1、航空航天測(cè)試系統(tǒng)第第5章章 振動(dòng)、加速度與沖擊測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)、加速度與沖擊測(cè)量系統(tǒng)測(cè)振傳感器2振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)3 1加速度測(cè)量及傳感器3 3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)量的測(cè)量 振動(dòng)量：通常指反映振動(dòng)的強(qiáng)弱程度的量，亦即指振動(dòng)量：通常指反映振動(dòng)的強(qiáng)弱程度的量，亦即指振動(dòng)位移，振動(dòng)速度和和振動(dòng)加速度的大小。這三者之間存在著確定的微分的大小。這三者之間存在著確定的微分或積分關(guān)系。或積分關(guān)系。 究竟測(cè)量哪個(gè)振動(dòng)量是振動(dòng)測(cè)量中必須考慮的問(wèn)題之一。究竟測(cè)量哪個(gè)振動(dòng)量是振動(dòng)測(cè)量中必須考慮的問(wèn)題之一。加速度加速度22cos()cos()dvaAtAtdt 速速 度度sin()cos()2dxvAtAtdt )cos(tAx位

2、位 移移振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度三者的幅值之間的關(guān)系與頻率有關(guān)。在低頻振動(dòng)場(chǎng)合，加速度的幅值不大，宜選用振動(dòng)位移測(cè)量；在中頻振動(dòng)場(chǎng)合，宜選擇振動(dòng)速度測(cè)量，在高頻振動(dòng)場(chǎng)合，加速度幅值較大，宜選擇加速度測(cè)量。振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（1）正弦測(cè)量系統(tǒng)）正弦測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)量測(cè)量通常有以下幾種系統(tǒng)：振動(dòng)量測(cè)量通常有以下幾種系統(tǒng)： 正弦測(cè)量系統(tǒng)圖正弦測(cè)量系統(tǒng)圖 n 正弦測(cè)量系統(tǒng)適用于按簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)。正弦測(cè)量系統(tǒng)適用于按簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)。n 應(yīng)用正弦測(cè)量系統(tǒng)，除了測(cè)量振幅外，有時(shí)還要求測(cè)量振幅對(duì)于激應(yīng)用正弦測(cè)量系統(tǒng)，除了測(cè)量振幅外，有時(shí)還要求測(cè)量振幅對(duì)于激勵(lì)力的相位差，以及觀(guān)察振動(dòng)波形的畸變情況。勵(lì)力的相

3、位差，以及觀(guān)察振動(dòng)波形的畸變情況。 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（2）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)將電阻應(yīng)變片貼在結(jié)構(gòu)的測(cè)振點(diǎn)處，或直接制成應(yīng)變片式動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)將電阻應(yīng)變片貼在結(jié)構(gòu)的測(cè)振點(diǎn)處，或直接制成應(yīng)變片式位移計(jì)或加速度計(jì)，安裝在測(cè)振點(diǎn)處，將應(yīng)位移計(jì)或加速度計(jì)，安裝在測(cè)振點(diǎn)處，將應(yīng) 變片接入電橋，電橋由動(dòng)態(tài)應(yīng)變變片接入電橋，電橋由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的振蕩器供給穩(wěn)定的載波電壓。測(cè)振時(shí)由于振動(dòng)位移引起電橋失衡而輸出儀的振蕩器供給穩(wěn)定的載波電壓。測(cè)振時(shí)由于振動(dòng)位移引起電橋失衡而輸出一電壓，經(jīng)放大并轉(zhuǎn)一電壓，經(jīng)放大并轉(zhuǎn) 換成電流，由表頭指示，或由光學(xué)示波器、計(jì)算機(jī)記錄。換成電流，由表頭指示，或由

4、光學(xué)示波器、計(jì)算機(jī)記錄。 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的組成動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的組成振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 模擬量頻譜分析系統(tǒng)模擬量頻譜分析系統(tǒng) 傳感器經(jīng)微傳感器經(jīng)微/積分放大器后，進(jìn)入模擬量頻譜分析儀。模擬式積分放大器后，進(jìn)入模擬量頻譜分析儀。模擬式頻譜分析儀，由跟蹤濾波器或一系列窄帶帶通濾波器構(gòu)成，隨頻譜分析儀，由跟蹤濾波器或一系列窄帶帶通濾波器構(gòu)成，隨著濾波器中心頻率的變化，信號(hào)中的相應(yīng)頻率的諧波分量得以著濾波器中心頻率的變化，信號(hào)中的相應(yīng)頻率的諧波分量得以通過(guò)，從而可以得到不同頻率的諧波分量的幅值或功率的值，通過(guò)，從而可以得到不同頻率的諧波分量的幅值或功率的值，由儀表顯示或記錄；由儀表顯示或記錄；

