低频、超低频振动计量技术的研究与展望

集 与处 理装 置 和响应 机构 组成 。 １２ 在 航空 航 天技术 和 国防 工业 方面 的应 用 ．
随着国民经济的快速发 展 ， 高层 建筑 、 特大 桥 梁、 水利枢纽 、 油钻井平 台等大型建筑设 备对低 石
频、 超低 频 的研 究 提 出 了 新 的要 求 。土 木 工程 结 构 由于 自振频 率低 ， 易 受 到 环 境 等 不 可 预 见 因素 的 极 影 响 。例 如 ， 度 ４０ 以上 的某 高 层 建 筑 大 厦 固 高 ０ｍ 有频 率 为 ０ １Ｈ ， 强 台风 作用 下 的顶 层挠 度 可达 ．６ ｚ在
结 构工 程在 控 制系 统 的 作 用下 ， 可及 时感 受 并 抵 御 外 界载 荷 的作 用 ， 在结 构 上减 轻 动 力 影 响 。典 型 并
幅大 （ 可高达 １ｒ ０ ｍ以上 ） ａ 以及破坏力大 的特点 ， 因
此 倍 受重 视 。
１ 低频 超低 频振动计量 的主要应用领域
航空航天设备 、 重型机械 、 船舶 、 高层建筑物 、 铁路公 路 桥 梁 、 坝 以 及 地 震 波 等无 一 不 与 该 研 究 有 关 。 水
这 类 振动 由于具有 振 动频率 低 ， 超低 频成 份 丰富 、 振
态， 确定是否存在损伤、 损伤的位置和程度 ； 利用磁 电式或电压式传感器对大型发 电机组或石油钻井平 台进行连续在线无损检测和故障诊断成为保障这些 设 备安 全运 行 的重要 手 段 。 随着科技的发展 ， 各科之问的信息融合 ， 将控制 理论和控制系统引入结构工程成为新 的发展方向。
加速 度 两个研 究方 向 已成 为振 动计量 急待 研究解 决
的新 课题 。
带之间， 蒙受地震灾害比较深重 ， 据统计 ２ 世纪因破 ０ 坏性地震， 在我国造成死亡人数约 ６ ０万， 使人民生命 财产遭受 了惨 痛 的损失 。西 气东 输 、 南水 北 调 、 峡 三
水利枢纽工程 及西南地 区梯 级水 电站 、 铁路 主干 网中 的桥梁 、 隧道 以及 光缆 干线 等 ， 面 临强 烈 地震 的威 都 胁 。２０ 印度 地震后 发生 的海 啸对 人类 造成 的危 ０４年 害震 惊世界 ， 引发 了全世界 多方对 海啸预 警 的极 由此
２ １ 年 第 ３期 ０１
文章 编号 ：０ ５— ３７ ２ １ ）３— ０ ３—０ １０ ３ ８ （０ １ ０ ０ ０ ５
低频 、 低频振动计量技术 的研究与展望 超
赵锦 春
（ 苏省计 量科 学研 究 院 ， 江 南京
摘
２ ００ １０７）
要： 介绍 了低频 、 超低频振动计量 的主要 应用领域 ， 国 内外研 究现 状 的基 础上 ， 出低频 、 在 指 超低频 振动计 量包 含三
器采集各部位对环境 的振动响应 ， 在分析结构 自振
频率 、 型 以及相应 的阻尼 比等 的基 础上 ， 振 采取 相应
措施降低干扰 ， 预防灾害发生。具有代表性的是低 频振动传感器测量建筑桥梁 的动挠度 ； 对水利工程
堤 坝 采用基 于 振动测 试 的结 构损 伤检 测法 检测 大坝 结 构 的动力 特 性 和 响应 等 ， 析 识 别 和 判 断结 构 状 分
个关键性 问题 ， 即控制 系统 中测振传 感器 ， 确地 实施 校准以及优 良的测振技术 ， 精 供广大技术人员借鉴参考 。
关键词 ： 低频 ； 超低频 ； 振动计量
