模態(tài)分析與綜合技術(shù)第7章 信號(hào)測(cè)量

7.1引言模態(tài)測(cè)量方法可分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是僅測(cè)量響應(yīng)，這種方法存在以下缺陷：無(wú)法判斷一個(gè)大的響應(yīng)是由大的激振力還是共振引起。第二類(lèi)是同時(shí)測(cè)量輸入與輸出。有兩種方法供選擇，其一就是SIMO，對(duì)結(jié)構(gòu)某點(diǎn)鼓勵(lì)，測(cè)得所有點(diǎn)響應(yīng)。其二就是MIMO，對(duì)結(jié)構(gòu)某些點(diǎn)鼓勵(lì)，測(cè)得所有點(diǎn)響應(yīng)。7.1引言對(duì)于一個(gè)確定的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，一般的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由以下三局部組成：激振局部-輸入拾振局部-一次儀表顯示、分析局部-二次儀表如果進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，上述三局部可更詳細(xì)地表達(dá)如下：第7章信號(hào)測(cè)量7.1引言將實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)以適當(dāng)方式支撐起來(lái)選擇適當(dāng)方式鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)拾振系統(tǒng)測(cè)量鼓勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程將記錄到的鼓勵(lì)和響應(yīng)時(shí)間歷程信號(hào)送入A/D，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)把上述時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分為原型和模型兩種。采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，需要根據(jù)相似理論制作模型，不僅考慮幾何相似，還要考慮動(dòng)力相似。無(wú)論原型或模型，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的邊界條件都是要考慮的重要因素，不同的邊界條件的結(jié)構(gòu)特性可能完全不同。如自由梁、懸臂梁、簡(jiǎn)支梁。必須要正確模擬被測(cè)結(jié)構(gòu)的邊界條件。從力學(xué)意義上考慮，邊界條件可分為幾何邊界條件〔位移〕、力邊界條件、運(yùn)動(dòng)邊界條件等。第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式在模態(tài)試驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)固有特性影響最大的是幾何邊界條件。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)通常的支撐根據(jù)幾何邊界條件劃分為：自由支撐、固定支撐、原裝支撐。假設(shè)被測(cè)結(jié)構(gòu)是完整的，那么模態(tài)試驗(yàn)中的邊界條件也應(yīng)是完整的，即應(yīng)符合實(shí)際工作狀態(tài)。如果采用模態(tài)綜合法將被測(cè)結(jié)構(gòu)分為子結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，那么邊界條件應(yīng)以模態(tài)綜合法的要求確定。下面介紹常見(jiàn)的支撐：第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式1自由支撐如果能將自由支撐點(diǎn)選在結(jié)構(gòu)上所關(guān)心模態(tài)的節(jié)點(diǎn)附近，并使支撐體系與該模態(tài)主振動(dòng)方向正交，那么自由支撐對(duì)該階模態(tài)的影響將降低到最低，可到達(dá)最理想的效果。有些邊界條件非完全自由而受弱約束的結(jié)構(gòu)也可以采用自由支撐。如輪船等。第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式2固定支撐固定支撐〔剛性支撐〕用于結(jié)構(gòu)承受剛性約束的情形，如高層建筑、大壩、剛性根底的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。固定支撐要求支撐具有較大的剛度和質(zhì)量，才能減少對(duì)結(jié)構(gòu)高階模態(tài)的影響。一般以實(shí)測(cè)支撐系統(tǒng)的最低固有頻率大于所關(guān)心的結(jié)構(gòu)最高固有頻率的3倍為參考標(biāo)準(zhǔn)。AB第7章信號(hào)測(cè)量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式3原裝支撐原裝支撐是廣泛應(yīng)用的一種支撐方式。