工程測量技術_第10章應力與振動測量.

1、17 應力與振動測量應力與振動測量工程測試技術2振動系統(tǒng)的組成n振動實驗系統(tǒng)，除試件外，通常由以下三部分組成：nA、激振系統(tǒng)目的是激發(fā)被測試件產(chǎn)生振動。激振系統(tǒng)由信號源、放大器和激振設備等組成。常用的激振設備有振動臺、壓電晶體激振器、電渦流激振器等。nB、測量系統(tǒng)它由傳感器將被測試件的機械振動量（如振幅、速度、加速度等）轉換成電信號或電參數(shù)（如電阻、電容、電感等），再由測量電路或儀器進行測量、放大、顯示和記錄。常用的傳感器有壓電式、電容式、電渦流式、磁電式和光導纖維等。nC、分析系統(tǒng)該系統(tǒng)是將測量的結果加以處理，根據(jù)不同的目的和要求，獲得有關參數(shù)或曲線圖表。31.振動基本參數(shù)的測量振動基本參數(shù)

2、的測量 測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位，以測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位，以判別振動的強度（振級），找出振動根源，加以克服或改進。判別振動的強度（振級），找出振動根源，加以克服或改進。2.結構或部件動態(tài)特性的測定結構或部件動態(tài)特性的測定（激振實驗）（激振實驗）4振動的基本參數(shù)n幅值振動強度大小n頻率根據(jù)主要頻率成分尋找振源n相位確定共振點、旋轉動平衡等58.2 振動的激勵與激振器測量機械設備或結構的振動力學參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、響應等參量時，需要對被測對象施加一定的外力，讓其作受迫振動或自由振動，以便獲得相應的激勵或者響應。68.2 振

3、動的激勵與激振器1.逐點正弦激振逐點正弦激振78.2 振動的激勵與激振器 信號發(fā)生器采用無級或有級地改變正弦激振力的頻率，即頻率信號發(fā)生器采用無級或有級地改變正弦激振力的頻率，即頻率掃描，這樣激振頻率隨時間而變化，嚴格講這是一種瞬態(tài)的激振，掃描，這樣激振頻率隨時間而變化，嚴格講這是一種瞬態(tài)的激振，但采用足夠緩慢的掃描速度，使分析儀器有足夠的響應時間，使但采用足夠緩慢的掃描速度，使分析儀器有足夠的響應時間，使被測對象處于穩(wěn)定振動狀態(tài)，這樣可近似逐點正弦激振。被測對象處于穩(wěn)定振動狀態(tài)，這樣可近似逐點正弦激振。88.2 振動的激勵與激振器n白噪聲的性質：白噪聲的性質： n頻譜相當于所有頻率成分均有；

4、頻譜相當于所有頻率成分均有； n自相關函數(shù)自相關函數(shù) =0時為陡峭的峰，時為陡峭的峰， 稍偏離稍偏離0就很快衰減；就很快衰減； n自功率譜密度函數(shù)接近于常數(shù)。自功率譜密度函數(shù)接近于常數(shù)。 98.2 振動的激勵與激振器 用偽隨機信號發(fā)生器或用計算機產(chǎn)生偽隨機碼來產(chǎn)生隨機用偽隨機信號發(fā)生器或用計算機產(chǎn)生偽隨機碼來產(chǎn)生隨機激振信號。偽隨機信號具有一定的周期性，在一個周期內的信號激振信號。偽隨機信號具有一定的周期性，在一個周期內的信號是隨機的，但各個周期內的信號又完全相同。是隨機的，但各個周期內的信號又完全相同。108.2 振動的激勵與激振器118.2 振動的激勵與激振器)0()(2sin)()()(

5、TttbattptpTtp12138.2 振動的激勵與激振器 用脈沖錘對被測對象進行敲擊，脈沖力信號及各點響應信用脈沖錘對被測對象進行敲擊，脈沖力信號及各點響應信號經(jīng)過電荷放大器放大，輸入傳遞函數(shù)分析儀，從而得到傳遞函號經(jīng)過電荷放大器放大，輸入傳遞函數(shù)分析儀，從而得到傳遞函數(shù)的幅值、相位等特性。數(shù)的幅值、相位等特性。 148.2 振動的激勵與激振器158.2 振動的激勵與激振器n激振器激振器對試件施加某種預定要求的激振力，對試件施加某種預定要求的激振力，激起試件振動的裝置。激起試件振動的裝置。n對激振器要求：對激振器要求：n能在要求的一定頻率范圍內產(chǎn)生波形良好、幅能在要求的一定頻率范圍內產(chǎn)生波

