工程測(cè)量技術(shù)-第10章應(yīng)力與振動(dòng)測(cè)量

工程測(cè)量技術(shù)_第10章應(yīng)力與振動(dòng)測(cè)量第一頁(yè)，共32頁(yè)。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，除試件外，通常由以下三部分組成：A、激振系統(tǒng)——目的是激發(fā)被測(cè)試件產(chǎn)生振動(dòng)。激振系統(tǒng)由信號(hào)源、放大器和激振設(shè)備等組成。常用的激振設(shè)備有振動(dòng)臺(tái)、壓電晶體激振器、電渦流激振器等。B、測(cè)量系統(tǒng)——它由傳感器將被測(cè)試件的機(jī)械振動(dòng)量（如振幅、速度、加速度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或電參數(shù)（如電阻、電容、電感等），再由測(cè)量電路或儀器進(jìn)行測(cè)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(dǎo)纖維等。C、分析系統(tǒng)——該系統(tǒng)是將測(cè)量的結(jié)果加以處理，根據(jù)不同的目的和要求，獲得有關(guān)參數(shù)或曲線圖表。第二頁(yè)，共32頁(yè)。振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量

測(cè)量振動(dòng)物體上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位，以判別振動(dòng)的強(qiáng)度（振級(jí)），找出振動(dòng)根源，加以克服或改進(jìn)。結(jié)構(gòu)或部件動(dòng)態(tài)特性的測(cè)定（激振實(shí)驗(yàn)）

目的：通過(guò)動(dòng)特性測(cè)定，以判定結(jié)構(gòu)的抗振能力，這種試驗(yàn)稱為頻率響應(yīng)試驗(yàn)或機(jī)械阻抗試驗(yàn)。第三頁(yè)，共32頁(yè)。幅值——振動(dòng)強(qiáng)度大小頻率——根據(jù)主要頻率成分尋找振源相位——確定共振點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡等第四頁(yè)，共32頁(yè)。激勵(lì)方式穩(wěn)態(tài)正弦激振隨機(jī)激振瞬態(tài)激振測(cè)量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、響應(yīng)等參量時(shí)，需要對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一定的外力，讓其作受迫振動(dòng)或自由振動(dòng)，以便獲得相應(yīng)的激勵(lì)或者響應(yīng)。第五頁(yè)，共32頁(yè)。一、穩(wěn)態(tài)正弦激振逐點(diǎn)正弦激振單一頻率正弦力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅頻特性、相頻特性將響應(yīng)記錄下來(lái)，然后作圖第六頁(yè)，共32頁(yè)。慢速掃頻激振

信號(hào)發(fā)生器采用無(wú)級(jí)或有級(jí)地改變正弦激振力的頻率，即頻率掃描，這樣激振頻率隨時(shí)間而變化，嚴(yán)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(yīng)時(shí)間，使被測(cè)對(duì)象處于穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，這樣可近似逐點(diǎn)正弦激振。第七頁(yè)，共32頁(yè)。二、隨機(jī)激振

1.白噪聲激振白噪聲的性質(zhì)：頻譜相當(dāng)于所有頻率成分均有；自相關(guān)函數(shù)=0時(shí)為陡峭的峰，稍偏離0就很快衰減；自功率譜密度函數(shù)接近于常數(shù)。

第八頁(yè)，共32頁(yè)。偽隨機(jī)激振

用偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器或用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)激振信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)具有一定的周期性，在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)又完全相同。第九頁(yè)，共32頁(yè)。實(shí)際隨機(jī)激振第十頁(yè)，共32頁(yè)。三、瞬態(tài)激振

1.快速正弦掃描激振式中a=(fmax-fmin)/T，b=fminfmax、fmin

—

信號(hào)發(fā)生器所供信號(hào)的上、下截止頻率第十一頁(yè)，共32頁(yè)。脈沖激振（沖擊激振）第十二頁(yè)，共32頁(yè)。脈沖激勵(lì)法測(cè)振系統(tǒng)

用脈沖錘對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行敲擊，脈沖力信號(hào)及各點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)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。

