第3章 機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)性能1-3節(jié)

第3章機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)性能

測(cè)試與實(shí)驗(yàn)HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在振動(dòng)力分析基礎(chǔ)學(xué)習(xí)中，著重論述了振動(dòng)的基本概念，提出了解決工程振動(dòng)的一種方法，即理論分析計(jì)算法。利用振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度等物理量描述了系統(tǒng)的物理特性，從而構(gòu)成系統(tǒng)的力學(xué)模型。通過數(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)剛度和振型等），并在激振力的作用下求出相應(yīng)的受迫振動(dòng)響應(yīng)特性。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院上述問題被稱為解決振動(dòng)問題的正過程，如圖所示。但對(duì)于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)往往并不十分清楚，有些因素更難以確定，例如系統(tǒng)的阻尼、部件的連接剛度、邊界條件等等。因此，對(duì)于在實(shí)際工程中遇到的問題很難得心應(yīng)手地建立一個(gè)符合實(shí)際的力學(xué)模型，對(duì)于初學(xué)者來說，會(huì)遇到更大的困難。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

解決振動(dòng)的另一種方法是實(shí)驗(yàn)方法，它是第一種方法的逆過程，如圖所所示。它主要是通過某種激勵(lì)方法，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，繼而通過測(cè)振儀器直接測(cè)量出激勵(lì)力與系統(tǒng)振動(dòng)的響應(yīng)特性，例如：位移、速度、加速度等函數(shù)的時(shí)間歷程。然后通過模擬信號(hào)分析或數(shù)字信號(hào)分析得到系統(tǒng)的模態(tài)特性。若利用模態(tài)坐標(biāo)的逆變換，便可獲得系統(tǒng)的物理特性。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

用實(shí)驗(yàn)方法解決振動(dòng)問題經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程，直到70年代以后，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)才進(jìn)人一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期。在這一時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展以及快速傅里葉變換的普遍應(yīng)用，各種基于數(shù)字信號(hào)處理原理的頻率分析儀以及以計(jì)算機(jī)為核心的多功能信號(hào)分析軟件大量涌現(xiàn)，從而大大加強(qiáng)了對(duì)工程振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域及頻域分析功能。由于有關(guān)軟件功能的不斷完善，在測(cè)試過程中只要掌握振動(dòng)理論，并熟悉有關(guān)儀器、設(shè)備的工作原理以及操作步驟和要求，根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系，就能很容易地通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模態(tài)分析而得到各階振動(dòng)模態(tài)特性。因此它是一種解決工程振動(dòng)問題的好方法。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院通用的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

第1節(jié)振動(dòng)測(cè)試的基本知識(shí)一、工程振動(dòng)中的被測(cè)參數(shù)

工程振動(dòng)測(cè)試的主要參數(shù)有：位移、速度、加速度、激振力、振動(dòng)頻率和振幅等。按照描述振動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)，可將振動(dòng)分為確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩大類，其中確定性振動(dòng)又分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)、復(fù)雜周期振動(dòng)和準(zhǔn)周期振動(dòng)。1、簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)位移、速度和加速度為時(shí)間諧和函數(shù)的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這是一種最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)。其函數(shù)表達(dá)式為：HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在測(cè)量中，振動(dòng)測(cè)試參數(shù)的大小常用其峰值、絕對(duì)值和有效值來表示。峰值是指振動(dòng)量在給定區(qū)間內(nèi)的最大值均值是振動(dòng)量在一個(gè)周期內(nèi)的平均值有效值即均方根值它們從不同的角度反映了振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和能量。在測(cè)量?jī)x表上，峰值一般用Peak-peak（峰一峰）表示，而有效值則用RMS（Rootmeansquare）表示。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院位移絕對(duì)平均值表達(dá)式位移有效值表達(dá)式它反映了振動(dòng)的能量或功率的大小HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其位移峰值就是它的幅值A(chǔ)峰值與有效值之比，稱為波峰系數(shù)或波峰指標(biāo)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的波峰系數(shù)位移的有效值HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院有效值與均值之比，稱為波形系數(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其波形系數(shù)

波峰系數(shù)和波形系數(shù)反映了振動(dòng)波形的特征，是機(jī)械故障診斷中常用來作為判據(jù)的兩個(gè)重要指標(biāo)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在振動(dòng)測(cè)試過程中，除了振幅、振動(dòng)頻率、振動(dòng)周期之外，衰減系數(shù)或阻尼系數(shù)。也是一個(gè)重要的特征量，且只能通過振動(dòng)測(cè)試求出HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、復(fù)雜周期振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)

復(fù)雜周期振動(dòng)是由一系列頻比為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成。當(dāng)自變量增加到某一定值時(shí)，其函數(shù)值又恢復(fù)到同一個(gè)值的振動(dòng)，所以又簡(jiǎn)稱為周期振動(dòng)，用周期性函數(shù)表示為式中，T為周期，．f1稱為基頻HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院復(fù)雜周期振動(dòng)可以按如下公式展開為傅里葉級(jí)數(shù)HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

兩個(gè)或兩個(gè)以上的無關(guān)聯(lián)的周期性振動(dòng)的混合，稱為準(zhǔn)周期性振動(dòng)其特點(diǎn)是各頻率之比不為有理數(shù)。其表達(dá)式為：3、準(zhǔn)周期振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)

