1、振動(dòng)試驗(yàn)培訓(xùn)教材沈國(guó)良上海航天局808研究所第一章 振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)1 周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)11 簡(jiǎn)諧振動(dòng) 最簡(jiǎn)單的周期振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，例如，質(zhì)點(diǎn)沿直線x振動(dòng)，它離開(kāi)平衡位置的瞬時(shí)位移可用下列方程來(lái)描述 x(t)=Asin(t) （1.1）式中 角頻率 A振動(dòng)位移的最大幅值 T時(shí)間圖1.1表示了1.1式的振動(dòng)波型。. 圖1.1簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)從（1.1）式振動(dòng)的位移關(guān)系式，經(jīng)過(guò)對(duì)t求導(dǎo)，可得到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度信號(hào)： V（t）=dx (t) / dt = Asin(t+/2) （1.2）（1.1）式對(duì)t經(jīng)2次求導(dǎo)，可得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度信號(hào)： a(t)=dv（t）/dt=2Asin(t+) (1.3)從（1.

2、1）式（1.2）式和（1.3）式可見(jiàn)，在正弦振動(dòng)中，加速度、速度、位移的振動(dòng)幅度與角頻率有關(guān)，而相位分別超前90o和180o。在振動(dòng)中，幅度除了用峰值表示外，還可以用有效值來(lái)表示，其關(guān)系式如下： ARMS = （1.4）在正弦振動(dòng)中，有效期值與峰值的關(guān)系為： ARMS = （1.5）12復(fù)雜周期振動(dòng)：任何復(fù)雜的周期振動(dòng)信號(hào)都可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)之和，如下式所示：f(t) = Ao+A1sin(1t+1)+ +A2sin(2t+2) +Ansin(nt+n) (1.6)它由角頻率1的基頻和一系列倍頻的諧波組成，復(fù)雜周期信號(hào)通過(guò)頻譜分析儀就可以將上述基頻和倍頻諧波的信號(hào)分析出來(lái)。13準(zhǔn)周期

3、振動(dòng)：如果有二個(gè)頻率成分的振動(dòng)，它們的頻率之比不是有理數(shù)，那么這二個(gè)頻率合成后不存在公共周期，這樣的振動(dòng)信號(hào)稱為準(zhǔn)周期信號(hào)，典型的表達(dá)如下： x(t) =A1sin(1t+1)+ A2sin(1t+2) (1.7)在傳動(dòng)齒輪的振動(dòng)中?？梢?jiàn)這種類型的振動(dòng)信號(hào)。14 瞬態(tài)振動(dòng)：系統(tǒng)受到瞬態(tài)振動(dòng)激勵(lì)，其力、位移、速度和加速度會(huì)發(fā)生突然的變化，這種現(xiàn)象稱為沖擊。在沖擊作用下，系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)是非平穩(wěn)的，非隨機(jī)的，是短時(shí)存在的，我們?cè)跊_擊試驗(yàn)中常用的半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波就是這種類型的信號(hào)。 半正弦波 后峰鋸齒波 梯形波圖1.2 三種常用的沖擊波形15 隨機(jī)振動(dòng)：在自然界中，大量的振動(dòng)是非確定性的，

4、事先不能確定未來(lái)的位置與振動(dòng)參數(shù)的瞬時(shí)值，它不能用確定的函數(shù)關(guān)系來(lái)描述。這類振動(dòng)我們稱為隨機(jī)振動(dòng)。為了研究隨機(jī)振動(dòng)，我們采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)研究，如果隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化，稱之為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)整個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性與每個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)特性相同時(shí)，稱這種平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程為各態(tài)歷經(jīng)的過(guò)程。即時(shí)間平均等于集平均。對(duì)于各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，這要一個(gè)樣本函數(shù)就能反映整個(gè)隨機(jī)過(guò)程的特性，若隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間而變時(shí)則稱為非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)。1.5.1 平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)由于隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的不確定性和復(fù)雜性，必須從不同的角度來(lái)研究它的統(tǒng)計(jì)特性，即可以從時(shí)域、幅值域、時(shí)差域和頻率域等來(lái)描述。以下介紹各態(tài)歷

5、經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的描述方法。a）時(shí)域描述均值各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的均值x等于樣本函數(shù)的時(shí)間平均值。設(shè)T為樣本長(zhǎng)度或采樣長(zhǎng)度，則 x= ( 1.8 )均方值、均方根值均方值定義為： （ 1.9 ）均方根值是均方值的正平方根。均方根值也是有效值。方差、標(biāo)準(zhǔn)差方差定義為： （ 1.10 ）標(biāo)準(zhǔn)差是方差的正平方根。均值表示隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的直流分量，方差表示隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的交流分量，即 （ 1.11 ）b)幅值域描述概率密度隨機(jī)變量的取值事先是不可予知的，但對(duì)于各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程信號(hào)小于某值在某一范圍內(nèi)的概率是確定的，并且是可以計(jì)算出來(lái)的。概率分布函數(shù)：隨機(jī)變量X（t1）小于某個(gè)特定值x的概率ProbX（t

6、1）x，即：P（x，t1）= ProbX（t1）x （1.12）對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，此函數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)，即P（x，t）= P（x） （1.13）對(duì)于各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程，按下式計(jì)算：P（x）= （1.14）概率密度函數(shù)：隨機(jī)變量x（t）在給定幅值上的分布密度稱之為概率密度函數(shù)，記作p（x），它是概率分布函數(shù)的導(dǎo)數(shù)：p（x）= （1.15）許多實(shí)際問(wèn)題的概率密度函數(shù)可以認(rèn)為是正態(tài)分布的，如下式所示p（x）= (1.16)圖1.3 正態(tài)分布曲線c）時(shí)差域描述自相關(guān)函數(shù):自相關(guān)函數(shù)描述了隨機(jī)過(guò)程某時(shí)刻t的數(shù)值與另一時(shí)刻(t+)的數(shù)值之間的依賴關(guān)系，即描述了隨機(jī)過(guò)程不同時(shí)刻之間的相關(guān)性：Rxx（）= （1.

