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振动的测量

发布日期:2017-12-20 15:18:32 【关闭】
摘要:研究振动的测试包括两方面的内容:一方面研究怎样测量振动的各项参数;另一方面研究 振动试验怎样实现。振动试验是用来检查被振产品、零件、材料的抗振特性和其他特征参数的 试验方法。

   一、振动的基本概念

   物体随时间进行反复相同的或特定状态的运动,就称为振动。典型的振动是周期运动。一个振动过程可以用振动的位移、速度和加速度随时间变化的过程来描述。测量振动的目的是测出振动的位移、速度和加速度的时间历程。

  研究振动的测试包括两方面的内容:一方面研究怎样测量振动的各项参数;另一方面研究振动试验怎样实现。振动试验是用来检查被振产品、零件、材料的抗振特性和其他特征参数的试验方法。

  振动试验有以下几类:

  (1)零件、材料、电气接线等的抗振特性试验;

  (2)材料的激振疲劳试验;

  (3)振动和声学有关的试验 -- 振动方法、机械阻抗、机械转移等参数的测量;

  (4)机器、产品的可靠性、安全性试验。

   二、振动的测量

   测量振动的系统通常由传感器、测振仪和记录仪等组成,如图7.46所示。随着测试技术的发展,振动测试系统也在不断更新。最初多用磁电式传感器,由于它体积大、频带较窄,在使用上受到限制。目前多采用压电晶体加速度计,它具有频带宽、动态范围大、体积小、重量轻等优点。测振仪过去多采用电压前置放大器,由于其灵敏度受到测量电缆长度的限制,使测量带来较大误差。目前采用电荷放大器,它的灵敏度不受电缆长度的影响,给使用带来极大的方便。记录仪早期使用光学示波器,现在出现了磁带记录仪、数字记录仪、遥测系统,为振动参数的数据处理、远距离传输、提高准确度带来了令人鼓舞的进步。下面分别讨论传感器与测振仪。

  

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   1.测振传感器

   测振传感器有一些与一般通用传感器不同的特殊性能,需要进一步介绍。

    根据被测振动参数来分类,振动传感器可分为位移式传感器(指传感器的输出量与振动位移量成正比)、速度式传感器(指其输出量与振动速度成正比)、加速度式传感器(指输出量与振动加速度成正比)。

   按坐标系来分,有相对式和绝对式两类。相对式是用空间某一固定点作参考点来测量物体对于参考点的振动。绝对式是以大地不动坐标系作为参考点,测量时传感器需固定在振动物体上,因此这种传感器又称为地震仪式传感器。相对式传感器中又分为接触式和非接触式。

  按照振动传感器所用的敏感元件又可将其分为电位计式、应变式、电阻式、张丝式、电容式、电感式、涡电流式、差动变压式和光电式等。

  (1)粘贴式电阻应变加速度计。此加速度计是用应变片粘贴在弹性粱上,应变片是此传感器的敏感元件,其原理是应变片电阻的变化与应变片的纵向伸长或压缩量成正比,即

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  应变式加速度计的结构示意图如图7.47所示。质量块与悬臂梁组成一个质量 弹簧系统,应变片贴在粱的应变方向,当质量块运动时,悬臂梁产生弯曲应变,在一定的变形范围内质量块位移x和梁的应变成正比,即 

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   当加速度计运动时,由于加速度的作用,质量块上的惯性力使敏感元件变形,从而使应变片电阻发生变化,而输出电信号。

  一般应变片贴4片或8片。由于应变片温度效应较严重,为补偿温度效应,在测量线路中,一般要加补偿应变片,其数量和型号通常和测量应变片相同。补偿片贴在和测量片相垂直的方向,并组合在同一个桥路里,使其由于温度而引起的电阻变化互相抵消、从而达到温度补偿的目的。

  此传感器的优点是可从零频开始,适用于低频测量,结构简单,使用可靠,横向效应小。缺点是灵敏度低。

  (2)张丝式传感器。电阻丝不是直接粘贴在弹性元件上,而是直接连在活动质量块和基座之间,以感受质量块的位移。当质量块相对于基座运动时,一组电阻丝受拉伸,另一组受压缩,电阻的相对变化通过电桥进行变换和测量,图7.48即是这种张丝式传感器的原理图。

  

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   由于电阻丝的电阻变化率直接反映了质量块的位移,故灵敏度较高,此外,低频特性较好,但稳定性较差,易受温度、湿度等因素的影响。

