工程测量技术_第10章应力与振动测量

17应力与振动测量工程测试技术2振动系统的组成振动实验系统，除试件外，通常由以下三部分组成：A、激振系统——目的是激发被测试件产生振动。激振系统由信号源、放大器和激振设备等组成。常用的激振设备有振动台、压电晶体激振器、电涡流激振器等。B、测量系统——它由传感器将被测试件的机械振动量（如振幅、速度、加速度等）转换成电信号或电参数（如电阻、电容、电感等），再由测量电路或仪器进行测量、放大、显示和记录。常用的传感器有压电式、电容式、电涡流式、磁电式和光导纤维等。C、分析系统——该系统是将测量的结果加以处理，根据不同的目的和要求，获得有关参数或曲线图表。3振动测试内容1.振动基本参数的测量测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，以判别振动的强度（振级），找出振动根源，加以克服或改进。2.结构或部件动态特性的测定（激振实验）目的：通过动特性测定，以判定结构的抗振能力，这种试验称为频率响应试验或机械阻抗试验。4振动的基本参数幅值——振动强度大小频率——根据主要频率成分寻找振源相位——确定共振点、旋转动平衡等58.2振动的激励与激振器激励方式稳态正弦激振随机激振瞬态激振测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、响应等参量时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励或者响应。68.2振动的激励与激振器一、稳态正弦激振1.逐点正弦激振单一频率正弦力系统稳态响应幅频特性、相频特性将响应记录下来，然后作图78.2振动的激励与激振器2.慢速扫频激振信号发生器采用无级或有级地改变正弦激振力的频率，即频率扫描，这样激振频率随时间而变化，严格讲这是一种瞬态的激振，但采用足够缓慢的扫描速度，使分析仪器有足够的响应时间，使被测对象处于稳定振动状态，这样可近似逐点正弦激振。88.2振动的激励与激振器二、随机激振1.白噪声激振白噪声的性质：频谱相当于所有频率成分均有；自相关函数=0时为陡峭的峰，稍偏离0就很快衰减；自功率谱密度函数接近于常数。98.2振动的激励与激振器2.伪随机激振用伪随机信号发生器或用计算机产生伪随机码来产生随机激振信号。伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号又完全相同。108.2振动的激励与激振器3.实际随机激振118.2振动的激励与激振器三、瞬态激振1.快速正弦扫描激振)0()(2sin)()()(TttbattptpTtp式中a=(fmax-fmin)/T，b=fminfmax、fmin—信号发生器所供信号的上、下截止频率122.脉冲激振（冲击激振）138.2振动的激励与激振器脉冲激励法测振系统用脉冲锤对被测对象进行敲击，脉冲力信号及各点响应信号经过电荷放大器放大，输入传递函数分析仪，从而得到传递函数的幅值、相位等特性。148.2振动的激励与激振器3.阶跃（张弛）激振158.2振动的激励与激振器激振器及其要求：激振器—对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。对激振器要求：能在要求的一定频率范围内产生波形良好、幅值足够且稳定的交变力；有时要求产生一个稳定力；尽量要求体积小、重量轻。168.2振动的激励与激振器安装方式安装方式刚性安装(b)适用于低频激振要求：激振器固有频率fn3fmax（激振最高频率）垂直激振(a)水平激振(c)柔性安装适用于较高频激振要求：激振器固有频率fn1/3fmin（激振最低频率）178.2振动的激励与激振器其它激振器压电晶片激振器：用于小型、薄壁试件磁致伸缩激振器：用于高频高声强激振器188.3振动测量及测振传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感计是以压电晶体的压电效应为基础，与其它振动传感器相比，它具有灵敏度高、频率范围宽、动态线性范围大以及尺寸小、重量轻等特点，是振动测量中最常用的一种传感器。一、工作原理压电晶体的压电效应纵向压电效应横向压电效应198.3振动测量及测振传感器将加速度计与被测试件牢固地联在一起，当加速度计与试件一起振动时，质量块产生惯性力作用于压电晶体片上。若被测试件的振动频率远远低于加速度计的固有频率时，质量块的惯性力与被测振动体的加速度成正比。又因压电晶体片的压电效应，在晶体的极化表面上产生的电荷与作用的惯性力成正比，所以，压电晶体表面的电荷大小与被测振动体的加速度成正比。208.3振动测量及测振传感器二、结构型式压电式加速度计利用压电晶体效应实现信号转换。其结构型式如图所示。图3-12(a)为受压型加速度计，(b)和(c)为受剪型加速度计。218.3振动测量及测振传感器中心压缩型加速度计是用一个弹簧将质量块紧压在压电晶体片（二片或多片）上，组成一个质量弹簧系统。三角剪切型加速度计是采用三个压电晶体片，各自带有质量块贴在一个三角形的中心柱子上，外面用一个高张力的预压环固定。当加速度计承受轴向振动时，质量块的惯性力使压电晶体片受剪切变形而产生电荷。这种结构型式，使基座与压电元件有效地隔离，消除了因基座弯曲以及温度变化的影响。主轴灵敏度高而横向灵敏度小，是比较理想的加速度计。228.3振动测量及测振传感器位移、速度和加速度之间的转换设振动位移的表达式为振动速度是位移的一次微分振动加速度是位移的二次微分以时间t为横坐标，分别以位移、速度和加速度为纵坐标，绘制成时间历程曲线，如图所示。)