工作臺(tái)振動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)(共18頁(yè))

1、工作臺(tái)振動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 摘要(zhiyo)振動(dòng)測(cè)試儀是一種能測(cè)量機(jī)械、物體(wt)等振動(dòng)的測(cè)量?jī)x器。比如測(cè)振儀、動(dòng)平衡儀、振動(dòng)測(cè)試(csh)與模態(tài)分析儀都算是振動(dòng)測(cè)試儀。振動(dòng)是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。各種機(jī)器、儀器和設(shè)備運(yùn)行時(shí)，不可避免地存在著諸如回轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、潤(rùn)滑狀況的不良及間隙等原因而引起受力的變動(dòng)、碰撞和沖擊，以及由于使用、運(yùn)輸和外界環(huán)境下能量傳遞、存儲(chǔ)和釋放都會(huì)誘發(fā)或激勵(lì)機(jī)械振動(dòng)。所以說(shuō)，任何一臺(tái)運(yùn)行著的機(jī)器、儀器和設(shè)備都存在著振動(dòng)現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的。振動(dòng)往往會(huì)破壞機(jī)器的正常工作和原有性能，振動(dòng)的動(dòng)載荷使機(jī)器

2、加速失效、縮短使用壽命甚至導(dǎo)致?lián)p壞造成事故。機(jī)械振動(dòng)還直接或間接地產(chǎn)生噪聲，惡化環(huán)境和勞動(dòng)條件，危害人類的健康。因此，要采取適當(dāng)?shù)拇胧┦箼C(jī)器振動(dòng)在限定范圍之內(nèi)，以避免危害人類和其他結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)量?jī)x、動(dòng)載荷、機(jī)械振動(dòng)AbstractVibration test instrument is a method which can measure the mechanical and object vibration measuring instrument. Such as Ce Zhenyi, dynamic balance, vibration testing and modal ana

3、lysis is a vibration tester. Vibration is a common physical phenomenon exist in nature, engineering technology and in daily life. Operation of the machine, instrument and equipment of various, inevitably exist such as rotating parts unbalance, the load is uniform and the structure stiffness anisotro

4、py, the lubrication condition bad and the gap caused by the reasons such as the stress changes, collision and impact, and due to the use of energy transport, transport and transfer, external environment storage and release will induce or incentive of mechanical vibration. So, machinery, instruments

5、and equipment on any computer running there are vibration phenomenon. In most cases, the mechanical vibration is harmful. Vibration often destroy the machine normal work and the original performance, the dynamic load of the machine vibration accelerated failure, shorten the service life and even lea

6、d to the damage caused by the accident. Mechanical vibration is also directly or indirectly generate noise, deterioration of the environment and working conditions, harm to human health. Therefore, to take appropriate measures to make the vibration of the machine in a limited range, in order to avoi

7、d harm to human and other structures.Key words: Vibration test、the dynamic load 、Mechanical vibration目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc31177 第1章 微振動(dòng)(zhndng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc31177 1 HYPERLINK l _Toc19269 1.2 壓電材料(cilio)的分類及特性 PAGEREF _Toc19269 2 HYPERLINK l _Toc5515 1.2.1 壓電陶瓷(toc) PAGEREF _Toc5515

8、3 HYPERLINK l _Toc7163 1.3 壓電陶瓷傳感器的等效電路 PAGEREF _Toc7163 4 HYPERLINK l _Toc13457 第2章電荷放大電路 PAGEREF _Toc13457 7 HYPERLINK l _Toc5134 2.1 電荷放大電路 PAGEREF _Toc5134 7 HYPERLINK l _Toc13073 2.2測(cè)量電路 PAGEREF _Toc13073 8 HYPERLINK l _Toc12808 第3章振動(dòng)測(cè)量 PAGEREF _Toc12808 10 HYPERLINK l _Toc9168 3.1 振動(dòng)測(cè)量的概念 PAGE

9、REF _Toc9168 10 HYPERLINK l _Toc14943 3.2 振動(dòng)測(cè)量的分類 PAGEREF _Toc14943 10 HYPERLINK l _Toc19241 3.3壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理 PAGEREF _Toc19241 11 HYPERLINK l _Toc4822 總結(jié) PAGEREF _Toc4822 13 HYPERLINK l _Toc10079 參考資料 PAGEREF _Toc10079 14 HYPERLINK l _Toc23046 致謝 PAGEREF _Toc23046 14第1章 微振動(dòng)(zhndng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)微振動(dòng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)主要組成