前面介紹的自由支撐和固定支撐是原裝支撐的特殊情況。對(duì)于完整結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，原裝支撐是最優(yōu)邊界模擬?，F(xiàn)場(chǎng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模態(tài)實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)模態(tài)實(shí)驗(yàn)是在靜態(tài)〔被測(cè)結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)〕下進(jìn)行的。有些結(jié)構(gòu)在靜、動(dòng)態(tài)下的特性相差較大。如具有滑動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)子等，欲獲結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)下的固有特性，應(yīng)在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。第7章信號(hào)測(cè)量7.3鼓勵(lì)方式1單點(diǎn)鼓勵(lì)單點(diǎn)鼓勵(lì)是最簡(jiǎn)單、最常用的鼓勵(lì)方式。所謂單點(diǎn)鼓勵(lì)，是指對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)一次只鼓勵(lì)一個(gè)點(diǎn)的一個(gè)方向，而在其他任何坐標(biāo)上均沒(méi)有鼓勵(lì)作用。單點(diǎn)鼓勵(lì)是SISO參數(shù)識(shí)別所要求的鼓勵(lì)方式。單點(diǎn)鼓勵(lì)之所以有效，是建立在振動(dòng)系統(tǒng)的可控性〔能激發(fā)出系統(tǒng)的各階模態(tài)〕和可觀性〔測(cè)量出的輸出信號(hào)中包含各階模態(tài)的信息〕假設(shè)根底上的。第7章信號(hào)測(cè)量7.3鼓勵(lì)方式對(duì)于中小型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，采用單點(diǎn)鼓勵(lì)即可獲得較滿(mǎn)意的效果。對(duì)于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)鼓勵(lì)往往喪失模態(tài)，或由于鼓勵(lì)能量有限而得不到有效的高信噪比信號(hào)，有時(shí)甚至無(wú)法激起結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)，導(dǎo)致模態(tài)實(shí)驗(yàn)徹底失敗。1單點(diǎn)鼓勵(lì)第7章信號(hào)測(cè)量7.3鼓勵(lì)方式2多點(diǎn)鼓勵(lì)第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置鼓勵(lì)有人工鼓勵(lì)和自然鼓勵(lì)。人工鼓勵(lì)即通常所說(shuō)的鼓勵(lì)，根據(jù)需要通過(guò)一定的鼓勵(lì)裝置施加于被測(cè)結(jié)構(gòu)上。大局部人工鼓勵(lì)可控和可測(cè)，做模態(tài)實(shí)驗(yàn)絕大局部情況是使用人工鼓勵(lì)。自然鼓勵(lì)〔環(huán)境鼓勵(lì)〕是施加于實(shí)體結(jié)構(gòu)上的自然力，如風(fēng)載荷、波浪載荷、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力源等等。自鼓勵(lì)一般是不可控、不可測(cè)的。使用自鼓勵(lì)通常只能測(cè)得響應(yīng)信號(hào)。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置下面討論模態(tài)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的人工鼓勵(lì)。典型的鼓勵(lì)裝置有激振器系統(tǒng)、沖擊錘、階躍鼓勵(lì)裝置。1激振器系統(tǒng)激振器一般必須與信號(hào)發(fā)生器、功率放大器一起組成鼓勵(lì)系統(tǒng)才可使用。激振器系統(tǒng)如以以下圖。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置由激振器系統(tǒng)產(chǎn)生的鼓勵(lì)信號(hào)廣泛，可控性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，因而是最常用的鼓勵(lì)裝置?！?〕信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器提供激振器所需要的鼓勵(lì)信號(hào)源。信號(hào)源類(lèi)型一般有以下幾種：①穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)；

