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1、航空航天测试系统航空航天测试系统北京航空航天大学仪器学院测控系郑德智郑德智第第5章章 振动、加速度与冲击测量系统振动、加速度与冲击测量系统测振传感器2振动测量系统3 1加速度测量及传感器3 32023/4/252振动测量系统振动量的测量 振动量：振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分的大小。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量中必须考虑的问题之一。究竟测量哪个振动量是振动测量中必须考虑的问题之一。加速度加速度速速度度位位移移振动位移、振动速度和振
2、动加速度三者的幅值之间的关系与频率有关。2023/4/253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，在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择加速度测量。振动测量系统2023/4/254（1）正弦测量系统）正弦测量系统振动量测量通常有以下几种系统：振动量测量通常有以下几种系统：正弦测量系统图正弦测量系统图 n 正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。n 应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况
3、。力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。振动测量系统2023/4/255（2）动态应变测量系统）动态应变测量系统动动态态应应变变测测量量系系统统将将电电阻阻应应变变片片贴贴在在结结构构的的测测振振点点处处，或或直直接接制制成成应应变变片片式式位位移移计计或或加加速速度度计计，安安装装在在测测振振点点处处，将将应应 变变片片接接入入电电桥桥，电电桥桥由由动动态态应应变变仪仪的的振振荡荡器器供供给给稳稳定定的的载载波波电电压压。测测振振时时由由于于振振动动位位移移引引起起电电桥桥失失衡衡而而输输出出一电压，经放大并转一电压，经放大并转 换成电流，由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。换成电流，
4、由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。动态应变测量系统的组成动态应变测量系统的组成振动测量系统2023/4/256振动测量系统2023/4/257模拟量频谱分析系统模拟量频谱分析系统 传感器经微传感器经微/积分放大器后，进入模拟量频谱分析仪。模拟式积分放大器后，进入模拟量频谱分析仪。模拟式频谱分析仪，由跟踪滤波器或一系列窄带带通滤波器构成，随频谱分析仪，由跟踪滤波器或一系列窄带带通滤波器构成，随着滤波器中心频率的变化，信号中的相应频率的谐波分量得以着滤波器中心频率的变化，信号中的相应频率的谐波分量得以通过，从而可以得到不同频率的谐波分量的幅值或功率的值，通过，从而可以得到不同频率的谐波分量的
5、幅值或功率的值，由仪表显示或记录；由仪表显示或记录；数字频谱分析系统数字频谱分析系统 现代振动分析系统大都是数字式分析系统。将来自传感器的模现代振动分析系统大都是数字式分析系统。将来自传感器的模拟信号经过拟信号经过A/D转换，把模拟信号转换成数字序列信号，然后转换，把模拟信号转换成数字序列信号，然后通过快速傅里叶（通过快速傅里叶（FFT）的运算，获得被测系统的频谱。）的运算，获得被测系统的频谱。（3）频谱分析系统）频谱分析系统振动测量系统2023/4/258机械振动参数的估计:单自由度系统固有频率和阻尼的测量1.自由振动法 一个单自由度振动系统，若给予初始冲击（其初速度为一个单自由度振动系统，
6、若给予初始冲击（其初速度为dz(0)dt)或初始位移或初始位移z0）,则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。机械振动参数估计的目的是用以确定被测结构的固有频率、阻尼比、振型等振动模态参数。u 自由振动法自由振动法u 共振法共振法振动测量系统2023/4/259振动测量系统2023/4/25102.共振法 单自由度系统的受迫振动。当激振频率接近于系统的单自由度系统的受迫振动。当激振频率接近于系统的固有频率时，振动响应就急剧增大。固有频率时，振动响应就急剧增大。位移共振：位移共振：振动测量系统2023/4/2511测振传感器p分类：接触式和非接触式分类：接触式和非
7、接触式p接触式：按壳体的固定方式分为接触式：按壳体的固定方式分为p相对式：相对式：壳体固定在基座上，测杆和被测对象相联，敏壳体固定在基座上，测杆和被测对象相联，敏感被测对象相对于基座的振动；感被测对象相对于基座的振动；p绝对式：绝对式：壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体感受振动，又称为惯性式测振传感器；感受振动，又称为惯性式测振传感器；p振动测试：对振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度振动位移、振动速度、振动加速度这些振动这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。量的检测，它们反映了振动的强弱程度。2023/4/2512（一）力学模型和运动