該式雖由三個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成，但不是周期性函數(shù)（基本周期無限長(zhǎng)）；但經(jīng)測(cè)試而得到的頻譜仍然為離散譜。例如：HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院4、非周期振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)

若描寫機(jī)械振動(dòng)量隨時(shí)間變化的曲線是非周期的，就稱這種振動(dòng)為非周期振動(dòng)。為了進(jìn)一步分析非周期振動(dòng)，頻譜分析法仍是十分有效的方法。非周期振動(dòng)的頻譜分析法與周期振動(dòng)的頻譜分析法基本思想類似，不同之點(diǎn)是周期振動(dòng)的頻譜分析法是基于傅里葉級(jí)數(shù)展開，而非周期振動(dòng)的頻譜分析法則基于傅里葉積分。兩種方法統(tǒng)稱為頻譜分析法。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院二、工程振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析的任務(wù)1、對(duì)振動(dòng)參數(shù)很清楚的系統(tǒng)，若已知激振力列陣及被測(cè)試系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，便可求出振動(dòng)的位移列陣、速度列陣及加速度列陣。這就是用測(cè)量的方法求系統(tǒng)的響應(yīng)。這是振動(dòng)力學(xué)中的正問題。對(duì)工程振動(dòng)測(cè)試的主要要求是，在已知激振力的作用下，通過振動(dòng)測(cè)試求出振動(dòng)的位移列陣、速度列陣和加速度列陣。如果激振力列陣與系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的情況一致或十分近似，通過測(cè)試即可弄清機(jī)器在實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)水平與振動(dòng)發(fā)生時(shí)的振動(dòng)模態(tài)。因此，它也被稱為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或工程振動(dòng)測(cè)試中的正問題。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、對(duì)于還不清楚的系統(tǒng)，若已知激振力列陣，并可測(cè)知系統(tǒng)的振動(dòng)位移列陣、速度列陣和加速度列陣，從而通過模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、振型、阻尼等）來求系統(tǒng)的物理特性參數(shù)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。這是“參數(shù)識(shí)別”和“系統(tǒng)識(shí)別”的問題。通常稱這一類問題為振動(dòng)力學(xué)的第一類反問題。這類反問題對(duì)振動(dòng)測(cè)試的要求，除了要精確測(cè)定振動(dòng)位移列陣、速度列陣和加速度列陣，還要應(yīng)用模態(tài)分析的方法來識(shí)別參數(shù)，以便正確地建立系統(tǒng)的力學(xué)模型，并完成從模態(tài)參數(shù)到物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣就能弄清結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、在已知系統(tǒng)物理參數(shù)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣的情況下，測(cè)量出振動(dòng)系統(tǒng)的位移列陣、速度列陣和加速度列陣，即可求出輸入的激振力列陣。這是“載荷識(shí)別”問題，以尋找引起結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)的振源。這是動(dòng)力學(xué)的第二類逆問題。這類問題對(duì)振動(dòng)測(cè)試的要求，除了精確測(cè)出系統(tǒng)振動(dòng)位移列陣、速度列陣和加速度列陣外，往往還要先在已知激振力列陣的情況下進(jìn)行第一類逆問題的計(jì)算與測(cè)試，以求得振動(dòng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，然后再進(jìn)行載荷識(shí)別。通過這類逆問題的研究，可以查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律，以便采取措施來減小或控制振動(dòng)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院4、工程振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析的任務(wù)，還包括監(jiān)測(cè)機(jī)器設(shè)備工作狀況是否穩(wěn)定、正常及診斷設(shè)備故障等。機(jī)器和設(shè)備在工作過程中發(fā)生不正常的運(yùn)轉(zhuǎn)或故障，往往會(huì)使系統(tǒng)的振動(dòng)情況或噪聲水平發(fā)生變化，因此，振動(dòng)與噪聲的監(jiān)測(cè)，即對(duì)機(jī)器在工作情況下產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可給出機(jī)器是否正常工作的重要信息。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5、振動(dòng)控制通過振動(dòng)控制主要為達(dá)到以下兩個(gè)目的：①通過振動(dòng)控制減少振動(dòng)量，降低振動(dòng)水平，以減少甚至消除振動(dòng)的危害；②通過控制發(fā)生振動(dòng)所需的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)使振動(dòng)水平始終保持在一定的范圍之內(nèi)。若要實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)目的，必須首先要利用振動(dòng)測(cè)試手段判明振源及其振動(dòng)的性質(zhì)，即振動(dòng)來源于何處？是自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)？還是自激振動(dòng)？振動(dòng)的頻率成分如何？等等，然后方能“對(duì)癥下藥”，采取恰當(dāng)?shù)闹卫泶胧?。這便要求進(jìn)行系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)分析，為制定治理措施和有關(guān)修改結(jié)構(gòu)的參數(shù)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三、工程振動(dòng)測(cè)試方法及分類1、機(jī)械式的測(cè)量方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄。此法常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀等，能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、光學(xué)式的測(cè)量方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。常用的儀器有讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。目前光學(xué)測(cè)量方法主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于振動(dòng)儀器系統(tǒng)的標(biāo)定及校準(zhǔn)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、電測(cè)方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。它與機(jī)械式和光學(xué)式的測(cè)量方法比較，有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：具有較寬的頻帶；具有較高的靈敏度和分辨率；具有較大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍；振動(dòng)傳感器可以做得很小，以減小傳感器對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的附加影響，還可以做成非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)；可以根據(jù)被測(cè)參量的不同選用不同的振動(dòng)傳感器；能進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量；便于對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行貯存，以便作進(jìn)一步分析；適合于多點(diǎn)測(cè)量和對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第2節(jié)振動(dòng)傳感器的機(jī)械接收原理一、傳感器的作用振動(dòng)傳感器的作用原理