第十三頁(yè)，共32頁(yè)。階躍（張弛）激振第十四頁(yè)，共32頁(yè)。激振器及其要求：激振器—對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，激起試件振動(dòng)的裝置。對(duì)激振器要求：能在要求的一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生波形良好、幅值足夠且穩(wěn)定的交變力；有時(shí)要求產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力；盡量要求體積小、重量輕。第十五頁(yè)，共32頁(yè)。安裝方式安裝方式剛性安裝(b)適用于低頻激振要求：激振器固有頻率fn>3fmax（激振最高頻率）垂直激振(a)水平激振(c)柔性安裝適用于較高頻激振要求：激振器固有頻率fn<1/3fmin（激振最低頻率）第十六頁(yè)，共32頁(yè)。其它激振器壓電晶片激振器：用于小型、薄壁試件磁致伸縮激振器：用于高頻高聲強(qiáng)激振器

第十七頁(yè)，共32頁(yè)。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感計(jì)是以壓電晶體的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，與其它振動(dòng)傳感器相比，它具有靈敏度高、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)線性范圍大以及尺寸小、重量輕等特點(diǎn)，是振動(dòng)測(cè)量中最常用的一種傳感器。一、工作原理壓電晶體的壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)第十八頁(yè)，共32頁(yè)。將加速度計(jì)與被測(cè)試件牢固地聯(lián)在一起，當(dāng)加速度計(jì)與試件一起振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力作用于壓電晶體片上。若被測(cè)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，質(zhì)量塊的慣性力與被測(cè)振動(dòng)體的加速度成正比。又因壓電晶體片的壓電效應(yīng)，在晶體的極化表面上產(chǎn)生的電荷與作用的慣性力成正比，所以，壓電晶體表面的電荷大小與被測(cè)振動(dòng)體的加速度成正比。第十九頁(yè)，共32頁(yè)。二、結(jié)構(gòu)型式壓電式加速度計(jì)利用壓電晶體效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)型式如圖所示。圖3-12(a)為受壓型加速度計(jì)，(b)和(c)為受剪型加速度計(jì)。

