第十二講振動測量

1、振動的測量 同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室 周周 鋐鋐同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室概述v機(jī)械振動的概念機(jī)械振動的概念： 質(zhì)點(diǎn)或物體在平衡位置處作往復(fù)運(yùn)動的現(xiàn)象質(zhì)點(diǎn)或物體在平衡位置處作往復(fù)運(yùn)動的現(xiàn)象, ,機(jī)械的工作機(jī)械的工作過程中，汽車的行駛中都會產(chǎn)生機(jī)械振動。過程中，汽車的行駛中都會產(chǎn)生機(jī)械振動。v機(jī)械振動的危害：機(jī)械振動的危害： 損耗機(jī)械系統(tǒng)的能量、降低系統(tǒng)的效率；一定程度給機(jī)械損耗機(jī)械系統(tǒng)的能量、降低系統(tǒng)的效率；一定程度給機(jī)械系統(tǒng)造成疲勞破壞；機(jī)械振動和形成的噪聲對人體環(huán)境造系統(tǒng)造成疲勞破壞；機(jī)械振動和形成的噪聲對人體環(huán)境造成危害。成危害。v機(jī)械振動的利用：機(jī)械振動的利用：

2、利用機(jī)械振動制成各種節(jié)省能量提高工效的振動機(jī)械，如利用機(jī)械振動制成各種節(jié)省能量提高工效的振動機(jī)械，如振動壓路機(jī)、振動篩分機(jī)、振動樁機(jī)等。振動壓路機(jī)、振動篩分機(jī)、振動樁機(jī)等。 利用人為的給出與機(jī)械系統(tǒng)固有振動相位相反的機(jī)械振動利用人為的給出與機(jī)械系統(tǒng)固有振動相位相反的機(jī)械振動來抑制機(jī)械系統(tǒng)的振動實(shí)現(xiàn)主動抗振。來抑制機(jī)械系統(tǒng)的振動實(shí)現(xiàn)主動抗振。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室測量機(jī)械振動的意義測量機(jī)械振動的意義 通過對振動的測量來評價(jià)振級的大小；通過對振動的測量來評價(jià)振級的大?。?測定機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特性，獲得在各種激勵下機(jī)測定機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特性，獲得在各種激勵下機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)；械系統(tǒng)的響應(yīng)；

3、通過對振動的測量直接為控制機(jī)械振動提供條件；通過對振動的測量直接為控制機(jī)械振動提供條件； 合理進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)提供依據(jù)。合理進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室概述v振動的分類： 簡諧振動簡諧振動 復(fù)雜的周期振動復(fù)雜的周期振動 隨機(jī)振動隨機(jī)振動 其中其中 都是隨機(jī)變量。都是隨機(jī)變量。 一般更通俗的分類為穩(wěn)態(tài)振動會和瞬態(tài)振動包括沖擊和隨一般更通俗的分類為穩(wěn)態(tài)振動會和瞬態(tài)振動包括沖擊和隨機(jī)振動。機(jī)振動。tXtXmsin)(10)sin()(nnntnXXtX1)(sin)()(nnnntttXtX)()(ttXnn、同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室概述v振動的描述 時(shí)

4、域分析：在時(shí)域中直接通過測量獲得振動的位移、時(shí)域分析：在時(shí)域中直接通過測量獲得振動的位移、速度、加速度和時(shí)間的關(guān)系，從這些關(guān)系來分析振動速度、加速度和時(shí)間的關(guān)系，從這些關(guān)系來分析振動時(shí)域特性。時(shí)域特性。 頻域分析：通過測量獲得的時(shí)域信號計(jì)算出振動的幅頻域分析：通過測量獲得的時(shí)域信號計(jì)算出振動的幅值、相位、功率等與頻率的關(guān)系，從這些關(guān)系來分析值、相位、功率等與頻率的關(guān)系，從這些關(guān)系來分析振動的頻率特性。振動的頻率特性。v振動的測量方法 實(shí)際測量法：測定機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際客觀激勵下的響應(yīng)，實(shí)際測量法：測定機(jī)械系統(tǒng)在實(shí)際客觀激勵下的響應(yīng)，對于汽車來說也就是在實(shí)際道路行駛中各部件的響應(yīng)。對于汽車來說也就是