7、17）自相關(guān)函數(shù)在隨機(jī)振動(dòng)分析中是一個(gè)很重要的參數(shù)，不同形式的時(shí)間歷程都有其相對(duì)應(yīng)的自相關(guān)圖，Rxx（）曲線收斂的快慢在一定程度程度上反映隨機(jī)信號(hào)所含頻率成分的多少，反映波形平緩和陡峭的程度，例如，正弦波的自相關(guān)函數(shù)不收斂，白噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)收斂最快?；ハ嚓P(guān)函數(shù)若隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)x（t）是一隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)樣本函數(shù)，而y（t）是另一隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)樣本函數(shù)，則這兩組隨機(jī)數(shù)據(jù)的互相關(guān)函數(shù)定義為：Rxy（）= （1.18）互相關(guān)函數(shù)Rxy（）是的函數(shù)，它描述兩組數(shù)值之間的依賴關(guān)系。d）頻域描述自功率譜密度函數(shù)：功率譜密度函數(shù)是描述隨機(jī)振動(dòng)的頻率構(gòu)成，它可由自相關(guān)函數(shù)推導(dǎo)出來(lái)。根據(jù)富里葉變換理論：Sxx

8、（）= （1.19）Sxx（）的逆變換為Rxx（）R xx（）= （1.20）式中Sxx（）是雙邊譜，它在頻率-到+中存在，在工程實(shí)際中，僅對(duì)正頻率有物理意義，因而用單邊譜來(lái)表達(dá)：G xx（）= （1.21） 互功率譜密度函數(shù)：互功率譜密度函數(shù)可以從互相關(guān)函數(shù)的富里葉變換而求得S xy（）= （1.22）它也是雙邊譜，同樣在實(shí)際工作中使用的是單邊互譜，其頻率只取正值G xy（）= （1.23）互功率譜密度函數(shù)有很多重要的應(yīng)用，例傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。傳遞函數(shù)：H（）= （1.24）相干函數(shù)： （1.25）相干函數(shù)可以用于確定兩時(shí)間函數(shù)在頻率域的相關(guān)程度，還可以直接評(píng)定頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)量結(jié)果的好壞。

9、1.5.2 非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)：若隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間變化，則稱為非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)。非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)不是各態(tài)歷經(jīng)的，它的概率特性不能從一次記錄或一段記錄的平均來(lái)到，必須進(jìn)行總體平均。嚴(yán)格地說(shuō)，各種隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)都有一定的不穩(wěn)定性，但其特征參數(shù)變化緩慢，一般將其作為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)來(lái)處理。2振動(dòng)系統(tǒng)的物理模型對(duì)于一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，要研究其振動(dòng)特性，首先將這個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的一系列彈簧、質(zhì)量和阻尼器構(gòu)成的物理模型，根據(jù)這一物理模型中的受力狀態(tài)，按牛頓定律，列出平衡方程組，求解該方程組，即可求得該系統(tǒng)的振動(dòng)特性解。下面我們以一個(gè)最簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng)為例，這是由一個(gè)質(zhì)量塊和一根彈簧組成的系統(tǒng)，

10、分析該質(zhì)量塊上所受的力，列出如下方程：M+K= 0 （1.26）圖2.1 單自由度系統(tǒng)和受力圖解方程（1.26），得0 = （1.27）這個(gè)解表明該系統(tǒng)的固有特性，我們稱其為系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)在質(zhì)量塊M上作用一正弦激振力F=F0sin（t） (1.28)方程（1.26）就成為M+K= F0sin（t） （1.29）方程（1.29）是強(qiáng)迫振動(dòng)的情況。當(dāng)激振力頻率=0時(shí)，其振幅趨向于無(wú)窮大，這就是共振現(xiàn)象。圖2.2 強(qiáng)拍振動(dòng)時(shí)位移頻率的關(guān)系曲線當(dāng)然，結(jié)構(gòu)中總是有阻尼力存在，因而不可能振幅達(dá)到無(wú)窮大，圖（2.2）給出了兩種阻尼比位移解的理論曲線。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)，往往不能簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化成上述的單自由度

11、系統(tǒng)，而必須看成由許多質(zhì)量、彈簧、阻尼器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，描述復(fù)雜系統(tǒng)的方程組，我們用矩陣的方法來(lái)表達(dá)，就簡(jiǎn)潔的多。M+C+Kx=F （1.30）一般來(lái)說(shuō)一個(gè)具有n階方程的系統(tǒng)，就有n個(gè)固有頻率。第二章 振動(dòng)測(cè)量傳感器原理與使用方法振動(dòng)測(cè)量的主要任務(wù)是進(jìn)行各種振動(dòng)量(振動(dòng)加速度、速度、位移及力等)的特性參數(shù)的測(cè)量。它包括振動(dòng)量的時(shí)間歷程的測(cè)量:振動(dòng)量峰值、有效值、平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)量:振動(dòng)量的頻率、相位、頻譜以及其他隨機(jī)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的測(cè)量:機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù),既傳遞函數(shù)、機(jī)械阻抗和模態(tài)參數(shù)的測(cè)量等。在振動(dòng)測(cè)量中能把被測(cè)機(jī)械量轉(zhuǎn)換成便于傳遞、變換、處理和保存的信號(hào),并且又不受觀測(cè)者直接影響的測(cè)

12、量裝置稱為振動(dòng)傳感器。他是振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此,在使用傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí),為了完成一定測(cè)量和要求的準(zhǔn)確程度,必須準(zhǔn)確地確定傳感器的參數(shù)及測(cè)量系統(tǒng)的性能。這項(xiàng)任務(wù)必須通過(guò)振動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)完成.振動(dòng)校準(zhǔn)的任務(wù)就是通過(guò)統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法確定傳感器或測(cè)量系統(tǒng)的輸出量與所受到的機(jī)械振動(dòng)量之間的比例(即靈敏度校準(zhǔn))；確定這種比例關(guān)系在所關(guān)心的頻率、幅度范圍內(nèi)是如何變化的(即頻率響應(yīng)校準(zhǔn)和幅值線性校準(zhǔn));通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)確定可能遇到的環(huán)境條件對(duì)這種比例的影響等等。這里所指的輸出量可以是傳感器的輸出,也可以是包括傳感器、適調(diào)器、表頭或其它放大、分析、記錄儀器的輸出量.前者稱為傳感器校準(zhǔn)，后者稱為系統(tǒng)校準(zhǔn)。近年來(lái),

13、隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,振動(dòng)參量的電測(cè)法越來(lái)越顯得優(yōu)越,它與其它方法相比,具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高以及電信號(hào)便于傳輸、變換、處理與保存等一系列優(yōu)點(diǎn),進(jìn)而得到廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)測(cè)量的電測(cè)傳感器種類很多,按其機(jī)電變換的物理原理不同可分為兩大類:一類是發(fā)電式傳感器,它的輸入量是機(jī)械振動(dòng)量,而輸出量是電荷、電壓等電量,常見(jiàn)的型式有電動(dòng)式、壓電式和磁電式等；另一類是參數(shù)式傳感器,它的輸入量是機(jī)械振動(dòng)量,而輸出量是電參數(shù)的變化量,這些電參數(shù)的變化再由配用的測(cè)量電路交換成電壓的變化。常見(jiàn)的有電感式、電容式、電阻式和渦流式等.另外若按傳感器接受部分的力學(xué)原理還可分為相對(duì)式和慣性式,按所測(cè)量的振動(dòng)量的

14、不同又可分為位移、速度、加速度及力等類型的傳感器。本章主要介紹壓電式加速度傳感器的原理、結(jié)構(gòu)與使用方法以及所配用的測(cè)量電路。1 壓電式加速度傳感器象天然石英晶體和人工極化陶瓷這樣的晶體材料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)象稱為正壓電效應(yīng).利用這種原理制成的傳感器稱為壓電式傳感器,它可以把待測(cè)振動(dòng)量變成電量進(jìn)行測(cè)量.具有靈敏度高、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小和重量輕等特點(diǎn)。常用的有壓電式加速度計(jì)、壓電式力傳感器和阻抗式傳感器等。1.1 壓電式加速度計(jì)的工作原理 圖2.1 三角剪切加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電式加速度計(jì)在承受振動(dòng)時(shí),其輸出端能產(chǎn)生與所承受的加速度成比例的電