5、 數(shù)字頻譜分析系統(tǒng)數(shù)字頻譜分析系統(tǒng) 現(xiàn)代振動(dòng)分析系統(tǒng)大都是數(shù)字式分析系統(tǒng)。將來(lái)自傳感器的模現(xiàn)代振動(dòng)分析系統(tǒng)大都是數(shù)字式分析系統(tǒng)。將來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列信號(hào)，然后通過(guò)快速傅里葉（通過(guò)快速傅里葉（FFT）的運(yùn)算，獲得被測(cè)系統(tǒng)的頻譜。）的運(yùn)算，獲得被測(cè)系統(tǒng)的頻譜。 （3）頻譜分析系統(tǒng)）頻譜分析系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的估計(jì):單自由度系統(tǒng)固有頻率和阻尼的測(cè)量1. 自由振動(dòng)法 一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，若給予初始沖擊（其初速度為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，若給予初始沖擊（其初速度為dz(0)dt)或初始位移或初始位移z0

6、）,則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動(dòng)。則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)參數(shù)估計(jì)的目的是用以確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型等振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。 u 自由振動(dòng)法自由振動(dòng)法u 共振法共振法振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)2.共振法 單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)。當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)。當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)就急劇增大。固有頻率時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)就急劇增大。位移共振：位移共振：振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)振傳感器p 分類(lèi)：接觸式和非接觸式分類(lèi)：接觸式和非接觸式p 接觸式：按殼體的固定方式分為接觸式：按殼體的固定方式分為p相對(duì)式：殼體固定在基座上，測(cè)桿和被測(cè)對(duì)象相聯(lián)，敏相對(duì)式：殼

7、體固定在基座上，測(cè)桿和被測(cè)對(duì)象相聯(lián)，敏感被測(cè)對(duì)象相對(duì)于基座的振動(dòng)；感被測(cè)對(duì)象相對(duì)于基座的振動(dòng)；p絕對(duì)式：殼體固定在被測(cè)對(duì)象上，彈簧支撐一個(gè)慣性體絕對(duì)式：殼體固定在被測(cè)對(duì)象上，彈簧支撐一個(gè)慣性體感受振動(dòng)，又稱(chēng)為慣性式測(cè)振傳感器；感受振動(dòng)，又稱(chēng)為慣性式測(cè)振傳感器；p 振動(dòng)測(cè)試：對(duì)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度這些振動(dòng)振動(dòng)測(cè)試：對(duì)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度這些振動(dòng)量的檢測(cè)，它們反映了振動(dòng)的強(qiáng)弱程度。量的檢測(cè)，它們反映了振動(dòng)的強(qiáng)弱程度。（一）力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程式測(cè)振傳感器慣性式位移傳感器的輸出位移慣性式位移傳感器的輸出位移zm反映被測(cè)振動(dòng)反映被測(cè)振動(dòng)的位移量的位移量xm。測(cè)振傳感器/3()1()1

8、80nxA 測(cè)振傳感器n 位移傳感器的上限測(cè)量頻率在理論上是無(wú)限的，但實(shí)際位移傳感器的上限測(cè)量頻率在理論上是無(wú)限的，但實(shí)際上受具體儀器結(jié)構(gòu)和元器件特性、后繼放大電路頻響等上受具體儀器結(jié)構(gòu)和元器件特性、后繼放大電路頻響等條件的限制，不能太高。條件的限制，不能太高。n 下限測(cè)量頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和質(zhì)量塊尺寸、重量下限測(cè)量頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和質(zhì)量塊尺寸、重量等因素的限制，使等因素的限制，使 n n不能太小。不能太小。n 因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。測(cè)振傳感器 慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件 慣性式加速度傳感器的質(zhì)量塊相對(duì)位移慣

9、性式加速度傳感器的質(zhì)量塊相對(duì)位移Zm與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移來(lái)反映被測(cè)振動(dòng)的加速度大小。的位移來(lái)反映被測(cè)振動(dòng)的加速度大小。加速度傳感器幅頻特性的表達(dá)式加速度傳感器幅頻特性的表達(dá)式 :測(cè)振傳感器21/31( )20nnnAkHz 常數(shù)，很高，可達(dá)測(cè)振傳感器1. 慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是它具有零頻慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是它具有零頻率持性率持性, 理論下限測(cè)量頻率為零，實(shí)際下限測(cè)量理論下限測(cè)量頻率為零，實(shí)際下限測(cè)量頻率極低。頻率極低。為使為使 n遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)頻率，加速度傳感器的遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)頻率，加速度傳感器的尺寸、質(zhì)量可做