  (3)压阻式加速度计。此种加速度计的敏感元件是单晶硅片,其原理是利用单晶硅片的压敏电阻效应,如图7.49所示。振动时,压阻元件变形,其电阳变化和变形成正比,再通过所配的电桥线路转变为电量输出。它的结构和应变式加速度计基本相同,仅仅是敏感元件不同。

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  此种加速度计的优点很多,如灵敏度高,比电阻应变片式加速度计高几十倍,甚至近百倍;低频特性好,具有零频响应;输出阻抗低,可直接和示波器、数字电压表或磁带记录仪相连。所以,压阻式加速度计特别适用于低频测量和需要有直流响应能力的冲击测量等领域。

  它的缺点是易受温度影响,零漂较大,需要温度补偿,需要外接电源。

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   (4)磁电式速度传感器。有两种磁电式速度传感器,一种是动圈式,另一种是动磁式。图7.50是 动圈式速度传感器原理图,该传感器的活动系统由活动线圈2和电磁阻尼器6组成。线圈2放在由永久磁铁5和壳体3所形成的间隙中,线圈2和阻尼器6由心杆4相连,并通过弹簧片1和7支持在壳体上。传感器壳体固定在振动物体上,当物体振动时,壳体也随之振动,则线圈相对于磁铁运动,线圈切割磁力线运动便产生感应电动势如下:

   e=BNlv

  式中 B ——— 磁感应强度;

          N ——— 线圈匝数;

        l ——— 每匝线圈的长度;

        v ——— 圈相对于磁铁的运动速度,即被测的振动速度。

   当传感器结构确定后,上式中的参数B,N,l均为常数,感应电动势e和被测的振动速度v成正比。

  图7.51是动磁式速度传感器的结构原理图。它和动圈式速度传感器的区别主要是活动部分是磁钢,而不是线圈。磁钢由两个圆柱形弹簧支承,线圈绕在非导磁性金属骨架上,并与壳体相连。传感器固定在振动物体上,当物体振动时,磁钢在线圈中产生运动,从而产生感应电动势。磁钢的运动速度就是被测的振动速度。

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   磁电式速度传感器的优点是内阻小,不需要高输入阻抗的放大器,对测量仪器要求简单;由于使用空气阻尼或电阻尼,受温度影响较小,稳定性较高;输出信号和振动速度成正比,故低频测量时,输出较大,有利于提高系统的信噪比。不足的是振动频率响应范围窄,只适用于低、中频测量。

  (5)电容式传感器。该传感器的敏感元件是可变电容,它主要用来测量位移。一般要和外接电源或参量变换器配合才能使用。两个平行平板所组成的电容式传感器如图7.52所示。

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   电容量C 与平板面积S、介电系数μ和平板间距d 有关,故可通过改变这三个量来改变电容量。其中改变板间距d的方法灵敏度最高,但电容量的变化和板间距d 变化不是线性关系,而且当测量小振幅时,为得到足够大的电容量变化,传感器和振动物体间的静态距离必须很小,所以,使用起来很不方便。此外,电容式传感器只能用于介电性能较好的介质中(如空气)。但该传感器测量位移的准确度较高,可达2%。

  (6)力 加速度传感器。力 加速度传感器又称机械阻抗头,是机械阻抗试验所不可少的传感器。它由测力传感器和测加速度传感器组成,如图7.53所示。测力传感器由2片压电晶片组成,它通过压块和激振器相连,力信号从接头输出。测加速度传感器则由2片压电晶片和质量块组成,加速度信号由接头输出。传感器通过壳体和被测结构相连。当激振器激振时,激振力通过力传感器和壳体传给被测结构,在激振力的作用下,测力晶片输出电信号。当结构振动时,由于质量块的惯性力作用,压电晶片中产生的加速度电信号向接头输出,从而测出力和由此而产生的加速度,再通过测量电路得到阻抗的大小。

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   (7)压电式加速度计。压电试加速度计是用压电材料为敏感元件,利用压电材料压电效应设计而成。它的输出信号和振动加速度成正比,它具有结构简单、牢固、体积小、重量轻、频响范围宽(0.3~104Hz)、动加速度可测范围大(10-5~105g)、可在常温或高温下使用及抗外磁场干扰能力较强等优点。它是自发电式,不需外加电源或辅助电路,因此在振动和冲击测量的领域中得到越来越广泛的应用,而且目前大多采用这种传感器。