10、部分壓電式傳感器，用于信息的采集；在本設(shè)計(jì)方案里選擇壓電陶瓷傳感器做為壓電式傳感器。通過(guò)電路連接把所采集的信息傳遞給電荷放大器，對(duì)微弱的電荷信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)的放大通常有兩種：電壓放大和電荷放大。這里考慮避免接入電容(dinrng)的影響，所以采用電荷放大。除了電荷放大，還要再一次對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，這里采用運(yùn)算放大器和一定 的電路組成。把最終信號(hào)(xnho)傳輸給顯示器就可以得到微振動(dòng)的多組數(shù)據(jù)結(jié)果，就可以得到被測(cè)物體的每刻狀態(tài)。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1-1：1.1 壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)么其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)這

11、種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)或電壓、它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))例如音樂(lè)賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比即 Q=dF式中d壓電常數(shù)(chngsh)。自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多例如在敦煌的鳴沙丘當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙廳上檸下滑時(shí)，可以聽(tīng)到雷鳴般的隆隆聲；產(chǎn)生這個(gè)(zh ge)現(xiàn)象的原因是無(wú)數(shù)干燥的沙子(siO2晶體(jngt)在重壓下表面

12、產(chǎn)個(gè)電荷。在某時(shí)刻，形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓。并通過(guò)空氣放電而發(fā)出聲音。1.2 壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體(單晶體)；第二類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷(多晶體)；第三類是高分子壓電材料。這里我們主要介紹第二類。1.2.1壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料它由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。這些電疇實(shí)際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域，在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布。它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的在電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度當(dāng)壓電陶

13、瓷受外力作用時(shí)，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷制造工藝成熟，通過(guò)改變配方或摻雜微量元素可使材料(cilio)的技術(shù)件能有較大改變，以適應(yīng)各種要求它還具有良好的工藝性可以方便地加工成各種需要的形狀，在通常情況下，它比石英(shyng)品體的比電系數(shù)高得多，而制造成本較低，因此日前岡內(nèi)外壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶資材料主要有以下幾種：(1)鋯鈦酸鉛系列(xli)壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鈦酸鉛和鐵酸鉛組成的固熔休。它有較高的壓電常數(shù)d(200500)*10-12c/n和居里點(diǎn)(500c左右)，是目前經(jīng)常采用的一種壓電材料。在上述材料小加入微量

14、的鑭(La)、鈮(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工業(yè)中應(yīng)用較多的壓電陶瓷。(2)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷具有較高的壓電常數(shù)dll(800一900)x10-12Cn和居里點(diǎn)(260C)，它能在壓力大至70MPa時(shí)正常工作。因此可作為高壓下的力傳感器。目前還有一些鈮酸鹽(如鈮酸鋰)具有很高的居里點(diǎn)，可作為高溫壓電傳感器。（3）使用Pv96型壓電加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，它的靈敏度為100OPCg，也就是說(shuō)在1g(g98Ms*s)加速度的作用下，傳感器能產(chǎn)生一萬(wàn)微庫(kù)的電荷oPv96型壓電傳感器的性能如表1-2圖1-2 Pv96型壓電傳感器特性(txng)1

15、.3 壓電陶瓷(toc)傳感器的等效電路壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過(guò)其壓電元件產(chǎn)生(chnshng)電荷量的大小來(lái)反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。式中: S極板面積；Cn壓電材料相對(duì)介電常數(shù)；Co真空介電常數(shù)；3壓電元件厚度。當(dāng)壓電刀件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正，負(fù)電荷Q，壓電元件的開(kāi)路電壓（認(rèn)為其負(fù)載電阻為無(wú)窮大）u這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器nC的等效電路。因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源 如下圖，也可以等效為個(gè)電壓源 如下圖壓電傳感器的等效電路 感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)

16、，還必須考慮(kol)電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入(shr)電容Ci以及傳感器的泄漏(xilu)電阻Ra。圖2-2畫出了壓電傳感器完整的等效電路。壓電傳感器實(shí)際(shj)的等效電路 第2章電荷放大(fngd)電路2.1 電荷放大(fngd)電路由于(yuy)電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分市電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此義發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器、目前它已被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。這種放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其等效電路如圖所示。圖中已把R。、Rl看作是無(wú)限大，而加以忽視

17、，這樣當(dāng)容抗遠(yuǎn)小于電阻Rf折到輸入端的等效阻抗。式中Cf反饋電容。電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的Ca和電纜的Cc與Rc：由于Ca、Cc、Rc通常都很小，因此高頻上限fH可高達(dá)180kHz。 大器的低頻下限，由于A相當(dāng)大，通常（1A）CfC，Rf/（1A）Rf，因此只取決于反饋回路參數(shù)Rf、Cf它與電纜電容無(wú)關(guān)。由于運(yùn)算放大器的時(shí)間常數(shù)RfCf可做得很大，因此電荷放大器的低，下限fL可低達(dá)10-110-4Hz（準(zhǔn)靜態(tài)）。壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路電荷放大器原理框圖，它主要由六部分組成，其中主電荷放大級(jí)是整個(gè)儀器的核心，它又包括高阻輸入(shr)級(jí)、運(yùn)算放大級(jí)、互補(bǔ)功放輸出級(jí)三