5、在實(shí)際道路行駛中各部件的響應(yīng)。此法一般用于評價(jià)和改進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)。此法一般用于評價(jià)和改進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)。 響應(yīng)測量法：測定給定激勵下系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，即系響應(yīng)測量法：測定給定激勵下系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，即系統(tǒng)幅頻，相頻特性，求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等。此方法統(tǒng)幅頻，相頻特性，求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等。此方法適用于研究和設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)。適用于研究和設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室概述v測振系統(tǒng)： 被測振動通常為位移、速度、加速度，因?yàn)檫@三者之間有明確的微積被測振動通常為位移、速度、加速度，因?yàn)檫@三者之間有明確的微積分關(guān)系，一般無需同時(shí)測量。測量中對其中一個參數(shù)進(jìn)行測量，另二分關(guān)系，一般無需同時(shí)測量。測量中對

6、其中一個參數(shù)進(jìn)行測量，另二個可用微積分求得。在測振系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)都要能如實(shí)的反映動態(tài)個可用微積分求得。在測振系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)都要能如實(shí)的反映動態(tài)變化信號，也就是說在測振中對每個環(huán)節(jié)都有一定的幅頻和相頻要求。變化信號，也就是說在測振中對每個環(huán)節(jié)都有一定的幅頻和相頻要求。測量系統(tǒng)的工作頻帶寬度選擇要合理，要注意測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的配用。測量系統(tǒng)的工作頻帶寬度選擇要合理，要注意測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的配用。被測振動被測振動測振傳感器測振傳感器測振放大器測振放大器信號分析處理器信號分析處理器顯示顯示 同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室測振傳感器v測振傳感器 測振傳感器的功用是將被測的位移、速度或加速度這些非測

7、振傳感器的功用是將被測的位移、速度或加速度這些非電量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行測量。電量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行測量。 測振傳感器的分類： 按被測參數(shù)分有：位移、速度、加速度；按被測參數(shù)分有：位移、速度、加速度； 按轉(zhuǎn)換原理分有：磁電、壓電晶體、電阻、電容、按轉(zhuǎn)換原理分有：磁電、壓電晶體、電阻、電容、電感電感； 按參考座標(biāo)分有：相對、絕對（慣性）。按參考座標(biāo)分有：相對、絕對（慣性）。按上分類的情況，如要清楚描述一種測量用的傳感器，按上分類的情況，如要清楚描述一種測量用的傳感器，要將三種分類都反映其中，如要測量一個物體的振動要將三種分類都反映其中，如要測量一個物體的振動要選擇一個要選擇一個“慣性式壓電晶體加速度傳感器

8、慣性式壓電晶體加速度傳感器”。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器v 相對式測振傳感器同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 工作原理 相對式傳感器的殼體與大地固定，即被測量相對大地運(yùn)相對式傳感器的殼體與大地固定，即被測量相對大地運(yùn)動。活動頂桿靠彈簧頂緊或用螺絲固結(jié)在被測振動物體上。動?；顒禹敆U靠彈簧頂緊或用螺絲固結(jié)在被測振動物體上。 此類傳感器描述振動的方法是，以殼體作為參考基準(zhǔn)，此類傳感器描述振動的方法是，以殼體作為參考基準(zhǔn)，被測振動為輸入，頂桿與固定在殼體上的標(biāo)尺的相對運(yùn)動被測振動為輸入，頂桿與固定在殼體上的標(biāo)尺的相對運(yùn)動為輸出。這類傳感器的輸出量常為相對位

9、移，相對速度。為輸出。這類傳感器的輸出量常為相對位移，相對速度。這些相對運(yùn)動必須轉(zhuǎn)換成電量才能進(jìn)行測量。這些相對運(yùn)動必須轉(zhuǎn)換成電量才能進(jìn)行測量。 相對式傳感器的跟隨條件 采用彈簧頂桿時(shí)其測量的條件要求測量頂桿始終與被測物采用彈簧頂桿時(shí)其測量的條件要求測量頂桿始終與被測物體保持接觸。體保持接觸。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 能滿足始終接觸的一個保守條件為彈簧頂桿系統(tǒng)能產(chǎn)生的能滿足始終接觸的一個保守條件為彈簧頂桿系統(tǒng)能產(chǎn)生的最小加速度最小加速度aaminmin大于被測物體的最大加速度大于被測物體的最大加速度a amaxmax, , 即即 aaminminaamaxmax 因

