第五章悬臂梁固有频率测试-振动的测试

1、项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术项目项目1 电子秤的制作电子秤的制作 温度检测温度检测黄冈职业技术学院黄冈职业技术学院项目情境项目情境4 4： 悬臂梁固有频率测量悬臂梁固有频率测量 振动的测试振动的测试项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术 测量如右图所示悬臂测量如右图所示悬臂梁的固有频率梁的固有频率 在计算机中显示出所测在计算机中显示出所测波形并保存波形并保存悬臂梁固有频率测试系统悬臂梁固有频率测试系统项目要求项目要求项目要求项目要求项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术知识目标知识目标能力目标能力目标项目目标项目目标了解常用振了解

2、常用振动传感器，动传感器，掌握压电式掌握压电式传感器的结传感器的结构及工作特构及工作特性性掌握振动测试掌握振动测试的基本原理及方的基本原理及方法法能用频谱分析能用频谱分析方法获得特性参方法获得特性参数和故障诊断数和故障诊断项目目标项目目标传感器与测试技术项目内容项目内容知识准备知识准备项目分析与实施项目分析与实施项目拓展项目拓展资料查询资料查询项目内容项目内容传感器与测试技术知识准备知识准备知识准备知识准备知识点知识点1 振动的概述振动的概述知识点知识点2 常用测振传感器常用测振传感器知识点知识点3 测振传感器选用原则测振传感器选用原则项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术振

3、动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，在大多数情振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，在大多数情况下，振动是有害的，常常破坏机械的正常工作，振动的动况下，振动是有害的，常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。坏造成事故。 当然，振动也有可以被利用的一面，如输送、当然，振动也有可以被利用的一面，如输送、清洗、夯实、脱水等。清洗、夯实、脱水等。1.定义：物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。定义：物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。2、产生的物理原因、产生的物理原因 机械在运动时

4、，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。一、振动定义一、振动定义知识准备知识准备振动概述振动概述知识点知识点1 振动的概述振动的概述知识准备知识准备项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术u 振动基本参数的测量：测量设备运行时的振动参振动基本参数的测量：测量设备运行时的振动参量（如测振动物体上某点的位移、速度、加速度、频量（如测振动物体上某点的位移、速度、

5、加速度、频率等参数），以了解被测对象的振动状态、寻找振源、率等参数），以了解被测对象的振动状态、寻找振源、在线监测等；在线监测等；u 结构和部件的动态特性测试：对设备激振，测试结构和部件的动态特性测试：对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗和模态等。率、阻尼、机械阻抗和模态等。二、机械振动测试的研究内容二、机械振动测试的研究内容知识准备知识准备振动概述振动概述项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 小轿车的乘坐舒适性试验就是通过液压激振台

6、给汽车一个模拟道小轿车的乘坐舒适性试验就是通过液压激振台给汽车一个模拟道路状态路状态(也称为道路谱也称为道路谱)的激励信号，使汽车处于道路行驶状态。汽的激励信号，使汽车处于道路行驶状态。汽车驾驶员坐椅处的振动加速度可以通过一个加速度传感器来拾取，车驾驶员坐椅处的振动加速度可以通过一个加速度传感器来拾取，该信号经信号处理电路和振动分析仪的分析，就可以得到汽车的振该信号经信号处理电路和振动分析仪的分析，就可以得到汽车的振动量值与道路谱的关系，为研究汽车的乘坐舒适性提供参考数据。动量值与道路谱的关系，为研究汽车的乘坐舒适性提供参考数据。 知识准备知识准备振动概述振动概述项目项目1 电子温度计制作电子

7、温度计制作传感器与测试技术一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所换电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。组成。激激 振振系系 统统测振传感测振传感器器中间变换中间变换电路电路功功 放放振动分振动分析仪器析仪器显示显示记录记录反馈反馈控制控制干扰干扰信号发生器信号发生器三、振动测试系统的组成三、振动测试系统的组成知识准备知识准备振动概述振动概述项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术测试系统包括下述三个主要部分：测试系统包括下述三个主要部分：v 激励部分 实现对被测系统的激励（输入），

8、使系统发生振动。它主要由激实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。励信号源、功率放大器和激振器组成。v 拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。v 分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。知识准备知识准备振

9、动概述振动概述项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术知识点知识点2 常用测振传感器常用测振传感器一一. .电涡流位移传感器电涡流位移传感器知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术偏心和振动检测偏心和振动检测 振幅振幅知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术二、磁电式速度传感器二、磁电式速度传感器810eBNlv 磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计频率范围：下限：频率范围：下限：10-15Hz，上限：，上限：1000Hz磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计知识准备知识准备测振传感器

10、测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计1顶杆顶杆 2弹簧片弹簧片 3磁钢磁钢 4线圈线圈 5引出线引出线 6壳体壳体 优点：无源传感器，是不需要外加电源，输出信号可以不经调理优点：无源传感器，是不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可远距离传送，这在实际长期监测中是十分方放大即可远距离传送，这在实际长期监测中是十分方 便的便的 用来测量振动系统用来测量振动系统中两部件之间的相中两部件之间的相对振动速度，壳体对振动速度，壳体固定于一部件上，固定于一部件上，而顶杆与另一部件而顶杆与另一部件相连接。相连接。 知识准备知识准备测振传感器测

11、振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术三三. .应变式加速度传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器具有体积小、重量轻、应变式加速度传感器具有体积小、重量轻、 输出阻抗低输出阻抗低等特点，广泛应用于飞机、等特点，广泛应用于飞机、 轮船、轮船、 机车、桥梁等振动机车、桥梁等振动加速度的测量加速度的测量;应变式加速度传感器不适用于频率较高的应变式加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz1.质量块质量块 2.等强度梁等强度梁 3.应变片应变片 4.壳体壳体知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温