15、壓或電荷量。其結(jié)構(gòu)一般為壓縮型和剪切型。力學(xué)原理圖2.1為三角剪切型加速度計(jì)機(jī)械部件的簡(jiǎn)化模型,加速度計(jì)的有源元件是壓電元件。它象彈簧一樣經(jīng)剛性三角中心支柱連接加速度計(jì)基礎(chǔ)至質(zhì)量塊.當(dāng)加速度計(jì)受振動(dòng)時(shí), 一個(gè)作用于質(zhì)量塊的加速度與它的質(zhì)量相乘，產(chǎn)生的力作用于每個(gè)壓電元件上，壓電元件產(chǎn)生的電荷與受到的力成正比。而質(zhì)量塊的質(zhì)量是常數(shù),因此壓電元件產(chǎn)生的電荷與感受的加速度成正比，加速度計(jì)的輸出正比于機(jī)座及安裝加速度計(jì)表面的加速度。 圖2.2是加速度計(jì)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型設(shè)k為壓電元件的等效剛度，它是預(yù)壓彈簧剛度與壓電片等效剛度之和。預(yù)壓的作用是產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，以保證在容許的加速度范圍內(nèi)壓電片與底座之間不

16、產(chǎn)生脫離。質(zhì)量mS為質(zhì)量塊的質(zhì)量之和，質(zhì)量mb為基座的質(zhì)量。L為加速度計(jì)在慣性系統(tǒng)中處于平衡時(shí)質(zhì)量塊與基座之間的距離。設(shè)xS為質(zhì)量塊的位移，xb為加速度計(jì)基座的位移，加速度計(jì)基座絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為xb,由受力分析，彈性力: F = k（xS-xb-L）作用于質(zhì)量塊的力: mSs = -F作用于基座上的力： 圖2.2 加速度計(jì)的簡(jiǎn)化模型 mbb = F+Fe (Fe = F0 sint)簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)方程為 （2.1）或 式中： Me稱為等效質(zhì)量；u為質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移。當(dāng)加速度計(jì)不受外力激勵(lì)時(shí)，自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程可以簡(jiǎn)化為 此簡(jiǎn)化微分方程可設(shè)ms相對(duì)于mb的位移以幅值Um做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。即 因此，加速

17、度計(jì)的共振頻率n可以得出 （2.2）由式(2.2)可以看出，如果加速度計(jì)完全剛性地安裝在重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)上，即mb變?yōu)檫h(yuǎn)大于ms，加速度計(jì)的共振頻率變低。如果加速度計(jì)安裝在無(wú)限重的結(jié)構(gòu)上（mb），則式(2.2)簡(jiǎn)化為 (2.3)式(2.2)定義了質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率,式(2.3)定義加速度計(jì)的安裝共振頻率，安裝共振頻率是加速度計(jì)的一個(gè)特性，常常定義加速度計(jì)的使用工作頻率范圍。當(dāng)加速度計(jì)處在受迫振動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)榧僭O(shè)振動(dòng)位移按正弦變化，則當(dāng)共振頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的共振頻率時(shí)，式(2.4)給出了u0和um之間的位移比A (2.4) 式(2.4)表明,當(dāng)受迫振動(dòng)頻率與加速度計(jì)的固有共振

18、頻率可比擬時(shí),基座和質(zhì)量塊之間的位移增大，在接近共振頻率時(shí)，輸出電信號(hào)的增加取決于加速度計(jì)的固有頻率。加速度計(jì)典型的頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖2.3。加速度計(jì)頻率響應(yīng)曲線表明，當(dāng)加速度計(jì)受恒定振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的電輸出變化,確定加速度計(jì)的可使用頻率范圍。1）5%頻率限在此頻率,實(shí)際加到加速度計(jì)基座上的振動(dòng)與測(cè)量值之間的偏差為5%，頻率范圍近似為加速度計(jì)安裝共振頻率的1/5(0.22)。2）10%頻率限在此頻率，實(shí)際加到加速度計(jì)基座上的振動(dòng)與測(cè)量值之間的偏差為10%，頻率范圍近似為加速度計(jì)安裝共振頻率的1/3(0.30)。3）3dB頻率限在此頻率,實(shí)際加到加速度計(jì)基座上的振動(dòng)與測(cè)量值之間的偏差為3dB，頻率范圍近

19、似為加速度計(jì)安裝共振頻率的1/2(0.54)。圖2.3 加速度計(jì)相對(duì)靈敏度的典型頻率響應(yīng)曲線4) 頻率下限壓電加速度計(jì)達(dá)不到直流響應(yīng),壓電元件只有受到動(dòng)態(tài)力的作用下才會(huì)產(chǎn)生電荷。實(shí)際的頻率下限決定于與加速度計(jì)相連的前置放大器。1.2. 實(shí)際的加速度計(jì)加速度計(jì)常采用三種不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),即中心壓縮型、平面剪切型和三角剪切型加速度計(jì),如圖2.4所示。中心壓縮型加速度計(jì)是把壓電元件、質(zhì)量和彈簧系統(tǒng)裝在與加速度計(jì)基座相連的柱形中心支柱上。由于中心支柱和基座與壓電元件成并聯(lián)的彈簧，基座上的任何動(dòng)態(tài)變化都能引起壓電元件受到應(yīng)力而產(chǎn)生電輸出。基座的彎曲、伸長(zhǎng)和熱膨脹都會(huì)造成在振動(dòng)頻率上的與振動(dòng)無(wú)關(guān)的假象輸出。

20、圖2.4 中心壓縮型（左）、平面剪切型（中）和三角剪切型（右）加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面剪切型是使壓電元件經(jīng)受剪切變形，兩個(gè)矩形壓電材料放在矩形中心支柱兩側(cè)，利用高張力的夾圈固定，基座和壓電元件有效地相互隔離，使其不受彎曲和溫度變化的影響。三角剪切型加速度計(jì)是三個(gè)壓電元件和三個(gè)質(zhì)量塊以三角形配置裝在三角形中心支柱的各面。利用高張力的夾圈固定,組件不需要粘合劑或螺栓,保證了最佳性能的可靠性。夾圈使壓電元件產(chǎn)生予應(yīng)力,以得到極好的線性度。三角剪切型加速度計(jì)具有較高的靈敏度和質(zhì)量比,共振頻率較高,對(duì)基座應(yīng)變和溫度瞬變有較好的絕緣性。1.3 加速度計(jì)的靈敏度電荷靈敏度與電壓靈敏度壓電加速度計(jì)的靈敏度定義為輸