10、為因?yàn)?式中：式中：FF彈簧變形后的回復(fù)力；彈簧變形后的回復(fù)力； mm頂桿質(zhì)量；頂桿質(zhì)量； K K彈簧剛度；彈簧剛度； LL彈簧變形初壓縮量。彈簧變形初壓縮量。 mLKmFamLKaminmin同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 若被測物體作簡諧振動時(shí)若被測物體作簡諧振動時(shí) a amaxmax= = 2 2X Xm m 所以上式可寫成所以上式可寫成 可改寫成可改寫成 又因?yàn)閺椈身敆U系統(tǒng)的固有頻率可表達(dá)成又因?yàn)閺椈身敆U系統(tǒng)的固有頻率可表達(dá)成: : mmXffXL02202minmXmLK2minmXKmL2minmK020mK20min2mXLK同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)

11、驗(yàn)室相對式測振傳感器 從上式表明：這類彈簧頂桿傳感器可測頻率受從上式表明：這類彈簧頂桿傳感器可測頻率受 條件的限制，可表達(dá)成條件的限制，可表達(dá)成: : 實(shí)際的頂桿彈簧系統(tǒng)的固有頻率實(shí)際的頂桿彈簧系統(tǒng)的固有頻率 很難做的很大，所以此很難做的很大，所以此類傳感器的測量頻率也提不高。類傳感器的測量頻率也提不高。20min2mXLK 0min,mXL0同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器兩種典型的相對式測振傳感器v電感式位移傳感器 電感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)為圖所示，它利用頂桿帶鐵芯在電感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)為圖所示，它利用頂桿帶鐵芯在線圈之運(yùn)動，使之產(chǎn)生電感的變化，從而測量振動。線圈之運(yùn)動

12、，使之產(chǎn)生電感的變化，從而測量振動。 此類傳感器的原理與特性均在前位移傳感器的討論中介紹此類傳感器的原理與特性均在前位移傳感器的討論中介紹了。在這里著重強(qiáng)調(diào)其了。在這里著重強(qiáng)調(diào)其“相對相對”性，即殼體和線圈均固定性，即殼體和線圈均固定在大地上，被測物體帶動頂桿相對線圈運(yùn)動。從而將相對在大地上，被測物體帶動頂桿相對線圈運(yùn)動。從而將相對的位移轉(zhuǎn)換成電感變化量進(jìn)行測量。的位移轉(zhuǎn)換成電感變化量進(jìn)行測量。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器v電感式位移傳感器同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器v磁電式速度傳感器 工作原理工作原理 同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式

13、測振傳感器同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 由圖可知，磁電式速度傳感器也是一個彈簧頂桿系統(tǒng)，在由圖可知，磁電式速度傳感器也是一個彈簧頂桿系統(tǒng)，在測量時(shí)彈簧頂桿系統(tǒng)所帶的線圈在磁場中以測量時(shí)彈簧頂桿系統(tǒng)所帶的線圈在磁場中以V V的速度切割的速度切割磁力線，就產(chǎn)生感應(yīng)電勢：磁力線，就產(chǎn)生感應(yīng)電勢： 如果用運(yùn)動的速度來表示其關(guān)系可表達(dá)成如果用運(yùn)動的速度來表示其關(guān)系可表達(dá)成 式中：式中：BB磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度； l l線圈導(dǎo)線總長度；線圈導(dǎo)線總長度； 線圈和磁鐵間相對直線運(yùn)動的線速度；線圈和磁鐵間相對直線運(yùn)動的線速度； 運(yùn)動方向與磁場方法的夾角。運(yùn)動方向與磁場方法的夾角。dtd

14、NesindtdxBle dtdx同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 因?yàn)橐驗(yàn)?運(yùn)動方向和磁場方向垂直，運(yùn)動方向和磁場方向垂直， 9090 所以所以 從此表達(dá)式中將可以得出，因?yàn)閭鞲衅髦瞥纱艌鰹橐挥谰脧拇吮磉_(dá)式中將可以得出，因?yàn)閭鞲衅髦瞥纱艌鰹橐挥谰么盆F，磁場強(qiáng)度是一個常量；線圈的導(dǎo)線長度也是一個常磁鐵，磁場強(qiáng)度是一個常量；線圈的導(dǎo)線長度也是一個常量。量。所以此類傳感器在測量物體振動速度時(shí)，感應(yīng)電勢所以此類傳感器在測量物體振動速度時(shí)，感應(yīng)電勢 與速度成正比與速度成正比。 也就是說可以用感應(yīng)電勢來反映所測的振動速度。因此此也就是說可以用感應(yīng)電勢來反映所測的振動速度。因此此類傳感

