六章机械振动六章6.ppt
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1、振动系统的测试、辨识与建模,.PPT制作:Marco Chiang NCUT,第六章 振动系统的测试、辨识与建模,一个振动系统可用下图所示的框图来表示,它具有三要素 系统特性 激励 响应 这三者相互联系,知其二,可求其三。 正问题:激励&系统特性 响应 (前五章内容) 逆问题:激励&响应 系统的特性与参数(本章内容) 系统特性&响应 激励(下章内容),理论模型的方法(即第二类问题)是振动分析的基本方法之 一。理论模型定义如下: 通过对实际的振动系统进行测试、分析、辨识与建模,而得到描述实际振动系统的简图,物理参数 m 、 k 、 c 或模态参数Wr, ;以及系统的运动方程,称为振动系统的理论模
2、型。 振动系统的测试一般有三个基本环节:激励、测量和分析。即以某种激振力作用在被测振动系统上,使其产生响应,测量激振力和响应,进而确定系统的自然频率、模态向量、阻尼、刚度和质量等参数,从而建立系统的理论模型。本章扼要介绍振动测试设备、试验方法及参数识别的基本理论与技术。,6.1 振动测试传感器,本节介绍惯性式传感器与几种非接触式传感器,他们在振动测量中有着广泛的应用。 6.1.1 惯性式测量传感器 1. 加速度与位移传感器的力学模型、原理 惯性式振动传感器的简图如下: y(t) 被测面的振动 x(t) 质量块m的振动 z(t) = x(t) - y(t),x(t)、y(t)是测不出来的,但质量
3、块与壳体之间的相对运动z(t)=x(t)-y(t)是可以测出来的。所以振动传感器的功用就是由z(t)推断被测对象的振动y(t)。 由于科学技术所限,现在的传感器只能以一定的精度完成这一测量。 下面写出质量块的运动方程:,根据 的大小可以将质量块的运动方程分两种情况分析: 很小,则上面的运动方程可简写为: 此时的振动传感器是位移传感器; 很大,则上面的运动方程可简写为: 此时的振动传感器是加速度传感器。,2.加速度与位移传感器的频率特性 我们知道频率特性即是输入y(t)为谐波信号时 的输出z(t)。 带入质量块的运动方程可得频率特性为: 幅频特性 相频特性,位移传感器的幅频特性: 由于 因此,由
4、其幅频特性公式可得: 、 与频率比 的关系图如下所示,由以上的频率特性分析可知: 当 时,确近似地有 ,但由于受到共振峰的限制,因此位移传感器的工作频率范围存在下限频率。此外,由图还知,当 时, 的范围最大。因此,合理选取位移传感器的阻尼率,有利于扩大其工作范围。,位移传感器的相频特性 加速度传感器工作范围 ,由上图可知,此时并不存在近似的正比关系,即便是由幅频关系得出的最佳阻尼比为 的结论,从相位畸变的观点来看并不合适,但有时为了迁就幅频特性,仍使位移传感器具有一定得阻尼。,加速度传感器的幅频特性: 当 时,振动传感器的幅频特性可简化为: 则有传感器输出 因为 故得传感器输出与被测量的关系式
5、: 其中幅频特性可转化为:,由以上分析,可得 与频率比 的关系,如下图 其中, 的区域是加速度传感器的工作范围。有图可见,此工作范围的上限受到共振峰的限制。此外,此图还表示,在 时,在 的范围内,近似地有 。因此,合理地选择阻尼率,也可以扩大加速度计使用的频率范围。,加速度传感器的相频特性 为了减小信号通过线形系统后的相位畸变,系统的相频关系应接近正比关系。由上图可见,当 时,在 的范围内,相频关系近于直线,因此加速度测量中的相位畸变最小。,3. 压电式加速度与力传感器 上述惯性传感器中质量块m与壳体的相对运动 如果以压电石英晶体或压电陶瓷材料的“压电效应”来加以测量,就可做成压电式传感器。
6、压电式传感器的工作原理: 对具有压电效应的材料施加外力,它的晶格就要变形,在晶体的两个面上将有数量相同、极性相反的电荷产生,这种电荷量是与外力的大小成正比的。,加速度计 如右图所示为加速度计的 基本结构,压电材料切片的一 面与质量块m固连,另一面与 刚性基座相连,所组成的传感 器通过基座附于被测对象上。 这里压电材料的弹性与内阻即起到原理图中弹簧k和阻 尼c的作用。 由振动传感器的原理可得加速度计的工作原理: 这个公式表明:压电材料产生的电荷和被测对象加速度成正 比,可作为加速度传感器使用,力传感器 如右图所示为力传感器的基本结构,它 由压电材料夹在质量块 、 之间组成。 轴向力F使压电材料产
7、生电荷,电荷量与作 用力成正比,通过电荷放大器或电压放大器 将其微弱的电荷量或电压信号转换放大为易 测的电压信号。 如要测量结果准确,应考虑基座质量块 的惯性力, 需通过计算或利用模拟电路进行校正。,阻抗头 如右图所示为阻抗头的基本结构,它的上端是力传感 器,下端是加速度计,同连于基座上的阻抗头兼有上述力传 感器和加速度计的特点,可以同时测量系统的激振力和激振 点加速度。两种信号同时输出,经放大与分析后可求出该点 的频响函数。,惯性式速度传感器 以上讲的惯性式加速度传感器与位移传感器均是以电测 方法将传感器中质量块对壳体的相对振动z(t)转换成电量, 从而推求出表面的振动y(t).另外还有一种
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