机械工程测试技术课程设计

1、机械工程测试技术课程设计工作台振动测量仪设计姓名：胡向东学号：20121512111指导教师：卢纪丽院系：机电工程专业：机械设计制造及其自动化1 概述振动测试仪是一种能测量机械、物体等振动的测量仪器。比如测振仪、 动平衡仪、振动测试与模态分析仪都算是振动测试仪。振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机器、 仪器和设备运行时，不可避免地存在着诸如回转件的不平衡、负载的不均匀、 结构刚度的各向异性、润滑状况的不良及间隙等原因而引起受力的变动、碰撞 和冲击，以及由于使用、运输和外界环境下能量传递、存储和释放都会诱发或 激励机械振动。所以说，任何一台运行着的机器、仪器和设备都存在着

2、振动现 象。在大多数情况下，机械振动是有害的。振动往往会破坏机器的正常工作和 原有性能，振动的动载荷使机器加速失效、缩短使用寿命甚至导致损坏造成事 故。机械振动还直接或间接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人类的健 康。因此，要采取适当的措施使机器振动在限定范围之内，以避免危害人类和 其他结构。随着现代工业技术的发展，除了对各种机械设备提出了低振级和低噪声的 要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制， 这些都离不开振动测量。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构 的振动分析和振动设计，找出其薄弱环节，改善其抗振性能。另外，对于许多 承受复杂载荷或本身性质复杂

3、的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻 尼系数、固有频率和边界条件等，目前尚无法用理论公式正确计算，振动试验 和测量便是唯一的求解方法。因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作 用。微振动测试仪的设计主要组成部分压电式传感器，用于信息的采集；在本 设计方案里选择压电陶瓷传感器做为压电式传感器。通过电路连接把所采集的 信息传递给电荷放大器，对微弱的电荷信号进行放大，信号的放大通常有两 种：电压放大和电荷放大。这里考虑避免接入电容的影响，所以采用电荷放 大。除了电荷放大，还要再一次对信号进行放大，这里采用运算放大器和一定图1-的电路组成。把最终信号传输给显示器就可以得到微振动的多组数据结果，

4、就 可以得到被测物体的每刻状态。系统硬件原理图如图1-1:（一）电式传感器的工作原理1、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时部会产生极化现象， 同时么其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态这种现 象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压、它会产 生机械变形；当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电 效应（电致伸缩效应）例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。 具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正 比即Q=dF式中

5、 d 一压电常数。输1系统框图自然界中与压电效应有关的现象很多 * 例如在敦煌的鸣沙丘当许多游客在 沙丘上蹦跳或从鸣沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声；产生这个现象 的原因是无数干燥的沙子 （siO2 晶体） 在重压下表面产个电荷。在某 时刻， 形成电压串联，产生很高的电压。并通过空气放电而发出声音。2 、压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件件材料一般有三类：一类是压电晶体 （ 单晶 体） ；第二类是经过极化处理的压电陶瓷 （ 多晶体 ） ；第三类是高分子压电材料。 这里我们主要介绍第二类。（ 二 ） 压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料它由无数细微的电畴组成。这些电 畴实际上

6、是分子自发极化的小区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂 乱分布。它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电陶瓷呈中性，不具有 压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极 化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度当压电陶瓷受外力作 用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。压电陶瓷制造工艺成熟，通过改变配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能 有较大改变，以适应各种要求 它还具有良好的工艺性可以方便地加工成各 种需要的形状，在通常情况下，它比石英品体的比电系数高得多，而制造成本 较低，因此日前冈内外压电元件绝大多数都采用压电陶瓷常用的压电陶资材料主

7、要有以下几种:(1)锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和铁酸铅组成的固熔休。它有较高的压电常数d (200 500)*10-12c/n和居里点(500c左右)，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料小加入微量的镧(La)、铌(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工业中应用较多的压 电陶瓷(2)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)铌镁酸铅压电陶瓷具有较高的压电常数dll = (800 一 900)x10-12C/n和居里点(260C)，它能在压力大至70MPsB寸正常工 作。因此可作为高压下的力传感器。目前还有一些铌酸盐 (如铌酸锂)具有很高 的居里点，可作