中 图分 类 号 ： Ｂ９ Ｔ 文 献 标 识码 ： Ａ
Ｏ 引 言
振动是外力作用在弹性体后产生周期运动的一
种 自然 现象 ，． １ ０ ｚ ０ ０ ～２ Ｈ 的振 动 被称 为 低 频超 低 频 振 动 。当前 ， 低频 、 低频 振动 的研 究在 工程 应用 和 超 科 学 测量 中占有 非 常 重 要 的地 位 。大 型 发 电设 备 、
０ ０ ～１ ｚ 间 ， ．１ Ｈ 之 由于振 动源 的多 样 性 及某 些 振 动
１ 悬索桥 、 ｍ； 斜拉桥 等大跨度桥梁 的 自振频率甚 至 超过 了 ０ １ ｚ载 荷 作 用 下 的 动 静 挠 度 超 过 了几 百 ．Ｈ ，
毫米 ； 型 的水利 工程 堤 坝 由于受外 界 环境 的影 响 ， 大
学所研究建 立的低 频振 动 台最 大水平 振 幅 ８ｍｍ， ０ 垂 直振 幅 ２ｍ 加 速 度 灵 敏 度 校 准 频 率 范 围 ０ １～ ０ ｍ； ．
１０ ｚ ０Ｈ 。计量院可以实现振动传感器复灵敏度（ 幅值 和相位） 的精确校准， 其频率范围 ０ １ ０ Ｈ ， 大 ． —１ ｚ最 ０ 振幅 ４ｍ ０ ｍ。但总的来说 ， 存在 的共性问题是加速度 太小， 位移振幅小 ， 信噪比较差 ， 应用范围窄。
于辅助诊断 、 辅助医疗 以至 于揭示生命 现象 的本质 等都具有重要意义。例如 ， 通过测量昆虫翅膀的振
动 ， 以研 究 昆虫 的飞行 特性 和 品质 ， 仿 生学和航 可 对
步也比较早 ， 代表性的单位是浙江大学 、 中国测试技 术研究 院（ 中国计 量 科 学 研究 院 四川 分 院 ） 国 家 原 、
地震局工程 力学 所 三家 。浙 江 大学 主要 是采 用 速度 或位移负反 馈控制技术 ， 了振动 台输 出波 形 的失 降低 真度 ， 了振动台 的低频 特性 ， 高 了振级 稳定性 ， 改善 提
增强 了对地 面脉 动 的抗 干扰性 。国家 地 震局 工程 力
பைடு நூலகம்
空科技也有帮助 ； 人体心脏瓣膜是个振动体 ， 通过对
目前 ， 低频 、 低频 振动 计量 是科 学 技术研 究 的 超 热 点 问题之 一 ， 其应 用 范 围非 常 广泛 ， 盖各个 工 程 涵 技 术 和科学 领域 。 １ １ 在土 木 、 利 和石 油勘 探 工程 方面 的应 用 ． 水
的控制系统 由低频 、 超低频振动传感器 、 过程信息采
现代航空航天器的发动机监控成为故障预测与 健康管理 （ Ｈ 的重要组成部分 ， Ｐ Ｍ） 而发动机 的外置 机匣、 附件机匣和机体本身振动值是监控 的重要 指
标 。使用 低 频 、 低 频 测 振 技术 可 以实 时准 确 地 监 超 控发 动机 工作 状况 ， 化航 空航 天器 的飞 行模 态 ， 优 确 保安 全 。太 空 环 境 下 的微 振 动 的频 率 范 围 介 于
其进 行激 光测 振研 究 ， 以分 析其 振动 特性 ， 可 为研究 人造 心脏 提供 帮助 ； 过 研 究 动 物 的鼓 膜 厚 度 和振 通
动特 性 ， 人 的耳疾 治疗 效果会 产 生 巨大的影 响 。 对