振動(dòng)傳感器的基本作用是接收被測(cè)的機(jī)械量或力學(xué)量并將其轉(zhuǎn)換成與之有確定性關(guān)系的電量，并將這些電量提供給測(cè)試系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)備。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院二、相對(duì)式機(jī)械接收原理相對(duì)式機(jī)械接收原理示意圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三、慣性式機(jī)械接收原理慣性式機(jī)械接收原理示意圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1、慣性式測(cè)振儀的動(dòng)力分析

為研究慣性質(zhì)量塊m與外殼的相對(duì)振動(dòng)規(guī)律，取慣性質(zhì)量塊m為研究對(duì)象，則慣性質(zhì)量塊的受力如圖所示。設(shè)被測(cè)物體振動(dòng)的位移函數(shù)為X（相對(duì)于靜坐標(biāo)系），慣性質(zhì)量塊m相對(duì)于外殼的相對(duì)振動(dòng)位移函數(shù)為：Xr，其動(dòng)坐標(biāo)系固結(jié)在外殼上，靜坐標(biāo)系與地面相固連。則HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

上式等號(hào)右端的第一、二項(xiàng)是自由振動(dòng)部分，由于存在阻尼，自由振動(dòng)很快就被衰減掉，因此，當(dāng)進(jìn)人穩(wěn)態(tài)后，只有第三項(xiàng)存在，即HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院表達(dá)了質(zhì)量元件與外殼的相對(duì)振動(dòng)位移幅值與外殼振動(dòng)的位移幅值之間的關(guān)系表達(dá)了它們之間的相位差的大小可以看出，如果通過某種方法，測(cè)量出Xrm和φ的大小，再通過以上各式的關(guān)系，就能計(jì)算出相應(yīng)的Xm和ω。值。因此，慣性式機(jī)械接收工作原理就在于：把振動(dòng)物體的測(cè)量工作，轉(zhuǎn)換為測(cè)量慣性質(zhì)量元件相對(duì)于外殼的強(qiáng)迫振動(dòng)的工作。下面討論在什么樣的條件下，這個(gè)“轉(zhuǎn)換”工作將變得容易簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、位移傳感器的接收原理1）、構(gòu)成位移傳感器的條件HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院慣性式位移傳感器的幅頻曲線當(dāng)無量綱頻率比顯著地大于1時(shí)，振幅比就幾乎與頻率無關(guān)，而趨近于1。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院慣性式傳感器的相頻曲線頻率比幾顯著地大于1時(shí)，衰減系數(shù)顯著地小于1時(shí)，相位差φ也幾乎與頻率無關(guān)，而趨于180°HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

可以發(fā)現(xiàn)，傳感器的質(zhì)量元件相對(duì)于外殼的強(qiáng)迫振動(dòng)規(guī)律與被測(cè)物體的簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律基本相同，只是在相位上落后180°相位角。由此可知，如果傳感器的記錄波形與相對(duì)振幅Xrm成正比，那么，在測(cè)量中，記錄到的振動(dòng)位移波形將與被測(cè)物體的振動(dòng)位移波形成正比，因此它構(gòu)成了一個(gè)位移傳感器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2）.傳感器的固有頻率，對(duì)傳感器性能的影響

即被測(cè)物體的振動(dòng)頻率應(yīng)該顯著地大于傳感器的固有頻率因此，在位移傳感器中，存在著一個(gè)測(cè)量范圍的下限頻率的問題。至于頻率上限從理論上講，應(yīng)趨近于無限大。

為了擴(kuò)展傳感器的頻率下限，應(yīng)該讓傳感器的固有頻率盡可能低一些。在位移傳感器中，質(zhì)量元件m應(yīng)盡可能大一些，彈簧的剛度系數(shù)k應(yīng)盡可能小一些。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3).衰減系數(shù)對(duì)傳感器性能的影響衰減系數(shù)主要從三個(gè)方面影響位移傳感器的性能。

(1)對(duì)傳感器自由振動(dòng)的影響。增大衰減系數(shù)，能夠迅速消除傳感器的自由振動(dòng)部分。

(2)對(duì)幅頻特性的影響。由幅頻特性曲線可以看出，適當(dāng)增大無量綱衰減系數(shù)，傳感器在共振區(qū)附近的幅頻特性曲線會(huì)平直起來，這樣，傳感器的頻率下限可以更低些，從而增大了傳感器的測(cè)量范圍，其中以ξ=0.6--0.7比較理想。

