動載試驗(yàn)的量測儀器08次課39

1、1,2．壓電式加速度傳感器 從物理學(xué)知道，晶體當(dāng)受到壓力并產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)在它們相應(yīng)的兩個表面上出現(xiàn)異號電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 壓電材料中，石英晶體是較好的一種。,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,2,特點(diǎn)：高穩(wěn)定性；高機(jī)械強(qiáng)度和在很寬的溫度范圍內(nèi)使用的特點(diǎn)，但靈敏度較低，在計(jì)量方面用最多的是壓電陶瓷材料。 壓電式加速度傳感器是一種利用晶

2、體的壓電效應(yīng)把振動加速度轉(zhuǎn)換成電荷量的機(jī)電換能裝置。這種傳感器具有動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，重量輕，體積小等特點(diǎn)。,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,3,壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理： 壓電晶體片上（質(zhì)量塊m），用硬彈簧將它們夾緊在基座上，傳感器的力學(xué)模型如圖。,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的彈簧剛度由硬彈簧的剛度K1和晶體的剛度K2組成，

3、因此K=K1+K2。阻尼系數(shù) 。在壓電式加速度傳感器內(nèi)，質(zhì)量塊的質(zhì)量m較小，阻尼系數(shù)也較小，而剛度K很大，因而質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)的固有頻率很高，可達(dá)幾千赫。,,,4,,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,由前面的分析可知，當(dāng)被測物體的頻率時(shí)，質(zhì)量塊相對于儀器外殼的位移就反映所測振動的加速度值即,,,,,晶體的剛度為K2，因而作用在晶體的動壓力,,,,壓電晶體兩表面所產(chǎn)生的電荷量（或電壓）與所測振

4、動之加速度或正比,5,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,,,,,壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：① 靈敏度② 安裝諧振頻率③ 頻率響應(yīng)④ 橫向靈敏度比⑤ 幅值范圍,,,,6,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,,,,,3．記錄設(shè)備① 光線示波器② 磁帶記錄儀③ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,,7,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的

5、量測儀器,,,,,,4．測振儀器的標(biāo)定測振儀器在使用過程中需要對其性能參數(shù)進(jìn)行定期標(biāo)定。這是因?yàn)閮x器某些元件的電氣性能和機(jī)械性能會有所變化，而且還經(jīng)常碰到各種類型的傳感器，放大器和記錄設(shè)備的配套使用，這也需要對靈敏度和使用范圍的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行確定。,,,8,,,,,,,,,,,,,,,§2.2 動載試驗(yàn)的量測儀器,,,,,,常用的標(biāo)定有：分部標(biāo)定：是分別對測振傳感器，放大器和記錄儀器等各個部分的性能指標(biāo)進(jìn)行測定，然后把它們

6、組合起來。求得整套儀器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系。系統(tǒng)標(biāo)定：是將所選定的測振傳感器，放大器和記錄儀器組成整套的測試系統(tǒng)，進(jìn)行連機(jī)標(biāo)定以求得總的系統(tǒng)靈敏度，頻率響應(yīng)和線性度的標(biāo)定。,,,9,,,,,,,,,,,,,§2.3 動載試驗(yàn)的加載方法與設(shè)備,,,,,,結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)時(shí)的動荷載有兩種情況：一種是實(shí)際的動力荷載，如動力機(jī)械，起重運(yùn)輸設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生的動力荷載等。另一種是為了產(chǎn)生預(yù)期的振動用起振機(jī)和振動臺等專門設(shè)備對試驗(yàn)

7、結(jié)構(gòu)施加動荷載。,,,10,,,,,,,,,,,,§2.3 動載試驗(yàn)的加載方法與設(shè)備,,,,,,一、慣性力加載 慣性力加載是利用運(yùn)動物體質(zhì)量的慣性力，對結(jié)構(gòu)施加動荷載，按產(chǎn)生慣性力的方法可分成沖擊力，離心力及直線位移慣性力加載等。,,11,,,,,,,,,,,,§2.3 動載試驗(yàn)的加載方法與設(shè)備,,,,,,1．沖擊力加載這種荷載作用于試件上的時(shí)間較短，屬于突然加載，一般用于測定試件在沖擊荷載作用下的某些性能

8、，如強(qiáng)度，抗裂性等，也用于測定結(jié)構(gòu)本身的各種動力特性，如固有頻率等。,,12,,,,,,,,,,,,,,,沖擊荷載產(chǎn)生的方法:從一定高度上落下的重物打擊在結(jié)構(gòu)上可產(chǎn)生垂直沖擊荷載水平運(yùn)動的重物撞在結(jié)構(gòu)上用反沖激振器可產(chǎn)生水平?jīng)_擊荷載用張拉突卸的方法對結(jié)構(gòu)施加沖擊荷載。,13,,,,,,,,,,,,,,,2．離心力加載離心力加載，是根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生離心力的原理對結(jié)構(gòu)施加簡諧振動荷載。其原理如圖所示，離心力為 P=mw2r。,在