10、得很小（小于尺寸、質(zhì)量可做得很小（小于1g），從而對(duì)被），從而對(duì)被測(cè)對(duì)象的附加影響也小。測(cè)對(duì)象的附加影響也小。2. 3. 傳感器的影響：傳感器的影響：tnttmaammmffmmm為傳感器質(zhì)量固定在被測(cè)對(duì)象上的慣性式傳感器將作為附加質(zhì)量使整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生變化。測(cè)振傳感器電渦流測(cè)振傳感器當(dāng)光程差每變化半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，明暗條紋變化一次。設(shè)一個(gè)振動(dòng)周當(dāng)光程差每變化半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，明暗條紋變化一次。設(shè)一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，計(jì)得干涉條紋變化數(shù)為期內(nèi)，計(jì)得干涉條紋變化數(shù)為N，則：，則：428mmNXNX邁邁克克爾爾遜遜干干涉涉儀儀激光測(cè)振儀加速度是表征物體運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量。加速度是表征物體運(yùn)動(dòng)本質(zhì)

11、的一個(gè)基本物理量。可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過(guò)飛行器的加速度來(lái)測(cè)量它的速慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過(guò)飛行器的加速度來(lái)測(cè)量它的速度度(地速地速)、位置、已飛過(guò)的距離等。、位置、已飛過(guò)的距離等。可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷，以便正確設(shè)計(jì)其機(jī)械強(qiáng)度和按照設(shè)計(jì)指標(biāo)速度負(fù)荷，以便正確設(shè)計(jì)其機(jī)械強(qiáng)度和按照設(shè)計(jì)指標(biāo)正確控制其運(yùn)動(dòng)加速度，以免機(jī)件損壞。正確控制其運(yùn)動(dòng)加速度，以免機(jī)件損壞。對(duì)于加速度，常用絕對(duì)法測(cè)量，即把慣性型測(cè)量裝置對(duì)于加速度，常用絕對(duì)法測(cè)量，即把

12、慣性型測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。加速度測(cè)量加速度測(cè)量當(dāng)質(zhì)量塊受力平衡時(shí)，質(zhì)量塊當(dāng)質(zhì)量塊受力平衡時(shí)，質(zhì)量塊m相對(duì)于基座的位移與加速相對(duì)于基座的位移與加速度成正比，故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。度成正比，故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。設(shè)傳感器基座相對(duì)于參考坐標(biāo)的位移為設(shè)傳感器基座相對(duì)于參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì)量塊，質(zhì)量塊m相對(duì)于參相對(duì)于參考坐標(biāo)的位移為考坐標(biāo)的位移為x，質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移為，質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移為y：byxx22 2211 () 2 ()mmnnnya解此線(xiàn)性微分方程，可得：解此線(xiàn)性微分方程，可得：如上所述，質(zhì)量如上所述，

13、質(zhì)量彈簧彈簧阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移與之成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移;位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器: 采用位移傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊的相采用位移傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移，可構(gòu)成各種類(lèi)型的加速度計(jì)。對(duì)位移，可構(gòu)成各種類(lèi)型的加速度計(jì)。 變磁阻式加速度傳感器變磁阻式加速度傳感器當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，差動(dòng)變壓器就當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，差動(dòng)變壓器就輸出與位移輸出與位移( (也即與加速度也即與加速度) )成近似線(xiàn)性關(guān)系的電壓，加成近似線(xiàn)性關(guān)系的電壓，加速度方向改變時(shí)，輸出電壓的相位相應(yīng)地改變速度方向

14、改變時(shí)，輸出電壓的相位相應(yīng)地改變180180。位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器以通過(guò)彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，以通過(guò)彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，并利用空氣阻尼。并利用空氣阻尼。特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍寬，測(cè)量范圍大。特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍寬，測(cè)量范圍大。位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器霍爾式加速度傳感器霍爾式加速度傳感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的慣性力成比例的慣性力 梁發(fā)生彎梁發(fā)生彎曲變形曲變形 自由端產(chǎn)生與加速度成比例的位移自由端產(chǎn)生與加速度成比例的位移 霍爾霍爾元件輸出與加速度成比例的霍爾電勢(shì)元件輸出與加速