15、器稱之為速度傳感器。類傳感器稱之為速度傳感器。vdtdxBlve 同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室相對式測振傳感器 從原理上看此類傳感器輸出的感應(yīng)電勢和被測速度成正從原理上看此類傳感器輸出的感應(yīng)電勢和被測速度成正比，但實(shí)際上此類傳感器在頻率很低時(shí)感應(yīng)電勢弱受磁場比，但實(shí)際上此類傳感器在頻率很低時(shí)感應(yīng)電勢弱受磁場的實(shí)際非線性影響大；頻率高時(shí)又受到彈簧頂桿的接觸條的實(shí)際非線性影響大；頻率高時(shí)又受到彈簧頂桿的接觸條件限制。所以此類傳感器的使用范圍一般在件限制。所以此類傳感器的使用范圍一般在2 2500HZ500HZ的范的范圍內(nèi)。即可測圍內(nèi)。即可測2 2500HZ500HZ內(nèi)的簡諧振動和有效頻寬包

16、含在內(nèi)的簡諧振動和有效頻寬包含在2 2500HZ500HZ范圍內(nèi)的復(fù)雜振動。范圍內(nèi)的復(fù)雜振動。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 以上討論的相對式測振傳感器原理簡單，但在一般情況下以上討論的相對式測振傳感器原理簡單，但在一般情況下由于被測物體附近很難找到一個參考靜止點(diǎn)。如汽車在道由于被測物體附近很難找到一個參考靜止點(diǎn)。如汽車在道路上行駛，飛機(jī)在天空中飛行，船在海中航行等都不可能路上行駛，飛機(jī)在天空中飛行，船在海中航行等都不可能找到一個相對被測物體不動的基準(zhǔn)。這樣此類傳感器就很找到一個相對被測物體不動的基準(zhǔn)。這樣此類傳感器就很難用于這些物體的振動測量，因此人們就想到了用所謂難用

17、于這些物體的振動測量，因此人們就想到了用所謂“慣性式慣性式”或稱絕對式測振傳感器?；蚍Q絕對式測振傳感器。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v慣性式測振傳感器 工作原理與基本特性工作原理與基本特性 在測量物體的機(jī)械振動時(shí)，傳感器的殼體剛性地固定在在測量物體的機(jī)械振動時(shí)，傳感器的殼體剛性地固定在振動物體上，因此傳感器殼體是隨振動物體一起振動的。振動物體上，因此傳感器殼體是隨振動物體一起振動的。 如果設(shè)想傳感器中放置一質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，且質(zhì)量如果設(shè)想傳感器中放置一質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，且質(zhì)量m m比較大，比較大，而彈簧較軟，即而彈簧較軟，即K K小。那么當(dāng)振動物體的振動頻率足夠高小。那么當(dāng)振動

18、物體的振動頻率足夠高時(shí)，彈簧質(zhì)量的響應(yīng)跟不上，甚至沒有響應(yīng)。如果在一定時(shí)，彈簧質(zhì)量的響應(yīng)跟不上，甚至沒有響應(yīng)。如果在一定條件下彈簧質(zhì)量系統(tǒng)沒響應(yīng)，即靜止不動了，此時(shí)就可以條件下彈簧質(zhì)量系統(tǒng)沒響應(yīng)，即靜止不動了，此時(shí)就可以將這在運(yùn)動著的殼體里靜止不動的質(zhì)量塊作為絕對基準(zhǔn)，將這在運(yùn)動著的殼體里靜止不動的質(zhì)量塊作為絕對基準(zhǔn)，也就是相對大地絕對不動來作為對運(yùn)動著的物體即傳感器也就是相對大地絕對不動來作為對運(yùn)動著的物體即傳感器殼體機(jī)械振動測量的基準(zhǔn)。殼體機(jī)械振動測量的基準(zhǔn)。 同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 絕對參考點(diǎn)建立的條件絕對參考點(diǎn)建立的條件 由質(zhì)量由質(zhì)量m m，彈簧，彈簧k