(3)對(duì)相頻特性的影響。由相頻特性曲線看出，增大無量綱衰減系數(shù)ξ，相位差φ將隨被測(cè)物體的振動(dòng)頻率變化而變化。在測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，這種影響并不大，但是在測(cè)量非簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生很大波形畸變（相位畸變）。當(dāng)相頻曲線成線性關(guān)系變化時(shí)，將不會(huì)發(fā)生相位畸變。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、加速度傳感器的接收原理1）．構(gòu)成加速度傳感器的條件

加速度函數(shù)是位移函數(shù)對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)可得被測(cè)物體的加速度函數(shù)加速度的相位角超前于位移180°HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院慣性式加速度傳感器的幅頻曲線HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院傳感器相對(duì)振動(dòng)的位移表達(dá)式被測(cè)物體的加速度函數(shù)表達(dá)式兩式相似的，只存在以下兩點(diǎn)差異。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(1)傳感器的相對(duì)振幅是被測(cè)加速度幅值的1/Pn2倍，且當(dāng)傳感器確定后，Pn2是一個(gè)常數(shù)值；(2)在相位上，相對(duì)振動(dòng)位移的時(shí)間歷程落后于被測(cè)加速度的時(shí)間歷程的相位差為由此看出，兩者之間只差180°相角，因此，傳感器的相對(duì)振幅和被測(cè)加速度峰值之間相位差相頻特性曲線前圖所示的曲線一樣，只是縱坐標(biāo)值應(yīng)該增加180°。于是，只要在圖的右側(cè)豎立一個(gè)相位差的縱坐標(biāo)軸，就可以得到傳感器的相對(duì)振幅和被測(cè)加速度峰位之間相位差的相頻特性曲線。

HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院慣性式傳感器的相頻曲線HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院傳感器質(zhì)量元件的相對(duì)振動(dòng)被測(cè)物體的加速度HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院比較式兩式可以發(fā)現(xiàn)，傳感器質(zhì)量元件的相對(duì)振動(dòng)，與被測(cè)物體的加速度變化規(guī)律基本相同，只是相對(duì)振幅是被測(cè)加速度峰值的1/Pn2倍，在相位上，則落后180°的相位角。由此可知，如果傳感器的輸出信號(hào)與相對(duì)振幅成正比，那么，在測(cè)量系統(tǒng)中，記錄到的振動(dòng)波形將與被測(cè)物體的加速度波形成正比，于是，就構(gòu)成了一個(gè)加速度傳感器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2）、固有頻率對(duì)加速度傳感器性能的影響作為一個(gè)加速度傳感器，它應(yīng)該滿足的條件是即，被測(cè)物體的振動(dòng)頻率應(yīng)該顯著地小于加速度傳感器的固有頻率。因此，在加速度傳感器中，存在著一個(gè)測(cè)量范圍的頻率上限的問題。至于頻率下限從理論上說，它應(yīng)等于零，事實(shí)上，頻率下限不可能等于零。它往往取決于以下兩個(gè)因素：HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（1）在測(cè)量系統(tǒng)中，放大器的特性；（2）加速度傳感器的壓電陶瓷片及接線電纜等的漏電程度（或絕緣程度）。為了擴(kuò)展加速度傳感器的頻率上限，應(yīng)該讓加速度傳感器的固有頻率、盡可能高些。在加速度傳感器中，其彈簧的剛度系數(shù)應(yīng)盡可能的大，質(zhì)量元件的質(zhì)量原則上應(yīng)盡量的小。但是，為了保證質(zhì)量元件在運(yùn)動(dòng)中能產(chǎn)生足夠大的慣性力，質(zhì)量元件的質(zhì)量應(yīng)該顯著地大于彈簧系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，加速度傳感器中的質(zhì)量元件仍然需要用重金屬材料做成，以保證它有足夠大的質(zhì)量。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3）、衰減系數(shù)對(duì)加速度傳感器性能的影響（1）增大衰減系數(shù)，能夠迅速消除加速度傳感器的自由振動(dòng)部分。（2）適當(dāng)增大衰減系數(shù)，加速度傳感器在共振區(qū)（附近的幅頻特性曲線會(huì)平直起來，有助于提高加速度傳感器的上限頻率，一般當(dāng)ξ=0.6-0.7時(shí)比較理想。（3）增大衰減系數(shù)，相位差將隨被測(cè)物體的振動(dòng)頻率變化而變化。在測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，這種影響不大；但在測(cè)量非簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形畸變，只有在相頻曲線成線性關(guān)系時(shí)，才可避免。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第2節(jié)振動(dòng)傳感器的機(jī)械接收原理一、傳感器的作用二、相對(duì)式機(jī)械接收原理三、慣性式機(jī)械接收原理HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院四、測(cè)量非簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)應(yīng)該注意的問題四、測(cè)量非簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)應(yīng)該注意的問題

上面針對(duì)如何正確地反映或記錄簡(jiǎn)諧振動(dòng)的問題，討論了慣性傳感器的動(dòng)力特性。在工程實(shí)際中，單純的簡(jiǎn)諧振動(dòng)（周期振動(dòng)的特例）是比較少的，大多數(shù)是復(fù)雜周期振動(dòng)、準(zhǔn)周期振動(dòng)和非周期振動(dòng)。于是就提出這樣一個(gè)問題，能夠正確地反映或記錄簡(jiǎn)諧振動(dòng)的傳感器，是否能正確地反映或記錄復(fù)雜周期振動(dòng)、準(zhǔn)周期振動(dòng)和非周期的振動(dòng)呢？我們討論這個(gè)問題。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1、復(fù)雜周期振動(dòng)的測(cè)量

