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對振動偵查和測量的一種實用方法 物理原則和偵查技術 作者 John Wilson 動態(tài)顧問 LLC 這篇論文論述振動物理 彈簧質量系統(tǒng)的動力學 阻止 位移 速度和加速度 并且查 出和測量這些物產傳感器的操作原理 振動擺動由振動或作用在機構的力的變化引起振動的擺動 振動行動反向 由于我們將 看到 這振蕩可能是在經過若干時間有價值的周期連續(xù)不斷的或者可能間斷的 它可能是周 期性或非周期性 那就是說 它可能或者可能不呈現(xiàn)一規(guī)則的周期的重復 動擺的本質取決 于力量的本質駕駛它和結構被駕駛 運動是一個矢量 呈現(xiàn)一個方向和一個量 振動的方向通常被描述依據(jù)一些獨立的坐標 系 典型地笛卡爾的或者直角的 其運動的方向被稱作坐標軸 這些坐標軸的正交座標系的 原點是被任意地被定義在一些適當?shù)牡奈恢?機構的多數(shù)振動的響應可以用當做單自由度彈簧質量系統(tǒng)模型 并且許多振動傳感器使 用他們的一個彈簧質量系統(tǒng)當做轉導機構的機械部分 除外形尺寸之外 一個彈簧質量系統(tǒng) 可以用彈簧的剛度 K 和質量 M 或者質量的重量 W等性能參數(shù)來阿描述 這些特征不僅決 定來這機構的靜態(tài)特性 靜變位 d 而且決定來它的動態(tài)特性 如果 g 是重力的加速度 F MA W Mg K F d W d d F K W K Mg K 一個彈簧質量系統(tǒng)的動力學 一個彈簧質量系統(tǒng)的動力學的可以被體系的特性在自由振動及有效的振動表示 自由振動 自由振動被那情況情形哪里那彈簧是偏斜于是釋放以及允許到自由地搖擺 例子包括一個跳板 一個跳簧跨接管 以及一個擺或搖擺偏斜以及留某事給自由地振動處理 兩個特征特性應該注意 第一 阻尼在那體系表示原因的那振幅的那振蕩到減少將來 那包括市區(qū)及郊區(qū)的那阻尼 那更快的那振幅隨時間減小 只要彈性極限不是超過 那頻率或時期的那振蕩無關原始的大小原始的偏轉的的 那自然地發(fā)生頻率的那自由振動 被呼叫那自然頻率 fn 受迫振動 受迫振動當能量是連續(xù)地被加到那彈簧質量系統(tǒng)由申請振動的力在一些受 迫振動頻率時的情形 ff 兩個二例子連續(xù)地推一個孩子上去一個搖擺和一失衡旋轉電機元件 如果提供充足的能量到克服那阻尼是 那動作就會延續(xù)長達那激勵延續(xù)之久 受迫振動可以 取自勵的或外部地激發(fā)振動的形式 自激振動發(fā)生在激發(fā)力是產生在或上去那懸掛質量的時 候 外部地激發(fā)振動發(fā)生在激發(fā)力作用于彈簧的時候 這是那情形 例如 當那基礎對此 那彈簧附屬于是移動時 傳導能力 當基礎正在振動 而且力整個彈簧被傳輸?shù)街兄沟馁|量時候 質量的動作 將會是來自基礎的動作差積 我們將會認為基礎的動作是輸入 I 和質量的動作響應 R 比率半徑 我被定義為傳輸度 Tr Tr R I 共振 在力頻率好低于體系的固有頻率 R I 和 Tr 1 由于作用力的頻率接近那固 有頻率 由于共振 所以傳遞率增加 共振是在機械系統(tǒng)中的量的存儲 在力頻率接近那固 有頻率 能量是存儲和積聚 導致增加響應振幅 阻尼也增加由于增加響應振幅 然而 并 且最后那能量為阻尼所吸收 每一周期 等于能量增加由激振力 并且平衡狀態(tài)到達 我們 發(fā)現(xiàn)當 ff fn 時最大傳遞率發(fā)生 這個情況被稱作共振 隔振 如果激振力頻率超過 fn R 降低 當 ff 1 414 fn R I 或 Tr 1時 在比較高的 頻率 R I 或 Tr 1 在頻率當 0 1英寸 到使他們成為現(xiàn)實的 一束對準在一個反射面上光束在強度或者角度的的變化能被使用當做一距離指示從震源 的角度之上方面 如果該探測儀器是足夠快的 變化的距離也可以被測定 最靈敏的 準確 的和精密的測定距離或位移的光學裝置是激光干擾儀 利用這個儀器 一束反射激光束間雜 有原來的入射光束 這由相位差形成的干涉圖樣可以測量位移下至1 MHz 震動加速度儀 最現(xiàn)代的PR傳感器是用單個碎片硅制造的 一般說來 造型整體傳感器的優(yōu)點從一個單 一的材料塊是更好的穩(wěn)定性 