19、k，阻尼，阻尼c c組成組成一個慣性式傳感器，傳感器固一個慣性式傳感器，傳感器固定在被測物體上。定在被測物體上。 設(shè)：設(shè)：yy振動物體相對大地的絕對位移；振動物體相對大地的絕對位移； x xm m質(zhì)量塊相對大地的絕對位移；質(zhì)量塊相對大地的絕對位移； xx振動物體或殼體與質(zhì)量塊之間的相對位移。振動物體或殼體與質(zhì)量塊之間的相對位移。 這三者之間的關(guān)系式用式子表達(dá)為這三者之間的關(guān)系式用式子表達(dá)為yxxm同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器由牛頓第二定律由牛頓第二定律F Fmama得到作用在質(zhì)量上的力為質(zhì)量塊上的得到作用在質(zhì)量上的力為質(zhì)量塊上的 慣性力彈簧力阻尼力。慣性力彈簧力阻尼力。

20、m22dtxdmmdtdxcdtdxckxdtxdmm22kx同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器用用x x、x xm m、y y三者之間的關(guān)系代入改寫上式后得三者之間的關(guān)系代入改寫上式后得用拉普拉斯算代入用拉普拉斯算代入此式若把所測振動物體相對大地的位移此式若把所測振動物體相對大地的位移y y看成是傳感器的輸入，把質(zhì)量看成是傳感器的輸入，把質(zhì)量塊相對于大地的位移塊相對于大地的位移x xm m看成是輸出，則此傳感器的傳遞函數(shù)可表達(dá)為看成是輸出，則此傳感器的傳遞函數(shù)可表達(dá)為此式兩邊同時(shí)此式兩邊同時(shí)1 1可改寫成可改寫成 kcsmskcssysxm2)(kydtdycdtdxcdt

21、xdmmm22 sykcssxkcsmsm)()()(2 mkmemssssysysx22同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器令：振動的衰減系數(shù)令：振動的衰減系數(shù) 為為 固有頻率固有頻率 為為 代入前式代入前式 由于測振傳感器測量的是動態(tài)物理量，因此傳感器的頻率特性是很重由于測振傳感器測量的是動態(tài)物理量，因此傳感器的頻率特性是很重要的。所以在討論中可將頻率因子要的。所以在討論中可將頻率因子j j 代入，令代入，令s=js=j ， 則傳遞函數(shù)為：則傳遞函數(shù)為： 此式為慣性式測振傳感器的特性方程。此式為慣性式測振傳感器的特性方程。 mkc2mk0 200222ssssysysxm0

22、 000212)(2220022jjjyyxm同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器因此在前討論中因此在前討論中 ，所以又可表達(dá)成，所以又可表達(dá)成此傳感器幅頻特性為此傳感器幅頻特性為 相頻特性為相頻特性為 222221 000jyjx 00021)(22jjyx 210012tgyxxm同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器此兩特性可用下圖直觀地表達(dá)：此兩特性可用下圖直觀地表達(dá)：同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 由圖可見，當(dāng)由圖可見，當(dāng) 11，即，即 時(shí)，時(shí)， 幅頻特性幅頻特性 相頻特性是一定斜率的直線。相頻特性是一定斜率的直線。 這表達(dá)了當(dāng)這表

23、達(dá)了當(dāng) 時(shí)，也就是被測物體的振動頻率遠(yuǎn)大時(shí)，也就是被測物體的振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器的固有頻率時(shí)，被測物體相對于質(zhì)量塊的相對位于傳感器的固有頻率時(shí)，被測物體相對于質(zhì)量塊的相對位移等于被測物體相對于大地的絕對位移。這樣滿足了一定移等于被測物體相對于大地的絕對位移。這樣滿足了一定的條件后可以用的條件后可以用x x來代替來代替y y，在一個運(yùn)動的被測物體上找到，在一個運(yùn)動的被測物體上找到了一個相對大地絕對不動的參考點(diǎn)了一個相對大地絕對不動的參考點(diǎn)。001jyjx0同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器從上討論可以得出：從上討論可以得出：l當(dāng)幅頻特性（幅值比）為當(dāng)幅頻特性（幅值比）為1 1時(shí)