第二十頁(yè)，共32頁(yè)。中心壓縮型加速度計(jì)是用一個(gè)彈簧將質(zhì)量塊緊壓在壓電晶體片（二片或多片）上，組成一個(gè)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。三角剪切型加速度計(jì)是采用三個(gè)壓電晶體片，各自帶有質(zhì)量塊貼在一個(gè)三角形的中心柱子上，外面用一個(gè)高張力的預(yù)壓環(huán)固定。當(dāng)加速度計(jì)承受軸向振動(dòng)時(shí)，質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jì)。第二十一頁(yè)，共32頁(yè)。位移、速度和加速度之間的轉(zhuǎn)換設(shè)振動(dòng)位移的表達(dá)式為振動(dòng)速度是位移的一次微分振動(dòng)加速度是位移的二次微分以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，分別以位移、速度和加速度為縱坐標(biāo)，繪制成時(shí)間歷程曲線，如圖所示。第二十二頁(yè)，共32頁(yè)。比較上述三個(gè)方程及其波形圖可見(jiàn)，位移、速度和加速度，三個(gè)振動(dòng)參數(shù)的頻率和振動(dòng)形式都是一樣的，僅是速度超前位移90o，加速度超前位移180o；其幅值之間的關(guān)系為：簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移、速度和加速度還可以用旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，故它們的相對(duì)位置不變。它們的振幅分別為A、ωA、ω2A，其相位是依次導(dǎo)前90o。因此，位移、速度、加速度三個(gè)量，只要選定一種傳感器測(cè)得其中任何一個(gè)振動(dòng)參數(shù)，就可利用測(cè)量電路的微分或積分特性，獲得另外兩個(gè)振動(dòng)參數(shù)。如用速度傳感器測(cè)得振動(dòng)速度，配用微分放大器可以獲得振動(dòng)加速度，配用積分放大器可以獲得振動(dòng)位移。第二十三頁(yè)，共32頁(yè)。第二十四頁(yè)，共32頁(yè)。9.1.1電阻應(yīng)變計(jì)1、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理——基于金屬導(dǎo)線的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，即當(dāng)金屬導(dǎo)線受力產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻發(fā)生變化。金屬導(dǎo)線的電阻值R如果金屬導(dǎo)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(dǎo)線的應(yīng)變-電阻效應(yīng)。第二十五頁(yè)，共32頁(yè)。將上式取對(duì)數(shù)進(jìn)行微分后得：dL/L為金屬導(dǎo)線的長(zhǎng)度相對(duì)變化，用應(yīng)變量ε來(lái)表示dA/A為導(dǎo)線截面積的變化，對(duì)于圓形截面的導(dǎo)線，若其直徑為D，則導(dǎo)線直徑的相對(duì)變化（μ為導(dǎo)線材料的泊松比），上式可得：在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，金屬絲的電阻率相對(duì)變化與他的體積相對(duì)變化有下列關(guān)系：第二十六頁(yè)，共32頁(yè)。式中：c——對(duì)于一定的金屬材料和加工方法來(lái)說(shuō)是常數(shù)。整理以上各式，得設(shè)則K稱為靈敏系數(shù)，在一般情況下為常數(shù)。由上式看出，金屬導(dǎo)線受力變形后，由于其幾何尺寸發(fā)生變化，從而使其電阻發(fā)生變化。如果將一根直徑較細(xì)的金屬絲粘貼在工件的表面上，利用金屬絲的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，把構(gòu)件表面的應(yīng)變量直接變?yōu)殡娮璧南鄬?duì)變化量，這樣就可以用電測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。電阻應(yīng)變計(jì)就是利用這一原理而制成的傳感元件。第二十七頁(yè)，共32頁(yè)。3、電阻應(yīng)變計(jì)的工作特性工作特性是為了滿足實(shí)際測(cè)量工作的需要而規(guī)定的。下面介紹常溫下應(yīng)變計(jì)的工作特性。應(yīng)變計(jì)的電阻值——室溫時(shí)應(yīng)變計(jì)未經(jīng)安裝且不受外力的情況下，所測(cè)量的電阻值。國(guó)家推薦的標(biāo)準(zhǔn)電阻值：60、120、200、350、500、1000Ω。在允許通過(guò)同樣電流的情況下，選用較大的電阻可以提高測(cè)量敏感度。常用應(yīng)變測(cè)量?jī)x器的橋臂電阻習(xí)慣上按120Ω設(shè)計(jì)，故120Ω的電阻應(yīng)變計(jì)是最常用的應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)K——在應(yīng)變計(jì)軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計(jì)電阻的相應(yīng)變化與安裝應(yīng)變計(jì)試件軸向應(yīng)變的比值，即單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。第二十八頁(yè)，共32頁(yè)。靈敏系數(shù)K取決于材料特性μ和c，當(dāng)材料進(jìn)入塑性變形范圍，泊松比μ≈0.5，在彈性區(qū)時(shí)μ=0.2~0.4，即體積基本不變，K≈2.0。實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)金屬導(dǎo)線在彈性范圍內(nèi)電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變量之間的關(guān)系是線性的，即K為常數(shù)。特別應(yīng)當(dāng)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(yīng)變的應(yīng)變計(jì)常用康銅制成。絕緣電阻值——應(yīng)變計(jì)的靈敏柵和引線與被測(cè)試件之間的電阻值，一般要求在500MΩ以上。絕緣電阻低，使測(cè)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(jié)劑和基底材料，采取防潮措施等。機(jī)械滯后——應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件上，在恒溫條件下加載和卸載過(guò)程中，在同一機(jī)械應(yīng)變量作用下，指示應(yīng)變的差值。第二十九頁(yè)，共32頁(yè)。疲勞壽命——在恒幅交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)變計(jì)連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命是反映應(yīng)變計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變適應(yīng)能力的參數(shù)，一般要求疲勞壽命達(dá)105~107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(yīng)變計(jì)的軸線成450方向。熱輸出——應(yīng)變計(jì)粘貼在允許自由膨脹的構(gòu)件上且不受外力的作用，在緩慢變化的均勻溫度場(chǎng)中，應(yīng)變計(jì)輸出的指示應(yīng)變值。9.1.2測(cè)量電路電阻應(yīng)變計(jì)是把構(gòu)件的應(yīng)變值ε轉(zhuǎn)換成ΔR/R。由于一般測(cè)量的應(yīng)變量很小，所以直接測(cè)量電阻較困難，誤差較大。因此，一般采用專門的測(cè)量電路，把ΔR/R轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。目前電阻應(yīng)變儀中采用的測(cè)量電路主要有兩種：一種是電橋線路，另一種是電位計(jì)式線路。第三十頁(yè)，共32頁(yè)。9.2