9、任何瞬時(shí)產(chǎn)生的離心力均可分解成垂直與水平的二個分力。,,,14,,,,,,,,,,,,,,,離心式起振機(jī)的原理它由機(jī)械和電控兩部分組成，機(jī)械部分主要是由二個或多個偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)組成，按其旋轉(zhuǎn)的相對位置，可形成垂直或水平的簡諧振動,,,垂直振動,水平振動,15,,,,,,,,,,,,,,,3. 直線位移慣性力加載直線位移慣性力加載系統(tǒng)，是由閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制的。固定在結(jié)構(gòu)上的作動器（雙作用液壓缸）來回推動質(zhì)量塊作水平直線往復(fù)運(yùn)動，由運(yùn)動著

10、的質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，通過作動器及其固定于結(jié)構(gòu)上的基礎(chǔ)作用于結(jié)構(gòu)。,,,16,,,,,,,,,,,,,,,二、電磁加載通電的導(dǎo)體在磁場中，要受到與磁場方向相垂直的作用力，根據(jù)這個原理，在磁場中放入動圈，通以交變電流，則可使固定于動圈上的頂桿等部件往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生荷載。若動圈通以一定方向的直流電，則產(chǎn)生靜載。,,,17,,,,,,,,,,,,,,,常見的電磁加載設(shè)備為電磁式激振器與振動臺:電磁式激振器 優(yōu)點(diǎn)為頻率范圍較寬，由幾Hz到幾

11、十Hz；重量輕；控制方便，按給定訊號可產(chǎn)生各種波形的激振力。 缺點(diǎn)為激振力不大，推動力由幾十公斤到幾百公斤，僅適合于小型結(jié)構(gòu)或小型模型試驗(yàn)。電磁式振動臺 實(shí)際上是利用電磁式激振器來推動一個活動臺面構(gòu)成的。由于電流都比較大，工作時(shí)間長了易發(fā)熱。,,,18,,,,,,,,,,,,§2.3 動載試驗(yàn)的加載方法與設(shè)備,,,,三、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)可做正弦波形荷載的疲勞試驗(yàn)，也可做靜載試驗(yàn)和長期荷載試驗(yàn)等。組

12、成：由脈動發(fā)生系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)三部分組成。目前多采用電液伺服作動器，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)等組成。,,,19,,,,,,,,,,,,§2.3 動載試驗(yàn)的加載方法與設(shè)備,,,,四、液壓振動臺液壓振動臺（地震模擬振動臺）主要用在試驗(yàn)室內(nèi)做模型的模擬地震波振動試驗(yàn)。目前這類振動臺多采用電液伺服系統(tǒng)推動，其特點(diǎn)是能在低頻時(shí)產(chǎn)生大的推力。振動臺的型式分：單向、雙向、三向振動,,,20,,,,,,,,,,,§2.4

13、 動載特性的試驗(yàn)測定,,,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析和隔振設(shè)計(jì)時(shí)，必須掌握動荷載的特性，這些特性包括作用力的大小，方向，頻率及作用規(guī)律。 對地震作用或風(fēng)荷載等特殊的動力荷載，可用長期觀察的歷史資料進(jìn)行分析，確定其作用力的大小和振動規(guī)律。,,21,,,,,,,,,,,§2.4 動載特性的試驗(yàn)測定,,,有些動力設(shè)備如往復(fù)式機(jī)械及各種帶有離心力的回轉(zhuǎn)機(jī)械，可以根據(jù)機(jī)械本身的參數(shù)進(jìn)行動荷載特性計(jì)算。在大多場合下，不能用計(jì)算方法獲得

14、動荷載特性資料，只能用試驗(yàn)方法確定。例如：有些名義上是均衡回轉(zhuǎn)而實(shí)際并不是完全均衡回轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的慣性力，吊車行駛時(shí)因軌道不平或接頭所產(chǎn)生得沖擊荷載。,,,22,,,,,,,,,,,§2.4 動載特性的試驗(yàn)測定,,,一、探測主振源的方法作用在結(jié)構(gòu)上的動荷載常常是復(fù)雜的，許多情況是由多個振源產(chǎn)生的，首先要找到對結(jié)構(gòu)振動起主導(dǎo)作用而危害最大的主振源，然后測定其特性。結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，其主振源并不總是顯而易見的，這時(shí)可以通過下述

15、試驗(yàn)方法測定：,,,23,,,,,,,,,,,§2.4 動載特性的試驗(yàn)測定,,,在工業(yè)廠房內(nèi)有多臺動力機(jī)械設(shè)備時(shí)，可以逐個開動，觀察結(jié)構(gòu)在每個振源影響下的振動情況，從中找出主振源，但是這種方法往往由于影響生產(chǎn)而不一定能實(shí)現(xiàn)。分析實(shí)測振動波形。按照不同振源將會引起規(guī)律不同的強(qiáng)迫振動這一特點(diǎn)，可以間接判定振源的某些性質(zhì)，作為探測主振源的參考。,,,24,,,,,,,,,,,,圖a 是間歇性的阻尼振動，而且有明顯尖峰和衰減的特點(diǎn)