1激振器系統(tǒng)第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置②周期信號(hào)；③隨機(jī)信號(hào)；④猝發(fā)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器提供的鼓勵(lì)信號(hào)可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器提供的信號(hào)質(zhì)量較模擬式信號(hào)要高得多，故逐漸成為主流信號(hào)源。無(wú)論是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，還是計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)生的信號(hào)源，最終均以模擬電壓信號(hào)輸出。1激振器系統(tǒng)第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置〔2〕功率放大器信號(hào)發(fā)生器提供的鼓勵(lì)信號(hào)主要是包含特定頻率成分和作用時(shí)間的電壓信號(hào)，一般能量很小，無(wú)法直接推動(dòng)激振器，必須經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行功率放大后轉(zhuǎn)換為具有足夠能量的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激振器工作。根據(jù)負(fù)反響類(lèi)型不同，功率放大器分為定電壓功率放大器和定電流功率放大器。1激振器系統(tǒng)第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置1激振器系統(tǒng)第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置〔3〕激振器1激振器系統(tǒng)不同激振器的用途不同，在模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，常用電動(dòng)力式和電動(dòng)液壓式激振器。電動(dòng)力式激振器根本原理是電磁感應(yīng)定律，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，將由功率放大器提供的鼓勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為激振力信號(hào)。電動(dòng)力式激振器具有頻率范圍大(上限30kHz，下限1～3Hz)，激振力幅值、頻率及相位易調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置〔3〕激振器1激振器系統(tǒng)電動(dòng)液壓式激振器是一種電控制、液壓驅(qū)動(dòng)的激振器，結(jié)構(gòu)要比電動(dòng)式激振器復(fù)雜得多。它由電動(dòng)局部、液壓驅(qū)動(dòng)局部和激振局部組成。工作原理是，經(jīng)功率放大器放大的鼓勵(lì)信號(hào)送至電動(dòng)局部，經(jīng)液壓驅(qū)動(dòng)局部將激振力放大。電動(dòng)液壓式激振器是一種大型激振設(shè)備，可承受幾千牛頓的預(yù)壓力和高達(dá)幾百千牛頓的激振力。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置2沖擊錘沖擊錘又稱(chēng)力錘，是模態(tài)實(shí)驗(yàn)中另一種常用的鼓勵(lì)裝置。目前沖擊錘多用于SISO參數(shù)識(shí)別方法中。錘擊鼓勵(lì)提供的是一種瞬態(tài)鼓勵(lì)，這種鼓勵(lì)只需一把沖擊錘即可實(shí)現(xiàn)，比激振器系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置2沖擊錘沖擊錘錘帽可更換，以得到不同的沖擊力譜。沖擊錘錘頭可有不同的重量，以得到不同能量的鼓勵(lì)信號(hào)。對(duì)普通結(jié)構(gòu)，用SISO頻域法做參數(shù)識(shí)別時(shí)，使用沖擊錘一般能得到相當(dāng)滿(mǎn)意的結(jié)果。加之鼓勵(lì)設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用方便，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，特別適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，故一般工程測(cè)試單位中均將錘擊鼓勵(lì)作為優(yōu)先考慮的鼓勵(lì)方式之一。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置2沖擊錘通常力錘難以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行鼓勵(lì),原因在于鼓勵(lì)力的能量太小。東方所的彈性聚能力錘主體采用鋼材料制成,力錘的頭部用橡膠制成,在錘頭和錘柄之間的彈簧裝置,使力的持續(xù)時(shí)間到達(dá)20ms以上，鼓勵(lì)力可達(dá)5～12.5噸。由于較大的鼓勵(lì)力,力的能量也就足夠大以激起橋梁的振動(dòng)。又因?yàn)楣膭?lì)力的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),使鼓勵(lì)力的能量集中于低頻。這種鼓勵(lì)力那么非常適合于大型低頻結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)。第7章信號(hào)測(cè)量7.4鼓勵(lì)裝置3階躍鼓勵(lì)裝置階躍鼓勵(lì)是模態(tài)實(shí)驗(yàn)中特有的一種鼓勵(lì)方式，它是通過(guò)突加或突卸力載荷(或位移)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)鼓勵(lì)。如使用剛度大、重量輕的纜索拉緊被測(cè)結(jié)構(gòu)某一局部，突然釋放纜索中的拉力，形成系統(tǒng)的一個(gè)階躍鼓勵(lì)。階躍鼓勵(lì)的特點(diǎn)：能量大；鼓勵(lì)高頻成分少。故適用于大型、重型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)了解鼓勵(lì)信號(hào)是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。在制定模態(tài)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，必須根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、測(cè)試環(huán)境、現(xiàn)有儀器條件、測(cè)試精度等諸方面選用適宜的鼓勵(lì)信號(hào)。有時(shí)需要選擇幾種鼓勵(lì)方式進(jìn)行試測(cè)，以確定最優(yōu)鼓勵(lì)信號(hào)。模態(tài)實(shí)驗(yàn)中往往由于鼓勵(lì)信號(hào)選擇不當(dāng)而無(wú)法收到滿(mǎn)意的測(cè)試效果。模態(tài)實(shí)驗(yàn)中常用的鼓勵(lì)信號(hào)分為穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)、純隨機(jī)信號(hào)、周期信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)。第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)1穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)是模態(tài)實(shí)驗(yàn)最早采用的一種鼓勵(lì)信號(hào)。通過(guò)緩慢改變正弦信號(hào)的頻率，可激發(fā)出系統(tǒng)的各階主振動(dòng)。頻率的變化必須足夠慢，以使結(jié)構(gòu)響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)。另外，還應(yīng)注意，在共振區(qū)附近，信號(hào)頻率改變量要?。欢诜枪舱駞^(qū)，信號(hào)頻率可以改變得多一些。一般在測(cè)試時(shí)，先初步掃頻，根據(jù)響應(yīng)確定系統(tǒng)的幾個(gè)共振峰，再仔細(xì)掃頻，獲得詳細(xì)鼓勵(lì)與響應(yīng)數(shù)據(jù)。第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：鼓勵(lì)能量能集中在單一頻率上，測(cè)量信號(hào)具有很高的信噪比，因而測(cè)試精度很高；信號(hào)的頻率和幅值易于控制。1穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)2純隨機(jī)信號(hào)純隨機(jī)信號(hào)又稱(chēng)白噪聲信號(hào)。理論上的純隨機(jī)信號(hào)是具有高斯分布的白噪聲，在整個(gè)時(shí)間歷程上都是隨機(jī)的，不具有周期性。頻率域上是一條平直的直線，包含0～∞的頻率成分，且任何頻率成分所包含的能量相等。

