機械工程測試技術(shù)課程設(shè)計

1、機械工程測試技術(shù)課程設(shè)計工作臺振動測量儀設(shè)計姓名：胡向東學(xué)號：20121512111指導(dǎo)教師：盧紀(jì)麗院系：機電工程專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化1 概述振動測試儀是一種能測量機械、物體等振動的測量儀器。比如測振儀、 動平衡儀、振動測試與模態(tài)分析儀都算是振動測試儀。振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。各種機器、 儀器和設(shè)備運行時，不可避免地存在著諸如回轉(zhuǎn)件的不平衡、負載的不均勻、 結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、潤滑狀況的不良及間隙等原因而引起受力的變動、碰撞 和沖擊，以及由于使用、運輸和外界環(huán)境下能量傳遞、存儲和釋放都會誘發(fā)或 激勵機械振動。所以說，任何一臺運行著的機器、儀器和設(shè)備都存在著

2、振動現(xiàn) 象。在大多數(shù)情況下，機械振動是有害的。振動往往會破壞機器的正常工作和 原有性能，振動的動載荷使機器加速失效、縮短使用壽命甚至導(dǎo)致?lián)p壞造成事 故。機械振動還直接或間接地產(chǎn)生噪聲，惡化環(huán)境和勞動條件，危害人類的健 康。因此，要采取適當(dāng)?shù)拇胧┦箼C器振動在限定范圍之內(nèi)，以避免危害人類和 其他結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，除了對各種機械設(shè)備提出了低振級和低噪聲的 要求外，還應(yīng)隨時對生產(chǎn)過程或設(shè)備進行監(jiān)測、診斷，對工作環(huán)境進行控制， 這些都離不開振動測量。為了提高機械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進行機械結(jié)構(gòu) 的振動分析和振動設(shè)計，找出其薄弱環(huán)節(jié)，改善其抗振性能。另外，對于許多 承受復(fù)雜載荷或本身性質(zhì)復(fù)雜

3、的機械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型及其動力學(xué)參數(shù)，如阻 尼系數(shù)、固有頻率和邊界條件等，目前尚無法用理論公式正確計算，振動試驗 和測量便是唯一的求解方法。因此，振動測試在工程技術(shù)中起著十分重要的作 用。微振動測試儀的設(shè)計主要組成部分壓電式傳感器，用于信息的采集；在本 設(shè)計方案里選擇壓電陶瓷傳感器做為壓電式傳感器。通過電路連接把所采集的 信息傳遞給電荷放大器，對微弱的電荷信號進行放大，信號的放大通常有兩 種：電壓放大和電荷放大。這里考慮避免接入電容的影響，所以采用電荷放 大。除了電荷放大，還要再一次對信號進行放大，這里采用運算放大器和一定圖1-的電路組成。把最終信號傳輸給顯示器就可以得到微振動的多組數(shù)據(jù)結(jié)果，

4、就 可以得到被測物體的每刻狀態(tài)。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1-1:（一）電式傳感器的工作原理1、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時么其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)這種現(xiàn) 象稱為壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓、它會產(chǎn) 生機械變形；當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電 效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）例如音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應(yīng)而發(fā)聲的。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。在晶體的彈性限度內(nèi)，壓電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正 比即Q=dF式中

5、 d 一壓電常數(shù)。輸1系統(tǒng)框圖自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多 * 例如在敦煌的鳴沙丘當(dāng)許多游客在 沙丘上蹦跳或從鳴沙廳上檸下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲；產(chǎn)生這個現(xiàn)象 的原因是無數(shù)干燥的沙子 （siO2 晶體） 在重壓下表面產(chǎn)個電荷。在某 時刻， 形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓。并通過空氣放電而發(fā)出聲音。2 、壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件件材料一般有三類：一類是壓電晶體 （ 單晶 體） ；第二類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷 （ 多晶體 ） ；第三類是高分子壓電材料。 這里我們主要介紹第二類。（ 二 ） 壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料它由無數(shù)細微的電疇組成。這些電 疇實際上

6、是分子自發(fā)極化的小區(qū)域，在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜 亂分布。它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的在電陶瓷呈中性，不具有 壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極 化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化強度當(dāng)壓電陶瓷受外力作 用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷制造工藝成熟，通過改變配方或摻雜微量元素可使材料的技術(shù)件能 有較大改變，以適應(yīng)各種要求 它還具有良好的工藝性可以方便地加工成各 種需要的形狀，在通常情況下，它比石英品體的比電系數(shù)高得多，而制造成本 較低，因此日前岡內(nèi)外壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷常用的壓電陶資材料主

7、要有以下幾種:(1)鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鈦酸鉛和鐵酸鉛組成的固熔休。它有較高的壓電常數(shù)d (200 500)*10-12c/n和居里點(500c左右)，是目前經(jīng)常采用的一種壓電材料。在上述材料小加入微量的鑭(La)、鈮(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工業(yè)中應(yīng)用較多的壓 電陶瓷(2)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷具有較高的壓電常數(shù)dll = (800 一 900)x10-12C/n和居里點(260C)，它能在壓力大至70MPsB寸正常工 作。因此可作為高壓下的力傳感器。目前還有一些鈮酸鹽 (如鈮酸鋰)具有很高 的居里點，可作

