动载试验的量测仪器08次课39

1、Lab of Prof. Tian Shizhu12压电式加速度传感器压电式加速度传感器 从物理学知道，晶体当受到压力并产生机械变形从物理学知道，晶体当受到压力并产生机械变形时在它们相应的两个表面上出现异号电荷，当外时在它们相应的两个表面上出现异号电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。为压电效应。 压电材料中，石英晶体是较好的一种压电材料中，石英晶体是较好的一种。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器QGALab of Prof. Tian Shizhu2 特点特点：高稳定性；高机械强度和在很宽的温度范：高稳定性；高机械

2、强度和在很宽的温度范围内使用的特点，但灵敏度较低，在计量方面用围内使用的特点，但灵敏度较低，在计量方面用最多的是压电陶瓷材料。最多的是压电陶瓷材料。 压电式加速度传感器是一种利用晶体的压电效应把压电式加速度传感器是一种利用晶体的压电效应把振动加速度振动加速度转换成转换成电荷量电荷量的机电换能装置。这种的机电换能装置。这种传感器具有动态范围大，频率范围宽，重量轻，传感器具有动态范围大，频率范围宽，重量轻，体积小等特点。体积小等特点。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器Lab of Prof. Tian Shizhu3 压电式加速度传感器的结构原理：压电式加速度传感器的结构原理： 压电晶体

3、片上（质量块压电晶体片上（质量块m m），用硬弹簧将它们夹紧），用硬弹簧将它们夹紧在基座上，传感器的力学模型如图。在基座上，传感器的力学模型如图。2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器质量弹簧系统的弹簧刚度由硬弹簧的刚质量弹簧系统的弹簧刚度由硬弹簧的刚度度K1K1和晶体的刚度和晶体的刚度K2K2组成，因此组成，因此K K= =K K1+1+K K2 2。阻尼系数阻尼系数 。在压电式加速度传感。在压电式加速度传感器内，质量块的质量器内，质量块的质量m m较小，阻尼系数也较小，阻尼系数也较小，而刚度较小，而刚度K K很大，因而质量、弹簧系很大，因而质量、弹簧系统的固有频率很高，可达几千赫。统

4、的固有频率很高，可达几千赫。12 Lab of Prof. Tian Shizhu4 2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器由前面的分析可知，当被测物体的频率时，质量块相对由前面的分析可知，当被测物体的频率时，质量块相对于仪器外壳的位移就反映所测振动的加速度值即于仪器外壳的位移就反映所测振动的加速度值即 n 2221nd xydt 晶体的刚度为晶体的刚度为K K2 2，因而作用在晶体的动压力，因而作用在晶体的动压力22222nkd xAk ydt 22222nkd xAk ydt 2222nG kdxVCd t 压电晶体两表面所产生的电荷量（或压电晶体两表面所产生的电荷量（或电压）与所测

5、振动之加速度或正比电压）与所测振动之加速度或正比 Lab of Prof. Tian Shizhu5 2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器压电式加速度传感器的主要技术指标如下：压电式加速度传感器的主要技术指标如下： 灵敏度灵敏度 安装谐振频率安装谐振频率 频率响应频率响应 横向灵敏度比横向灵敏度比 幅值范围幅值范围Lab of Prof. Tian Shizhu6 2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器3 3记录设备记录设备 光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 数据采集系统数据采集系统Lab of Prof. Tian Shizhu7 2.2 动载试验的量测仪器动载试验的

6、量测仪器4 4测振仪器的标定测振仪器的标定测振仪器在使用过程中需要对其性能参数进行定测振仪器在使用过程中需要对其性能参数进行定期标定。这是因为仪器某些元件的电气性能和机期标定。这是因为仪器某些元件的电气性能和机械性能会械性能会有所变化有所变化，而且还经常碰到各种类型的，而且还经常碰到各种类型的传感器，放大器和记录设备的配套使用，这也需传感器，放大器和记录设备的配套使用，这也需要对灵敏度和使用范围的各项指标进行确定。要对灵敏度和使用范围的各项指标进行确定。Lab of Prof. Tian Shizhu8 2.2 动载试验的量测仪器动载试验的量测仪器常用的标定有：常用的标定有： 分部标定：分部标