第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)

3瞬態(tài)信號(hào)

由于瞬態(tài)信號(hào)包含較寬的鼓勵(lì)力頻率成分，且頻率成分比較容易控制，故瞬態(tài)信號(hào)是模態(tài)實(shí)驗(yàn)中采用的主要鼓勵(lì)方式之一。〔1〕掃頻正弦猝發(fā)信號(hào)以快速掃頻正弦信號(hào)作為鼓勵(lì)信號(hào)，并取其掃頻周期為猝發(fā)鼓勵(lì)時(shí)間，便獲得掃頻正弦猝發(fā)信號(hào)。第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)

3瞬態(tài)信號(hào)

〔1〕掃頻正弦猝發(fā)信號(hào)掃頻正弦猝發(fā)信號(hào)快速掃頻正弦信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)

3瞬態(tài)信號(hào)

〔2〕隨機(jī)猝發(fā)信號(hào)以周期隨機(jī)信號(hào)作為鼓勵(lì)信號(hào)，并取周期信號(hào)的周期作為猝發(fā)鼓勵(lì)的時(shí)間，即可獲得隨機(jī)猝發(fā)信號(hào)。隨機(jī)猝發(fā)信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)

3瞬態(tài)信號(hào)

〔2〕沖擊信號(hào)沖擊信號(hào)又稱(chēng)脈沖信號(hào)，沖擊錘(力錘)是產(chǎn)生脈沖鼓勵(lì)最常用的鼓勵(lì)裝置。沖擊信號(hào)的時(shí)間歷程見(jiàn)圖。第7章信號(hào)測(cè)量7.5鼓勵(lì)信號(hào)

3瞬態(tài)信號(hào)

〔2〕沖擊信號(hào)沖擊信號(hào)的頻率成分和能量可大致控制，試驗(yàn)周期短，無(wú)泄漏，但信噪比差，特別是對(duì)大型結(jié)構(gòu)，沖擊錘產(chǎn)生的鼓勵(lì)能量往往缺乏以激起足夠大的響應(yīng)信號(hào)。即使如此，沖擊鼓勵(lì)仍不失為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的鼓勵(lì)方式。第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)將被測(cè)機(jī)械量采集下來(lái)，轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)，經(jīng)前置放大和微積分變換，變成可供分析儀器使用的與機(jī)械量對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)由傳感器及其配套測(cè)量電路組成，如以以下圖。第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的根本環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗和精度。選擇測(cè)量系統(tǒng)要考慮試驗(yàn)要求的頻率范圍、幅值量級(jí)、測(cè)量參數(shù)(位移、速度、加速度、力、應(yīng)變等)及試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試條件等多種因素。測(cè)量系統(tǒng)中傳感器是非常重要的一環(huán)。傳感器有很多種分類(lèi)方法，如根據(jù)與被測(cè)結(jié)構(gòu)的接觸方式不同，分為：接觸式和非接觸式兩種；根據(jù)測(cè)試信號(hào)不同，分為力、響應(yīng)傳感器；根據(jù)傳感器換能方式不同，分為壓電、渦流等。第7章信號(hào)測(cè)量7.6測(cè)量系統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)中常用壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器，屬于接觸式傳感器，與之配套的測(cè)量放大器是電荷放大器。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器1引言人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息如溫度、氣味等，必須借助感覺(jué)器官。而單靠感官，在研究自然現(xiàn)象或規(guī)律時(shí)其功能及精確度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此時(shí)需要借助傳感器〔能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置〕，可以認(rèn)為傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)〔電五官〕。傳感器的定義包含以下幾方面的意思：傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器輸入量是某一被測(cè)量；輸出量是某種物理量〔電物理量〕，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、顯示和處理；輸入與輸出有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要的途徑和手段。