15、度成比例的霍爾電勢(shì)U UH H。位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器n 測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳感器靈敏度較低。測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳感器靈敏度較低。n廣泛采用基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器廣泛采用基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器n電阻應(yīng)變式、壓阻式和壓電式加速度傳感器。電阻應(yīng)變式、壓阻式和壓電式加速度傳感器。基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器v 工作原理工作原理: 敏感質(zhì)量塊感受加速度；敏感質(zhì)量塊感受加速度； 產(chǎn)生與之成正比的慣性力產(chǎn)生與之成正比的慣性力Fma； 再通過(guò)彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或再通過(guò)彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過(guò)壓電元件把慣性力

16、轉(zhuǎn)變成電荷量；通過(guò)壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量； 測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力或電荷來(lái)間接測(cè)量加速度。測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力或電荷來(lái)間接測(cè)量加速度。基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器等強(qiáng)度彈性懸臂梁固定安裝在傳感器的基座上，梁的自等強(qiáng)度彈性懸臂梁固定安裝在傳感器的基座上，梁的自由端固定一質(zhì)量塊由端固定一質(zhì)量塊m，在梁的根部附近兩面上各貼一個(gè)，在梁的根部附近兩面上各貼一個(gè)(兩個(gè)兩個(gè))性能相同的應(yīng)變片，應(yīng)變片接成對(duì)稱(chēng)差動(dòng)電橋。性能相同的應(yīng)變片，應(yīng)變片接成對(duì)稱(chēng)差動(dòng)電橋。aFma當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生慣性力當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生慣性力Fa時(shí)，在力時(shí)，在力Fa的作

17、用的作用下，懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其應(yīng)變?yōu)橄拢瑧冶哿喊l(fā)生彎曲變形，其應(yīng)變?yōu)?266allFmaEbhEbh粘貼在梁兩面上的應(yīng)變片分別感受正粘貼在梁兩面上的應(yīng)變片分別感受正(拉拉)應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變和負(fù)(壓壓)應(yīng)變應(yīng)變而電阻增加和減小，電橋失去平衡而輸出與加速度成正比而電阻增加和減小，電橋失去平衡而輸出與加速度成正比的電壓的電壓U0，即，即壓電式加速度傳感器n當(dāng)殼體連同基座和被測(cè)當(dāng)殼體連同基座和被測(cè)對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性質(zhì)對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性質(zhì)量塊相對(duì)于殼體或基座產(chǎn)量塊相對(duì)于殼體或基座產(chǎn)生位移，由此位移產(chǎn)生的生位移，由此位移產(chǎn)生的彈性力加于壓電元件上，彈性力加于壓電元件上，在壓電元件的兩個(gè)端面上在壓電元件

18、的兩個(gè)端面上就產(chǎn)生了極性相反的電荷。就產(chǎn)生了極性相反的電荷。n 屬于慣性式傳感器屬于慣性式傳感器 其中其中k1為彈簧剛度，為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；其中為壓電元件的剛度；其中ms為慣性質(zhì)為慣性質(zhì)量，量，mb為殼體或其座的質(zhì)量。為殼體或其座的質(zhì)量。 K為等效剛度，為等效剛度，M為等效質(zhì)為等效質(zhì)量。量。222212121 () ()()/()()nnnsbsbsbsbd xdtzxK Mkkmmm mKkkMm mmm2為被測(cè)振動(dòng)位移壓電式傳感器通常不用阻尼元件，且其元件的內(nèi)部阻尼也很壓電式傳感器通常不用阻尼元件，且其元件的內(nèi)部阻尼也很小（小（ (C+Cf)K為放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)壓電式加速度傳感器 靈敏度：質(zhì)量塊質(zhì)量越大，靈敏度越高； 頻率響應(yīng)范圍：傳感器的固有頻率越高，則其可測(cè)頻率范圍越寬，目前可測(cè)的最傳感器的固有頻率越高，則其可測(cè)頻率范圍越寬，目前可測(cè)的最低頻率達(dá)低頻率達(dá)0.1Hz。 壓電式加速度計(jì)常用的安裝方法：安裝狀態(tài)直接影響可測(cè)的頻率范圍 。一般用粘。一般用粘結(jié)法固定的可測(cè)頻率不超過(guò)結(jié)法固定的可測(cè)頻率不超過(guò)5kHz。手持探針?lè)ㄖ荒苡糜凇Ｊ殖痔结樂(lè)?/p>