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

1、17 應(yīng)力與振動(dòng)測(cè)量應(yīng)力與振動(dòng)測(cè)量工程測(cè)試技術(shù)2振動(dòng)系統(tǒng)的組成n振動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(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。nB、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。nC、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。3n振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量振動(dòng)基本參數(shù)的

2、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)。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)。n結(jié)構(gòu)或部件動(dòng)態(tài)特性的測(cè)定結(jié)構(gòu)或部件動(dòng)態(tài)特性的測(cè)定（激振實(shí)驗(yàn)）（激振實(shí)驗(yàn)）4振動(dòng)的基本參數(shù)n幅值振動(dòng)強(qiáng)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(diǎn)、旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡等58.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器測(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)。68.2 振動(dòng)的

3、激勵(lì)與激振器n逐點(diǎn)正弦激振逐點(diǎn)正弦激振78.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器 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，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。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。88.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器n白噪聲的性質(zhì)：白噪聲的性質(zhì)： n頻譜相當(dāng)于所有頻率成分均有；頻譜相

4、當(dāng)于所有頻率成分均有； n自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù) =0時(shí)為陡峭的峰，時(shí)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(dòng)的激勵(lì)與激振器 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)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)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。是隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)又完全相同。108.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器118.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器)0()(2sin)()()(Ttt

5、battptpTtp12138.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器 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。數(shù)的幅值、相位等特性。 148.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器158.2 振動(dòng)的激勵(lì)與激振器n激振器激振器對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，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。激起試件振動(dòng)的裝置。n對(duì)激振器要求：對(duì)激振器要求：n能在要求的一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生波形良好、幅能在要求的一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生波形良好

6、、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(shí)要求產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力；有時(shí)要求產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)的激勵(lì)與激振器178.2 振動(dòng)的激勵(lì)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(qiáng)激振器高聲強(qiáng)激振器 188.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n壓電式加速度傳感器n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。n一、工作原理n壓電

7、晶體的壓電效應(yīng)n縱向壓電效應(yīng)n橫向壓電效應(yīng)198.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n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n頻率時(shí)，質(zhì)量塊的慣性力與被n測(cè)振動(dòng)體的加速度成正比。又n因壓電晶體片的壓電效應(yīng)，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(cè)振動(dòng)體的加速度成正比。208.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n二、結(jié)構(gòu)型式n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)。 218

8、.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n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)。n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)。228.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n位移、速度和加速度之間的轉(zhuǎn)換n設(shè)振動(dòng)位移的表達(dá)式為n振動(dòng)速度是位移的一次微分n振動(dòng)加速度是位移的二次微分n以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，分別

9、以n位移、速度和加速度為n縱坐標(biāo)，繪制成時(shí)間歷n程曲線，如圖所示。)sin(tAx )2sin(tAdtdxv )sin(222tAdtxda 238.3 振動(dòng)測(cè)量及測(cè)振傳感器n比較上述三個(gè)方程及其波形圖可見，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90，加速度超前位移180 ；其幅值之間的關(guān)系為：n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、A、2A ，其相位是依次導(dǎo)前90。n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)

10、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。AavAva / maxmax2maxmax或或24259.1 測(cè)量系統(tǒng)n9.1.1 電阻應(yīng)變計(jì)1、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理基于金屬導(dǎo)線的應(yīng)變應(yīng)變-電阻效應(yīng)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)。ALR269.1 測(cè)量系統(tǒng)n將上式取對(duì)數(shù)進(jìn)行微分后得：ndL/L 為金屬導(dǎo)線的長(zhǎng)度

11、相對(duì)變化長(zhǎng)度相對(duì)變化，n用應(yīng)變量來(lái)表示ndA/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 n導(dǎo)線直徑的相對(duì)變化 （為導(dǎo)線材料的泊松比），上式可得：n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：dAdALdLRdR/ LdL/ DdDDDdDAdA/2)4/()2/(/2 LdLDdD/ LdLAdA/2/ dRdR/)21(/ cAdALdLcVcdVd )21()/(/279.1 測(cè)量系統(tǒng)n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)。 n整理以上各式，得n設(shè) 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(dǎo)線受力變形后，由于其幾何

12、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。 )21(21cK KRdR / cRdR )21(21/289.1 測(cè)量系統(tǒng)n3、電阻應(yīng)變計(jì)的工作特性n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、1000 。在允許通過(guò)同樣電流的情況下，選用較大

13、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120設(shè)計(jì)，故120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。 299.1 測(cè)量系統(tǒng)靈敏系數(shù)K取決于材料特性和c，當(dāng)材料進(jìn)入塑性變形范圍，泊松比0.5，在彈性區(qū)時(shí)=0.20.4，即體積基本不變，K2.0。 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

14、和引線與被測(cè)試件之間的電阻值，一般要求在500M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。309.1 測(cè)量系統(tǒng) 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)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(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

15、勻溫度場(chǎng)中，應(yīng)變計(jì)輸出的指示應(yīng)變值。n9.1.2 測(cè)量電路n電阻應(yīng)變計(jì)是把構(gòu)件的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換成R/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R/R轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。n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。319.2 非常溫環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)量n9.2.1 溫度效應(yīng)、溫度補(bǔ)償n應(yīng)變計(jì)粘貼在試件上，除了感受外力產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變外，還感受環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的指示應(yīng)變。前者是要測(cè)量的；后者是一種虛假的應(yīng)變，稱為溫度效應(yīng)，必須從測(cè)量中予以剔除。n將應(yīng)變計(jì)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(shí)，應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變?yōu)榱悖划?dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)有指示應(yīng)