8、為高溫壓電傳感器。(3)使用Pv 96型壓電加速度傳感器進行測量，它的靈敏度為100OPC/g,也就是說在1g(g = 9. 8M/s*s)加速度的作用下，傳感器能產(chǎn)生一萬微庫 的電荷o Pv96型壓電傳感器的性能如表1-2 :lMXWpQgWOOpF20OTSHEiocn圖1-2 Pv 96型壓電傳感器特性這樣，可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Cn的等效電路。因可以等效為一個電壓源，如圖2-1b所示- - - -OUa=Q/Ca Ca-o嚴(yán) ICD Ua=Q/CaU02系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1壓電陶瓷傳感器的等效電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的

9、，因此它相當(dāng)于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為Cr CS式中S極板面積；Cn 壓電材料相對介電常數(shù);C 。一一真空介電常數(shù)；3 壓電元件厚度。當(dāng)壓電刀件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正，負電荷Q,壓電元件的 開路電壓（認為其負載電阻為無窮大）u為Cn此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖2-1a所示，也圖2-1壓電傳感器的等效電路壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容CC,放大器的輸入電阻R和輸入電容C以及傳感器的泄漏電阻 R。圖2-2畫出了壓電傳感器完整的等Ca圖2-2壓電傳感器實際的等效電路2.2電荷放

10、大電路由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分市電容 及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為 此義發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器、目前它已被公認是一種較好的沖擊 測量放大器。這種放大器實際上是一種具有深度電容負反饋的高增益運算放大 器，其等效電路如圖611所示。圖中已把F。、RI看作是無限大，而加以忽視，這樣當(dāng)容抗遠小于電阻 Rf折到輸入端的等效阻抗時，可有下式成立：效電路In r i1 QRa Cc Ri CiU。kQCa Cc Ci (1 k)CFUoCFRC可做得很大，因此電荷放式中CF反饋電容電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的G和

11、電纜的CC與R:fH2 Rc(Ca Cc)由于Ca、C、R通常都很小，因此高頻上限fH可高達180kHz。電荷放大器的低頻下限，由于 A相當(dāng)大，通常（1+ A） GC, R/ （1 + A）vR，因此只取決于反饋回路參數(shù) R、G :f 1L 2 RfCf它與電纜電容無關(guān)。由于運算放大器的時間常數(shù)大器的低頻下限fL可低達10-110-4Hz （準(zhǔn)靜態(tài)）。圖2-3壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路圖2-4為電荷放大器原理框圖，它主要由六部分組成，其中主電荷放大級是 整個儀器的核心，它又包括高阻輸入級、運算放大級、互補功放輸出級三部 分?；パa功放輸出級使電路提供給 Cf以必要的反饋電流。適調(diào)放大級

12、的作用是 當(dāng)被測量（加速度或壓力）一定時，用不同靈敏度的壓電元件測量而有相同的 輸出，實現(xiàn)綜合靈敏度的歸一化，便于記錄和數(shù)據(jù)處理。濾波器備有不同截止 頻率的分檔，依據(jù)實際情況選擇。圖2-4電荷放大器原理框圖需要指出，電荷放大器雖然允許使用很長的電纜，并且電容Cf變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器的價格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。2.3測量電路測量電路如圖2-5所示。圖中的模擬測量電路由兩級放大器組成AF2R4RP1R2AD544組成一個電荷放大器，它的輸入為電荷，輸出為電壓，也是一個Q/V轉(zhuǎn)換器，它的輸出為Vol Q0,傳感器受到1g加速度的作用，它產(chǎn)生的電壓，理C1-12 12 一 一論

13、值為Vol 10000 10 C/300 10 F 33V (實際上，1g的加速度使運放的輸出為飽和值Vs)，即放大器AD544的靈敏度為233V / g 33.7mV / gal(1gal 1/980g 1cm/$)電荷放大器的頻率響應(yīng)由反饋電容 C1和反饋電阻R1確定。其截止頻率為fo 1/2 R1C1 0.053Hz在0.1Hz時，輸出約下降1dB。RB為運放AD544的輸入保護電阻，避免AD544的輸入過高而損壞。A776是 一個反相放大器，其閉環(huán)增益為調(diào)整電位器RP1可使AF2=1.48，因此，A776勺輸出靈敏度為(1.48) ( 33.7mV/gal) 50mV / gal 近似

14、為48.8V/g。也就是說，當(dāng)振動加速度為1/980g時，電路能輸出50m啲電壓。本電路輸出電壓最大約為6V,因此其最大測量值約為48.8/60.1g。A776是低功耗可編程運算放大器，為了降低噪聲，可在 8腳輸入適當(dāng)?shù)碾?流I oet 15 A。在低頻測量時，隨著頻率的降低會增大閃爍噪聲，由于采用的 運放 A776的電壓噪聲在1 A以下，噪聲主要由電荷放大器產(chǎn)生。所以在降低 噪聲設(shè)計中不僅要選擇電壓噪聲小的集成電路而且應(yīng)有低的輸入電壓、低的偏 壓及失調(diào)漂移等特性。在電路設(shè)計中，反饋電容盡可能小，因為即使很小的漏 電流進入放大器也會產(chǎn)生誤差，故輸入部分要用聚四氟乙烯絕緣紙進行絕緣。若要求測量電

