振动检测与控制综述

摘要：综述我国应变与振动等检测技术的发展概况，并与国外技术进行比较，预测未来发展趋势。重点介绍振动控制技术在机械工程领域的应用，在简单介绍振动控制原理基础上, 概述了振动主动控制和半主动控制的发展情况,并综述了主动控制常用的控制方法, 同时简要介绍了振动控制在机械工程领域其他方面的应用情况。最后, 对振动主动控制的发展作了简短评述和展望。

关键词：机械振动；振动检测；主动控制；半主动控制

Abstract：Overview of China strain and vibration detection technology development, and foreign technologies are compared, predict the future trend of development. Introduces the vibration control technology in mechanical engineering, introduces the theory of vibration control basis, provides an overview of vibration active control and semi-active control development, and reviews the active control common control methods, and briefly introduces the vibration control in the field of mechanical engineering and other aspects of the application. Finally, the active vibration control of a brief review and Prospect of development.

1 振动检测技术

1.1 应变与振动检测技术发展

（1）应变与振动检测技术概述

应变与振动检测装置，多数是以惠斯登电桥传感器微伏级信号为信息源头，经采集、放大、滤波、A/D及分析、诊断与控制，而形成的一类工程检测科学仪器。

为了对大型机械设备（如飞机）、土建工程（如三峡）等进行可靠的设计理论验证；施工前通过对模型检测，对设计方案进行选择；工程结束时对工程质量进行现场验收；设备或工程发生重大事故后对事故原因进行检定分析等，使应变与振动检测分析成为现代工程界必不可少的重要手段。尤其是四川虹桥垮塌事故发生后，工程检测明显增加，对相应检测设备需求明显增多，并且现代化手段要求也越来越高。

从20世纪50年代初，北京航空学院吴宗岱教授研制成功应变计，1958年研制国产第一台电子管应变仪开始，到60年代的晶体管应变仪，70年代集成电路应变仪，直至90年代末的虚拟仪器，我国的工程检测水平有了很大的提高。目前我国的土建工程、水力水电工程、机械工程、航空航天工程，造船、机车、汽车、桥梁、石化等科研单位，高校、设计和施加工、生产部门已经广泛应用实验力学设备。用于自动检测应变、应力、扭矩、挠度、温度、压力、位移、加速度、振动、噪声、电压、电流、脉冲等物理量，为我国的经济建设健康发展做出了不可替代的贡献。

（2）应变与振动检测方法及设备分类

实验应力分析方法有两种，一种是有限元计算法，其软件已比较成熟，但其边界条件的设定难以把握，其结果可能误差较大。一般必须用电测法或光弹法去验证计算法的结果。而用量较大的电测法又分为静态和动态两种，以下以桥梁检测为例来说明。静态法是在静载荷的状态下，测量多点结构受力情况。如已知重量的荷载车停在大桥的不同位置上，测量桥梁数百个测点的受力及形变，整桥的挠度变化及关键部位裂缝变化等，可以综合分析其静态特性。静态测量又分为应变式和钢弦式两种方法。由于用惠斯登电桥式进行应变测量，应变片成本低，可以一次多点，甚至千点同时进行检测，因而应变式应用较多。钢弦式是通过埋入混凝土的钢弦传感器受力，导致其谐振频率变化，由F/V变换器读成应变值。其优点是长期高度稳定，缺点是一次性埋入敏感元件成本高，测值准确标定很难。适合多点测量的应变片法，其成本低、标定准确，应用较广，但由于我国大多厂商没掌握桥路切换时继电器产生的几十μV热电势消除技术，测值漂移成为应变片法的瓶颈。

动态法是用动态检测仪器，首先设法使桥梁结构产生振动，然后通过传感器、放大器和记录系统记录振动物理量（包括动应变、加速度）等信号的时间历程曲线，通过对这些信号的特性分析，便可获得结构的各项振动特性。

动力荷载激振方法是用几辆满载车辆分别进行跳车（垫木块）、刹车和跑车，以及利用环境激励方式，通过频谱图来测定桥梁在车辆荷载下的强迫振动特性，如冲击系数、强迫振动的动应变（应力）等；在车辆跑出桥外瞬间，测定桥梁结构的自振特性，如自振频率和阻尼特性等。通过静、动态特性综合分析来判断被测结构的承载特性和运营状况等，尤其是有关安全情况等重要指标供有关部门决策非常重要。同样方法也可以测定大坝、铁路路基、飞机、轮船、汽车等结构性能。

我国初期的实验力学检测仪器中，静态仪器用指针读数，动态用胶卷记录，到了20世纪70年代静态用数显表读数，动态用多线光线示波器、磁带机记录；80年代，由于进口仪器的带动，静态采用自动巡回检测系统，可以达到近千点自动打印数据（如日本7V08、UCA-5）等。动态可以傅立叶分析（如7T17，RT16，当时价格近50万美元）；90年代末，由于计算机的广泛应用，这类仪器已经发生了质的飞跃，面向用户的虚拟仪器已经完全改变传统动态仪器的检测观念。