24、，殼體或被測物體相對質(zhì)量時(shí)，殼體或被測物體相對質(zhì)量塊的位移反映了殼體或被測物體相對于大地的位移；塊的位移反映了殼體或被測物體相對于大地的位移；l反之，若不能滿足反之，若不能滿足11傳感器的特性就很差不能工傳感器的特性就很差不能工作，所以此種用殼體或被測物體相對質(zhì)量塊的位移來代替作，所以此種用殼體或被測物體相對質(zhì)量塊的位移來代替殼體或被測物體相對于大地的位移的測振傳感器低頻段特殼體或被測物體相對于大地的位移的測振傳感器低頻段特性很差，是否此類慣性式傳感器性很差，是否此類慣性式傳感器低頻段特性都很差低頻段特性都很差。？有沒有什么方法可以使之低頻段特性好？有沒有什么方法可以使之低頻段特性好？0同濟(jì)大

25、學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v利用殼體相對于質(zhì)量塊位移代替殼體相對于大地的加速度 在全面的討論是在全面的討論是X X與與y y的關(guān)系，同樣利用可以用殼體或被測物體相對于的關(guān)系，同樣利用可以用殼體或被測物體相對于質(zhì)量塊位移質(zhì)量塊位移X X，來反映殼體或被測物體相對于大地的振動加速度，來反映殼體或被測物體相對于大地的振動加速度a ay y。 傳感器的結(jié)構(gòu)和前一樣，微分方程也一樣為：傳感器的結(jié)構(gòu)和前一樣，微分方程也一樣為：dtdxckxdtxdmm22因?yàn)橐驗(yàn)閥xxyxxmm,改變形式改變形式y(tǒng)adtydxmkdtdxmcdtxdm2222同樣作拉普拉斯變換同樣作拉普拉斯變換 sa

26、sxmksmcsy2同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器殼體或被測物體相對于大地的振動加速度殼體或被測物體相對于大地的振動加速度a ay y作為輸入，殼體或被測物作為輸入，殼體或被測物體相對于質(zhì)量塊的位移作為輸出。體相對于質(zhì)量塊的位移作為輸出。 mkmcsssysx21同理，用同理，用代入代入0, 200221sssysx同樣用頻率因子代入同樣用頻率因子代入 00202121210220jjjajxy同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器因?yàn)橐驗(yàn)?是傳感器的固有頻率，傳感器做好后它是一個常數(shù)，將其移是傳感器的固有頻率，傳感器做好后它是一個常數(shù)，將其移到等式的左邊，

27、到等式的左邊， 幅頻特性幅頻特性 相頻特性相頻特性0 00211220jjajxy 2222000411jajxy 210012tg同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器同樣可用幅頻、相頻圖形直觀地表示同樣可用幅頻、相頻圖形直觀地表示同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器和前討論一樣，當(dāng)幅頻特性和前討論一樣，當(dāng)幅頻特性 時(shí)，幅值比是一常數(shù)時(shí)，幅值比是一常數(shù) ，相頻同樣是一定斜率直線，可以殼體或被測物體，相頻同樣是一定斜率直線，可以殼體或被測物體相對于質(zhì)量塊的位移來代替殼體或被測物體相對于大地的相對于質(zhì)量塊的位移來代替殼體或被測物體相對于大地的加速度加速度 。它們之間

28、差一個。它們之間差一個常數(shù)。常數(shù)。并且從特性可以看出此種對應(yīng)關(guān)系的傳感器低頻端很好，并且從特性可以看出此種對應(yīng)關(guān)系的傳感器低頻端很好，高頻端受到限制。高頻端受到限制。一般此類傳感器的一般此類傳感器的 做的很高這樣可以克服高頻端的不做的很高這樣可以克服高頻端的不足。足。1020ya200同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 以上討論了兩個對應(yīng)關(guān)系，即以上討論了兩個對應(yīng)關(guān)系，即x xy y；x x 。同樣還可。同樣還可以討論多種對應(yīng)關(guān)系如以討論多種對應(yīng)關(guān)系如x x Vy Vy；VxVxy y； y y；。因?yàn)槭艿綇臋C(jī)械量到電量轉(zhuǎn)換方法的限制，雖然從理論上因?yàn)槭艿綇臋C(jī)械量到電量轉(zhuǎn)換方