8、方程式测振传感器2023/4/2513惯性式位移传感器的惯性式位移传感器的输出位移输出位移zm反映反映被测振动被测振动的位移量的位移量xm。测振传感器2023/4/2514测振传感器2023/4/2515n位移传感器的位移传感器的上限测量频率上限测量频率在理论上是无限的，但实际在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。条件的限制，不能太高。n下限测量频率下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使等因素的限制，使 n n不能太小。不能太小。
9、n因此位移传感器的频率范围是有限的。因此位移传感器的频率范围是有限的。测振传感器2023/4/2516 惯性式加速度传感器的响应条件惯性式加速度传感器的响应条件惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的质质量量块块相相对对位位移移Zm与与被被测测振振动动的的加加速速度度成成正正比比，因因而而可可用用质质量量块块的的位移来反映被测振动的加速度大小。位移来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器幅频特性的表达式加速度传感器幅频特性的表达式:测振传感器2023/4/2517测振传感器2023/4/25181.惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的最最大大优优点点是是它它具具有有零零频频率率持持性性,理
10、理论论下下限限测测量量频频率率为为零零，实实际际下下限限测测量量频频率极低。率极低。2.为为使使 n远远大大于于被被测测振振动动频频率率，加加速速度度传传感感器器的的尺尺寸寸、质质量量可可做做得得很很小小（小小于于1g），从从而而对对被被测对象的附加影响也小。测对象的附加影响也小。3.3.传感器的影响：传感器的影响：固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统的振动特性发生变化。测振传感器2023/4/2519电涡流测振传感器2023/4/25202023/4/2521当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振
11、动周期内，计得干涉条纹变化数为期内，计得干涉条纹变化数为N，则：，则：迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪激光测振仪2023/4/25221.加速度是表征物体加速度是表征物体运动本质运动本质的一个基本物理量。的一个基本物理量。2.可以可以通过测量加速度来测量物体的运动状态通过测量加速度来测量物体的运动状态。例如，。例如，惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的速惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的速度度(地速地速)、位置、已飞过的距离等。、位置、已飞过的距离等。3.可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷速度负荷，以便正确设计其机
12、械强度和按照设计指标，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免机件损坏。正确控制其运动加速度，以免机件损坏。4.对于加速度，常用对于加速度，常用绝对法绝对法测量，即把惯性型测量装置测量，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。安装在运动体上进行测量。加速度测量加速度测量2023/4/2523当质量块受力平衡时，质量块当质量块受力平衡时，质量块m相对于基座的位移与加速度相对于基座的位移与加速度成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。2023/4/2524设设传传感感器器基基座座相相对对于于参参考考坐坐标标的的位位移移为为xb
13、，质质量量块块m相相对对于于参参考坐标的位移为考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为，质量块相对于传感器基座的位移为y：2023/4/2525解此线性微分方程，可得：解此线性微分方程，可得：2023/4/2526如上所述，质量如上所述，质量弹簧弹簧阻尼系统可以把阻尼系统可以把加速度转换成加速度转换成与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移;位移式加速度传感器位移式加速度传感器:采用位移传感器检测质量块的相采用位移传感器检测质量块的相对位移，可构成各种类型的加速度计。对位移，可构成各种类型的加速度计。2023/4/2527 变磁阻式加速度传感器变
14、磁阻式加速度传感器当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就输出与位移输出与位移(也即与加速度也即与加速度)成近似线性关系的电压，加成近似线性关系的电压，加速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变180180。位移式加速度传感器位移式加速度传感器2023/4/2528电容式加速度传感器电容式加速度传感器以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，并利用空气阻尼。并利用空气阻尼。特点：特点：频率响应范围宽，测量范围大。频率响应范围宽，测量范围大。位