8、为高温压电传感器。(3)使用Pv 96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为100OPC/g,也就是说在1g(g = 9. 8M/s*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库 的电荷o Pv96型压电传感器的性能如表1-2 :lMXWpQgWOOpF20OTSHEiocn图1-2 Pv 96型压电传感器特性这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Cn的等效电路。因可以等效为一个电压源，如图2-1b所示- - - -OUa=Q/Ca Ca-o严 ICD Ua=Q/CaU02系统硬件电路设计2.1压电陶瓷传感器的等效电路压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的

9、，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为Cr CS式中S极板面积；Cn 压电材料相对介电常数;C 。一一真空介电常数；3 压电元件厚度。当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q,压电元件的 开路电压（认为其负载电阻为无穷大）u为Cn此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图2-1a所示，也图2-1压电传感器的等效电路压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC,放大器的输入电阻R和输入电容C以及传感器的泄漏电阻 R。图2-2画出了压电传感器完整的等Ca图2-2压电传感器实际的等效电路2.2电荷放

10、大电路由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分市电容 及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为 此义发展了便于远距离测量的电荷放大器、目前它已被公认是一种较好的冲击 测量放大器。这种放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大 器，其等效电路如图611所示。图中已把F。、RI看作是无限大，而加以忽视，这样当容抗远小于电阻 Rf折到输入端的等效阻抗时，可有下式成立：效电路In r i1 QRa Cc Ri CiU。kQCa Cc Ci (1 k)CFUoCFRC可做得很大，因此电荷放式中CF反馈电容电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的G和

11、电缆的CC与R:fH2 Rc(Ca Cc)由于Ca、C、R通常都很小，因此高频上限fH可高达180kHz。电荷放大器的低频下限，由于 A相当大，通常（1+ A） GC, R/ （1 + A）vR，因此只取决于反馈回路参数 R、G :f 1L 2 RfCf它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数大器的低频下限fL可低达10-110-4Hz （准静态）。图2-3压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图2-4为电荷放大器原理框图，它主要由六部分组成，其中主电荷放大级是 整个仪器的核心，它又包括高阻输入级、运算放大级、互补功放输出级三部 分。互补功放输出级使电路提供给 Cf以必要的反馈电流。适调放大级

12、的作用是 当被测量（加速度或压力）一定时，用不同灵敏度的压电元件测量而有相同的 输出，实现综合灵敏度的归一化，便于记录和数据处理。滤波器备有不同截止 频率的分档，依据实际情况选择。图2-4电荷放大器原理框图需要指出，电荷放大器虽然允许使用很长的电缆，并且电容Cf变化不影响灵敏度，但它比电压放大器的价格高，电路较复杂，调整也比较困难。2.3测量电路测量电路如图2-5所示。图中的模拟测量电路由两级放大器组成AF2R4RP1R2AD544组成一个电荷放大器，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器，它的输出为Vol Q0,传感器受到1g加速度的作用，它产生的电压，理C1-12 12 一 一论

13、值为Vol 10000 10 C/300 10 F 33V (实际上，1g的加速度使运放的输出为饱和值Vs)，即放大器AD544的灵敏度为233V / g 33.7mV / gal(1gal 1/980g 1cm/$)电荷放大器的频率响应由反馈电容 C1和反馈电阻R1确定。其截止频率为fo 1/2 R1C1 0.053Hz在0.1Hz时，输出约下降1dB。RB为运放AD544的输入保护电阻，避免AD544的输入过高而损坏。A776是 一个反相放大器，其闭环增益为调整电位器RP1可使AF2=1.48，因此，A776勺输出灵敏度为(1.48) ( 33.7mV/gal) 50mV / gal 近似

14、为48.8V/g。也就是说，当振动加速度为1/980g时，电路能输出50m啲电压。本电路输出电压最大约为6V,因此其最大测量值约为48.8/60.1g。A776是低功耗可编程运算放大器，为了降低噪声，可在 8脚输入适当的电 流I oet 15 A。在低频测量时，随着频率的降低会增大闪烁噪声，由于采用的 运放 A776的电压噪声在1 A以下，噪声主要由电荷放大器产生。所以在降低 噪声设计中不仅要选择电压噪声小的集成电路而且应有低的输入电压、低的偏 压及失调漂移等特性。在电路设计中，反馈电容尽可能小，因为即使很小的漏 电流进入放大器也会产生误差，故输入部分要用聚四氟乙烯绝缘纸进行绝缘。若要求测量电