   压电式传感器的工作原理如下:在压电元件上装有一个质量块 m,由弹簧紧压着,当它受到振动时,质量块 m 所产生的惯性力F 为

   F = ma

   惯性力F 作用在压电元件上,便产生压电效应,其表面所产生的电荷为

  Q =kF

  式中 k——— 压电元件的压电常数。

   当传感器的结构固定时,压电常数k和质量块质量m 都是定值,电荷量便与加速度成正比,即

  Q = (km)a

   压电式加速度计按晶体的工作方式分为三种形式:压缩型、弯曲型和剪切型。

   1)压缩型加速度计。用1片或2片压电片极对极地重叠而成,在压电片上放置一个质量块,再用一个刚度较大的弹簧预压在质量块上。在给定的频率范围内它的灵敏度较高,对基座应变和环境因素的敏感性较小,而且制造工艺简单。

  

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   常用的压缩型加速度计有:① 中心压缩式。其结构如图7.54(a)所示,弹簧固定压在基座中心杆上,质量块受到顶紧力。它具有较高的固有频率和较宽的加速度范围,是目前使用较广泛的一种形式。② 倒转压缩式。其结构如图7.54(b)所示,敏感元件固定在外壳顶部,离基座较远,受基座变形影响较小,具有较小的基座应变灵敏度和声灵敏度。③ 隔离压缩式。其结构如图8.64(c)所示,敏感元件和加速度计基座机械隔离,其机械强度高,可以耐受大的加速度冲击,但质量块的惯性力有一部分被隔离弹簧所平衡,所以灵敏度降低。

  此外,早期还曾采用过周边压缩式加速度计,将弹簧围成一圈和加速度计外壳相连,预压在质量块上,它虽有灵敏度高、固有频率高,频率范围宽、机械强度高等优点,但受声、基座应变和温度瞬变等影响较大,因而被逐渐淘汰。

  2)弯曲型加速度计。结构如图7.54(d)所示,利用压电片在外力作用下产生弯曲变形而产生电荷。它可以消除横向加速度的影响,具有灵敏度较高、频响范围较窄的特点,适用于低频测量。

  3)剪切型加速度计。结构如图7.54(e)所示,所用压电元件为空心圆柱形,利用压电元件只受质量块作用产生剪切应变压电效应而工作。它有良好的环境隔离效果,频响范围宽,但造价较高。

  2.测振仪电路原理

   图7.55给出了测振仪的原理框图。通常压电式振动传感器的内阻大,所以将它与放大器联接之前,需要先经过阻抗变换器,使两边阻抗匹配。测振仪可直接读取振动的加速度值。对于不同型式的传感器,测振仪的前置电路是不同的,速度型传感器可通过一次积分电路获得位移;加速度型传感器从理论上看可以采用二次积分电路而得到位移,但实际上很少这样使用,因为它需要将传感器的灵敏度调得很高,这样就不能同时正常测出加速度。从理论上说用速度传感器经过微分电路也可获得加速度,但是微分电路会使噪声的高频分量加强,从而使信噪比降低,因此也不常用。图7.56是不同传感器所加不同积分电路示意图。

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  压电式振动传感器测得的电荷量由电荷放大器变换成相应的输出电压。电荷放大器由一个高增益运算放大器和一个电阻与电容并联的反馈网络构成,如图7.57所示。反馈电容上的电压决定了输出电压与输入电荷之间的关系,电荷放大器的输出电压仅由反馈网络决定

 

gooxian-电荷放大电路

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  可见,电荷放大器的输出电压仅由输入电荷和反馈电容决定。而与压电式测振传感器和放大器之间的电缆长度无关。

  3.振动的波形和数值记录

  波形记录是振动记录经常使用的一种方法,最普通的方法是记录信号的波形。对于简单的周期信号,可以从图形上读出它的幅值、频率等参数,对于复杂波形信号(如随机信号)就不能简单地从波形上读到它的特征参数。有效值记录是对周期信号经常使用的表示方法。常用的记录仪中大多采用全波整流,然后求出有效值的变换。