21、出電量與輸入機(jī)械量之比。壓電加速度計(jì)的電荷幅值靈敏度Sq是根據(jù)每加速度單位的電荷量輸出來(lái)校準(zhǔn):同樣,壓電加速度計(jì)的電壓幅值靈敏度Sv是根據(jù)每加速度單位的電壓量輸出來(lái)校準(zhǔn):圖2.5為壓電加速度計(jì)的等效電路。壓電加速度計(jì)能被看作一個(gè)電荷源或一個(gè)電壓源。壓電元件起到一只電容Ca的作用,它與一只極高內(nèi)部泄露Ra并聯(lián)。在實(shí)用中Ra可以忽略。它可以認(rèn)為是一個(gè)與Ca和電纜電容Cc并聯(lián)的理想電荷源Qa或是與Ca串聯(lián),并由Cc作負(fù)載的電壓源Va。兩種形式都能獨(dú)立使用。圖2.5壓電加速度計(jì)和連接電纜的等效電路從圖中可以看出,壓電加速度計(jì)產(chǎn)生的電壓分布在加速度計(jì)電容和電纜電容上。采用不同類型的電纜或電纜長(zhǎng)度會(huì)造成電

22、壓靈敏度的變化,因此必須對(duì)靈敏度重新校準(zhǔn)。1.4 壓電加速度計(jì)的主要特性1）頻率特性圖2.6表明了壓電加速度計(jì)幅值靈敏度隨頻率變化的曲線。通常只使用其頻響曲線的線性部分。測(cè)量的上限頻率取加速度計(jì)固有頻率的三分之一,這時(shí)測(cè)得的振動(dòng)量的誤差不大于12%。圖2.6 壓電加速度計(jì)的電荷靈敏度電壓靈敏度隨頻率的變化曲線2)幅值線性度和動(dòng)態(tài)范圍圖2.7給出了壓電加速度計(jì)輸出隨加速度幅值的變化曲線。壓電加速度計(jì)具有好的線性度和很寬的動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)閴弘娫诤軐挼膭?dòng)態(tài)范圍內(nèi)呈線性,但其下限決定于由測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲。當(dāng)壓電加速度計(jì)使用范圍超過(guò)其最大加速度極限,非線性增加。若振級(jí)大大地超過(guò)加速度計(jì)的最大加速度極

23、限,預(yù)加載夾圈有可能使壓電元件滑落下來(lái)，最終同基座短路,使加速度計(jì)失靈。圖2.7壓電加速度計(jì)的線性度和動(dòng)態(tài)范圍3）橫向靈敏度當(dāng)壓電加速度計(jì)受到垂直于安裝軸線振動(dòng)時(shí),加速度計(jì)仍會(huì)有輸出。橫向靈敏度是用主軸線的靈敏度百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。一般在頻率低于主軸線安裝共振頻率的六分之一時(shí),橫向靈敏度可保持在低于10%。在頻率剛超過(guò)主軸線安裝共振頻率的三分之一時(shí),很難定出一個(gè)確切的橫向靈敏度值來(lái),主要原因是橫向共振產(chǎn)生了,如圖2.8所示。橫向靈敏度是加速度計(jì)最大電荷和電壓靈敏度軸線與安裝軸線不完全一致的結(jié)果,如圖2.9。橫向靈敏度的最大值和最小值是有方向的,它們互相之間及對(duì)主靈敏度軸線都成直角。橫向靈敏度的最大值

24、在加速度計(jì)的校準(zhǔn)曲線上繪出。最小靈敏度的方向在外殼上用紅點(diǎn)表示。圖2.8 加速度計(jì)對(duì)主軸和橫向振動(dòng)的相對(duì)響應(yīng)對(duì)于三角剪切型加速度計(jì)設(shè)計(jì)上在各橫向方向上都有恒定的剛度,因而只有一個(gè)橫向共振。4)相位響應(yīng)加速度計(jì)的相位響應(yīng)是對(duì)于機(jī)械輸入和由此產(chǎn)生的電輸出之間的時(shí)間延遲。加速度計(jì)的靈敏度和相位響應(yīng)曲線如圖2.11所示。在低于安裝共振頻率時(shí)引起的相位偏移是可以忽略的。在接近共振頻率時(shí)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)滯后于基座的運(yùn)動(dòng)并引起相位失真。5)瞬態(tài)響應(yīng)在測(cè)量瞬態(tài)振動(dòng)和沖擊時(shí)必須注意系統(tǒng)總的線性度。否則會(huì)產(chǎn)生失真。產(chǎn)生的主要原因是由于泄露的影響，振鈴 圖2.11加速度計(jì)幅值和相位頻率響應(yīng)函數(shù)和零點(diǎn)偏移的影響以及峰值測(cè)

25、量時(shí)產(chǎn)生誤差。2 壓電式加速度計(jì)的前置放大器壓電加速度計(jì)具有很高的輸出阻抗,因此輸出信號(hào)不能直接采用一般的方法測(cè)量。必須采用電壓前置放大器和電荷放大器兩種專用的測(cè)量線路。其特點(diǎn)是為了便于與加速度計(jì)和其它測(cè)量?jī)x器相匹配。因此前置放大器必須具有極高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，能將加速度計(jì)的微小電信號(hào)加以放大變成易于測(cè)量的電壓信號(hào)。為能與不同靈敏度的加速度計(jì)相配合,有靈敏度調(diào)節(jié)，使其輸出電壓達(dá)到歸一化。一般壓電加速度計(jì)的前置放大器還應(yīng)具有積分功能以獲得速度信號(hào)和位移信號(hào)、輸入輸出過(guò)載報(bào)警信號(hào)和高、低頻濾波器等。2.1 電荷放大器電荷放大器能給出與輸入電荷成比例的輸出電壓,最大的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的靈敏度不受

26、電纜長(zhǎng)短的影響。它采用了運(yùn)算放大器輸入級(jí),在反饋回路里有一只電容器,組成一個(gè)積分網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電流進(jìn)行積分。輸入電流是由加速度計(jì)內(nèi)部的高阻抗壓電元件上產(chǎn)生的電荷形成的。放大器的作用是形成與電荷成比例的輸出電壓。電荷放大器輸入等效電路如圖2.12所示。圖2.13是圖2.12的簡(jiǎn)化等效電路。1)電荷靈敏度圖2.12中:Qa 壓電加速度計(jì)產(chǎn)生的電荷;Ra 加速度計(jì)的電阻;Ca 加速度計(jì)的電容Rc 電纜連接和插頭電阻;Cc 電纜連接和插頭電容;Rp 前置放大器輸入電阻 圖2.12電纜連接加速度計(jì)和電荷放大器的等效電路Cp 前置放大器輸入電容; Cf 反饋電容; Rf 反饋電阻 A 運(yùn)算放大器增益;V9 前

27、置放大器輸出端電壓圖2.13中: C t=C a+C c+Cp 圖2.13 加速度計(jì)和電荷放大器的簡(jiǎn)化等效電路I-加速度計(jì)總電流 Ii -Ct的電流Ic-運(yùn)算放大器反饋回路電流 由圖2.12、2.13可以得到如下關(guān)系V0=-AVi一個(gè)理想的放大器其輸入電流為0,由圖2.13運(yùn)用基爾霍夫定律,則:I+It +Ic = 0其中: 由基爾霍夫定律，加速度計(jì)電流可以得到:積分上式,并設(shè)最初在放大器的輸出端任何直流偏置電壓相對(duì)應(yīng)的常數(shù)為零,則: (2.5)考慮到A值很大,一般可達(dá)105,式(2.5)可以簡(jiǎn)化為: (2.6)可以看出，輸出電壓與輸入電荷成正比,其增益由反饋電容值決定。2.2 電壓前置放大器

