每單位面積”來(lái)表示。對(duì)于一個(gè)平面波或球面波,在傳播方向上的聲強(qiáng)I(見圖11-4)為聲功率級(jí)(LW)用分貝表示,給定參考聲壓10-12W。因此聲功率級(jí)定義為L(zhǎng)W=10lg(W/10-12)dB(11-13)圖11-4球面波的聲功率和聲強(qiáng)之間的關(guān)系4.響度和響度級(jí)11.1概述

以上所講的是聲音的一些客觀物理量以及客觀的量度,而人耳對(duì)聲音的主觀感覺與客觀量度是不一樣的。對(duì)于不同頻率的聲音,用儀器測(cè)出的聲壓級(jí)分貝數(shù)即便一樣,但聽起來(lái)卻不一樣,頻率高的聲音感覺比頻率低的聲音響,隨頻率變化而有很大的差異,而且這一差異還與聲壓級(jí)有關(guān)。圖11-5是以1000Hz的聲音為標(biāo)準(zhǔn),將其他頻率的聲音與之比較試聽。經(jīng)過(guò)對(duì)大量聽覺正常的人試驗(yàn)得出的一系列等響曲線,在同一曲線上各頻率聲音聽起來(lái)感覺同樣響,但各頻率聲音的聲壓級(jí)卻各不相同。圖11-5