較少熱量的失配在部分之間 并且較高的可靠性 欠阻尼的 PR 加速度儀容易不比 PE 裝置高低不平 單一晶體矽能有特別的降伏強度 特別地以高的 應變率 但是它是然而一個脆的事物 矽的內磨擦非常低 因此 諧振擴大可能是比較高 的超過對于 PE 傳動器 兩者的這些功能成為它的比較易脆性的因素 雖然如果適當?shù)卦O 計而且安裝他們被規(guī)律性用測量震動很好上述的 100 000 g 他們通常有較寬的頻帶寬度 勝于 PE 傳動器 比較相似實物大小范圍的模型 連同較小的非線性 零的移位和磁滯特 性 因為他們有直流電反應 他們在將要產生長期計量時才使用 在 PR 加速度儀的一個典型獨石矽可察元件中 1 毫米角尺矽芯片合并整個的彈簧 質 量和四個臂的 PR 應變計橋總成 感知器經由各向異性的浸蝕和顯微機械加工技術是利用 一個單一晶體矽做成的 應變計被本來平的矽一個雜物的圖案造形 溝流的后來浸蝕釋放 規(guī)并且同時地定義如只是最初厚度的矽區(qū)域的質量 橋路可以由放置并聯(lián)補償電阻或者級數(shù)用任何這木頭支架平衡了 做相配的或者這阻抗 值及價值的變化用溫度的修正 補償是一種藝術 因為 PR 傳動器能有非線性特性 用激發(fā) 來自它被制作或校正的條件差積操作它是不受勸告的 舉例來說 PR 靈敏度只有大約成 比例激發(fā) 通常是一個固定的電壓或 在一些外殼 定流中有一些性能利益 因為熱的性能 將會大體上和激發(fā)電壓的變化 在靈敏度和激發(fā)之間沒有一個精密的比例 另外的預防在處 理電壓驅動的橋方面 特別地有低的電阻那些 是確認橋拿適當?shù)募ぐl(fā) 輸入熔斷絲的級 數(shù)電阻擔任一個分壓器 注意這輸入導線有低電阻 或者那一六線的大小是制成的 用讀出 線在這橋梁趨于允許這激勵被校準 所以這橋梁獲得這特有的激勵 恒定電流激勵工作沒有這些用串聯(lián)電阻的問題 然而 PR 傳動器通常被補整傲慢的固 定電壓激發(fā)并且不可能用定流給被需要的性能 PR 橋的平衡是它的健康最敏感衡量 而且 通常是傳動器的總不確定度的占優(yōu)勢的功能 平衡 有時叫做了偏向 零偏位 或 ZMO 零可測量產量 和 0 g 的產量 能被通常是熱的特性或在內部或外面地誘導了感知器的應變 變化的一些效應改變 傳動器外殼設計嘗試隔離來自外面的應變 像是熱的暫態(tài) 基本的 應變或固定轉矩的感知器 內部的應變變化 舉例來說 環(huán)氧基樹脂蠕升 容易成為長期的 不穩(wěn)定的因素 所有的這些比較對于錒加倍的裝置因為他們在直流者加倍傳動器的較寬頻帶 中更時常發(fā)生 通常低周波效應對直流傳動器是更重要的 一些PR設計 尤其是高靈敏度傳感器 是設計有阻尼延長頻帶和過量程的能力 阻 尼系數(shù)0 7 是考慮過的理想 如此的設計時常使用油或一些其他的粘滯液體 二個特性聽 寫技術是有用的只有在相對地低周波 阻尼軍隊成比例流過速度 而且適當?shù)牧髁克俣缺唤?由用大的位移泵流體達到 這是在那敏感的傳動器的一個快樂的巧合他們在低的加速度頻 率操作位移足夠大哪里 粘滯阻尼可以有效地除去共振放大率 延長過量程的能力 并且比 加倍有效帶寬 然而 因為緩沖液的粘性是一溫度的強函數(shù) 傳感器的有用的溫度范圍實質 上是受限制的 可變電容 VC傳感器是通常平行板空隙電容器其中的設計運動垂直于電鍍層 在一些設計 中屏從一個邊緣被把 建成懸臂式 因此 動作實際上是轉動 其他的屏在圓周的周圍被支 援 當做在一個彈網中 由于加速度的在 VC 元件的電容方面的改變被一對目前檢波器感 覺皈依者進入電壓產量之內的變化 許多VC傳感器是微電機一致地在一間隔一點點微米厚的 趨于允許空氣減震中間插進的腐蝕劑硅片 事實是空氣粘度變化由只有一點百分比在一寬的 工作溫度范圍提供一頻率響應比是可完成的用油阻尼PR設計更堅固的上方 在一VC加速度記錄器中 一個高頻振蕩器給VC元件提供必要的激勵 電容變化被這檢流 器檢測 輸出電壓與電容變化成正比因此 趨于加速度 這結合的超程停留在這間隔可以提 高高低不平的在這靈敏的方向 雖然阻力趨于過量程的在橫向必須信任單獨地靠這懸浮的力 量 按現(xiàn)狀對全部的其他的傳感器設計沒有超程停止來說是正確的 一些設計可以繼續(xù)存在 極其大加速度過量程的工況是 1000倍的測量范圍 一臺典型微電機VC加速度記錄器的傳感器是由三硅元件膠合到一起形成的密封的裝配 