2010_航空航天测试系统-振动、加速度
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2013-7-23
n
18
测振传感器
1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频 率持性, 理论下限测量频率为零，实际下限测量 频率极低。 2. 为使n 远大于被测振动频率，加速度传感器的 尺寸、质量可做得很小（小于1g），从而对被 测对象的附加影响也小。 3. 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。
2013-7-23
34
粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和负(压)应变 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U0，即
2013-7-23
35
压电式加速度传感器
当壳体连同基座和被测 对象一起运动时，惯性质 量块相对于壳体或基座产 生位移，由此位移产生的 弹性力加于压电元件上， 在压电元件的两个端面上 就产生了极性相反的电荷。
2013-7-23
6
振动测量系统
2013-7-23
7
振动测量系统
（3）频谱分析系统
模拟量频谱分析系统 传感器经微/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 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， 由仪表显示或记录； 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 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 通过快速傅里叶（FFT）的运算，获得被测系统的频谱。
U0
Kq (C C f ) KC f
KCf>>(C+Cf)
电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，它是一个具有深度电容负反馈的 高输入阻抗的高增益运算放大器。 2013-7-23 43
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器的主要特性
灵敏度：质量块质量越大，灵敏度越高； 频率响应范围：传感器的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前可测的最 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 结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。
2013-7-23
31
基于测量惯性力的加速度传感器
工作原理: 敏感质量块感受加速度；
产生与之成正比的惯性力F＝ma； 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； 测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。
2013-7-23 32
应变式加速度传感器
2013-7-23 23
当质量块受力平衡时，质量块m相对于基座的位移与加速 度成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。
2013-7-23 24
设传感器基座相对于参考坐标的位移为xb，质量块m相对于参 考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为y：
y x xb
2013-7-23
25
2013-7-23
16
测振传感器
惯性式加速度传感器的响应条件
惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm 与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块 的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 :
2013-7-23
17
测振传感器
1 / n 3 1 A( ) 2 常数， n很高，可达20kHz
其中k1为弹簧刚度，k2为压电元件的刚度；其中ms为惯性质 量，mb为壳体或其座的质量。 K为等效刚度，M为等效质 量。
2013-7-23 37
压电式加速度传感器
作用在压电元件上的力F为:
压电元件表面产生的电荷Q为
2013-7-23
38
压电式加速度传感器
压电式加速度计的等效电路
U Q / Ca
2013-7-23
44
压电式加速度传感器
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。
2013-7-23
45
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器的结构和安装
安装表面
激振平台
2013-7-23 46
加速度测量方法及其性能特点
型 式 测量范围 零偏稳定性 分辨力 特 点
压电式
5～105g
10-4～10-3g
2013-7-23
m a' a m mt f ' m fn m mt
19
mt为传感器质量
电涡流测振传感器
2013-7-23
20
2013-7-23
21
激光测振仪
迈 克 尔 逊 干 涉 仪
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 周期内，计得干涉条纹变化数为N，则：
2013-7-23
12
测振传感器
（一）力学模型和运动方程式
2013-7-23
13
测振传感器
惯性式位移传感器的输出位移zm反映被测振动 的位移量xm。
2013-7-23
14
测振传感器
/ n 3 A( ) 1 x ( ) 180
2013-7-23 15
测振传感器
位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，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 条件的限制，不能太高。 下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量 等因素的限制，使n不能太小。 因此位移传感器的频率范围是有限的。
Q Ca Cc Ci
U0 A U im
电压放大器输出电压ຫໍສະໝຸດ Baidu电容C= Ca + Ci +Cc密切相关，连接电缆的长度与形状变 化，会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此，现在通常采用性能 稳定的电荷放大器。
2013-7-23 42
压电式加速度传感器
２.电荷放大器
K为放大器的开环 放大倍数
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m，在梁的根部附近两面上各贴一个 (两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。
2013-7-23
33
当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用 下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为