18、部分。互補(bǔ)功放輸出級(jí)使電路提供給Cf以必要的反饋電流。適調(diào)放大級(jí)的作用是當(dāng)被測(cè)量（加速度或壓力）一定時(shí)，用不同靈敏度的壓電元件測(cè)量而有相同的輸出，實(shí)現(xiàn)綜合靈敏度的歸一化，便于記錄和數(shù)據(jù)處理。濾波器備有不同截止頻率的分檔，依據(jù)實(shí)際情況(qngkung)選擇。 需要(xyo)指出，電荷放大器雖然允許使用很長(zhǎng)的電纜，并且電容Cf變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器的價(jià)格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。2.2測(cè)量電路測(cè)量電路如圖2-5所示。圖中的模擬測(cè)量電路由兩級(jí)放大器組成。微振動(dòng)測(cè)試儀電路圖AD544L組成一個(gè)電荷放大器，它的輸入為電荷，輸出為電壓，也是一個(gè)Q/V轉(zhuǎn)換器，它的輸出,傳感器受到1g加速度

19、的作用，它產(chǎn)生的電壓，理論值為（實(shí)際上，1g的加速度使運(yùn) 放的輸出為飽和值Vs），即放大器AD544L的靈敏度 電荷(dinh)放大器的頻率響應(yīng)由反饋電容C1和反饋(fnku)電阻R1確定(qudng)。其截止頻率在0.1Hz時(shí)，輸出約下降1dB。RB為運(yùn)放AD544L的輸入保護(hù)電阻，避免AD544L的輸入過(guò)高而損壞。A776是一個(gè)反相放大器，其閉環(huán)增益調(diào)整電位器RP1可使AF2=1.48，因此，A776的輸出靈敏度近似為48.8V/g。也就是說(shuō)，當(dāng)振動(dòng)加速度為1/980g時(shí)，電路能輸出50mV的電壓。本電路輸出電壓最大約為6V，因此其最大測(cè)量值約為48.8/60.1g。A776是低功耗可編程

20、運(yùn)算放大器，為了降低噪聲，可在8腳輸入適當(dāng)?shù)碾娏鱅oet15A。在低頻測(cè)量時(shí)，隨著頻率的降低會(huì)增大閃爍噪聲，由于采用的運(yùn)放A776的電壓噪聲在1A以下，噪聲主要由電荷放大器產(chǎn)生。所以在降低噪聲設(shè)計(jì)中不僅要選擇電壓噪聲小的集成電路而且應(yīng)有低的輸入電壓、低的偏壓及失調(diào)漂移等特性。在電路設(shè)計(jì)中，反饋電容盡可能小，因?yàn)榧词购苄〉穆╇娏鬟M(jìn)入放大器也會(huì)產(chǎn)生誤差，故輸入部分要用聚四氟乙烯絕緣紙進(jìn)行絕緣。若要求測(cè)量電路的輸出靈敏度更高，應(yīng)提高A776的反饋電阻。例如，輸出靈敏度為100mV/gal時(shí)，A776的閉環(huán)增益約為3，可適當(dāng)增大（R4+RP1）的值。第3章振動(dòng)(zhndng)測(cè)量3.1 振動(dòng)測(cè)量(cl

21、ing)的概念 物體圍繞(wiro)平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為振功。從扼功對(duì)象來(lái)分，有機(jī)械振動(dòng)(例如機(jī)床電機(jī)、泵風(fēng)機(jī)等遠(yuǎn)行時(shí)的振動(dòng))；上木結(jié)構(gòu)振動(dòng)(房屋、橋梁等的振動(dòng))；運(yùn)輸工具振動(dòng)汽車、飛機(jī)等的振動(dòng))以及武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。 從振動(dòng)的頻率范圍來(lái)分合高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等；從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。期振功是指經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間間隔，其振動(dòng)特征量重復(fù)出現(xiàn)的振動(dòng)。它包括簡(jiǎn)諧振動(dòng)和復(fù)雜周期振動(dòng)。復(fù)雜周期振動(dòng)是由一些不同頻率的簡(jiǎn)諧分量合成的振動(dòng)。非周期振動(dòng)的時(shí)域函數(shù)是一個(gè)衰減曲數(shù)，沖擊振動(dòng)是最常見(jiàn)的非周期振功。隨機(jī)振動(dòng)是一種非確定性振動(dòng)，事先允