（3）我国应变与振动检测行业发展概况和水平

由于我国航空航天技术的飞速发展，带动了全国实验力学其相关检测仪器的快步发展。以应变检测行业为例，20世纪50年代，仅有华东电子仪器厂、扬州无线电二厂、北京牛街振动仪器厂等少数几个厂商。至70年代，有泰施科技（鞍山电测技术研究所）、北戴河无线电厂等后起之秀崛起，以鞍山电测技术研究所从日本电气三荣（株）引进的7V系列应变（漂移±1με）数据采集器产品为标志，至80年代末，经消化吸收，重新设计，使我国静态应变数据采集器技术水平接近当时世界一流水平。至90年代，有晋江东华测试、北京东方振动和噪声技术所、秦皇岛电气自动化公司、南京正安等20多个企业先后创办。至21世纪初，以虚拟仪器为标志的产品开始进入我国工程检测行业。

20世纪70年代，国际上应变检测行业，静态数据采集器以长期稳定±1μV为标志，与日本共和、三荣（株）、英国输力强、美国福禄克公司居国际一流水平。静态的数据采集系统，由于多通道切换用的继电器与电路焊接造成的相当数10μ应变的热电势存在，国产的几家没有突破消除热电势难关，使其重复误差不小于7με，只有7V14Ｃ型静态数据采集系统采用国际通用消除桥路热电势技术，使其测量读数重复误差达到1με，测量可达10~40点／s，最多可测200~1000通道。采用Windows系统界面，可以现场得到即时数据及分析结果，并可以转成文本文件后二期处理，深受广大用户欢迎。

（4）虚拟仪器时代的到来

至20世纪未，以融入PC软件技术的虚拟仪器鼻祖身份出现的美国国家仪器（简称NI）公司、凌华等几十余家公司，以其高新技术猛烈地冲击了我国应变与振动检测行业的市场。虚拟仪器时代的标志，“仪器是硬件”的传统观念转变为“软件就是仪器”的理念。整个系统是由体积较小的硬件、大型、豪华的系统软件及计算机组成，大部分硬件由软件取代。之所以如此，关键是其软件中安装了核心基础软件，被称为“发动机”的设备驱动程序，使系统的功能开发与仪器的硬件变化无关。操作者可以不必了解电子线路及系统软件细节，用虚拟仪器的“用户软件接口”和“硬件接口”操作者可将系统软件中大量的模块像“搭积木”一样进行简易虚拟连接，可以堆积成适应不同对象需要的仪器。如动、静态应变仪、信号发生器、数显表、长时间记录仪、FFT信号分析仪、模态分析仪、频率计、噪声检测仪、相关分析仪、频谱分析仪等，其功能就是一个手提式“无所不能”的检测实验室。利用其强大的图形化标准模块，友好的人机交互界面，通过其强大的数据可视化分析和仪器控制能力，使用各种图标、图形符号、连线等编程，可以制作检测工程师熟悉的旋钮、开关、波形曲线等仪器面板。对测试操作者（而不是专业程序员）来说，无疑是一种最理想的选择。

按“虚拟仪器”概念，是由使用者任意设定功能的仪器，而非由厂商设计有限固定功能的“传统仪器”。综观国内外现有的虚拟仪器，其实时操作系统软件，要么功能没强大到用户可任意自定义的程度，但简单易用（如目前全部国产仪器）；要么必须用其图形化编程“语言”、费功费时二次编程才能应用（如美国NI公司进口产品）。目前，DAQ2005产品为改善上述两个弊端的虚拟仪器，采用中文图形化、“魔方（自身多变）式模块”控件、不必编程、用鼠标即可轻松搭建个性化用户界面、功能同等强大的虚拟仪器，又可与进口仪器硬件、系统软件互换或者替代的产品。

（5）网络化、泛在化、远程化检测仪器的兴起

随着PC技术、网络通信技术、微电子技术的发展，应变与振动检测仪器将向网络化、智能化、虚拟化方向发展。目前，工业无线技术全球尚处于起步阶段，给嵌入工业无线传输功能的应变与振动检测仪器的发展，提供一个难得的重要机遇。由于新兴的专用于测控应用的工业无线技术异军突起，与其他模式的检测仪器相比具有：袖珍体积、甩掉缆线，节点数万、互为“基站”；物超所值，免费频段，超低功耗、可靠安全；嵌入智能、加密数传，自动组网、自行诊断；移动中测、容错不乱，相互操作、无缝切换；多跳传递、网型齐全，长期在线、