7、定：是分别对测振是分别对测振传感器传感器，放大器放大器和和记记录仪器录仪器等各个部分的性能指标进行测定，然后等各个部分的性能指标进行测定，然后把它们组合起来。求得整套仪器的输入量和输把它们组合起来。求得整套仪器的输入量和输出量之间的关系。出量之间的关系。 系统标定：系统标定：是将所选定的测振传感器，放大器是将所选定的测振传感器，放大器和记录仪器组成和记录仪器组成整套整套的测试系统，进行连机标的测试系统，进行连机标定以求得总的系统灵敏度，频率响应和线性度定以求得总的系统灵敏度，频率响应和线性度的标定。的标定。Lab of Prof. Tian Shizhu9 2.3 动载试验的加载方法与设备动载

8、试验的加载方法与设备结构动载试验时的动荷载有结构动载试验时的动荷载有两种两种情况情况： 一种是一种是实际实际的动力荷载，如动力机械，起重运的动力荷载，如动力机械，起重运输设备在运行中产生的动力荷载等输设备在运行中产生的动力荷载等。 另一种是为了产生预期的振动用起振机和振动另一种是为了产生预期的振动用起振机和振动台等专门设备对试验结构台等专门设备对试验结构施施加加动荷载。动荷载。Lab of Prof. Tian Shizhu10 2.3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备一、惯性力加载一、惯性力加载 惯性力加载是利用运动物体质量的惯性力，惯性力加载是利用运动物体质量的惯性力，对结

9、构施加动荷载，按产生惯性力的方法可对结构施加动荷载，按产生惯性力的方法可分成分成冲击力冲击力，离心力离心力及及直线位移直线位移惯性力加载惯性力加载等。等。Lab of Prof. Tian Shizhu11 2.3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备1 1冲击力加载冲击力加载这种荷载作用于试件上的时间较短，属于这种荷载作用于试件上的时间较短，属于突然加载，一般用于测定试件在冲击荷载突然加载，一般用于测定试件在冲击荷载作用下的某些性能，如强度，抗裂性等，作用下的某些性能，如强度，抗裂性等，也用于测定结构本身的各种动力特性，如也用于测定结构本身的各种动力特性，如固有频率等。固有频率等

10、。Lab of Prof. Tian Shizhu12 冲击荷载产生的方法冲击荷载产生的方法: : 从一定高度上落下的重物打击在结构上可产生垂从一定高度上落下的重物打击在结构上可产生垂直冲击荷载直冲击荷载 水平运动的重物撞在结构上水平运动的重物撞在结构上 用反冲激振器可产生水平冲击荷载用反冲激振器可产生水平冲击荷载 用张拉突卸的方法对结构施加冲击荷载。用张拉突卸的方法对结构施加冲击荷载。Lab of Prof. Tian Shizhu13 2 2离心力加载离心力加载离心力加载，是根据旋转质量产生离心力的原理对离心力加载，是根据旋转质量产生离心力的原理对结构施加简谐振动荷载。结构施加简谐振动荷载

11、。其原理如图所示，离心力为其原理如图所示，离心力为 P=mwP=mw2 2r r。 在任何瞬时产生的离心力均可分解成垂在任何瞬时产生的离心力均可分解成垂直与水平的二个分力。直与水平的二个分力。 trmaPPvsinsin2trmPPHcoscos2Lab of Prof. Tian Shizhu14 离心式起振机的原理离心式起振机的原理它由机械和电控两部分组成，机械部分主要是由它由机械和电控两部分组成，机械部分主要是由二个或多个偏心质量旋转组成，按其旋转的相对二个或多个偏心质量旋转组成，按其旋转的相对位置，可形成位置，可形成垂直垂直或或水平水平的简谐振动的简谐振动垂直振动垂直振动水平振动水平振