15、移式加速度传感器位移式加速度传感器2023/4/2529霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的惯性力成比例的惯性力 梁发生弯梁发生弯曲变形曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔霍尔元件输出与加速度成比例的霍尔电势元件输出与加速度成比例的霍尔电势U UH H。位移式加速度传感器位移式加速度传感器2023/4/2530n测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。n广泛采用广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器n电阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。电
16、阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器2023/4/2531v工作原理工作原理:敏感质量块感受加速度；敏感质量块感受加速度；产生与之成正比的惯性力产生与之成正比的惯性力Fma；再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量；通过压电元件把惯性力转变成电荷量；测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器2023/4/2532应变式加速度传感器应变式加速度传感器等强度弹性悬臂梁固定安装在
17、传感器的基座上，梁的自等强度弹性悬臂梁固定安装在传感器的基座上，梁的自由端固定一质量块由端固定一质量块m，在梁的根部附近两面上各贴一个，在梁的根部附近两面上各贴一个(两个两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。2023/4/2533当质量块感受加速度而产生惯性力当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力时，在力Fa的作用的作用下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为2023/4/2534粘贴在梁两面上的应变片分别感受正粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉拉)应变和负应变和负(压压)应变应变而电阻增加和减小，电桥失去平衡而
18、输出与加速度成正比而电阻增加和减小，电桥失去平衡而输出与加速度成正比的电压的电压U0，即，即2023/4/2535压电式加速度传感器n当当壳壳体体连连同同基基座座和和被被测测对对象象一一起起运运动动时时，惯惯性性质质量量块块相相对对于于壳壳体体或或基基座座产产生生位位移移，由由此此位位移移产产生生的的弹弹性性力力加加于于压压电电元元件件上上，在在压压电电元元件件的的两两个个端端面面上上就产生了极性相反的电荷。就产生了极性相反的电荷。n 属于惯性式传感器属于惯性式传感器 2023/4/2536其其中中k1为为弹弹簧簧刚刚度度，k2为为压压电电元元件件的的刚刚度度；其其中中ms为为惯惯性性质质量量
19、，mb为为壳壳体体或或其其座座的的质质量量。K为为等等效效刚刚度度，M为为等等效效质质量。量。压电式传感器通常不用阻尼元件，且其元件的内部阻尼也很压电式传感器通常不用阻尼元件，且其元件的内部阻尼也很小（小（(C+Cf)K为放大器的开环放大倍数压电式加速度传感器2023/4/2543灵敏度：质量块质量越大，灵敏度越高；频率响应范围：传传感感器器的的固固有有频频率率越越高高，则则其其可可测测频频率率范范围围越越宽宽，目目前前可可测测的的最最低频率达低频率达0.1Hz。压电式加速度计常用的安装方法：安装状态直接影响可测的频率范围。一般用粘。一般用粘结法固定的可测频率不超过结法固定的可测频率不超过5k
20、Hz。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。压电式加速度传感器的主要特性压电式加速度传感器的主要特性压电式加速度传感器2023/4/2544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。压电式加速度传感器2023/4/2545压电式加速度传感器的结构和安装安装表面激振平台压电式加速度传感器2023/4/2546型型式式测量范围测量范围零偏稳定性零偏稳定性分辨力分辨力特特点点压电式压电式5105g10-410-3g10-210-5g固固有有频频率率较较高高，用用于于冲冲击击及及振振动动测测量量，大
21、大地地测测量量及及惯惯性性导航等导航等应变式应变式0.5200g低低频频响响应应较较好好，固固有有频频率率低低，适用于低频振动测量适用于低频振动测量压阻式压阻式20g105g灵灵敏敏度度较较高高，便便于于集集成成化化，耐冲击，易受温度影响耐冲击，易受温度影响微机电微机电式式1g105g10-610g10-610-3g尺尺寸寸小小，重重量量轻轻，成成本本低低，适适用用于于汽汽车车安安全全防防护护，战战术术武器制导和惯性导航武器制导和惯性导航 加速度测量方法及其性能特点加速度测量方法及其性能特点2023/4/2547谐振式硅微机械陀螺、加速度计谐振式硅微机械陀螺、加速度计传感器敏感元件传感器敏感元件MEMS陀螺显微图陀螺显微图芯片封装芯片封装2023/4/2548仪器科学与光电工程学院测控系