超低频测振仪的优化设计

超低频测振仪的优化设计

超低频测振仪随着大型设计的出现，通用的测量精度无法满足设计结构的动态特性。应开发出多功能的超低频振动测量仪器，以便不仅满足一般工程的振动测量，而且满足较大结构的动态特性测量。本文介绍了采用无源伺服技术研制成功的941B型超低频测振仪的原理及性能。941B型测振仪包括941B型拾振器和941型放大器。拾振器设计成往复式轻摆结构,克服了回转摆低频拾振器体积大、使用中需要调零、运输中簧片易损和频带窄的缺点。拾振器采用了无源伺服技术,拓宽了拾振器的低频使用范围和测量量程,拾振器上设置了一个微型开关,可以改变拾振器的测量量程、通频带、灵敏度以及测量参量(加速度或速度)。941型放大器具有放大、积分、滤波和阻抗变换的功能。拾振器上的微型波动开关、放大器上参数选择开关及放大倍数开关档位的不同组合,可提供不同频带、不同量程的加速度、速度或位移的参量,从而实现一机多能的特点。194拾振器频率使用的频率范围941B型拾振器属于往复摆式绝对测振仪,其基本原理可用图1的数学模型来描述,输出电路如图2所示。图1中m为运动部分质量,k为支承导向弹簧刚度,b为包括空气阻尼在内的阻尼力系数,X为地基的运动位移,x为质量相对于外壳的运动位移。图2中G为动圈的机电耦合系数,i为线圈中的电流,运动微分方程为:m¨x+b˙x+kx+Gi=-m■AX¨U1■(1)当拾振器构成无源伺服系统时,其输出电压与地面运动速度成正比,其电路方程为Rsi+e=G˙xC˙e+1Re=i}(2)式(2)中的Rs为动圈内阻,C为并联电容,R为并联电阻,e为输出电压。设空气阻尼可以忽略,整理方程(1)和(2),可得用算子法联立求解方程(3),可得x=-mk(RRSCR+RSs+1)s2Xs3(mk⋅RRSCR+RS)+s2(mk+RCG2(R+RS)k)+s(RRSCR+RS+G2(R+RS)k)+1(4)e=-mGR(R+RS)ks3Xs3(mk⋅RRSCR+RS)+s2(mk+RCG2(R+RS)k)+s(RRSCR+RS+G2(R+RS)k)+1(5)设n20=kmA1=RRsCR+RsB3=1n20⋅RRsCR+RsB2=1n20[1+G2RCm(R+Rs)]B1=RRsCR+Rs+G2n20(R+Rs)mA=RGn20(R+RS)}(6)由式(4)和(5)得x=-1n20(A1s+1)s2XB3s3+B2s2+B1s+1(7)e=-As3XB3s3+B2s2+B1s+1(8)由式(7)和(8)得x=-n2n20⋅(sn2+1)X(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(9)e=-S˙xsX(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(10)式中s=jωj=√-1S˙x=RR+Rs⋅n2n20⋅Gn20=kmn2=R+RsRRsC1n1n2=1n2n⋅R+RsR+Rs2D1n1n+1n2=1n20[1+G2RCm(R+Rs)]1n1+2D1n=RRsCR+Rs+G2n2n(R+Rs)m}(11)式(11)中S为速度灵敏度,n0为原机械系统固有频率,n1为上限截止频率,n为二阶系统的低频固有频率,D1为二阶系统的阻尼常数。当R→∞,G2Cm>>1时D1≐n0RS√mC2G(12)由式(11)得n1=n20n2⋅(R+RS)RRSC(13)n1决定了拾振器的频率上限使用范围。在线圈位移x限定的情况下,最大可测位移值可由式(14)求得:X=-n20n2⋅(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(sn2+1)⋅x(14)由式(14)可见,最大可测位移随频率变化,在频率n以上,受到n1和n2两项的影响,频率越高,被测幅值越小,逐渐接近于X≈x。由式(11)可见,在n1很高时,n2和n20之比为:n2n20≈11+G2RCm(R+Rs)(15)n值远比n0为小,故可使测量范围延伸到低于自振频率范围。当R→∞,G2RCm(R+RS)>>1时,拾振器的灵敏度为S⋅X≐mGC(16)二阶系统的固有频率为n≐n0G√mC(17)从式(16)、(17)可以看出,电容C越大,拾振器的低频特性越好,而灵敏度越低。当构成速度摆加速度计时,拾振器输出电路如图3所示,电路方程为Rsi+e=G˙x1Re=i}(18)解方程(1)和(18),可得x=-s2Xs2+2D1n0s+n20(19)e=-GRRS+R⋅s3Xs2+2D1n0s+n20(20)当n0=ω;D1>>1时,拾振器构成加速度计,加速度计的灵敏度为低频下限可按式(22)计算fX=f02D1,(f0=n02π)(22)由式(22)可以看出,D1越大,低频下限越好。294超低频无源开采瑶社的技术标准941B型超低频无源伺服拾振器技术指标如表1所示。拾振器的幅频特性曲线和可测位移曲线见图4和图5。394测振放大器的选择放大器的原理如图6所示。941B型测振放大器由阻抗变换、放大、积分、滤波等组成,阻抗变换用于满足拾振器的输出阻抗要求,放大部分用于满足不同振动信号的要求,根据要求可选择不同的放大倍数;积分器可将速度信号进行一次积分获得位移信号,滤波器设计成3频段高陡度低通滤波器,以滤除不必要的高频信号。放大器具有参数选择开关,放大倍数开关,通频带选择开关。放大器选用了低噪声、高精度运算放大器,可获得较大的动态范围。放大器可使用直流电或交流电,以满足野外振动测量。941B型测振放大器的技术指标放大倍数K:参数选择开关置于1时,K=10～5000;参数选择开关置于2时,K=1～500。参数选择开关置于3时,K=5～2500,KI1=20;参数选择开关置于4时,K=1～500,KI2=4。其中KI1及KI2为积分增益。4结语从表1和放大器的技术指标可以看出,合理地选择拾