6、形良好、幅值足夠且穩(wěn)定的交變力；值足夠且穩(wěn)定的交變力；n有時要求產(chǎn)生一個穩(wěn)定力；有時要求產(chǎn)生一個穩(wěn)定力；n盡量要求體積小、重量輕。盡量要求體積小、重量輕。168.2 振動的激勵與激振器178.2 振動的激勵與激振器n壓電晶片激振器：用于小型、薄壁試件壓電晶片激振器：用于小型、薄壁試件n磁致伸縮激振器：用于高頻磁致伸縮激振器：用于高頻n高聲強激振器高聲強激振器 188.3 振動測量及測振傳感器n壓電式加速度傳感器n壓電式加速度傳感計是以壓電晶體的壓電效應為基礎，與其它振動傳感器相比，它具有靈敏度高、頻率范圍寬、動態(tài)線性范圍大以及尺寸小、重量輕等特點，是振動測量中最常用的一種傳感器。n一、工作原理

7、n壓電晶體的壓電效應n縱向壓電效應n橫向壓電效應198.3 振動測量及測振傳感器n將加速度計與被測試件牢固地聯(lián)在一起，當加速度計與試件一起振動時，質量塊產(chǎn)生慣性力作用于壓電晶體片上。若被測試件的振動頻率遠遠低于加速度計的固有n頻率時，質量塊的慣性力與被n測振動體的加速度成正比。又n因壓電晶體片的壓電效應，在n晶體的極化表面上產(chǎn)生的電荷n與作用的慣性力成正比，所以，n壓電晶體表面的電荷大小與被n測振動體的加速度成正比。208.3 振動測量及測振傳感器n二、結構型式n壓電式加速度計利用壓電晶體效應實現(xiàn)信號轉換。其結構型式如圖所示。圖3-12(a)為受壓型加速度計，(b)和(c)為受剪型加速度計。

8、218.3 振動測量及測振傳感器n中心壓縮型加速度計是用一個彈簧將質量塊緊壓在壓電晶體片（二片或多片）上，組成一個質量彈簧系統(tǒng)。n三角剪切型加速度計是采用三個壓電晶體片，各自帶有質量塊貼在一個三角形的中心柱子上，外面用一個高張力的預壓環(huán)固定。當加速度計承受軸向振動時，質量塊的慣性力使壓電晶體片受剪切變形而產(chǎn)生電荷。這種結構型式，使基座與壓電元件有效地隔離，消除了因基座彎曲以及溫度變化的影響。主軸靈敏度高而橫向靈敏度小，是比較理想的加速度計。228.3 振動測量及測振傳感器n位移、速度和加速度之間的轉換n設振動位移的表達式為n振動速度是位移的一次微分n振動加速度是位移的二次微分n以時間t為橫坐標

9、，分別以n位移、速度和加速度為n縱坐標，繪制成時間歷n程曲線，如圖所示。)sin(tAx )2sin(tAdtdxv )sin(222tAdtxda 238.3 振動測量及測振傳感器n比較上述三個方程及其波形圖可見，位移、速度和加速度，三個振動參數(shù)的頻率和振動形式都是一樣的，僅是速度超前位移90，加速度超前位移180 ；其幅值之間的關系為：n簡諧振動的位移、速度和加速度還可以用旋轉矢量表示（圖3-34）。由于它們都有相同的頻率，它們均以相同的角速度旋轉，故它們的相對位置不變。它們的振幅分別為A、A、2A ，其相位是依次導前90。n因此，位移、速度、加速度三個量，只要選定一種傳感器測得其中任何一

10、個振動參數(shù)，就可利用測量電路的微分或積分特性，獲得另外兩個振動參數(shù)。如用速度傳感器測得振動速度，配用微分放大器可以獲得振動加速度，配用積分放大器可以獲得振動位移。AavAva / maxmax2maxmax或或24259.1 測量系統(tǒng)n9.1.1 電阻應變計1、電阻應變計的工作原理電阻應變計的工作原理基于金屬導線的應變應變-電阻效應電阻效應，即當金屬導線受力產(chǎn)生機械變形時，它的電阻發(fā)生變化。金屬導線的電阻值R 如果金屬導線沿其軸線方向受力而產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象被稱為金屬導線的應變-電阻效應。ALR269.1 測量系統(tǒng)n將上式取對數(shù)進行微分后得：ndL/L 為金屬導線