12、动Lab of Prof. Tian Shizhu15 3. 3. 直线位移惯性力加载直线位移惯性力加载直线位移惯性力加载系统，是由闭环伺服系统控直线位移惯性力加载系统，是由闭环伺服系统控制的。固定在结构上的作动器（双作用液压缸）制的。固定在结构上的作动器（双作用液压缸）来回推动质量块作水平直线往复运动，由运动着来回推动质量块作水平直线往复运动，由运动着的质量产生的惯性力，通过作动器及其固定于结的质量产生的惯性力，通过作动器及其固定于结构上的基础作用于结构。构上的基础作用于结构。Lab of Prof. Tian Shizhu16 二、电磁加载二、电磁加载通电的导体在磁场中，要受到与通电的导体

13、在磁场中，要受到与磁场方向相垂直的作用力，根据磁场方向相垂直的作用力，根据这个原理，在磁场中放入动圈，这个原理，在磁场中放入动圈，通以交变电流，则可使固定于动通以交变电流，则可使固定于动圈上的顶杆等部件往复运动，产圈上的顶杆等部件往复运动，产生荷载。若动圈通以一定方向的生荷载。若动圈通以一定方向的直流电，则产生静载。直流电，则产生静载。Lab of Prof. Tian Shizhu17 常见的电磁加载设备为电磁式常见的电磁加载设备为电磁式激振器激振器与与振动台振动台: :l 电磁式激振器电磁式激振器 优点优点为频率范围较宽，由几为频率范围较宽，由几HzHz到几十到几十HzHz；重量轻；控制；

14、重量轻；控制方便，按给定讯号可产生各种波形的激振力。方便，按给定讯号可产生各种波形的激振力。 缺点缺点为激振力不大，推动力由几十公斤到几百公斤，仅为激振力不大，推动力由几十公斤到几百公斤，仅适合于小型结构或小型模型试验。适合于小型结构或小型模型试验。l 电磁式振动台电磁式振动台 实际上是利用电磁式激振器来推动一个活动台面构成实际上是利用电磁式激振器来推动一个活动台面构成的。由于电流都比较大，工作时间长了易发热。的。由于电流都比较大，工作时间长了易发热。Lab of Prof. Tian Shizhu18 2.3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备三、结构疲劳试验机三、结构疲劳试验

15、机结构疲劳试验机可做正弦波形荷载的疲劳试验，也可结构疲劳试验机可做正弦波形荷载的疲劳试验，也可做静载试验和长期荷载试验等。做静载试验和长期荷载试验等。组成：由脉动发生系统，控制系统和工作系统三部分组成：由脉动发生系统，控制系统和工作系统三部分组成。组成。目前目前多采用电液伺服作动器，控制系统和工作系统等多采用电液伺服作动器，控制系统和工作系统等组成。组成。Lab of Prof. Tian Shizhu19 2.3 动载试验的加载方法与设备动载试验的加载方法与设备四、液压振动台四、液压振动台液压振动台（液压振动台（地震模拟振动台地震模拟振动台）主要用在试验室）主要用在试验室内做模型的模拟地震波

16、振动试验。目前这类振动内做模型的模拟地震波振动试验。目前这类振动台多采用电液伺服系统推动，其特点是能在低频台多采用电液伺服系统推动，其特点是能在低频时产生大的推力。时产生大的推力。振动台的型式分：单向、双向、三向振动振动台的型式分：单向、双向、三向振动Lab of Prof. Tian Shizhu20 2.4 动载特性的试验测定动载特性的试验测定 对结构进行动力分析和隔振设计时，对结构进行动力分析和隔振设计时，必须掌握动必须掌握动荷载的特性荷载的特性，这些特性包括作，这些特性包括作用力的用力的大小大小，方向方向，频率频率及及作用规律作用规律。 对对地震作用地震作用或或风荷载风荷载等特殊的动力

17、荷等特殊的动力荷载，可用长期观察的历史资料进行分析，载，可用长期观察的历史资料进行分析，确定其作用力的大小和振动规律。确定其作用力的大小和振动规律。Lab of Prof. Tian Shizhu21 2.4 动载特性的试验测定动载特性的试验测定 有些动力设备如往复式机械及各种带有离心力的回有些动力设备如往复式机械及各种带有离心力的回转机械，可以根据机械本身的参数进行转机械，可以根据机械本身的参数进行动荷载特性动荷载特性计算计算。在大多场合下，不能用计算方法获得动荷载特性资在大多场合下，不能用计算方法获得动荷载特性资料，只能用料，只能用试验方法试验方法确定。例如：确定。例如： 有些名义上是均衡