  对数记录也是常用的方法。

  目前有较多的分析仪器能进行快速傅里叶变换(FFT),它的最大特点是能将模拟数据在不连续的时间间隔内取样,并使其数字化。

  图7.58表示了以上所述几种波形和数值记录的图形(示意图)。

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   三、振动试验设备

   振动试验也是测试内容的一部分。振动试验包括的内容有振动模型的理论分析和设计计算、振动环境试验设计方面、振动试验设备等方法。限于篇幅,仅介绍振动试验设备。

   振动设备主要是指试验室进行振动试验的激振机器。一般可分为机械式、电液式和电磁式。机械式工作频率范围较窄,在5~80Hz范围内。电液式的频率范围为0.05~800Hz。电磁式振动台是最常用的,它的最高频率可达3~4kHz,甚至更高;最低频率一般在5~10Hz。

  1.机械式振动台

  基于旋转体不平衡块的离心力引起振动。振动频率由直流电动机来控制,幅度由不平衡块的偏角大小及试件的重量决定。对称的两块不平衡块作相对旋转,水平分力相互抵消,垂直分力相互叠加合成上下振动的推力,如图7.59所示。

gooxian-机械式振动台原理图

  为了左右前后对称,常用4块不平衡块组成激振器,联接在振动台面连杆上。4块不平衡块的调整可以是手动或电动机械式,也可以是液压传动式。这就形成调幅时需要停车调整和不需要停车调整的区别。

  2.电液式振动台

  电液式振动台主要由激振器、电液伺服阀、电控装置、油源等部分组成。原理如图7.60所示。其中激振器是电液振动台的执行机构,主要由活塞轴、油缸体、支撑轴承、位移传感器和台面组成。它是将液压能转换成机械能的装置。在伺服阀的控制下,阀的流量和油的流动方向决定台体推力大小和运动方向。

  电液伺服阀是电液振动台的关键元件之一,既是功率放大装置,又是电能机械能的转换器。它接收来自电控装置的控制信号,将该控制信号转换成驱动激振器的液压驱动力,伺服阀可以是力矩电机式二级滑阀式伺服阀。

  电控装置包括扫频信号发生器,振动测量和控制部分,阀位移、台位移、压差检测器以及电荷放大器,功率放大器,扫频定振控制器。电控装置提供振动台在进行振动试验时所需的各种控制信号,并对激振器响应进行处理,对振动台实现闭环控制,使之达到一定的准确度和稳定度。

  电液振动台的工作原理是:信号源产生的振动信号经测量控制部分与阀位移、台位移反馈信号相加产生误差信号,该误差信号经功率放大器放大后,送到伺服阀中的力矩电机控制线圈,控制线圈直接拖动伺服阀的一级阀阀心,使其产生与输入信号成正比的运动,并驱动二级阀作正弦运动,二级阀将油源的高压油按电控信号变化规律供给台体,使台体产生振动运动。由于阀位移和台位移反馈信号的存在,当全信号为零时保证了活塞轴在激振器的中心位置。

  3.电磁振动台

  电磁振动台主要由功率放大器和振动台体组成。电磁振动台是根据载流导体在磁场中受到电磁力作用的原理像电动喇叭一样激振工作。

 电磁振动台的台体结构由活动组件、磁路系统、弹性支撑、导向机构等组成,如图7.61所示

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  磁路系统的结构分单磁路和双磁路两种。它们是由直流电流经静止线圈产生的恒定磁场所形成。单磁路结构简单,台面漏磁较大;双磁路系统可以减少漏磁,但结构复杂。对于小功率的振动台可采用永磁磁场。

  活动组件是产生交变电磁力的部件。由功放装置提供交流电流经运动线圈,在恒定磁场下产生交变电磁力,使工作台面上下垂直振动。振动频率由动圈内的交流电流的频率决定,幅度由其电压电流决定。由于活动线圈和静止线圈内有较大电流流过,产生的热量需要冷却,冷却方式有水冷式和风冷式两种类型。活动组件依靠弹性支撑置于静止线圈的磁路工作间隙中,因此弹性支撑应具有足够的刚度来支撑活动组件和台面及试件的全部重量。弹性支撑和活动组件构成振动系统,其共振频率fn 决定了电磁振动台的低频特性。使用空气弹簧,其最低频率可到5Hz以下。

  水平振动滑台是为了使试件能在正常状态下作水平方向振动而设置的,它常和振动外壳做成一个整体。将振动台振动轴旋转90°成水平方向,由垂直振动改变为水平方向的振动,试件的重量必须由水平振动滑台来承担,它使振动台免受弯矩。因此滑台台面一般采用液压平面轴承并且有单向的运动的引导轴装置。

  

    

    

  

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