15、路的輸出靈敏度更高，應(yīng)提高A776的反饋電阻。例如，輸出靈敏度為100mV/gaI時， A776的閉環(huán)增益約為3,可適當(dāng)增大（R4 RPI）的值。2.4 振動測量（ 1）振動測量的概念物體圍繞平衡位置作往復(fù)運動稱為振功。從扼功對象來分，有機械振動 （ 例如機 床電機、泵風(fēng)機等遠行時的振動 ） ；上木結(jié)構(gòu)振動 （ 房屋、橋梁等的振動 ）；運輸工 具振動汽車、飛機等的振動 ） 以及武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分合高頻振動、低頻振動和超低頻振動等；從振動信號 的統(tǒng)計特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機振動等。期振功是 指經(jīng)過相同的時間間隔，其振動特征量重復(fù)出現(xiàn)的振動。

16、它包括簡諧振動和復(fù)雜周 期振動。復(fù)雜周期振動是由一些不同頻率的簡諧分量合成的振動。非周期振動的時 域函數(shù)是一個衰減曲數(shù)，沖擊振動是最常見的非周期振功。隨機振動是一種非確定 性振動，事先允法確定共振幅、頻率從相位的瞬時值，但有一定的統(tǒng)計規(guī)律性。振 動測量主要是研究上述各種振動的持征、變化規(guī)律以及分析產(chǎn)生振動的原因，從而找到解決問題的方法。物體標(biāo)動一次所需的時間稱為周期，用丁表示，單位是s。每秒振動的次數(shù)稱頻率，用f表小，單位為Hz、頻率是分析振動的最重要內(nèi)容之一。振動物體偏離 平衡位置的最大距離稱為振幅，用 x表示，單位為mm振動的速度用v表示，單 位為m/s ;加速度用a表水，單位m/s*s。

17、(2)振動測量的分類測振用的傳感器義稱拾掘器。亡有接觸式和非接觸式之分；接觸式中又行磁電 式、電感式、壓電式等。非接觸式小義有電渦流式、電容式，霍爾式，光電式等當(dāng) 測振系統(tǒng)自身的固有振動頻率f05f時，質(zhì)量塊與振動體A一起振動，質(zhì)量塊與 振動體A所感受到的振動加速度基本一致，這樣的測量傳感器稱為加速度計。(3) 壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示：當(dāng)傳感器與被測振動加速度的機件緊 固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣件 引起的壓力。其方向與振動加速度方向相反，大小奏 F= ma決定。慣性引起的 壓力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出由

18、此將振動加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小，若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時質(zhì)量塊將宅壓電晶片敲碰， 預(yù)緊力也不能太大，否則又會引起壓電晶片的非線性誤差、常用的壓電式加速 度傳感器的結(jié)構(gòu)多種多樣這種結(jié)構(gòu)有較高的固有振動頻率，可用于較高頻率 的測量 (幾千赫茲至幾十千赫茲 ) ，它是目前應(yīng)用較多的一種形式 。( 4) 壓電傳感器的性能指標(biāo)(a)靈敏度 K 壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，它的輸出為電荷 量，以Pc(皮庫侖)為單位，1Pc= 10/-12C ;而輸入量為加速度，單位為 rn/ s*s，所以靈敏度以pc/(m0 s)為單位，但是

19、在振動測量中，往往用標(biāo)準(zhǔn)重力 加速度 g(1g=98m /s*s) 作為加速度的單位，這是檢測行業(yè)的一種習(xí)慣用法。 幾乎所有測量振動的儀器都用 g 作為加速度單位，并在儀器的面板上以及說明 書中標(biāo)出，靈敏度的范圍約為 lo 一 100pc/g0目前許多壓電加速度傳感器已將電荷放大器做在同一個殼體中，它的輸出 是電壓，所以許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mA g,通常為10 I000mV/g 靈敏度并不是越高越好，靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范同很寬的扳 動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊試驗、炸彈的貫穿延時引爆等 而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動0例如用于尋找地下行道的泄 漏點(水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動 ) ;或測量橋梁、樓房、樁基的受 激振動以反分析精密機床床身的振動以提高加工精度等0(b) 頻率范圍 大多數(shù)壓電加速度度傳感器的頻率范圍為 0.1HZ-10KHZ0、(c)動態(tài)范圍常用的測量范圍為0.1 100g,測量沖擊振動時應(yīng)選用100 0000g ;而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇 0. 001 10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。3 總結(jié)在設(shè)計過程中,關(guān)鍵部分當(dāng)屬總體工作電路原理圖的設(shè)計,怎么樣更合 理,更效益設(shè)計該電路？成為該設(shè)計的最關(guān)鍵的一步,對元氣件的選擇決定電 路圖的設(shè)計,每選擇一種元氣件就有可能改