28、 1)電壓靈敏度電壓前置放大器檢測(cè)出由于振動(dòng)在加速度計(jì)電容上的電壓變化,并產(chǎn)生與之成正比的輸出電壓。圖2.16是加速度計(jì)電壓前置放大器的等效電路,圖中的運(yùn)算放大器的增益為1(V0=Vi),并用作一個(gè)電壓緩沖器。用Cp和Rp代表很高的輸入阻抗。當(dāng)加速度計(jì)不接電纜,不與前置放大器相聯(lián)接時(shí)有一輸出電壓Va:RA是一個(gè)很高的并聯(lián)電阻,因而可以忽略。前置放大器輸入端電壓Vi可以寫(xiě)成如下形式: ( 2.11 )因此 式2.11也可用電荷靈敏度Sqa(pc/ms-2)和電壓靈敏度Sva(mv/ms-2)表示:圖2.16 壓電加速度計(jì)作為電壓源的電放大器的等效電路這里Sva(開(kāi)路)指開(kāi)路（沒(méi)有負(fù)載）的加速度計(jì)

29、靈敏度。因?yàn)殡姾伸`敏度Sqa和Ca對(duì)加速度計(jì)是常數(shù),則電壓靈敏度Sva取決于電纜的電容量。因此加速度計(jì)必須同聯(lián)接電纜一起進(jìn)行校準(zhǔn),更換電纜就得重新校準(zhǔn)。另外,使用較長(zhǎng)的電纜會(huì)使信噪比降低。3. 實(shí)際壓電加速度計(jì)的性能壓電加速度計(jì)在實(shí)際工作過(guò)程中經(jīng)常要受到工作環(huán)境和安裝特性的影響。由于外界環(huán)境的影響,振動(dòng)傳感器能產(chǎn)生和振動(dòng)無(wú)關(guān)的輸出量。如圖2.17所示。 圖2.17振動(dòng)傳感器能產(chǎn)生和振動(dòng)無(wú)關(guān)的輸出量3.1 工作環(huán)境的影響加速度計(jì)也經(jīng)常工作在有特殊要求的工作環(huán)境中。為了測(cè)量的準(zhǔn)確性,應(yīng)使加速度計(jì)最大限度地滿足環(huán)境條件的要求,盡量消除其影響。測(cè)量這些影響的方法可以采用國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),例如,IS05

30、347“沖擊和振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)方法”,以及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI S2.11-1969“用于測(cè)量沖擊和振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)和測(cè)量方法選擇”等。1）溫度范圍壓電加速度計(jì)可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。由于壓電材料的特性,當(dāng)壓電加速度計(jì)在參考溫度以外工作時(shí),其電壓和電荷靈敏度以及阻抗都將產(chǎn)生變化。圖2.18示出了壓電材料的電容量、電荷靈敏度和電壓靈敏度的溫度相關(guān)曲線。靈敏度的這些變化是嚴(yán)格限定的,當(dāng)工作溫度回到校準(zhǔn)溫度時(shí),不會(huì)產(chǎn)生永久性變化?？紤]到由于工作溫度的增加而產(chǎn)生的靈敏度的改變,可以用來(lái)測(cè)定其實(shí)際靈敏度。對(duì)于溫度的快速變化,壓電材料呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象,加速度計(jì)需要一定的時(shí)間才能穩(wěn)定在圖表所示的靈敏度

31、值。一般需要24小時(shí)才能回到校準(zhǔn)的靈敏度。每種加速度計(jì)有一個(gè)規(guī)定的最大的工作溫度,超出這個(gè)溫度，壓電元件將開(kāi)始漸退極化,靈敏度產(chǎn)生永久性的改變。如果溫度再升高極化消失得很快,加速度計(jì)就損壞了。2）溫度瞬變?cè)谡駝?dòng)測(cè)量期間,當(dāng)環(huán)境溫度產(chǎn)生相當(dāng)快的波動(dòng)時(shí),加速度計(jì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻噪聲信號(hào)。這是由于溫度變化和溫度不平衡而產(chǎn)生的帶電現(xiàn)象,即熱電現(xiàn)象。也可能由于加速度計(jì)結(jié)構(gòu)膨脹和收縮的速率不同而產(chǎn)生的不均勻熱膨脹。這兩種現(xiàn)象使壓電元件產(chǎn)生了應(yīng)力而引起輸出信號(hào)。在測(cè)量低振級(jí)、低頻振動(dòng)時(shí),這些作用變得顯著。要消除由于溫度波動(dòng)引起的低頻噪聲,可以正確的選擇加速度計(jì),采用高通濾波器及屏蔽等方法解決。圖2.18 壓電

32、材料的電容量、電荷量和電壓靈敏度的溫度相關(guān)曲線3)聲靈敏度大多數(shù)振動(dòng)都拌有聲音。振動(dòng)測(cè)量常在具有高聲壓級(jí)的環(huán)境中進(jìn)行。在許多情況下,試驗(yàn)結(jié)構(gòu)由聲音而引起的振動(dòng)是考慮的更重要的因素。4)基座應(yīng)變加速度計(jì)安裝在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上,基座經(jīng)受彎曲力，由此產(chǎn)生的電荷是可以測(cè)量到的。電荷的頻率常常就是振動(dòng)的頻率。在低頻時(shí)位移大,應(yīng)變也較大,這種作用也較大。典型加速度計(jì)基座靈敏度一般在加速度計(jì)校準(zhǔn)圖表中注出。5）濕度影響一般加速度計(jì)可以有效地與濕度作用隔離。在濕度極大的情況下,加速度計(jì)電纜和螺紋連接插頭要完全密封。否則會(huì)降低加速度計(jì)的泄漏電阻值，低頻響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。6)磁場(chǎng)影響壓電加速度計(jì)對(duì)磁場(chǎng)不敏感。7）輻射影響

33、除了內(nèi)裝放大器的加速度計(jì)外,對(duì)小劑量的輻射，靈敏度的變化小于10%。3.2 加速度計(jì)的安裝加速度計(jì)的有用頻率范圍是由加速度計(jì)校準(zhǔn)圖表的安裝共振頻率決定的。安裝共振頻率是在最佳安裝條件下測(cè)量得到的。因此加速度計(jì)的安裝不能限制其使用頻率和動(dòng)態(tài)范圍,加速度計(jì)的附加質(zhì)量不改變被測(cè)量物體的振動(dòng)特性,保證測(cè)量的可重復(fù)性。為能有較高的安裝共振頻率,安裝面要清潔而光滑,臟物要清洗干凈。使用不同的安裝方法得到不同的頻率響應(yīng)。圖2.19示出了使用不同安裝方法加速度計(jì)的頻率響應(yīng)。常使用的安裝方法有雙頭螺栓安裝、蠟安裝、磁鐵安裝、自粘安裝片、粘接等。圖2.19 使用不同安裝方法加速度計(jì)的頻率響應(yīng)3.3 加速度計(jì)電纜加