Fa ma
6l 6l Fa ma 2 2 Ebh Ebh
解此线性微分方程，可得：
ym am
1
2 n
2 2 2 [1 ( ) ] [2 ( )] n n
2013-7-23
26
如上所述，质量—弹簧—阻尼系统可以把加速度转换成 与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移; 位移式加速度传感器: 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。
10-2～105g
固有频率较高，用于冲击及 振动测量，大地测量及惯性 导航等 低频响应较好，固有频率低， 适用于低频振动测量
应变式
±0.5～ ±200g
压阻式
±20g～ 105g ±1g～ ±105g 10-6～103g
航空航天测试系统
郑德智
北京航空航天大学仪器学院测控系
第5章 振动、加速度与冲击测量系统
3 1 2
振动测量系统 测振传感器 加速度测量及传感器
3
2013-7-23
2
振动测量系统
振动量的测量
振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移， 振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分 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。
N
2013-7-23
2
4 Xm N 8
22
Xm
加速度测量
1. 加速度是表征物体运动本质的一个基本物理量。 2. 可以通过测量加速度来测量物体的运动状态。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 度(地速)、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 速度负荷，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。 4. 对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置 安装在运动体上进行测量。
2013-7-23
27
位移式加速度传感器
变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 输出与位移(也即与加速度)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180。。 28 2013-7-23
位移式加速度传感器
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， 并利用空气阻尼。
2013-7-23
特点：频率响应范围宽，测量范围大。
29
位移式加速度传感器
霍尔式加速度传感器 上下方向的加速度 成比例的惯性力 梁发生弯 曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔 元件输出与加速度成比例的霍尔电势UH。
2013-7-23 30
基于测量惯性力的加速度传感器
测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。 广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器 电阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。
属于惯性式传感器
2013-7-23
36
压电式加速度传感器
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（<0.02），系统可视为无阻尼系统。
z d 2x dt 2
n2 [1 (
2 ) ] n
x为被测振动位移
2 n K M (k1 k 2 )(ms mb ) /(ms mb ) K k1 k2 M ms mb (ms mb )
一是放大压电元件的微弱信号； 二是高阻抗输入变为低阻抗输出。
前置放大器的类型： 电压放大器 电荷放大器
2013-7-23 41
压电式加速度传感器
１.电压放大器：高输入阻抗的比例放大器
q N
Ca
Ra
Cc
Ci
Ri
ei
A ey
压电传感器
电缆
电压前置放大器
Uim
Q R 1 ( / 0 )
2
≈
2013-7-23
8
振动测量系统
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
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。 自由振动法 共振法 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dz(0) ／dt)或初始位移z0）,则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。
2013-7-23
9
振动测量系统
2013-7-23
10
振动测量系统
2.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 固有频率时，振动响应就急剧增大。
位移共振：
2013-7-23
11
测振传感器
分类：接触式和非接触式 接触式：按壳体的固定方式分为 相对式：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； 绝对式：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； 振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度这些振动 量的检测，它们反映了振动的强弱程度。
位移
速度
x A cos( t )
v
dx A sin( t ) A cos( t ) dt 2 加速度 a dv A 2 cos( t ) A 2 cos( t ) dt 振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之间的关系与 频率有关。
2013-7-23 3
振动测量系统
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。 2013-7-23
4
振动测量系统
振动量测量通常有以下几种系统： （1）正弦测量系统
正弦测量系统图 正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。 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。
2013-7-23 5
振动测量系统
（2）动态应变测量系统
动态应变测量系统的组成
动态应变测量系统将电阻应变片贴在结构的测振点处，或直接制成应变片式 位移计或加速度计，安装在测振点处，将应 变片接入电桥，电桥由动态应变 仪的振荡器供给稳定的载波电压。测振时由于振动位移引起电桥失衡而输出 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。
压电元件本身可以等效为电容，因此，加速度计既可以 看作一个电压源，也可以看作一个电荷源。
2013-7-23 39
压电式加速度传感器
考虑到实际使用的测量电路，等效电路为
Ca加速度计电容，Cc电缆分布电容，Ci放大器输入电容