29、法的限制，雖然從理論上講有許多對應(yīng)關(guān)系而實(shí)際應(yīng)用于慣性式測振傳感器的只有講有許多對應(yīng)關(guān)系而實(shí)際應(yīng)用于慣性式測振傳感器的只有三種即三種即x xy y ；VxVxVyVy；和；和x x 。yayaya同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v幾種常用的慣性式傳感器幾種常用的慣性式傳感器以上討論了二種對應(yīng)形式的慣性式傳感器：以上討論了二種對應(yīng)形式的慣性式傳感器：l X Xy y對應(yīng)形式的傳感器一般體積較大用在建筑物、橋、對應(yīng)形式的傳感器一般體積較大用在建筑物、橋、大型機(jī)械較多。大型機(jī)械較多。l X X 的對應(yīng)形式做成的傳感器較小而且結(jié)構(gòu)簡單，所的對應(yīng)形式做成的傳感器較小而且結(jié)構(gòu)簡單，所以

30、在車輛和一般的機(jī)械振動測量中應(yīng)用較多。以在車輛和一般的機(jī)械振動測量中應(yīng)用較多。ya同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v慣性式速度傳感器（vx-vy）同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器 工作原理：工作原理：應(yīng)變式加速度傳感器以等強(qiáng)度梁作為彈性應(yīng)變式加速度傳感器以等強(qiáng)度梁作為彈性元件（它相當(dāng)于彈簧）加之支架、應(yīng)變片、質(zhì)量塊和元件（它相當(dāng)于彈簧）加之支架、應(yīng)變片、質(zhì)量塊和阻尼材料構(gòu)成，見圖。阻尼材料構(gòu)成，見圖。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器l當(dāng)被測物體產(chǎn)生振動加速度當(dāng)被測物體產(chǎn)生振動加速度時(shí)，就會使殼體和

31、質(zhì)量塊時(shí)，就會使殼體和質(zhì)量塊之間產(chǎn)生位移之間產(chǎn)生位移X X，并以，并以 的形式使梁產(chǎn)生一個彎矩的形式使梁產(chǎn)生一個彎矩 M M，此彎矩使得貼在梁上的應(yīng)變片感受彎矩變形后而產(chǎn)生，此彎矩使得貼在梁上的應(yīng)變片感受彎矩變形后而產(chǎn)生電阻的變化。由此完成了從輸入電阻的變化。由此完成了從輸入 到應(yīng)變片輸出到應(yīng)變片輸出 的轉(zhuǎn)換，的轉(zhuǎn)換，最后通過應(yīng)變儀將其測量出來。最后通過應(yīng)變儀將其測量出來。l此類傳感器在硅油阻尼下有較好的特性，當(dāng)此類傳感器在硅油阻尼下有較好的特性，當(dāng)0.7070.707時(shí)，時(shí)， 范圍內(nèi)特性平直。其可測的工作頻率為范圍內(nèi)特性平直。其可測的工作頻率為 0 00.40.4 0 0 。一般此類結(jié)構(gòu)傳感

32、器工作頻率范圍為。一般此類結(jié)構(gòu)傳感器工作頻率范圍為0 090HZ90HZ。因?yàn)榇祟惤Y(jié)構(gòu)形式。因?yàn)榇祟惤Y(jié)構(gòu)形式 0 0不易做高所以頻率特性高端較不易做高所以頻率特性高端較差，只適宜于較低頻率的振動測量。差，只適宜于較低頻率的振動測量。yakxF RR 4 . 00ya同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v壓電晶體式加速度傳感器 壓電效應(yīng)：壓電晶體加速度傳感器的工作基于物理學(xué)：壓電晶體加速度傳感器的工作基于物理學(xué)里面的壓電效應(yīng)。里面的壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)的分類：壓電效應(yīng)的分類：順壓電效應(yīng)：某些介質(zhì)在一定方向上受到外力的作某些介質(zhì)在一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化，同