18、回转而实际并不是完全均衡回有些名义上是均衡回转而实际并不是完全均衡回转部件产生的惯性力，转部件产生的惯性力， 吊车行驶时因轨道不平或接头所产生得冲击荷载。吊车行驶时因轨道不平或接头所产生得冲击荷载。Lab of Prof. Tian Shizhu22 2.4 动载特性的试验测定动载特性的试验测定 一、探测主振源的方法一、探测主振源的方法作用在结构上的动荷载常常是复杂的，许多情况作用在结构上的动荷载常常是复杂的，许多情况是由多个振源产生的，首先要找到对结构振动起是由多个振源产生的，首先要找到对结构振动起主导作用而危害最大的主导作用而危害最大的主振源，主振源，然后测定其特性。然后测定其特性。结构发

19、生振动，其主振源并不总是显而易见的，结构发生振动，其主振源并不总是显而易见的，这时可以通过下述试验方法测定：这时可以通过下述试验方法测定：Lab of Prof. Tian Shizhu23 2.4 动载特性的试验测定动载特性的试验测定 在工业厂房内有多台动力机械设备时，在工业厂房内有多台动力机械设备时，可以逐个可以逐个开动开动，观察结构在每个振源影响下的振动情况，观察结构在每个振源影响下的振动情况，从中找出主振源，但是这种方法往往由于影响生从中找出主振源，但是这种方法往往由于影响生产而不一定能实现。产而不一定能实现。分析实测振动波形分析实测振动波形。按照不同振源将会引起规律。按照不同振源将会

20、引起规律不同的强迫振动这一特点，可以间接判定振源的不同的强迫振动这一特点，可以间接判定振源的某些性质，作为探测主振源的参考。某些性质，作为探测主振源的参考。Lab of Prof. Tian Shizhu24 图图a a 是间歇性的阻尼振动，而且有明是间歇性的阻尼振动，而且有明显尖峰和衰减的特点时，说明是碰击显尖峰和衰减的特点时，说明是碰击性振源所引起的振动；性振源所引起的振动；图图b b 是具有单一简谐振源的接近正弦是具有单一简谐振源的接近正弦规律的振动图形。这可能是一台机器规律的振动图形。这可能是一台机器或多台转速一样的机器所引起的振动；或多台转速一样的机器所引起的振动；图图c c 是两个

21、频率相差两倍的简谐振源是两个频率相差两倍的简谐振源引起的合成振动图形；引起的合成振动图形；Lab of Prof. Tian Shizhu25 图图d d 是三个简谐振源引起的更为复是三个简谐振源引起的更为复杂的合成振动图形；杂的合成振动图形；图图e e 是是“拍振拍振”，可能是由两个频，可能是由两个频率接近的简谐振源共同作用；另一率接近的简谐振源共同作用；另一种只有一个振源，但其频率和结构种只有一个振源，但其频率和结构的固有频率相近；的固有频率相近；图图f f 是属于随机振动一类。是属于随机振动一类。Lab of Prof. Tian Shizhu26 分析结构振动的频率，可以作为进一步判分

22、析结构振动的频率，可以作为进一步判定定主振源主振源的依据。我们知道，结构强迫振的依据。我们知道，结构强迫振动的频率和作用力的频率相同，因此具有动的频率和作用力的频率相同，因此具有这种频率的振源就可能是主振源。对于这种频率的振源就可能是主振源。对于简简谐振动谐振动可以直接量出振动的频率。可以直接量出振动的频率。Lab of Prof. Tian Shizhu27例：某钢混框架，高例：某钢混框架，高17.5m17.5m，上面有一个，上面有一个300300吨的化工容器，此框架建成投产后即吨的化工容器，此框架建成投产后即发现水平横向振动很大发现水平横向振动很大于是以探测主振源为目的进行了实测。于是以探