2013-7-23 40
压电式加速度传感器
测量电路
压电传感器的测量系统
前置放大器的作用：
n
18
测振传感器
1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频 率持性, 理论下限测量频率为零，实际下限测量 频率极低。 2. 为使n 远大于被测振动频率，加速度传感器的 尺寸、质量可做得很小（小于1g），从而对被 测对象的附加影响也小。 3. 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。
2013-7-23
34
粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和负(压)应变 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U0，即
2013-7-23
35
压电式加速度传感器
当壳体连同基座和被测 对象一起运动时，惯性质 量块相对于壳体或基座产 生位移，由此位移产生的 弹性力加于压电元件上， 在压电元件的两个端面上 就产生了极性相反的电荷。
2013-7-23
6
振动测量系统
2013-7-23
7
振动测量系统
（3）频谱分析系统
模拟量频谱分析系统 传感器经微/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 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， 由仪表显示或记录； 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 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 通过快速傅里叶（FFT）的运算，获得被测系统的频谱。
U0
Kq (C C f ) KC f
KCf>>(C+Cf)
电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，它是一个具有深度电容负反馈的 高输入阻抗的高增益运算放大器。 2013-7-23 43
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器的主要特性
灵敏度：质量块质量越大，灵敏度越高； 频率响应范围：传感器的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前可测的最 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 结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。
2013-7-23
31
基于测量惯性力的加速度传感器
工作原理: 敏感质量块感受加速度；
产生与之成正比的惯性力F＝ma； 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； 测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。
2013-7-23 32
应变式加速度传感器
2013-7-23 23
当质量块受力平衡时，质量块m相对于基座的位移与加速 度成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。
2013-7-23 24
设传感器基座相对于参考坐标的位移为xb，质量块m相对于参 考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为y：
y x xb
2013-7-23
25
2013-7-23
16
测振传感器
惯性式加速度传感器的响应条件
惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm 与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块 的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 :
2013-7-23
17
测振传感器
1 / n 3 1 A( ) 2 常数， n很高，可达20kHz
其中k1为弹簧刚度，k2为压电元件的刚度；其中ms为惯性质 量，mb为壳体或其座的质量。 K为等效刚度，M为等效质 量。
2013-7-23 37
压电式加速度传感器
作用在压电元件上的力F为:
压电元件表面产生的电荷Q为
2013-7-23
38
压电式加速度传感器
压电式加速度计的等效电路
U Q / Ca
2013-7-23
44
压电式加速度传感器
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。
2013-7-23
45
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器的结构和安装
安装表面
激振平台
2013-7-23 46
加速度测量方法及其性能特点
型 式 测量范围 零偏稳定性 分辨力 特 点
压电式
5～105g
10-4～10-3g
2013-7-23
m a' a m mt f ' m fn m mt
19
mt为传感器质量
电涡流测振传感器
2013-7-23
20
2013-7-23
21
激光测振仪
迈 克 尔 逊 干 涉 仪
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 周期内，计得干涉条纹变化数为N，则：
2013-7-23
12
测振传感器
（一）力学模型和运动方程式
2013-7-23
13
测振传感器
惯性式位移传感器的输出位移zm反映被测振动 的位移量xm。
2013-7-23
14
测振传感器
/ n 3 A( ) 1 x ( ) 180
2013-7-23 15
测振传感器
位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，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 条件的限制，不能太高。 下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量 等因素的限制，使n不能太小。 因此位移传感器的频率范围是有限的。
Q Ca Cc Ci
U0 A U im
电压放大器输出电压ຫໍສະໝຸດ Baidu电容C= Ca + Ci +Cc密切相关，连接电缆的长度与形状变 化，会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此，现在通常采用性能 稳定的电荷放大器。
2013-7-23 42
压电式加速度传感器
２.电荷放大器
K为放大器的开环 放大倍数
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m，在梁的根部附近两面上各贴一个 (两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。
2013-7-23
33
当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用 下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为
Fa ma
6l 6l Fa ma 2 2 Ebh Ebh