33、時(shí)在某些表面產(chǎn)生用而變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化，同時(shí)在某些表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力消除后，又重新回到不帶電狀態(tài)。這種電荷。當(dāng)外力消除后，又重新回到不帶電狀態(tài)。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象為順壓電效應(yīng)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象為順壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：與順壓電效應(yīng)相反，在介質(zhì)的極化方與順壓電效應(yīng)相反，在介質(zhì)的極化方向上施加電場，在它某一個方向上會產(chǎn)生機(jī)械變形。向上施加電場，在它某一個方向上會產(chǎn)生機(jī)械變形。這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象為逆壓電效應(yīng)。這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象為逆壓電效應(yīng)。同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室壓電效應(yīng)同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室壓電效應(yīng)在晶體的壓電效應(yīng)最明顯方向上的

34、電荷積累表達(dá)式為在晶體的壓電效應(yīng)最明顯方向上的電荷積累表達(dá)式為 式中：式中： 壓電效應(yīng)最明顯方向垂直平面上的電荷；壓電效應(yīng)最明顯方向垂直平面上的電荷； 壓電系數(shù)，不同材料不同受力方式此系數(shù)不一樣；壓電系數(shù)，不同材料不同受力方式此系數(shù)不一樣； 作用在壓電效應(yīng)最明顯方向上的力。作用在壓電效應(yīng)最明顯方向上的力。 從上表達(dá)式可知，壓電晶體在受力后會產(chǎn)生電荷，并且所從上表達(dá)式可知，壓電晶體在受力后會產(chǎn)生電荷，并且所產(chǎn)生的電荷與所受到力成正比，基于此原理壓電效應(yīng)被廣產(chǎn)生的電荷與所受到力成正比，基于此原理壓電效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械力、加速度、壓力、流量等機(jī)械參數(shù)的測量。泛應(yīng)用于機(jī)械力、加速度、壓力、流量等機(jī)械

35、參數(shù)的測量。1Fkq q1kF同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器v壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是基于所討論的壓電式加速度傳感器是基于所討論的x x 方式進(jìn)行工作方式進(jìn)行工作的。它由殼體、壓電晶體、極板、質(zhì)量塊、彈簧組成。的。它由殼體、壓電晶體、極板、質(zhì)量塊、彈簧組成。ya同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 由于這類傳感器彈簧剛度由于這類傳感器彈簧剛度K K很大質(zhì)量塊很大質(zhì)量塊m m較小所以其固有頻較小所以其固有頻率率很高，測量的頻率范圍很寬，最高可達(dá)很高，測量的頻率范圍很寬，最高可達(dá)101050KHz50KHz。 工作原理工作原理在傳感器內(nèi)部要裝中首

36、先適當(dāng)預(yù)緊，保證壓電晶體始終處在傳感器內(nèi)部要裝中首先適當(dāng)預(yù)緊，保證壓電晶體始終處于受壓狀態(tài)，隨著振動的測量，傳感器是在初始狀態(tài)上下于受壓狀態(tài)，隨著振動的測量，傳感器是在初始狀態(tài)上下壓的緊一點(diǎn)和松一點(diǎn)工作。其過程為由于殼體或被測物體壓的緊一點(diǎn)和松一點(diǎn)工作。其過程為由于殼體或被測物體相對大地有一個相對大地有一個 , ,它使得質(zhì)量塊與殼體之間存在一相對它使得質(zhì)量塊與殼體之間存在一相對位移位移x x，由此位移所產(chǎn)生的一個彈簧力，由此位移所產(chǎn)生的一個彈簧力作用在壓電作用在壓電晶體由晶體由 關(guān)系產(chǎn)生電荷。由此完成了從機(jī)械量到電關(guān)系產(chǎn)生電荷。由此完成了從機(jī)械量到電量的轉(zhuǎn)換。量的轉(zhuǎn)換。 0yakxF Fkq

37、同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器標(biāo)定同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室三向測振傳感器及放大器同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振和力傳感器v阻抗頭同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室同濟(jì)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室慣性式測振傳感器 配放大器后的特性配放大器后的特性壓電晶體傳感器的輸出電荷信號壓電晶體傳感器的輸出電荷信號q q十分微弱，必須配上適當(dāng)?shù)胤糯蟓h(huán)十分微弱，必須配上適當(dāng)?shù)胤糯蟓h(huán)節(jié)才能將被測量測得，而放大環(huán)節(jié)的引入會產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，即給測量節(jié)才能將被測量測得，而放大環(huán)節(jié)的引入會產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，即給測量和輸出帶來影響。其等效圖如下和輸出帶來影響。其等效圖如下 在等效圖在等效圖1 1中：中： 同濟(jì)大