34、速度計(jì)和電荷放大器的連接同軸電纜當(dāng)受到彎曲、拉伸時(shí),屏蔽層在沿著其長(zhǎng)度的一些點(diǎn)處與電介質(zhì)瞬時(shí)分離,使電容發(fā)生變化,形成摩擦電電荷,即摩擦電效應(yīng)。在測(cè)量低振級(jí)振動(dòng)時(shí),表現(xiàn)為噪聲。非常強(qiáng)的電磁場(chǎng)可在電纜的兩端感應(yīng)出電壓,會(huì)引起額外的噪聲。電纜受到振動(dòng),彎曲力也可以通過(guò)電纜接頭傳給壓電片。安裝電纜不應(yīng)劇烈彎曲或鉸接,電纜應(yīng)夾固在測(cè)試對(duì)象上,避免引起摩擦電噪聲的過(guò)量相對(duì)運(yùn)動(dòng),如圖2.20。圖2.20 夾固加速度計(jì)電纜，減少電纜噪聲第三章 激振設(shè)備振動(dòng)激振設(shè)備按工作原理不同可分為電動(dòng)式、液壓式、機(jī)械式、磁吸式、渦流式、壓電式等等，其中用得最普遍的是電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。下面介紹電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的原理和結(jié)構(gòu)。1. 電動(dòng)

35、振動(dòng)臺(tái)的原理和結(jié)構(gòu)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的換向器。基本工作原理基于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受電磁力作用的安培定律。載流導(dǎo)體所受電磁力與導(dǎo)體中的電流、導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度以及導(dǎo)體所處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。電磁力的方向用左手定則決定。如圖3.1所示。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)推力為F=BLI=BLisint （3.1）式中：B為環(huán)形氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度(wb/m2)；L為動(dòng)圈繞線的有效長(zhǎng)度(M)；I為動(dòng)圈中的電流（A）試件與臺(tái)面一起在激振力F的作用下振動(dòng)，其頻率決定于信號(hào)發(fā)生器的頻率，振動(dòng)幅值取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流I。驅(qū)動(dòng)線圈置于磁體的空氣隙中,由左手定則可知驅(qū)動(dòng)線圈受力作用使工作臺(tái)面產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)，若改變流過(guò)

36、 圖3.1 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作原理圖 驅(qū)動(dòng)線圈中電流的方向，那么驅(qū)動(dòng)線圈受到一 1-工作臺(tái)面;2-驅(qū)動(dòng)線圈; 相反的力，使振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面向上運(yùn)動(dòng)。若在 3-磁體; 4-工作磁通驅(qū)動(dòng)線圈中通以交變電流時(shí)，它將使工作臺(tái)面在磁場(chǎng)中產(chǎn)生相應(yīng)的交變運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)用相應(yīng)的功率放大器驅(qū)動(dòng)，則為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，若用正弦振動(dòng)自動(dòng)控制儀或隨機(jī)振動(dòng)自控裝置進(jìn)行自控，則為閉環(huán)系統(tǒng)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)主要由活動(dòng)系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)線圈和工作臺(tái))、磁路系統(tǒng)、彈性支承系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)及冷卻裝置等組成，如圖3.2所示。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是限制振動(dòng)臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)，彈性支承系統(tǒng)則產(chǎn)生恢復(fù)力和支承力，由于臺(tái)體內(nèi)的散熱條件差，往往需要采用強(qiáng)迫冷卻來(lái)降低溫升，在耍求限制

37、磁路工作氣隙漏磁的場(chǎng)合中，還可用磁屏蔽來(lái)減小影響，為了改善臺(tái)體的驅(qū)動(dòng)特性，在工作氣隙中安裝短路銅環(huán)具有一定的效果。3.2 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 1一底座 2一支架 3激勵(lì)線圈 4一一彈性元件 5一工作臺(tái)6一導(dǎo)向機(jī)構(gòu);7一消磁線圈 8一變向手輪 9一磁芯 10一冷卻風(fēng)機(jī)1.1 活動(dòng)系統(tǒng)?；顒?dòng)系統(tǒng)是指在帶有工作臺(tái)面的骨架上繞制激勵(lì)線圈，并用環(huán)氧樹(shù)脂將兩者固封在一起的組合件,通常亦稱之為動(dòng)圈。動(dòng)圈是活動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的優(yōu)劣直接影響了設(shè)備的品質(zhì)?；顒?dòng)系統(tǒng)必須注意的問(wèn)題有以下三個(gè)方面：1) 共振頻率。動(dòng)圈自身的共振頻率,影響著振動(dòng)臺(tái)工作頻率的上限和非線性失真大小，一般要求其一階共振頻率應(yīng)高于工作頻率

38、的上限。系統(tǒng)骨架的結(jié)構(gòu)、形狀和材料決定了活動(dòng)系統(tǒng)自身共振頻率的大小。為了提高動(dòng)圈的共振頻率,就要選用彈性模量E大，而材料比重小的材料,即要求材料的剛度比E/越大越好。2) 幾何形式與形狀。動(dòng)圈的形狀，主要取決于骨架的形狀，這就需要根據(jù)振動(dòng)臺(tái)總技術(shù)指標(biāo)的要求及磁路系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)而定。對(duì)于環(huán)形磁路系統(tǒng),最常采用的是錐形桶式骨架，如圖3.3所示。這種骨架有如下形式:整體式:繞線架和工作臺(tái)面為一整體。整體式骨架堅(jiān)固可靠，不會(huì)產(chǎn)生由于連接剛度引起的附加共振頻率，但線圈的繞制和固封不方便。組合式：繞線架與工作臺(tái)面用機(jī)械方式(如用螺栓)連接。組合式骨架有可能產(chǎn)生附加的共振頻率。但繞線架材料可更換,繞線和固封

39、較為方便。連身式：其線圈不用導(dǎo)線繞制，而是在骨架的繞線部位直接加工成螺旋形式，在螺旋槽內(nèi)填充絕緣材料，外部用U形螺桿固緊，用環(huán)氧樹(shù) 圖3.3 骨架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 脂膠固封。這種形式，由于增加了一些零件,產(chǎn)生了附加的共振頻率,目前一般不再采用。 1.2 磁路系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)線圈受到的電磁力是恒定磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)作用的結(jié)果。恒定磁場(chǎng)可由電磁場(chǎng)或永久磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生。永久磁場(chǎng)常用于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的小推力電動(dòng)臺(tái)，而一般用途的大推力電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)均用電磁場(chǎng)。電激勵(lì)磁場(chǎng)的磁路結(jié)構(gòu)形式有以下三種:1)單磁路。單磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但臺(tái)面漏磁場(chǎng)較大。單磁路可用于對(duì)漏磁要求不嚴(yán)的場(chǎng)合，如圖3.4所示。圖3.4 單磁路結(jié)構(gòu)示意圖 圖3.5