15、路的输出灵敏度更高，应提高A776的反馈电阻。例如，输出灵敏度为100mV/gaI时， A776的闭环增益约为3,可适当增大（R4 RPI）的值。2.4 振动测量（ 1）振动测量的概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振功。从扼功对象来分，有机械振动 （ 例如机 床电机、泵风机等远行时的振动 ） ；上木结构振动 （ 房屋、桥梁等的振动 ）；运输工 具振动汽车、飞机等的振动 ） 以及武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分合高频振动、低频振动和超低频振动等；从振动信号 的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。期振功是 指经过相同的时间间隔，其振动特征量重复出现的振动。

16、它包括简谐振动和复杂周 期振动。复杂周期振动是由一些不同频率的简谐分量合成的振动。非周期振动的时 域函数是一个衰减曲数，冲击振动是最常见的非周期振功。随机振动是一种非确定 性振动，事先允法确定共振幅、频率从相位的瞬时值，但有一定的统计规律性。振 动测量主要是研究上述各种振动的持征、变化规律以及分析产生振动的原因，从而找到解决问题的方法。物体标动一次所需的时间称为周期，用丁表示，单位是s。每秒振动的次数称频率，用f表小，单位为Hz、频率是分析振动的最重要内容之一。振动物体偏离 平衡位置的最大距离称为振幅，用 x表示，单位为mm振动的速度用v表示，单 位为m/s ;加速度用a表水，单位m/s*s。

17、(2)振动测量的分类测振用的传感器义称拾掘器。亡有接触式和非接触式之分；接触式中又行磁电 式、电感式、压电式等。非接触式小义有电涡流式、电容式，霍尔式，光电式等当 测振系统自身的固有振动频率f05f时，质量块与振动体A一起振动，质量块与 振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测量传感器称为加速度计。(3) 压电式传感器的结构原理压电式加速度传感器结构如上图所示：当传感器与被测振动加速度的机件紧 固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯件 引起的压力。其方向与振动加速度方向相反，大小奏 F= ma决定。惯性引起的 压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出由

18、此将振动加速度转换成电参量。弹簧是给压电晶片施加预紧力的。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小，若预紧力不够，而加速度又较大时质量块将宅压电晶片敲碰， 预紧力也不能太大，否则又会引起压电晶片的非线性误差、常用的压电式加速 度传感器的结构多种多样这种结构有较高的固有振动频率，可用于较高频率 的测量 (几千赫兹至几十千赫兹 ) ，它是目前应用较多的一种形式 。( 4) 压电传感器的性能指标(a)灵敏度 K 压电式加速度传感器属于自发电型传感器，它的输出为电荷 量，以Pc(皮库仑)为单位，1Pc= 10/-12C ;而输入量为加速度，单位为 rn/ s*s，所以灵敏度以pc/(m0 s)为单位，但是

19、在振动测量中，往往用标准重力 加速度 g(1g=98m /s*s) 作为加速度的单位，这是检测行业的一种习惯用法。 几乎所有测量振动的仪器都用 g 作为加速度单位，并在仪器的面板上以及说明 书中标出，灵敏度的范围约为 lo 一 100pc/g0目前许多压电加速度传感器已将电荷放大器做在同一个壳体中，它的输出 是电压，所以许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mA g,通常为10 I000mV/g 灵敏度并不是越高越好，灵敏度低的传感器可用于动态范同很宽的扳 动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击试验、炸弹的贯穿延时引爆等 而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动0例如用于寻找地下行道的泄 漏点(水管漏水处可发出几千赫兹的特殊振动 ) ;或测量桥梁、楼房、桩基的受 激振动以反分析精密机床床身的振动以提高加工精度等0(b) 频率范围 大多数压电加速度度传感器的频率范围为 0.1HZ-10KHZ0、(c)动态范围常用的测量范围为0.1 100g,测量冲击振动时应选用100 0000g ;而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择 0. 001 10g的高灵敏度的低频加速度传感器。3 总结在设计过程中,关键部分当属总体工作电路原理图的设计,怎么样更合 理,更效益设计该电路？成为该设计的最关键的一步,对元气件的选择决定电 路图的设计,每选择一种元气件就有可能改