11、的長度相對變化長度相對變化，n用應變量來表示ndA/A為導線截面積的變化，對于圓形截面的導線，若其直徑為D ，則 n導線直徑的相對變化 （為導線材料的泊松比），上式可得：n在一定的應變范圍內，金屬絲的電阻率相對變化與他的體積相對變化有下列關系：dAdALdLRdR/ LdL/ DdDDDdDAdA/2)4/()2/(/2 LdLDdD/ LdLAdA/2/ dRdR/)21(/ cAdALdLcVcdVd )21()/(/279.1 測量系統(tǒng)n式中：c對于一定的金屬材料和加工方法來說是常數(shù)。 n整理以上各式，得n設 則nK稱為靈敏系數(shù)，在一般情況下為常數(shù)。n由上式看出，金屬導線受力變形后，由于

12、其幾何尺寸發(fā)生變化，從而使其電阻發(fā)生變化。如果將一根直徑較細的金屬絲粘貼在工件的表面上，利用金屬絲的應變-電阻效應，把構件表面的應變量直接變?yōu)殡娮璧南鄬ψ兓?，這樣就可以用電測的方法來進行應變測量。電阻應變計就是利用這一原理而制成的傳感元件。 )21(21cK KRdR / cRdR )21(21/289.1 測量系統(tǒng)n3、電阻應變計的工作特性n工作特性是為了滿足實際測量工作的需要而規(guī)定的。下面介紹常溫下應變計的工作特性。 應變計的電阻值室溫時應變計未經(jīng)安裝且不受外力的情況下，所測量的電阻值。國家推薦的標準電阻值：60、120、200、350、500、1000 。在允許通過同樣電流的情況下，選

13、用較大的電阻可以提高測量敏感度。常用應變測量儀器的橋臂電阻習慣上按120設計，故120的電阻應變計是最常用的應變計。 應變計的靈敏系數(shù)K在應變計軸線方向的單向應力作用下，應變計電阻的相應變化與安裝應變計試件軸向應變的比值，即單位應變所引起的電阻相對變化。 299.1 測量系統(tǒng)靈敏系數(shù)K取決于材料特性和c，當材料進入塑性變形范圍，泊松比0.5，在彈性區(qū)時=0.20.4，即體積基本不變，K2.0。 實驗表明，大多數(shù)金屬導線在彈性范圍內電阻的相對變化與應變量之間的關系是線性的，即K為常數(shù)。特別應當指出，康銅的靈敏系數(shù)K從彈性區(qū)到塑性區(qū)基本保持不變。因此大應變的應變計常用康銅制成。 絕緣電阻值應變計的

14、靈敏柵和引線與被測試件之間的電阻值，一般要求在500M以上。絕緣電阻低，使測量靈敏度下降，并引起零漂。提高絕緣電阻的途徑，主要是選用電絕緣性能良好的粘結劑和基底材料，采取防潮措施等。 機械滯后應變計安裝在構件上，在恒溫條件下加載和卸載過程中，在同一機械應變量作用下，指示應變的差值。309.1 測量系統(tǒng) 疲勞壽命在恒幅交變應力的作用下，應變計連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命是反映應變計對動態(tài)應變適應能力的參數(shù)，一般要求疲勞壽命達105107循環(huán)次數(shù)。為了提高疲勞壽命，使引線和敏感柵的連接處都與應變計的軸線成450方向。 熱輸出應變計粘貼在允許自由膨脹的構件上且不受外力的作用，在緩慢變

15、化的均勻溫度場中，應變計輸出的指示應變值。n9.1.2 測量電路n電阻應變計是把構件的應變值轉換成R/R。由于一般測量的應變量很小，所以直接測量電阻較困難，誤差較大。因此，一般采用專門的測量電路，把R/R轉換成電壓或電流的變化。n目前電阻應變儀中采用的測量電路主要有兩種：一種是電橋線路，另一種是電位計式線路。319.2 非常溫環(huán)境下的應變測量n9.2.1 溫度效應、溫度補償n應變計粘貼在試件上，除了感受外力產(chǎn)生機械應變外，還感受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的指示應變。前者是要測量的；后者是一種虛假的應變，稱為溫度效應，必須從測量中予以剔除。n將應變計粘貼在可以自由膨脹的試件上，且不受外力的作用，在環(huán)境溫度不變時，應變計的指示應變?yōu)榱悖划敪h(huán)境溫度變化時，應變計有指示應