如果被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜周期振動(dòng),那么，它就可以分解為一系列的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，換句話說，它可以看成是一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成振動(dòng)將其代入下式，可得穩(wěn)態(tài)解穩(wěn)態(tài)解HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院若相位差隨頻率呈線性關(guān)系變化，對(duì)于位移傳感器，設(shè)其比例系數(shù)為HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

兩式相比還存在相位差，但它是一個(gè)常量，不會(huì)使輸出波形發(fā)生畸變，即相當(dāng)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡僅僅平移了一個(gè)時(shí)間常量tn，（超前或滯后）。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在位移傳感器的工作范圍內(nèi)，相頻曲線可近似為線性關(guān)系。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院同理，對(duì)于加速度傳感器相頻曲線也視為線性關(guān)系HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院求導(dǎo)，得HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院上面兩式進(jìn)行比較，存在相位差tn，但它也是一個(gè)常數(shù)，不會(huì)引起波形畸變，即相當(dāng)于僅僅移動(dòng)了一個(gè)時(shí)間常量tn

、（超前或滯后）。在加速度傳感器范圍內(nèi)，用加速度傳感器測(cè)量復(fù)雜周期振動(dòng)也不會(huì)發(fā)生波形畸變。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

通過以上分析，可得下述結(jié)論：對(duì)于位移傳感器、加速度傳感器，當(dāng)滿足它們的工作條件時(shí)，它們的相頻曲線都可以近似為線性關(guān)系，所測(cè)的復(fù)雜周期振動(dòng)信號(hào)，不會(huì)引起波形畸變。同理，對(duì)于準(zhǔn)周期振動(dòng)，也可得到同樣的結(jié)論。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在非周期振動(dòng)中，加速度（位移和速度也是一樣）的各階諧波分量在整個(gè)頻率域上是連續(xù)分布的，即加速度的頻率譜是連續(xù)譜。也就是說，非周期振動(dòng)是由頻率從0→∞的所有的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成振動(dòng)。它不僅包含著頻率很低的諧振分量，而且這種超低頻的諧振分量有時(shí)還是很大的。在測(cè)試中，為了能夠正確地反映和記錄非周期振動(dòng)，要求慣性式傳感器在低頻區(qū)（即0<λ

<1的區(qū)域）具有良好的幅頻特性。由于這個(gè)緣故，在測(cè)量非周期振動(dòng)時(shí)，特別是在測(cè)量沖擊振動(dòng)的時(shí)候，一般只選用加速度傳感器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

加速度傳感器在低頻區(qū)具有良好的幅頻特性。但是，在共振區(qū)（λ＝1附近）和高頻區(qū)(λ>1），已超出它的工作范圍，它的幅頻特性就不好了。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以選擇固有頻率很高的加速度傳感器，并采用適當(dāng)?shù)拇胧?，如合理地確定需要測(cè)定的“最高”諧振頻率，并配置相應(yīng)的低通濾波器及增大加速度傳感器的阻尼等。因此，在測(cè)量任意形式的振動(dòng)的時(shí)候，不但要考慮傳感器的幅頻特性和相頻特性，同時(shí)還需要考慮阻尼對(duì)加速度傳感器的有利的影響和不利的影響HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第3章機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)性能

測(cè)試與實(shí)驗(yàn)第1節(jié)振動(dòng)測(cè)試的基本知識(shí)第2節(jié)振動(dòng)傳感器的機(jī)械接收原理第3節(jié)振動(dòng)傳感器的機(jī)電變換原理HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第3節(jié)振動(dòng)傳感器的機(jī)電變換原理一、振動(dòng)傳感器的分類二、電動(dòng)式傳感器三、壓電式傳感器四、電渦流式傳感器五、參量型傳感器HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

振動(dòng)傳感器是將被測(cè)機(jī)械量變換為電量。由于傳感器內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢(shì)或電荷的變化，有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻或電感等電參量的變化一、振動(dòng)傳感器的分類

傳感器的種類繁多，應(yīng)用范圍極其廣泛。但是在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置，而僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

由傳感器直接變換的電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄或分析儀器所接受。因此針對(duì)不同變換原理的傳感器，必須附以專配的測(cè)量線路。測(cè)量線路的作用是將傳感器的輸出電量最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示或分析儀器所能接受的一般電壓信號(hào)。因此，振動(dòng)傳感器按其功能可有以下幾種分類方法，HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動(dòng)式傳感器。1、絕對(duì)（慣性式）式電動(dòng)傳感器

絕對(duì)式電動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖示。該傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動(dòng)部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小。也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。二、電動(dòng)式傳感器HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院絕對(duì)電動(dòng)式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

從結(jié)構(gòu)上來說，傳感器是一個(gè)位移傳感器。傳感器輸出的電信號(hào)是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所感生的電動(dòng)勢(shì)與線圈切割磁力線的速度成正比，因此就傳感器的輸出信號(hào)來說，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是同被測(cè)振動(dòng)速度成正比的，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、相對(duì)式電動(dòng)傳感器