16、時(shí)，說明是碰擊性振源所引起的振動；圖b 是具有單一簡諧振源的接近正弦規(guī)律的振動圖形。這可能是一臺機(jī)器或多臺轉(zhuǎn)速一樣的機(jī)器所引起的振動；圖c 是兩個頻率相差兩倍的簡諧振源引起的合成振動圖形；,,,25,,,,,,,,,,,,,圖d 是三個簡諧振源引起的更為復(fù)雜的合成振動圖形；圖e 是“拍振”，可能是由兩個頻率接近的簡諧振源共同作用；另一種只有一個振源，但其頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相近；圖f 是屬于隨機(jī)振動一類。,,,26,,,,,,,

17、,,,,,,分析結(jié)構(gòu)振動的頻率，可以作為進(jìn)一步判定主振源的依據(jù)。我們知道，結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動的頻率和作用力的頻率相同，因此具有這種頻率的振源就可能是主振源。對于簡諧振動可以直接量出振動的頻率。,,,27,,,,,,,,,,,,例：某鋼混框架，高17.5m，上面有一個300噸的化工容器，此框架建成投產(chǎn)后即發(fā)現(xiàn)水平橫向振動很大于是以探測主振源為目的進(jìn)行了實(shí)測。在框架頂部、中部和地面設(shè)置了測振傳感器，實(shí)測振動的記錄上、中、地面的波形是一樣的。并

18、且是拍振，通過分析兩個分振動的頻率分別為2.09Hz和2.28Hz，相當(dāng)于125.4次/分和136.8次/分，,,,,,經(jīng)過調(diào)查在附近有6臺大型臥式壓縮機(jī)，其中4臺136轉(zhuǎn)/分和2臺125轉(zhuǎn)/分。,28,,,,,,,,,,,§2.4 動載特性的試驗(yàn)測定,,,二、動荷載特性的試驗(yàn)測定根據(jù)不同的動荷載，可以采用下述幾種試驗(yàn)方法測定其特性。（一）直接測定法。它是通過測定動荷載本身參數(shù)以確定其特性。這種方法簡單可靠。由于量測技術(shù)

19、不斷提高，各種傳感器逐步完善，它的應(yīng)用范圍也愈來愈廣。,,29,,,,,,,,,,,,對一些由往復(fù)式運(yùn)動部件產(chǎn)生的慣性力（如牛頭刨床、曲柄連桿機(jī)械等）可用加速度傳感器安裝在運(yùn)動部件上，直接測出運(yùn)動部件的加速度變化規(guī)律，由于運(yùn)動部件的質(zhì)量已知，慣性力便可得到。,,30,,,,,,,,,,,,測定某些機(jī)器傳遞到結(jié)構(gòu)上的動荷載，可使用各種測力傳感器，將傳感器固定在結(jié)構(gòu)物和機(jī)器底座之間，開動機(jī)器時(shí)可將產(chǎn)生的慣性力用記錄儀器記下來。但用此法測力傳

20、感器的剛度應(yīng)足夠大，否則會導(dǎo)致很大誤差。,,31,,,,,,,,,,,,有些機(jī)器設(shè)備如橋式吊車，可以通過測量某一桿件的變形來得到動載荷的大小和規(guī)律。但應(yīng)注意選取適當(dāng)?shù)臈U件是很重要的，被選的桿件要經(jīng)過動力特性的測定。,,32,,,,,,,,,,,,,（二）間接測定法。　　此法是把要測定動力的機(jī)械安裝在足夠彈性變形的專用結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)下面為剛性支座?？梢圆捎檬軓澚夯蚰玖喊苍诖笮突A(chǔ)上作為這種彈性結(jié)構(gòu)。梁的剛度和跨度選擇必須不與機(jī)器發(fā)生共振，

21、以保證所確定的動力荷載的準(zhǔn)確度。,,33,,,,,,,,,,,,,試驗(yàn)時(shí)首先把機(jī)器安裝在梁上，在機(jī)器未開動前先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性的測定，確定出結(jié)構(gòu)的剛度和慣性力矩，固有頻率、阻尼比及已知簡諧外力作用下的振幅。把要研究的機(jī)器開動，用儀器記錄和測定結(jié)構(gòu)的振動情況，根據(jù)測出的數(shù)據(jù)則可確定出機(jī)器造成的可變外力。,,34,,,,,,,,,,,,,這種方法的先決條件是振源必須是可以移動的，而實(shí)際上大部分振源是固定的，因此這種方法比較適合于動

22、力設(shè)備制造部門和校準(zhǔn)單位作產(chǎn)品檢驗(yàn)。,,35,,,,,,,,,,,,,（三）比較測定法這種方法是比較振源的承載結(jié)構(gòu)在已知動荷載作用下的振動情況和待測振源作用下的振動情況，從而得出動荷載的特性數(shù)據(jù)。,,36,,,,,,,,,,,,,測定時(shí)在振源旁邊放一臺激振器，先開動激振器測定承載結(jié)構(gòu)的動力特性以及在已知簡諧力作用下隨激振器轉(zhuǎn)速改變的強(qiáng)迫振動振幅。再開動待測振源，記錄承載結(jié)構(gòu)的振動圖形。依據(jù)這些記錄數(shù)據(jù)，可求得振源工作時(shí)產(chǎn)生的動荷載。,