外部 的低频 振 动 对 人体 会 产 生损 害 ， 比如 常见 的晕 船 晕 车就 是 由小 于 １ ｚ的极 低 频 率振 动 引起 Ｈ 的 。工厂 的机 械在运 转 同时产 生 的振动 可 以损伤人 体器 官 、 坏健 康 和降低 劳动效 率 。 由此 ， 物 医学 损 生 开始 依赖振 动 测试 进 行 隔 振座 椅 、 驶 舱 和 手持 工 驾 具 等 方面 的研究 设计 。在 航空 医学 上 ， 究 噪声 、 研 振 动对 飞行员 或 宇航 员 工作 能力 的影 响 ， 为 相应 的 可 国标 和军标 的制定提 供 丰富 的科 学依 据 。
具有代表性的是磁 电式振动速度传感器和调谐式 电
感传感器。 磁电式振动速度传感器是低频 、 超低频测振系统 中常用的传感器， 由于其具有输出信号大、 抗干扰能 力强和后续电路简单等优点 ， 在低频 、 超低频传感器 中得到了广泛应用。该传感器是一种惯性式单 自由
的低 频特 性 ， 传统 的被 动隔 振不 能取得 预 期 的效 果 ，
在高压作用下的挠度可达几十毫米 ； 气轮发 电机组 、 海洋平台等大型设备通常工作在高转速大负荷及高 温高压等恶劣条件下 ， 据统计 ３ ％ 以上故障源于振 ０
动（ 主要低 频 段 ） 引起 。
研究人员采用 了主动的微振 动隔离方法。另外 ， 采 用 连 续跟 踪 扫描 的方式 监测 发 动机 叶片 的振动 情况 已成为下一代航空航天器的检测新手段。核爆炸的 监测也属超低频振动测量的范围， 对超低频振动信
计 的低频下 限甚 至达 到 ００３ ｚ海 啸的监 测更 属于 ．０Ｈ ， 超低 频特大位移 的振动测量 范围。 １４ 在 生物 学和 医学 方面 的应用 ． 低频 、 超低 频 测 振 技术 已广 泛地 应 用 于生 物 学 和 医学研 究 ， 主要 应 用 于对 生物 体 、 官 、 织 甚 至 器 组 细胞 、 经等不 同层面 的结构 和功 能信 息 的获取 ， 神 对
号 的测 量下 限可达 ００ ３ ｚ这 对低 频 、 低频 测 振 ．０ Ｈ ， 超 技 术 提 出了更 高 的要 求 。
一
通常对高层建筑物采用低频 、 超低频振动传感
３ 一
１３ 在 地震 、 啸监测 和预 警方面 的应 用 ． 海 我 国幅员 辽阔 ， 地处环太平 洋地震带 与欧亚地 震
速 度计 灵 敏 度 幅 值 测 量 的 不 确 定 度 （ ｋ＝２） 于 小 ０２ 。美 国标 准技 术研 究 院 （ ＩＴ 振 动 国家 标 准 ．％ ＮＳ ）
大关注。对地震和海啸的监测和预警 ， 主要就是使用 具有 良好 的超低 频 幅相特性 （ 至具有 零 频特性 ） 甚 的 观测仪， 对地表 以下的地质活动进行振动测量。例 如， 中周期地震观 测仪 的低频 为 ００ Ｈ ， 频带 地震 ．５ ｚ宽
频率下限为 ２ ｚ最大振幅 １．ｍ Ｈ， ２６ ｍ。目前正在研制
振 幅 为 １ 在 ０ １ ｚ 产生 ０４ ／ 速度 的低频 ｍ， ． Ｈ 处 ．ｍ ｓ加
振动校准系统 ， 以满足地震测量仪器 和微机电系统
的需 要 。另 外 ， 日本 计 量研 究 所 （ Ｍ Ｊ ， Ｎ Ｉ） 意大 利 计 量 研 究 所 （ＭＧ ，中 国 台 湾 工 业 技 术 研 究 院 Ｉ Ｃ） （Ｔ Ｉ ， 耳其计 量所 （ ＭＥ 及南 非 国家 计 量 实验 ＩＲ ）土 Ｕ ） 室 （ ＳＲ—Ｎ ） ＣＩ ＭＬ 对低 频 、 低频 振 动 计量 的研究 也 超 走在 该领 域 的前 列 。这 些 国家和 地 区 在频 率 特 性 、 物理 量测 量和 传感器 方 面各有 研究 。 我 国在低频 、 低频振动校准及标 准制定 方面起 超