相對(duì)式電動(dòng)傳感器的工作簡(jiǎn)圖如圖示。該傳感器也是由固定部分、可動(dòng)部分以及三組拱形彈簧片所組成。三組拱形彈簧片的安裝方向是一致的。在測(cè)量時(shí)，必須先將頂桿壓在被測(cè)物體上，并且應(yīng)注意滿足傳感器的跟隨條件。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院相對(duì)式電動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三、壓電式傳感器1、壓電式加速度傳感器

某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等）在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生。這種從機(jī)械能（力或變形）到電能（電荷或電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)或電壓）到機(jī)械能（變形或力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

壓電元件大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形四種，它們受力和變形方式的不同見圖。與此四種變形方式相對(duì)應(yīng)，理論上應(yīng)有四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但實(shí)際最常見的是基于厚度變形的壓縮式和基于剪切變形的剪切式兩種，其中壓縮式壓電傳感器最為常用。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電元件的受力變形方式示意圖(a)厚度變形；(b)長(zhǎng)度變形；(c)體積變形；(d)剪切變形HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在圖中，壓縮型壓電加速度傳感器的敏感元件由兩個(gè)壓電片組成，其上放有一重金屬制成的慣性質(zhì)量塊，用一預(yù)緊硬彈簧板將慣性質(zhì)量塊和壓電元件片壓緊在基座上。整個(gè)組件就構(gòu)成了一個(gè)慣性傳感器。壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

測(cè)試時(shí)，加速度計(jì)固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)上，隨結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊的慣性力作用于壓電元件上，使壓電元件產(chǎn)生正比于加速度的電荷量。電荷經(jīng)導(dǎo)線引至輸出插座，經(jīng)連接導(dǎo)線再引至電荷放大器歸一、放大，變?yōu)榭晒┓治龅碾妷盒盘?hào)。為了得到較高的靈敏度。電荷放大器一般具有積分電路，經(jīng)一次積分或二次積分，電荷放大器還可輸出速度或位移電壓信號(hào)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院四種壓縮式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)(a)周邊壓縮式；(b)中心壓縮式；(c)倒置中心壓縮式；(d)剪切式1一基座；2一壓電元件；3一質(zhì)量塊；4一預(yù)緊彈簧；5一輸出引線HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(a)為周邊壓縮式加速度傳感器，它通過硬彈簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓力。這種形式的傳感器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但對(duì)噪聲、基座應(yīng)變、瞬時(shí)溫度沖擊等的影響比較敏感，這是因?yàn)槠渫鈿け旧砭褪菑椈梢毁|(zhì)量系統(tǒng)中的一個(gè)彈簧，它與具有彈性的壓電元件并聯(lián)連接。由于殼體和壓電元件之間的這種機(jī)械上的并聯(lián)連接，殼體內(nèi)的任何變化都將影響到傳感器的彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)，使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

（b）所示為中心壓縮式加速度傳感器，因?yàn)閺椈?、質(zhì)量塊和壓電元件用一根中心柱牢固地固定在基座上，而不與外殼直接接觸（此處外殼僅起保護(hù)作用），因此它不僅具有周邊壓縮式靈敏度高、頻響寬的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其對(duì)環(huán)境敏感的缺點(diǎn)。但它也受安裝表面應(yīng)變的影響。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

（c）是倒置中心壓縮式加速度傳感器，它避免了基座應(yīng)變引起的誤差，這是由于中心柱離開了基座。但殼體的諧振會(huì)使傳感器的諧振頻率有所下降，從而降低了傳感器的頻響范圍。此外，這種形式的傳感器加工裝配也比較困難。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

（d）是剪切式加速度傳感器，它的底座如同一根圓柱向上延伸，管式壓電元件（極化方向平行于軸線）套在這根圓柱上，壓電元件上再套上慣性質(zhì)量環(huán)。剪切式加速度傳感器的工作原理是：當(dāng)傳感器感受到向上的振動(dòng)時(shí)，由于慣性的作用使質(zhì)量環(huán)保持滯后，這樣會(huì)在壓電元件中出現(xiàn)剪應(yīng)力而發(fā)生剪切變形，從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷，其電場(chǎng)方向垂直于極化方向。如果某瞬時(shí)傳感器感受到向下的運(yùn)動(dòng)，則壓電元件的內(nèi)外表面上的電荷極性將與前次相反。這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度大、橫向靈敏度小，且能減小基座應(yīng)變的影響。又由于彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)與其外殼分離，因此，噪聲和溫度沖擊等環(huán)境因素對(duì)其影響也較小。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

