微振动的高精度测量原理

微振动的测量原理及其应用

吴志超（机械与电子工程学院电子信息工程）指导教师：许海峰

摘要：振动是指描述系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。

对振动的研究意义非常重大。通过掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动时，工程结构和机械产品的性能、寿命及安全的有害影响；本文介绍了接触式和非接触式两种微振动的测量原理，可以运用振动理论去创造和设计新型振动设备、仪表及自动化装置。主题词：微振动；测量原理；应用

Abstract：Vibration refers to describe the system state parameters (such as displacement, voltage) in its benchmark fluctuation variations of process. In its narrow sense means mechanical vibration, namely the mechanical system of vibration. Electromagnetic vibration habit is called on oscillation. Mechanical system can maintain vibration, must have the flexibility and inertia. Due to its equilibrium elasticity, system deviation position, can produce reply force, prompting system; return to its original position Because of inertia, system in return balance position process accumulated the kinetic energy, so that the system across to the other side movement balance position. Because of elasticity and inertia mutual influence, just cause system vibration.

The vibration research significance of very significant. Through mastery of vibration of basic theory and analysis method to determine and restrictions vibrating engineering structural and mechanical product performance, the life and the safety of harmful influence; This paper introduces the contact and contact-less two micro vibration measuring principle of vibration theory, and can be used to create and design a new vibration equipment,

instrument and automatic device.

Keywords：Micro vibration ；Measuring principle；Application

1. 测量原理

1.1接触式压电传感器振动测试原理

压电式传感器所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时,会在压电材料的极化面上产生电荷,其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时,晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷,由于晶体片的绝缘电阻很高,因此压电晶体片相当于一只平行板电容器,如图1所示。其电容量为：

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为：

式中:ε为压电晶体的介电常数；A为晶体片(构成极板)的面积；d为晶体片的厚度；d33为压电系数；F为沿晶轴施加的力。

图1 压电晶体内部等效图

压电式加速度计的晶体片确定后,d33、d、ε、A都是常数,则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时,将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基面粗糙度不超过0.41μm。当加速度计受振动时,由于压电片具有的压电效应,它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比,因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图2所示。被测对象的振动加速度信号经传感器拾振,由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器,电荷放大器将信号转换为电压信号并放大,通过数据采集测试仪采样,便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理,也可以将信号保存，或进行二次处理。

图2 振动测试系统

1.2 非接触式外差干涉仪测量系统原理

外差式激光干涉仪利用的是光学多普勒效应，即当光源和光电检测器固定不动，光波在运动物体上反射或散射后，光电检测器所接收到的光波发生频率变化。激光多普勒测振是基于被测物振动、或位移，其部分散射光含有其运动速度或位移、相位信息的理论。

外差式激光振动测量系统基本构成如图3所示，为外差式激光振动幅、相位特性测量系统的结构示意图。它主要由激振系统、外差式激光干涉仪、信号调理系统、数据采集处理系统组成。其中，外差式激光干涉仪采用马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer) 。将马赫泽德干涉仪与正弦直线(水平或垂直) 振动台或柱面为衍射光栅旋转振动台的激振系统相匹配，就可以实现正弦直线或正弦旋转振动量的精确量。