1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器傳感器通常由敏感元件〔直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件〕、轉(zhuǎn)換元件〔將敏感元件的輸出作為輸入，它將輸入轉(zhuǎn)換成電路參量〕、根本轉(zhuǎn)換電路〔對(duì)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成的電路參量轉(zhuǎn)換成電量輸出〕三局部組成。組成框圖如下：1引言敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器有些傳感器很簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的傳感器就由一個(gè)敏感元件組成，如溫度計(jì)、熱電偶。再有些傳感器，如壓電式的加速度傳感器由敏感元件〔質(zhì)量塊〕和轉(zhuǎn)換元件〔壓電晶體〕組成。因壓電晶體的輸出已經(jīng)是電量，故無(wú)需轉(zhuǎn)換電路。而有些傳感器的轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過(guò)假設(shè)干次轉(zhuǎn)換。1引言第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器傳感器的特性主要是輸入與輸出之間的關(guān)系。另外還有使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。下面主要介紹傳感器的靜特性〔被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系〕：線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問(wèn)題。2傳感器特性第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其輸入輸出可用以下多項(xiàng)式表示：2傳感器特性式中：

y-輸出量；x-輸入量；

a0-零點(diǎn)輸出；

a1-理論靈敏度；

a2，…非線性項(xiàng)系數(shù)。

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得，在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。一般在非線性不太大的情況下，總是采用直線擬合的方法來(lái)線性化。目前常用的擬合方法有：理論擬合；過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；最小二乘擬合等。2傳感器特性

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器最簡(jiǎn)單常用的是理論擬合：2傳感器特性

線性度第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器2傳感器特性設(shè)傳感器滿(mǎn)量程的輸出量為Um,那么傳感器的線性度為：

線性度線性度應(yīng)愈小愈好。線性范圍：在誤差范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)量振動(dòng)量范圍。最低可測(cè)振動(dòng)幅值取決于傳感器的分辨率，最高可測(cè)振動(dòng)幅值取決于傳感器的結(jié)構(gòu)特性。

頻率范圍：在允許的誤差范圍可測(cè)量頻率。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

遲滯特性2傳感器特性傳感器在正〔輸入量增大〕反〔輸入量減少〕行程中輸出輸入曲線不重合，稱(chēng)為遲滯。遲滯特性曲線由試驗(yàn)測(cè)得，如以以下圖：第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

可重復(fù)性2傳感器特性可重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)屢次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線一致性的程度。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性傳感器輸出的變化量Dy與引起該變化量的輸入變化量Dx之比即為其靜態(tài)靈敏度。如測(cè)振傳感器，其靈敏度是指輸出的電量〔如電壓〕與其所感受的機(jī)械量〔如振幅、速度、加速度〕變化量之比。其實(shí)傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性如測(cè)振傳感器，其設(shè)輸入的振動(dòng)為：輸出的電壓信號(hào)為：式中j為輸出信號(hào)u與被測(cè)振動(dòng)量x的相位滯后，稱(chēng)之為相移。那么其靈敏度為：第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性與靈敏度有直接關(guān)系的是分辨率〔分辨力〕。分辨率是指輸出的電量的變化量Du可以識(shí)別時(shí)，輸出振動(dòng)量的最小變化量Dx〔指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量〕。Dx越小說(shuō)明分辨率越高。有些傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只作階梯變化，那么分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯〞所代表的輸入量的大小。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

靈敏度2傳感器特性顯然，靈敏度越高，那么分辨率那么越高。因此，為了測(cè)量微小的幅值變化，要求傳感器有較高的靈敏度或分辨率。但注意，確定靈敏度時(shí)應(yīng)考慮在該靈敏度下的信躁比，片面追求靈敏度，將會(huì)造成信躁比的下降。傳感器的靈敏度應(yīng)是常量〔線性度〕。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器

穩(wěn)定性2傳感器特性穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量變化的情況，也稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。傳感器對(duì)于外界干擾抵抗能力的大小，如振動(dòng)、電磁、沖擊、潮濕等，稱(chēng)為抗干擾穩(wěn)定性。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器某些晶體材料〔例如天然石英晶體和人工極化陶瓷等〕在承受一定方向的外力或變形時(shí)，其晶面或極化面上會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。利用這種原理制成的傳感器稱(chēng)為壓電式傳感器〔力、響應(yīng)〕。壓電式傳感器的關(guān)鍵元件是壓電晶體，利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，將機(jī)械量(力、加速度)轉(zhuǎn)換為電荷量，經(jīng)電荷放大器放大并以電壓量輸出。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器壓電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖：xmMbakqxrPca第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器慣性式接受電荷放大器壓電式變換動(dòng)壓力Pxqu電荷電壓信號(hào)第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器