12、度计制作电子温度计制作传感器与测试技术四四. . 压电式加速度传感器压电式加速度传感器知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术1.工作原理工作原理: 压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅变形（几何尺某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅变形（几何尺寸会发生变化），而且内部也会被极化，在表面会产生电荷；当寸会发生变化），而且内部也会被极化，在表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为压电外力去掉时，又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为压电效应。效应。F+q=DF知识准备知识准备测振传感器测

13、振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术2. 等效电路和动态量测量等效电路和动态量测量 在压电元件的两个工作面上进行金属蒸镀，在压电元件的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极形成金属膜，构成两个电极+ + + + + + +- - - - - - -FF当压电晶片受到压力当压电晶片受到压力F F的作用时，分别在两个极板的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场压电传感器可以看作是一个电荷发压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器生器，也可以看成是一个电容器电荷发生器：电荷发生器

14、： q=DF电容器：电容器：CaqU 知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术等效电路等效电路注意：利用压电式传感器注意：利用压电式传感器不宜测量静态或准静态量值，不宜测量静态或准静态量值， 若要测必须若要测必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量压电式传感器适宜作动态测量。知识准备知识准备测

15、振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术知识准备知识准备测振传感器测振传感器3. 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 1、 高输入阻抗高输入阻抗 2、放大、放大 在传感器输出端先接在传感器输出端先接高输入阻抗前置放大器高输入阻抗前置放大器，然后再接入一般的放大检波电路然后再接入一般的放大检波电路a) 前置放大器作用：前置放大器作用：1、将传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出（阻抗变化）、将传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出（阻抗变化）2、放大传感器输出的微弱信号、放大传感器输出的微弱信号要求：要求：因为压电材料的内阻因为压电材料的内阻都比较高，而且输出

16、都比较高，而且输出的信号又比较微弱的信号又比较微弱实现：实现：前置放大器前置放大器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术电电压压放放大大器器b) 前置放大器的类型前置放大器的类型电电荷荷放放大大器器 具有高输入阻抗的用电阻反馈的放大器，输出电压具有高输入阻抗的用电阻反馈的放大器，输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；与输入电压（传感器的输出电压）成正比；U=-Q/(Ca+Cc+Ci); 输出电压受电缆对地电容影响很大，。故只适用于输出电压受电缆对地电容影响很大，。故只适用于一般的振动测量，而且电缆不能很长，一般必须按传感一般的振动测量，而且电缆不能很长，一般必须按传感

17、器的要求严格选择电缆长度，电路虽简单，但使用复杂，器的要求严格选择电缆长度，电路虽简单，但使用复杂，目前已不多用。目前已不多用。知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术电电压压放放大大器器电电荷荷放放大大器器 高增益带电容反馈的运算放大器高增益带电容反馈的运算放大器(等效电路见上图等效电路见上图) 放大器的输出电压与输入电荷成正比，且放大器的输出电压与输入电荷成正比，且与电缆对地电容与电缆对地电容无关无关，所以可接长电缆，而灵敏度不受影响；，所以可接长电缆，而灵敏度不受影响；So 即使它比较贵，电路也更复杂，电荷放大器应用的更广泛即使它比较贵

18、，电路也更复杂，电荷放大器应用的更广泛of 6-4QuC 知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术1）直接用于测力，可测力范围很广从微小值）直接用于测力，可测力范围很广从微小值10-3 N 104kN2） 测加速度（现在广泛应用压电加速度计来测加速度）测加速度（现在广泛应用压电加速度计来测加速度）4. 压电传感器的应用压电传感器的应用加速度计，力传感器加速度计，力传感器 知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术压电式周界报警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的

19、压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路

20、的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术车床中用于动态切削力的测量车床中用于动态切削力的测量 压电式动态力传感器压电式动态力传感器知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术振动测试振动测试压电式加速度计压电式加速度计横向振动横向振动测振器测振器纵向振动纵向振动测振器测振器知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作

21、传感器与测试技术压电振动加速度传感器的性能指标 （以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例） 技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：4-4000Hz安装谐振点安装谐振点:15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性：线性：1%知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率（共振频率与固定状况有关）共振频率（共振频率与固定状况有关）知识准备知识准备测振

22、传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。 一般用粘结法固定的可测频率不超过一般用粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。以下的近似测量。知识准备知识准备测振传感器测振传感器项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术知识点知识点3 测振传感器的合理选择测振传感器的合理选择 直接测量参数的选择直接测量参数的选择 低频时加速度信噪比差低频时加速度信噪比差 高频时位移信噪比差高频时位移信噪比差

23、综合考虑传感器的各个指标综合考虑传感器的各个指标 灵敏度、测量范围、频率范围灵敏度、测量范围、频率范围 考虑到具体的使用环境考虑到具体的使用环境知识准备知识准备测振传感器选择测振传感器选择项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术在低频振动场合，加速度的幅值不大，宜选用振动位移测量；在低频振动场合，加速度的幅值不大，宜选用振动位移测量；在中频振动场合，宜选择振动速度测量在中频振动场合，宜选择振动速度测量在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择加速度测量。在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择加速度测量。振动量振动量：通常指反映振动的强：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指弱程度的量，亦即指振动位移，振动位移，振动速度和振动加速度振动速度和振动加速度的大小。的大小。这三者之间存在着确定的微分这三者之间存在着确定的微分或积分关系。或积分关系。 究竟测量哪个振动量是振动测究竟测量哪个振动量是振动测量中必须考虑的问题之一量中必须考虑的问题之一知识准备知识准备测振传感器选择测振传感器选择项目项目1 电子温度计制作电子温度计制作传感器与测试技术项目分析和实施项目分析和实施一、测量原理和总体方案一、测量原理