40、 雙磁路結(jié)構(gòu)示意圖1-工作氣隙 2一激磁繞組 3一導(dǎo)磁體 1-工作氣隙 2一激磁繞組 3一導(dǎo)磁體2)雙磁路。雙磁路結(jié)構(gòu)，臺(tái)面漏磁場(chǎng)小，多用于嚴(yán)格要求限制漏磁影響的場(chǎng)合。但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造也較為困難，如圖3.5所示。3)關(guān)于消磁。我們希望臺(tái)體動(dòng)圈氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)，但不希望臺(tái)面上有漏磁。在某些試驗(yàn)中,臺(tái)面周圍的漏磁場(chǎng)必須限制，磁屏蔽可減弱漏磁場(chǎng)的影響。利用產(chǎn)生與漏磁場(chǎng)方向相反磁場(chǎng)的消磁線圈來(lái)抵消磁場(chǎng)的影響。合理選擇消磁線圈的位置和激磁安匝數(shù)，可將臺(tái)面周圍的漏磁限制在最小限度。1.3支承和導(dǎo)向系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)線圈是通過(guò)彈性支承固定在磁路的工作氣隙中，因此，彈性支承應(yīng)具有足夠的剛度來(lái)支承整個(gè)活動(dòng)系統(tǒng)(包括載

41、荷)的全部質(zhì)量。為了保證振動(dòng)系統(tǒng)的線彈性，支承的剛度在可能受力的范圍內(nèi)應(yīng)是一個(gè)常數(shù)。彈性支承與活動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率決定了振動(dòng)臺(tái)的下限工作頻率點(diǎn)和低頻特性。彈性支承的種類較多，除常見(jiàn)的板彈簧支承、橡膠彈簧支承、空氣彈簧支承外，還有以下幾種，如圖3.9，圖3.10所示。組合式板彈簧在厚度方向上剛度小，而在長(zhǎng)度方向的剛度較大，由其組合的懸掛機(jī)構(gòu)系統(tǒng)也具有一定的導(dǎo)向性能。U型彈簧中疊片型彈簧，其單片簧片的共振是靠簧片之間的互相制約來(lái)消除，單片型的單個(gè)簧片是靠附著的合成橡膠來(lái)消振的。圓盤(pán)形彈簧其側(cè)向剛度大，運(yùn)動(dòng)部件可不另加導(dǎo)向裝置，但承載能力較低且允許的變形不大。圖3.10 U 型彈簧圖

42、3.9組合式板彈簧1.4 冷卻系統(tǒng):電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在工作過(guò)程中的發(fā)熱主要有兩個(gè)原因，一是流過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈、激磁線圈的電流因?qū)w電阻損耗而發(fā)熱，二是導(dǎo)體在驅(qū)動(dòng)線圈交變磁場(chǎng)中因渦流損耗而發(fā)熱。它們產(chǎn)生的熱量必須消散，否則會(huì)燒壞部件。此外，振動(dòng)臺(tái)的額定激振力與冷卻的效率有關(guān)。冷卻的方式分自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。為了更好地利用材料，提高推力，單靠自然冷卻是不可能限制電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)所容許的溫升，而應(yīng)采用強(qiáng)制冷卻才是較為有效的方法。一般情況下,小型振動(dòng)臺(tái)采用自然冷卻，中、大型振動(dòng)臺(tái)采用強(qiáng)制冷卻。強(qiáng)制冷卻分為風(fēng)冷和液冷，液冷又有水冷和油冷之分。2 .功率放大器功率放大器是電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)推動(dòng)電源，它是把來(lái)自信號(hào)源的小功率信號(hào)放大

43、，供給驅(qū)動(dòng)線圈足夠的不失真功率的驅(qū)動(dòng)電源。為了適應(yīng)振動(dòng)臺(tái)體的特殊需要，還往往包含著激磁電源和保護(hù)裝置。其頻響寬，非線性失真小，噪聲電平低，但它的負(fù)載阻抗變化大，在較寬的頻率范圍內(nèi)都是在失配的狀態(tài)下工作，因此功耗大。功率放大器通常采用推挽式功放，以保證高的傳輸效率和小的非線性失真。功率放大器一般由前級(jí)、倒相級(jí)、推動(dòng)級(jí)和末級(jí)組成。根據(jù)不同的要求,級(jí)間的藕合方式采用直接藕合,末級(jí)與負(fù)載直接藕合。2.1 功率放大器的類型。目前國(guó)內(nèi)常用的電子管功率放大器大都是交流放大器,常用的晶體管功率放大器大都是直流放大器。 l)電子管功率放大器。應(yīng)用電子管作為放大器件,由于其板極電壓高,級(jí)間的直接藕合電位安排困難,

44、特別是未級(jí)板極電位更高,要求的負(fù)載電阻很大,為了與驅(qū)動(dòng)線圈阻抗匹配,末級(jí)總是通過(guò)輸出變壓器與負(fù)載藕合。由于級(jí)間和輸出存在著非線性元件和電抗元件,放大器的相位失真大,很難加添負(fù)反饋(即改善放大器性能的有效措施)。2)晶體管功率放大器。晶體管功率放大器分為兩種電路。利用PNP和NPN管導(dǎo)電極性不同的特性倒相(即互補(bǔ)對(duì)稱電路),或直接用晶體管倒相(即集-射相位分割電路)。互補(bǔ)對(duì)稱電路可以是單端輸出也可以是橋式輸出,應(yīng)用廣泛。一般情況下,1.5KW以下大多為單端輸出,1.5KW以上大多為橋式輸出。晶體管的輸出阻抗低,應(yīng)用這類電路,放大器的輸出阻抗更低,因此宜于與振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)線直接藕合,全電路的直接藕合,

45、可充分運(yùn)用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)改善放大器的品質(zhì)。同時(shí)還可以比較方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)活動(dòng)系統(tǒng)的電磁懸浮,保證其較好的低頻性能。晶體管功率放大器與電子管功率放大器相比具有許多優(yōu)點(diǎn),其制造調(diào)試簡(jiǎn)單,頻率響應(yīng)、非線性失真、信噪比等技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于電子管功率放大器。3)開(kāi)關(guān)式功率放大器。開(kāi)關(guān)式功率放大器是指功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),因此效率大大提高,功耗也大大減小。為使功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),先要由波形變換電路將輸入的正弦或隨機(jī)信號(hào)的幅度、頻率變成矩形脈沖;在功放后,還應(yīng)加一解調(diào)電路,把信號(hào)還原成正弦或隨機(jī)信號(hào),去推動(dòng)負(fù)載,圖3.27給出了各種脈沖調(diào)制的波形圖。各種脈沖調(diào)制方法都有其不同的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)式功放有節(jié)電、高效、