sin(φtωAx)2sin(πφtωAωdtdxv)sin(222πφtωAωdtxda238.3振动测量及测振传感器比较上述三个方程及其波形图可见，位移、速度和加速度，三个振动参数的频率和振动形式都是一样的，仅是速度超前位移90º，加速度超前位移180º；其幅值之间的关系为：简谐振动的位移、速度和加速度还可以用旋转矢量表示（图3-34）。由于它们都有相同的频率，它们均以相同的角速度旋转，故它们的相对位置不变。它们的振幅分别为A、ωA、ω2A，其相位是依次导前90º。因此，位移、速度、加速度三个量，只要选定一种传感器测得其中任何一个振动参数，就可利用测量电路的微分或积分特性，获得另外两个振动参数。如用速度传感器测得振动速度，配用微分放大器可以获得振动加速度，配用积分放大器可以获得振动位移。AωωavAωvωa/maxmax2maxmax或24259.1测量系统9.1.1电阻应变计1、电阻应变计的工作原理——基于金属导线的应变-电阻效应，即当金属导线受力产生机械变形时，它的电阻发生变化。金属导线的电阻值R如果金属导线沿其轴线方向受力而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变-电阻效应。ALR269.1测量系统将上式取对数进行微分后得：dL/L为金属导线的长度相对变化，用应变量ε来表示dA/A为导线截面积的变化，对于圆形截面的导线，若其直径为D，则导线直径的相对变化（μ为导线材料的泊松比），上式可得：在一定的应变范围内，金属丝的电阻率相对变化与他的体积相对变化有下列关系：ρρdAdALdLRdR////LdLε/DdDDπDdDπAdA/2)4/()2/(/2LdLμDdD//LdLμAdA/2/ρρdεμRdR/)21(/εμcAdALdLcVcdVρρd)21()//(//279.1测量系统式中：c——对于一定的金属材料和加工方法来说是常数。整理以上各式，得设则K称为灵敏系数，在一般情况下为常数。由上式看出，金属导线受力变形后，由于其几何尺寸发生变化，从而使其电阻发生变化。如果将一根直径较细的金属丝粘贴在工件的表面上，利用金属丝的应变-电阻效应，把构件表面的应变量直接变为电阻的相对变化量，这样就可以用电测的方法来进行应变测量。电阻应变计就是利用这一原理而制成的传感元件。)21(21μcμKεKRdR/εμcμRdR)21(21/289.1测量系统3、电阻应变计的工作特性工作特性是为了满足实际测量工作的需要而规定的。下面介绍常温下应变计的工作特性。应变计的电阻值——室温时应变计未经安装且不受外力的情况下，所测量的电阻值。国家推荐的标准电阻值：60、120、200、350、500、1000Ω。在允许通过同样电流的情况下，选用较大的电阻可以提高测量敏感度。常用应变测量仪器的桥臂电阻习惯上按120Ω设计，故120Ω的电阻应变计是最常用的应变计。应变计的灵敏系数K——在应变计轴线方向的单向应力作用下，应变计电阻的相应变化与安装应变计试件轴向应变的比值，即单位应变所引起的电阻相对变化。299.1测量系统灵敏系数K取决于材料特性μ和c，当材料进入塑性变形范围，泊松比μ≈0.5，在弹性区时μ=0.2~0.4，即体积基本不变，K≈2.0。实验表明，大多数金属导线在弹性范围内电阻的相对变化与应变量之间的关系是线性的，即K为常数。特别应当指出，康铜的灵敏系数K从弹性区到塑性区基本保持不变。因此大应变的应变计常用康铜制成。绝缘电阻值——应变计的灵敏栅和引线与被测试件之间的电阻值，一般要求在500MΩ以上。绝缘电阻低，使测量灵敏度下降，并引起零漂。提高绝缘电阻的途径，主要是选用电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料，采取防潮措施等。机械滞后——应变计安装在构件上，在恒温条件下加载和卸载过程中，在同一机械应变量作用下，指示应变的差值。309.1测量系统疲劳寿命——在恒幅交变应力的作用下，应变计连续工作到产生疲劳损坏时的循环次数。疲劳寿命是反映应变计对动态应变适应能力的参数，一般要求疲劳寿命达105~107循环次数。为了提高疲劳寿命，使引线和敏感栅的连接处都与应变计的轴线成450方向。热输出——应变计粘贴在允许自由膨胀的构件上且不受外力的作用，在缓慢变化的均匀温度场中，应变计输出的指示应变值。9.1.2测量电路电阻应变计是把构件的应变值ε转换成ΔR/R。由于一般测量的应变量很小，所以直接测量电阻较困难，误差较大。因此，一般采用专门的测量电路，把ΔR/R转换成电压或电流的变化。目前电阻应变仪中采用的测量电路主要有两种：一种是电桥线路，另一种是电位计式线路。319.2非常温环境下的应变测量9.2.1温度效应、温度补偿应变计粘贴在试件上，除了感受外力产生机械应变外，还感受环境温度变化产生的指示应变。前者是要测量的；后者是一种虚假的应变，称为温度效应，必须从测量中予以剔除。将应变计粘贴在可以自由膨胀的试件上，且不受外力的作用，在环境温度不变时，应变计的指示应变为零；当环境温度变化时，应变计有指示应变输出。输出的指示应变值是由温度变化而引起的，故称之为温度效应，也叫热输出。329.2非常温环境下的应变测量应变计产生热输出的主要原因是敏感栅材料的电阻温度效应和敏感栅材料与被测试件材料之间的线膨胀系数的差异。用电阻应变计测量试件的应变，当温度变化时，其指示应变包括试件受力产生的机械应变和应变计的热输出二部分。应变计的热输出给测量带来很大的误差。因此必须消除由温度变化引起的热输出，也即温度补偿。常用的温度补偿方法有三种：曲线修正法、桥臂补偿法、温度自补偿应变法。