元件中的二個是空氣介質 平行板積蓄器的電極 中央的元件用化學被蝕刻造形被薄又易 曲手指中止的一個硬的中央質量 阻尼特性被位于質量之上的孔氣體流量控制 VC傳感器可以提供好傳感器的特色測定類型論述初期的中許多 大的過量程的 直流電響應 低阻抗的輸出端 和單純的外部信號工況 缺點是成本并且以那在板子上調節(jié)的增加錯綜度 按規(guī)定尺寸制作關聯(lián) 同時 高頻電容檢波電路被用 而且一些高頻載波通常在產量信號 上出現(xiàn) 它是通常連達到 即 1000倍 比輸出信號的頻率高三數(shù)量級也不被注意到 伺服系統(tǒng) 力平衡 雖然伺服加速度計是主要地使用在慣性制導系統(tǒng) 但是一些他們的 工作特性必然使他們在一定的振動應用中是合乎需要的 所有的在先前被描述的加速度儀類 型是開環(huán)裝置在哪一產量由于可察元件的撓曲被直接地讀 在倍力器中 控制 或閉合回路 加速度儀 撓曲信號被用當一個身體上地驅動或再平衡返回平衡位的質量電路的反饋 倍 力器加速度儀制造業(yè)者建議仰賴位移 也就是 晶體和 piezoresistive 元件的繃皮操作 時常生產一個產量信號的開環(huán)儀器引起非線性錯誤 在閉合回路中設計 內部的位移被試驗 過的質量電再平衡保持極端小 將非線性減到最少 除此之外 閉合回路設計被說有較高的 精確度勝于開環(huán)打字 然而 期間精確度的定義改變 以傳感器制造商校核 伺服加速度 計可以使兩個基本幾何結構的其中任何一個 線的 例如 擴音器 和擺動的 儀表的測量 機構 振動的幾何結構是商業(yè)的設計中應用最廣泛的 直到最近 伺服機構是主要地以電磁原 則為基礎 力通常被藉由在一個磁場之前經過在質量上的線圈駕駛電流提供 在和一個電 磁的再平衡機構的下垂倍力器加速度儀中 下垂的質量發(fā)展對試驗過的質量和那應用的加速 度的產品轉矩比例項 質量的動作被位感知器 典型地電容的感知器 發(fā)現(xiàn) 送一個誤差 訊號給伺服系統(tǒng) 誤差訊號引起對產量的倍力器放大器對轉矩電動機的一個反饋電流 發(fā)展 相等在量中到來自下垂的質量加速度產生的轉矩一個反對轉矩 輸出端是激勵電流它本身 或者交叉一輸出端電阻器 作用的 與偏轉環(huán)傳感器相似 跟外加力成比例因此趨于加速 度 和開環(huán)傳感器的高低不平的彈簧元件相反 再平衡壓入回路加速度記錄器的箱體中主要 地有關電的并且只有當有動力提供時存在 當能實行的和大多數(shù)的阻尼被提供透過電子學的 時候 彈簧在敏感的方向中是如易壞的 不像獨自地仰賴可察元件 s 的特性其他的直流 響應加速度儀 它是閉合回路設計的反饋電子學控制使存偏見穩(wěn)定性 因此伺服加速度計傾 向于提供較少零點飄移 是我們在振動測量中使用他們的主要的理由 一般說來 他們有一 個 1000赫茲的有效帶寬的并且被設計成以比較地低加速度級并且極低頻元件方式使用在應 用 參考文獻 1 A Chu 壓電加速度器的零點漂移測量學 Endevco TP No 293 2 沖擊與振動測試技術 1987 出版 Endevco 3 測量振動 1982 出版 布乃爾和克亞爾 4 C Harris 1995 出版 沖擊與振動手冊 第 4 版 麥格勞希爾 5 一般 ICP 備儀器指南 1973 年 3 月出版 PCB Piezotronics G 0001 6 介紹壓電傳感器 1985 年 3 月出版 PCB Piezotronics 018 7 應用的集成電路電子壓電換能器 1967 年 3 月出版 PCB Piezotronics G 01 8 Isotron 的使用說明書 1995 出版 Endevco IM 31704 9 Endevco 壓阻式加速度計指導手冊 1978 出版 Endevco 121 10 Entran 加速度教學和選擇手冊 1987 年出版 作者 Entran Devices 11 R Sill 測試涉及的技術與高沖擊加速度傳感器的發(fā)展 Endevco TP 284 12 R Sill 最小化測量加速度計的校準和使用不確定性 Endevco TP 299 13 P K Stein 恒流動態(tài)應變測量的概念 斯坦因工程服務公司 低頻 微型和小型企業(yè)出 版物 46 14 B Link 用可變電容對沖擊與振動測量 Endevco TP 296