23、测主振源为目的进行了实测。在框架在框架顶部顶部、中部中部和和地面地面设置了测振传感设置了测振传感器，实测振动的记录上、中、地面的波形器，实测振动的记录上、中、地面的波形是一样的。并且是拍振，通过分析两个分是一样的。并且是拍振，通过分析两个分振动的频率分别为振动的频率分别为2.09Hz2.09Hz和和2.28Hz2.28Hz，相当，相当于于125.4125.4次次/ /分和分和136.8136.8次次/ /分，分，经过调查在附近有经过调查在附近有6 6台大型卧式压缩台大型卧式压缩机，其中机，其中4 4台台136136转转/ /分和分和2 2台台125125转转/ /分分。Lab of Prof.

24、 Tian Shizhu28 2.4 动载特性的试验测定动载特性的试验测定 二、动荷载特性的试验测定二、动荷载特性的试验测定根据不同的动荷载，可以采用下述几种试验方法根据不同的动荷载，可以采用下述几种试验方法测定其特性。测定其特性。（一）直接测定法。它是通过测定动荷载本身参（一）直接测定法。它是通过测定动荷载本身参数以确定其特性。这种方法简单可靠。由于量测数以确定其特性。这种方法简单可靠。由于量测技术不断提高，各种传感器逐步完善，它的应用技术不断提高，各种传感器逐步完善，它的应用范围也愈来愈广。范围也愈来愈广。Lab of Prof. Tian Shizhu29 对一些由往复式运动部件产生的惯

25、性力（如牛对一些由往复式运动部件产生的惯性力（如牛头刨床、曲柄连杆机械等）可用加速度传感器头刨床、曲柄连杆机械等）可用加速度传感器安装在运动部件上，直接测出运动部件的安装在运动部件上，直接测出运动部件的加速加速度度变化规律，由于运动部件的质量已知，惯性变化规律，由于运动部件的质量已知，惯性力便可得到。力便可得到。Lab of Prof. Tian Shizhu30 测定某些机器传递到结构上的动荷载，可使测定某些机器传递到结构上的动荷载，可使用各种用各种测力传感器测力传感器，将传感器固定在结构物，将传感器固定在结构物和机器底座之间，开动机器时可将产生的惯和机器底座之间，开动机器时可将产生的惯性力

26、用记录仪器记下来。但用此法测力传感性力用记录仪器记下来。但用此法测力传感器的刚度应足够大，否则会导致很大误差。器的刚度应足够大，否则会导致很大误差。Lab of Prof. Tian Shizhu31 有些机器设备如桥式吊车，可以通过测量有些机器设备如桥式吊车，可以通过测量某一杆件的变形来得到动载荷的大小和规某一杆件的变形来得到动载荷的大小和规律。但应注意选取适当的杆件是很重要的，律。但应注意选取适当的杆件是很重要的，被选的杆件要经过动力特性的测定。被选的杆件要经过动力特性的测定。Lab of Prof. Tian Shizhu32 （二）间接测定法。二）间接测定法。此法是把要测定动力的机械安

27、装在足够弹性此法是把要测定动力的机械安装在足够弹性变形的专用结构上，结构下面为刚性支座。可以变形的专用结构上，结构下面为刚性支座。可以采用受弯梁或木梁安在大型基础上作为这种弹性采用受弯梁或木梁安在大型基础上作为这种弹性结构。梁的刚度和跨度选择必须不与机器发生共结构。梁的刚度和跨度选择必须不与机器发生共振，以保证所确定的动力荷载的准确度。振，以保证所确定的动力荷载的准确度。Lab of Prof. Tian Shizhu33 试验时试验时首先把机器安装在梁上，在机器未开动前先首先把机器安装在梁上，在机器未开动前先进行结构的静力和动力特性的测定，确定出结构的进行结构的静力和动力特性的测定，确定出结构的刚度和惯性力矩，固有频率、阻尼比及已知简谐外刚度和惯性力矩，固有频率、阻尼比及已知简谐外力作用下的振幅。力作用下的振幅。把要