46、成本低等優(yōu)點(diǎn),但也有高次諧波影響等問(wèn)題。開(kāi)關(guān)式功率放大器系統(tǒng)包括:功率電源、勵(lì)磁電源、主回路控制、聯(lián)鎖電路、邏輯模塊及功率塊,如圖3.28所示。開(kāi)關(guān)式功率放大器是利用脈寬調(diào)制技術(shù)原理,通過(guò)調(diào)制一個(gè)高頻信號(hào)并濾除不需要的轉(zhuǎn)換頻率從而產(chǎn)生一個(gè)很純的功率輸出波形。系統(tǒng)中的邏輯模塊用于提供功率模塊所需的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào),如圖3.29所示。系統(tǒng)定時(shí)由晶體振蕩器控制,由分頻器分解成56kHz的轉(zhuǎn)換頻率,然后將此頻率的方波信號(hào)積分成三角波,輸入信號(hào)由增益電位器控制,經(jīng)放大器放大后與系 圖3.26 圖3.27 圖3.28統(tǒng)反饋信號(hào)比較經(jīng)誤差放大器后產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào),誤差放大器有足夠的增益使輸出波形的失真度很低

47、,這種信號(hào)與三角波比較產(chǎn)生一個(gè)脈寬調(diào)制的邏輯信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率模塊里的一個(gè)半橋,誤差信號(hào)反相后同樣與三角波比較產(chǎn)生另一個(gè)半橋的脈寬調(diào)制的邏輯驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 系統(tǒng)中的功率模塊基本上是一個(gè)全橋結(jié)構(gòu),一個(gè)功率模塊包括四組開(kāi)關(guān)功率場(chǎng)效應(yīng)管組成的兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)板,兩個(gè)模塊及緩沖線路組成輸出濾波器,如圖3.30所示。 圖3.29 脈寬調(diào)制技術(shù)原理框圖 圖3.30 半橋開(kāi)關(guān)板方框圖每組開(kāi)關(guān)功率場(chǎng)效應(yīng)管由五個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成,每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都由一個(gè)二極管保證柵源電壓穩(wěn)定。在無(wú)輸入信號(hào)情況下,每個(gè)半橋具有50%工作周期,這樣輸出端將不會(huì)出現(xiàn)輸出電壓，所有高頻噪聲將被輸出濾波器濾除。在輸入正弦信號(hào)情況下,則每個(gè)半橋可進(jìn)行調(diào)制,從

48、而使工作周期以一種正弦波頻率進(jìn)行變化,每端輸出不同的相位,從而輸出端出現(xiàn)一個(gè)放大的正弦信號(hào)。系統(tǒng)具有監(jiān)控電路,不僅對(duì)開(kāi)關(guān)功率放大器本身提供保護(hù),而且對(duì)電動(dòng)臺(tái)活動(dòng)系統(tǒng)的位移行程和電動(dòng)臺(tái)的內(nèi)部溫度過(guò)熱也提供保護(hù)。一旦出現(xiàn)某一故障,輸入激勵(lì)信號(hào)均被阻斷。22 功率放大器的負(fù)載阻抗和輸出功率：功率放大器的負(fù)載是電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈,確定功率放大器的輸出級(jí)時(shí),必須了解驅(qū)動(dòng)線圈的阻抗及所要求的電流、電壓值隨頻率變化的情況。利用機(jī)電類比,忽略一些次要的因素,在低頻范圍內(nèi),電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件可用一種等效電路來(lái)表示。 圖 3.31 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈等效電路振動(dòng)臺(tái)的輸入阻抗模數(shù)與頻率的關(guān)系如圖3.32所示(激振力為7

49、kN),在阻抗曲線上有一峰點(diǎn)fs,它是等效電路中Ls與(Cc+Ct )構(gòu)成的并聯(lián)共振點(diǎn),也是運(yùn)動(dòng)部件與懸掛裝置組成的機(jī)械共振點(diǎn),此處的輸入阻抗最大約等于Rd。在中間頻率處有一谷點(diǎn)fe,它是Lt與(Cc+Ct)構(gòu)成的串聯(lián)共振,是電參數(shù)與機(jī)械參數(shù)組成的機(jī)-電共振點(diǎn),此處的輸入阻抗最小約等于Rd。圖中,Rd為驅(qū)動(dòng)線圈交流電阻；Ld為驅(qū)動(dòng)線圈電感； Cc為驅(qū)動(dòng)線圈質(zhì)量為Mc的類比電容;Ct為運(yùn)動(dòng)部件中除了質(zhì)量Mc以外的其他質(zhì)量Mt的類比電容;La為驅(qū)動(dòng)線圈與臺(tái)面之間的連接剛度Ka的類比電感;Ls為運(yùn)動(dòng)部件懸掛裝置剛度Ks的類比電感；rd為運(yùn)動(dòng)部件的阻尼系數(shù)的等效電阻,它包括了材料和結(jié)構(gòu)的阻尼和電阻尼。

50、當(dāng)ffs時(shí),阻抗呈感性;fsffe時(shí)又呈感性,只是在fe處呈電阻性。在大部分頻率上,功率因數(shù)較低,因而增加了功放輸圖3.32輸入阻抗、電壓、 出管的耗散功率。 電流與頻率的關(guān)系當(dāng)振動(dòng)臺(tái)達(dá)到額定的正弦加速度、速度或位移時(shí),各種頻率上所需要的電流和電壓值是不同的。圖3.33中表示了同一振動(dòng)臺(tái)在各頻率上所需要的電壓、電流值。有的振動(dòng)臺(tái)在高頻段要求較高電壓,有的則在低頻段要求較高電壓(最大速度區(qū)),但都是在fe附近要求最大的電流,因此,功率放大器的輸出電壓和電流值不是同時(shí)達(dá)到最大值,但功放的容量要足夠。在確定功放輸出的最大值時(shí),可根據(jù)圖中各頻率上的電壓與電流的乘積計(jì)算.也可根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的機(jī)械參數(shù)計(jì)算。由

51、振動(dòng)臺(tái)的機(jī)電轉(zhuǎn)換理論可知由此可得出功率放大器的輸出功率為 (3.3)3. 振動(dòng)控制儀振動(dòng)臺(tái)一一功率放大器系統(tǒng)所需要的激勵(lì)信號(hào)是由振動(dòng)控制儀提供的。振動(dòng)控制儀的功能是產(chǎn)生頻率和波形能滿足要求的激振信號(hào),并按照試驗(yàn)規(guī)范的要求調(diào)節(jié)振動(dòng)量級(jí)以實(shí)現(xiàn)可控制的振動(dòng)試驗(yàn)。3.1正弦振動(dòng)控制儀。正弦振動(dòng)自動(dòng)控制儀應(yīng)具有如下功能:l) 能為振動(dòng)臺(tái)功率放大器(或伺服放大器)提供正弦掃頻信號(hào)電壓,頻率上限、頻率下限、掃頻速率可以調(diào)節(jié);在整個(gè)頻率范圍內(nèi)能以不同的速率進(jìn)行線性或指數(shù)掃頻。2) 對(duì)臺(tái)體產(chǎn)生的加速度、速度、位移能夠精確地實(shí)行定振,使其符合試驗(yàn)規(guī)范要求的定振動(dòng)幅值的容差范圍。 3) 在較寬的頻率范圍內(nèi)能按照預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)程序進(jìn)行定位移、定速度、定加速度交越控制。4) 能設(shè)定往復(fù)次數(shù),完成試驗(yàn)后自動(dòng)停機(jī)。5) 有輸出接口,便于和振動(dòng)分析儀器、記錄儀器連接