壓電加速度傳感器的電荷輸出幅值q正比于被測(cè)物體的加速度幅值a，即定義為壓電速度傳感器的靈敏度。電荷靈敏度的含義是：對(duì)應(yīng)于每一單位簡(jiǎn)諧加速度〔m·S-2〕的輸入，傳感器同頻率簡(jiǎn)諧電荷量〔pC〕的輸出。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器電荷靈敏度是壓電式傳感器的最重要性能參數(shù)，是我們選用傳感器的依據(jù)。其靈敏度很大程度上取決于質(zhì)量塊的大小。加速度傳感器的輸出為低電平、高阻抗信號(hào)，需要進(jìn)行調(diào)理。但目前已有將調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)的一體化加速度傳感器。加速度傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

測(cè)量頻率范圍寬；

尺寸小，重量輕；第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器3壓電式傳感器加速度傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

將調(diào)理電路一體化后，幾乎可全部涵蓋速度傳感器可測(cè)的范圍和場(chǎng)合;

線性度好,靈敏度高,性能穩(wěn)定等。加速度傳感器具有以下缺點(diǎn)：

一般需要信號(hào)調(diào)理；

低頻特性不好。壓電式加速度傳感器屬于接觸式、慣性式、絕對(duì)式傳感器，直接被固定在被測(cè)物體上。要求滿(mǎn)足跟隨條件。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器電渦流傳感器〔趨近式探頭〕屬于一種非接觸式傳感器。其工作原理基于電渦流效應(yīng)，如以以下圖。u磁芯線圈被測(cè)物體第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器線圈中通以交流電流那么產(chǎn)生交變磁通。當(dāng)被測(cè)物體外表靠近線圈時(shí)，交變磁通在物體外表感應(yīng)出電渦流。此電渦流又產(chǎn)生磁通，其總是阻礙原磁通變化，從而改變了線圈中的電感。u磁芯線圈被測(cè)物體在被測(cè)物體材料確定后，電感的變化只與距離的大小有關(guān)。通過(guò)測(cè)量電路將電感隨距離的變化轉(zhuǎn)化為電壓隨距離的變化。第7章信號(hào)測(cè)量7.7傳感器4電渦流傳感器電渦流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高；分辨率較高〔如測(cè)量位移時(shí)可精確到0.1mm〕;測(cè)量頻率范圍寬；測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。但也具有以下缺點(diǎn)：安裝要求高；必須提供外加電源；輸出信號(hào)中包含一直流偏量〔通常-8v〕，會(huì)影響測(cè)量靈敏度；需在機(jī)器某一部位加工安裝孔。第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定就是通過(guò)試驗(yàn)確立傳感器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系〔確定傳感器的性能指標(biāo)〕；同時(shí)也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系〔明確性能指標(biāo)的適用條件〕。標(biāo)定的根本方法是將的被測(cè)量〔標(biāo)準(zhǔn)量〕輸入到待標(biāo)定的傳感器，同時(shí)得到傳感器的輸出量〔測(cè)量量〕；對(duì)所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者關(guān)系的標(biāo)定曲線。從而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果。第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定1力傳感器標(biāo)定最簡(jiǎn)單的力標(biāo)定設(shè)備是各種測(cè)力砝碼。以以以下圖給出了一種杠桿式力傳感器標(biāo)定原理圖第7章信號(hào)測(cè)量7.8傳感器的標(biāo)定2振動(dòng)標(biāo)定設(shè)備利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，其關(guān)鍵是精確測(cè)量振動(dòng)臺(tái)在正弦信號(hào)鼓勵(lì)下的振幅值。測(cè)量振幅值可采用顯微鏡直接觀察振動(dòng)臺(tái)確定點(diǎn)或面的運(yùn)動(dòng)距離；也可采用激光干預(yù)法〔邁克爾遜干預(yù)儀〕，其測(cè)量鏡感受振動(dòng)臺(tái)的振幅值并與固定的參考鏡反射相干預(yù)而產(chǎn)生干預(yù)條紋。前者使用于0.01mm以上的