此外，剪切式傳感器具有較高的固有頻率，所以其頻響范圍很寬，特別適用于高頻振動(dòng)的測(cè)量。其體積和質(zhì)量都可以做成很?。ㄙ|(zhì)量可以不到1g），因此有助于實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化。但由于壓電元件與中心柱之間以及慣性質(zhì)量環(huán)與壓電元件之間要用導(dǎo)電膠黏結(jié)，要求一次裝配成功，因此制造難度較大。此外，因?yàn)橛脤?dǎo)電膠黏結(jié)，所以在高溫環(huán)境中使用有困難。盡管如此，剪切式加速度傳感器仍是很有發(fā)展前途的。目前，優(yōu)質(zhì)的剪切式加速度傳感器同壓縮式速度傳感器相比，橫向靈敏度小一半，靈敏度受瞬時(shí)溫度沖擊和基座彎曲應(yīng)變效應(yīng)的影響都小得多，剪切式加速度傳感器有替代壓縮式加速度傳感器的趨勢(shì)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1）、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)是電荷靈敏度Sq,另一個(gè)是電壓靈敏度Sv。電荷靈敏度定義為加速度計(jì)接收軸向單位加速度時(shí)所輸出的電荷量；電壓靈敏度定義為加速度計(jì)接收軸向單位加速度時(shí)輸出的電壓值。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

電壓靈敏度與連接加速度計(jì)和電荷放大器的引線長(zhǎng)度有關(guān)，而電荷靈敏度與引線長(zhǎng)度無關(guān)，故使用電荷靈敏度很方便。一般加速度計(jì)只提供電荷靈敏度。電荷靈敏度的單位為。由于壓電常數(shù)很小，壓電陶瓷一般為10-11C/N，天然石英一般為10-12C/N。因此，壓電晶體片上產(chǎn)生的電荷很少，需進(jìn)行放大以便檢測(cè)。放大的方式有兩種：電壓放大和電荷放大。由于電壓放大受信號(hào)線長(zhǎng)度變化的影響較大，而電荷放大方式是高阻抗放大器，電荷可在很大范圍內(nèi)基本不受信號(hào)線長(zhǎng)度的影響，因此目前的放大器更多采用電荷放大方式HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院橫向靈敏度是加速度計(jì)另一個(gè)重要指標(biāo)。由于制造誤差及壓電晶體片極化軸不規(guī)則等原因，使得傳感器不僅接收軸向加速度，還部分接收橫向振動(dòng)加速度。橫向靈敏度定義為傳感器接收橫向單位加速度所產(chǎn)生的電荷量。橫向靈敏度不僅影響信號(hào)幅值的測(cè)量精度，更嚴(yán)重的是影響信號(hào)相位的測(cè)量。顯然，橫向靈敏度越小越好。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2)、壓電加速度傳感器的頻率特性頻響范圍是指?jìng)鞲衅鞯姆l特性為水平線的頻率范圍，一般測(cè)量的上限頻率取傳感器固有頻率的1/3。頻響范圍越寬越好，它是加速度傳感器的一個(gè)最重要的指標(biāo)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

因此就傳感器本身而言，固有頻率fn是其主要參數(shù)。通常一般幾何尺寸較小的傳感器有較高的固有頻率，但靈敏度較低。權(quán)衡傳感器的靈敏度和可以使用頻率范圍這一對(duì)矛盾，到底如何取舍？這決定于測(cè)量要求。但是就一項(xiàng)精確的測(cè)量而言，寧肯選取較小靈敏度的加速度傳感器也要保證有足夠?qū)挼挠行ьl率范圍。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械動(dòng)力學(xué)3）、幾何尺寸和重量

幾何尺寸和重量主要取決于被測(cè)物體對(duì)傳感器的要求。因?yàn)檩^大的傳感器對(duì)被測(cè)物有較大的附加質(zhì)量，對(duì)剛度小的被測(cè)物來說是不適宜的。總的說來，壓電式加速度傳感器的尺寸和重量都是比較小的。一般情況下，其影響可以忽略不計(jì)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

若不能忽略加速度計(jì)的附加質(zhì)量影響?？捎萌缦路椒ㄨb別加速度計(jì)質(zhì)量載荷效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響程度。首先將加速度計(jì)固連在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上，測(cè)量該測(cè)點(diǎn)與激勵(lì)點(diǎn)之間的頻響函數(shù)；其次，在此加速度計(jì)上再安裝一同樣的加速度計(jì)，再次測(cè)量同一頻響函數(shù)。比較兩次測(cè)量頻響函數(shù)曲線的差異，如果固有頻率和幅值相差較大，說明此種加速度計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量有明顯影響，如圖所示。此時(shí)，應(yīng)更換一質(zhì)量更小的加速度計(jì)。然而，質(zhì)量小的加速度計(jì)的靈敏度也小，所測(cè)信號(hào)信噪比會(huì)降低，必須考慮這一矛盾。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院加速度計(jì)的質(zhì)量載荷效應(yīng)HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院4）、環(huán)境影響

環(huán)境溫度直接影響加速度傳感器靈敏度。因?yàn)闃?biāo)定靈敏度是在室溫20℃的條件下測(cè)定，根據(jù)使用環(huán)境溫度的不同，可按每個(gè)傳感器出廠時(shí)給出的溫度修正曲線修正其靈敏度。使用加速度傳感器時(shí)，不允許超過許用溫度，否則會(huì)造成壓電元件的損壞。另外溫度瞬變也會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)漂移造成誤差。電纜噪聲和基座應(yīng)變都會(huì)造成虛假數(shù)據(jù)。其它如核輻射、強(qiáng)磁場(chǎng)、濕度、腐蝕與強(qiáng)聲場(chǎng)噪聲等也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5）、加速度傳感器的安裝方法