解此线性微分方程，可得：
ym am
1
2 n
2 2 2 [1 ( ) ] [2 ( )] n n
2013-7-23
26
如上所述，质量—弹簧—阻尼系统可以把加速度转换成 与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移; 位移式加速度传感器: 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。
10-2～105g
固有频率较高，用于冲击及 振动测量，大地测量及惯性 导航等 低频响应较好，固有频率低， 适用于低频振动测量
应变式
±0.5～ ±200g
压阻式
±20g～ 105g ±1g～ ±105g 10-6～103g
航空航天测试系统
郑德智
北京航空航天大学仪器学院测控系
第5章 振动、加速度与冲击测量系统
3 1 2
振动测量系统 测振传感器 加速度测量及传感器
3
2013-7-23
2
振动测量系统
振动量的测量
振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移， 振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分 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。
N
2013-7-23
2
4 Xm N 8
22
Xm
加速度测量
1. 加速度是表征物体运动本质的一个基本物理量。 2. 可以通过测量加速度来测量物体的运动状态。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 度(地速)、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 速度负荷，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。 4. 对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置 安装在运动体上进行测量。
2013-7-23
27
位移式加速度传感器
变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 输出与位移(也即与加速度)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180。。 28 2013-7-23
位移式加速度传感器
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， 并利用空气阻尼。
2013-7-23
特点：频率响应范围宽，测量范围大。
29
位移式加速度传感器
霍尔式加速度传感器 上下方向的加速度 成比例的惯性力 梁发生弯 曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔 元件输出与加速度成比例的霍尔电势UH。
2013-7-23 30
基于测量惯性力的加速度传感器
测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。 广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器 电阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。
属于惯性式传感器
2013-7-23
36
压电式加速度传感器
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（<0.02），系统可视为无阻尼系统。
z d 2x dt 2
n2 [1 (
2 ) ] n
x为被测振动位移
2 n K M (k1 k 2 )(ms mb ) /(ms mb ) K k1 k2 M ms mb (ms mb )
一是放大压电元件的微弱信号； 二是高阻抗输入变为低阻抗输出。
前置放大器的类型： 电压放大器 电荷放大器
2013-7-23 41
压电式加速度传感器
１.电压放大器：高输入阻抗的比例放大器
q N
Ca
Ra
Cc
Ci
Ri
ei
A ey
压电传感器
电缆
电压前置放大器
Uim
Q R 1 ( / 0 )
2
≈
2013-7-23
8
振动测量系统
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
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。 自由振动法 共振法 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dz(0) ／dt)或初始位移z0）,则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。
2013-7-23
9
振动测量系统
2013-7-23
10
振动测量系统
2.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 固有频率时，振动响应就急剧增大。
位移共振：
2013-7-23
11
测振传感器
分类：接触式和非接触式 接触式：按壳体的固定方式分为 相对式：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； 绝对式：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； 振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度这些振动 量的检测，它们反映了振动的强弱程度。
位移
速度
x A cos( t )
v
dx A sin( t ) A cos( t ) dt 2 加速度 a dv A 2 cos( t ) A 2 cos( t ) dt 振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之间的关系与 频率有关。
2013-7-23 3
振动测量系统
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。 2013-7-23
4
振动测量系统
振动量测量通常有以下几种系统： （1）正弦测量系统
正弦测量系统图 正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。 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。
2013-7-23 5
振动测量系统
（2）动态应变测量系统
动态应变测量系统的组成
动态应变测量系统将电阻应变片贴在结构的测振点处，或直接制成应变片式 位移计或加速度计，安装在测振点处，将应 变片接入电桥，电桥由动态应变 仪的振荡器供给稳定的载波电压。测振时由于振动位移引起电桥失衡而输出 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。
压电元件本身可以等效为电容，因此，加速度计既可以 看作一个电压源，也可以看作一个电荷源。
2013-7-23 39
压电式加速度传感器
考虑到实际使用的测量电路，等效电路为
Ca加速度计电容，Cc电缆分布电容，Ci放大器输入电容
2013-7-23 40
压电式加速度传感器
测量电路
压电传感器的测量系统
前置放大器的作用：