22、法確定共振幅、頻率從相位的瞬時(shí)值，但有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。振動(dòng)測(cè)量主要是研究上述各種振動(dòng)的持征、變化規(guī)律以及分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，從而 找到解決問(wèn)題的方法。物體標(biāo)動(dòng)一次所需的時(shí)間稱為周期(zhuq)，用丁表示，單位是s。每秒振動(dòng)(zhndng)的次數(shù)稱頻率，用f表小，單位(dnwi)為Hz、頻率是分析振動(dòng)的最重要內(nèi)容之一。振動(dòng)物體偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用x表示，單位為mm。振動(dòng)的速度用v表示，單位為ms；加速度用a表水，單位m/s*s。3.2 振動(dòng)測(cè)量的分類測(cè)振用的傳感器義稱拾掘器。亡有接觸式和非接觸式之分；接觸式中又行磁電式、電感式、壓電式等。非接觸式小義有電渦流式、電容式，霍爾式，光

23、電式等當(dāng)測(cè)振系統(tǒng)自身的固有振動(dòng)頻率f05f時(shí)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體A一起振動(dòng)，質(zhì)量塊與振動(dòng)體A所感受到的振動(dòng)加速度基本一致，這樣的測(cè)量傳感器稱為加速度計(jì)。3.3壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示：當(dāng)傳感器與被測(cè)振動(dòng)加速度的機(jī)件緊固在一起后，傳感器受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣件引起的壓力。其方向與振動(dòng)加速度方向相反，大小奏Fma決定。慣性引起的壓力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出由此將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出 電荷的大小，若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時(shí)質(zhì)量塊將宅壓電晶片敲碰，預(yù)緊力也不能太大，否

24、則又會(huì)引起壓電晶片的非線性誤差、常用的壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)多種多樣這種結(jié)構(gòu)有較高的固有振動(dòng)頻率，可用于較高頻率的測(cè)量(cling)(幾千赫茲(hz)至幾十千赫茲)，它是目前應(yīng)用較多的一種(y zhn)形式。（4）壓電傳感器的性能指標(biāo)(a)靈敏度K壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，它的輸出為電荷量，以Pc(皮庫(kù)侖)為單位，1Pc10/-12c；而輸入量為加速度，單位為ms*s，所以靈敏度以pc(m。s)為單位，但是在振動(dòng)測(cè)量中，往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g(1g=98m/s*s)作為加速度的單位，這是檢測(cè)行業(yè)的一種習(xí)慣用法。幾乎所有測(cè)量振動(dòng)的儀器都用g作為加速度單位，并在儀器的面板上以及說(shuō)明書

25、中標(biāo)出，靈敏度的范圍約為lo一100pcg。目前許多壓電加速度傳感器已將電荷放大器做在同一個(gè)殼體中，它的輸出是電壓，所以許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mvg，通常為l0I000mV/g靈敏度并不是越高越好，靈敏度低的傳感器可用于動(dòng)態(tài)范同很寬的扳動(dòng)測(cè)量，例如打樁機(jī)的沖擊振動(dòng)、汽車的撞擊試驗(yàn)、炸彈的貫穿延時(shí)引爆等而高靈敏度的壓電傳感器可用于測(cè)量微弱的振動(dòng)。例如用于尋找地下行道的泄漏點(diǎn)(水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動(dòng))；或測(cè)量橋梁、樓房、樁基的受激振動(dòng)以反分析精密機(jī)床床身的振動(dòng)以提高加工精度等。 (b)頻率范圍大多數(shù)壓電加速度度傳感器的頻率范圍為0.1HZ-10KHZ。、 (c)動(dòng)態(tài)范圍 常

26、用的測(cè)量范圍為0.1100g，測(cè)量沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用1000000g；而測(cè)量橋梁、地基等微弱振動(dòng)往往要選擇000l10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。總結(jié)(zngji)在設(shè)計(jì)(shj)過(guò)程中，關(guān)鍵部分當(dāng)屬總體工作電路原理圖的設(shè)計(jì)，怎么樣更合理，更效益設(shè)計(jì)該電路？成為該設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的一步，對(duì)元?dú)饧倪x擇決定電路圖的設(shè)計(jì)，每選擇一種元?dú)饧陀锌赡芨淖冋w電路的走向。根據(jù)說(shuō)明書要求的靈敏度，也是很難把握的一步，在該設(shè)計(jì)中已經(jīng)基本能實(shí)現(xiàn)所要求的靈敏度。本次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多知識(shí)，實(shí)踐出真知，只有自己去發(fā)現(xiàn)，去分析問(wèn)題，才能有所收獲，才有所長(zhǎng)進(jìn)！能力才能有所提高，所以對(duì)老師的課程設(shè)計(jì)安排很是贊同，那就是先瀏覽文章，再寫評(píng)論，等到打印時(shí)再去對(duì)那些不成熟的看法進(jìn)行修改和補(bǔ)充，最終完善！并且整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程本身就是一個(gè)再學(xué)習(xí)的過(guò)程，很是符合我們大腦的開(kāi)發(fā)(kif)和邏輯思索及判斷！對(duì)于自己解決實(shí)際問(wèn)