加速度計(jì)在出廠前要逐個(gè)標(biāo)定橫向靈敏度，并將最小橫向靈敏度方向用紅點(diǎn)標(biāo)注于外殼上。安裝加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)將紅點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)最大的方向，以最大限度減小橫向靈敏度的影響。加速度計(jì)屬接觸型傳感器，應(yīng)盡量與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)固連好。固連的方式有鋼螺栓連接、絕緣螺栓連接、蜂蠟粘合、磁座吸合以及手持等等。固連方式直接影響加速度計(jì)的諧振頻率，因而也影響其頻響曲線的線性范圍。表給出各種連接方式下加速度計(jì)的動(dòng)力特性。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院YD5加速度傳感器

HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（1）電荷靈敏度SQ：

傳感器承受單位加速度輸出電荷量地多少稱為電荷靈敏度，單位是微微庫侖/米秒－2（PC/ms-2）（2）電壓靈敏度SV：

傳感器承受單位加速度輸出電壓量的多少稱為電壓靈敏度，單位是毫伏/米秒－2（mv/ms-2）（3）橫向靈敏度比：

傳感器承受橫向加速度時(shí)的最大靈敏度與軸向靈敏度的百分比，成為橫向靈敏度比。這是由于制造尺寸的公差和壓電元件的不均勻造成的。該比值越小越好。優(yōu)勢(shì)傳感器<25,一般應(yīng)<5%.（4）頻率響應(yīng)：

在振動(dòng)加速度恒定時(shí)，傳感器在不同頻率下的輸出響應(yīng)。200一下取決于配接的二次儀表下限，一般可以達(dá)到0.3～1Hz，頻率上限（f上）對(duì)于各種規(guī)格的傳感器不盡相同。fn為安裝諧振頻率。低于fn的頻帶為工作頻帶，一般為fn的1/3～1/5.（5）溫度響應(yīng)：不同溫度下的輸出變化量。（6）環(huán)境特性：如聲靈敏度（ms-2/130dB）、磁靈敏度（ms-2/100G）、基座應(yīng)變靈敏度（ms-2/

）、溫度瞬便靈敏度（ms-2100oC）等。壓電加速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)按ZBY198-83《壓電加速度傳感器國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行檢定。

壓電加速度傳感器一般應(yīng)每年檢定一次，年穩(wěn)定度為3％。（7）本廠傳感器的技術(shù)性能參數(shù)詳見表。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

項(xiàng)目YD-1YD-3-GYD-5YD-8YD-12YD-36YD-39電荷靈敏度（pc/ms-2）

0.3-0.5

8-127-110.7電壓靈敏度（mv/ms-2）8-131-2

0.4-1.0

1dB）1-100001-100001-1000

1-15000

1-200001-180001-100001-50001-10000橫向靈敏度（<%）

555工作溫度（oC）-40-+80-40-+150-40-+80-40-+80-40-+80-40-+80-40-+80最大可測(cè)加速度（ms－2）200020003000005000200020005000安裝螺紋（mm）M5M5M5M3M5M5M5外形尺寸（mm）15六方×30高17六方×13.5高12六方×14高9六方×9高19六方×26高17六方×22高9六方×11高重量（g）2612112.5255010HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三、壓電式傳感器1、壓電式加速度傳感器2、壓電式力傳感器

在振動(dòng)試驗(yàn)中，除了測(cè)量振動(dòng)，還經(jīng)常需要測(cè)量對(duì)試件施加的動(dòng)態(tài)激振力。下圖為壓電式力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

壓電式力傳感器構(gòu)造圖

1一基座；2一壓電元件；3一頂蓋；

4一螺栓；5一導(dǎo)線；6一插座HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生正比于外部作用力的電荷量，經(jīng)導(dǎo)線5引至輸出插座6，再接至電荷放大器歸一、放大，變?yōu)榭晒┓治龅哪M電壓信號(hào)。

力傳感器在制造時(shí)給壓電元件施加了預(yù)壓力，既可測(cè)壓力又可測(cè)拉力和沖擊力，是一種組合型力傳感器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

壓電式力傳感器最主要的技術(shù)參數(shù)是電荷靈敏度。電荷靈敏度表示壓電式力傳感器在單位力作用下產(chǎn)生的電荷量，單位為pc/N。下表給出B&K8200力傳感器和我國(guó)航天部702所生產(chǎn)的5111力傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院B&K8200型和5111型力傳感器的主要技術(shù)參數(shù)HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、阻抗頭三、壓電式傳感器1、壓電式加速度傳感器2、壓電式力傳感器

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點(diǎn)測(cè)量激振力的同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

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，結(jié)構(gòu)如圖所示。它的優(yōu)點(diǎn)是，保證響應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)就是激振點(diǎn)。使用時(shí)，將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度輸出端”測(cè)量加速度響應(yīng)的信號(hào)。注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線路均應(yīng)是電荷放大器。HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院阻抗頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖HarbinInstituteofTechnology機(jī)械動(dòng)力學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院四、電渦流式傳感器

電渦流傳感器是20世紀(jì)中期研制成功的振動(dòng)位移傳感器，它利用導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)作用下的電渦流效應(yīng)，將變形、位