XS型小型伺服式振動臺系統(tǒng)-振動測量儀器

1、XS 型小型伺服式振動臺系統(tǒng)使用說明書專利號： ZL92 2 43429.8中國地震局工程力學(xué)研究所中國 ·哈爾濱1目錄 1 1 2 710XS 型小型伺服式振動臺系統(tǒng)一、概述本系統(tǒng)由水平向電磁振動臺、鉛垂向振動臺、振動臺伺服控制系統(tǒng)、信號發(fā)生器等組成，主要用于低頻及超低頻拾振器 (位移計、速度計及加速度計 )的靈敏度、幅值頻率特性曲線等參數(shù)的標(biāo)定。本系統(tǒng)采用了有源閉環(huán)伺服技術(shù)，使期低頻特性大為擴(kuò)展，穩(wěn)定度和失真度得到了很大的提高和改善。本系統(tǒng)具有體積小、重量輕、低頻特性好、失真度小等特點。二、主要技術(shù)指標(biāo)1. 振動臺系統(tǒng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：使用頻率范圍：位移 0.05 20H Z ；速度

2、 0.1 100H Z ；加速度 0.5 100H Z最大振幅：水平3mm ；鉛垂向 2.5mm最大速度：0.08ms最大加速度：2.5m/s2最大推力：17N臺面最大荷載：4kg失真度：5%臺面運動不均勻度：水平臺5%(0.3 40H Z ) ；鉛垂臺5%(0.1 20H Z )臺面尺寸：水平臺面 220mm270mm；鉛垂臺面 220mm 220mm振動臺外形尺寸：水平臺490240215mm鉛垂臺345265490mm重量：水平振動臺 25 kg ；鉛垂振動臺 23kg2. 伺服控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：伺服控制系統(tǒng)主要由閉環(huán)伺服系統(tǒng)、信號電測量、功率放大及參數(shù)轉(zhuǎn)換等組成。伺服控制系統(tǒng)的輸入阻抗

3、：1 M測量誤差：0.2V 檔時，可測 0.050.199V誤差3%2V 檔時，可測 0.21.999V誤差3%20V 檔時，可測 219.99V誤差3%功率放大器1通頻帶：最大輸出功率：最大輸出電壓：DC10kH Z20VA10V (0P)利用相對速度計及伺服控制系統(tǒng)作臺面速度和位移檢測時的通頻帶：速度：0.110HZ ，誤差3%位移：0.05 10H Z ，誤差3%水平臺面速度靈敏度：SV0 =V ·s/m垂直臺面速度靈敏度：SV0 =V ·s/m水平臺面位移靈敏度：Sd0=V/m垂直臺面位移靈敏度：Sd0=V/m伺服控制系統(tǒng)的尺寸：340310105mm伺服控制系統(tǒng)的

4、重量：4.5kg3. 對其它附屬儀表 (由用戶自購 )的主要技術(shù)要求：對標(biāo)準(zhǔn)加速度計的技術(shù)要求：通頻帶 (1%)： 3 100H Z橫向靈敏度：3%年穩(wěn)定度：3%電荷放大器的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合所用加速度計配套要求。對信號發(fā)生器的技術(shù)要求：通頻帶： 0.01 100H Z失真度：0.6%穩(wěn)定性：0.3%(1小時)三、伺服振動臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理XS 型小型振動臺系統(tǒng)采用比較法標(biāo)定低頻或超低頻拾振器。如圖 1 所示，伺服振動臺系統(tǒng)由水平向電磁振動臺、鉛垂向電磁振動臺、振動臺伺服控制系統(tǒng)、信號發(fā)生器組成。信號發(fā)生器產(chǎn)生的電信號經(jīng)振動臺伺服控制系統(tǒng)中的功率放大器放大后通過導(dǎo)線輸入到振動臺的激振器動圈中，從而

5、使與激振器動圈連接的臺面產(chǎn)生往復(fù)振動。與臺面固定連接的相對速度計檢測臺面的相對運動速度或位移，它產(chǎn)生的電信號輸給伺服控制系統(tǒng)來檢測臺面運動的速度參量，同時，相對速度的輸出經(jīng)伺服放大器放大后，與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號疊加，最后經(jīng)功率放大后輸入激振器的動圈中形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)，使包括臺面在內(nèi)的運動部件產(chǎn)生大阻尼，從而改善振動臺的低頻特性、提高穩(wěn)定度和改善失真度。伺服控制系統(tǒng)中包括三部分：一是由伺服放大器及加法器組成的伺服系統(tǒng)，如2前面所述作閉環(huán)伺服用；第二部分是作臺面運動峰值電壓測量及被標(biāo)定拾振器峰值電壓測量的測量系統(tǒng)，它由阻尼抗變換器、放大器、積分器、復(fù)零電路、保持電路及 3 1 位數(shù)字表頭構(gòu)成。第

6、三部分是由集成功率放大模塊為核心組成的功率放大輸2出，用來推動振動臺。波形周期倍乘衰減幅度電源超低頻信號發(fā)生器振動臺伺服控制系統(tǒng)后面板BX輸入功放輸出信號源反饋輸出AC220V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量放大器至 CZ3超低頻數(shù)字電壓表圖 1 伺服振動臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連線圖在臺面運動測量中，傳感器采用相對速度計和標(biāo)準(zhǔn)加速度計 (接電荷放大器 )兩種，相對速度計安裝在振動臺上，標(biāo)準(zhǔn)加速度計由用戶自購。由于通常加速度計的低頻下限為 2 3H Z ，且當(dāng)臺面運動頻率較低時，其加速度幅值較小，背景噪聲的影3響會顯得較嚴(yán)重。當(dāng)臺面運動的頻率較高時，其位移及速度幅值交小。故在0.05 10H Z 頻段范圍內(nèi)用相對速度計檢

7、測臺面運動的速度參量，或通過積分后檢測臺面運動的位移參量，也可由速度值換算成加速度值 (此時要求對臺面運動頻342615圖 2 水平向振動臺結(jié)構(gòu)簡圖+率或周期的檢測精度較高 )。46在頻率低于 3H Z 標(biāo)定加速度參量時，由于背景噪聲的影響較嚴(yán)重，拾振器的輸出應(yīng)加接一高陡度低通濾波器 (用戶自購)，其半功率點應(yīng)為所測頻5率的 510 倍，以有效的濾去背景噪聲。在 3 100H Z 頻段3用標(biāo)準(zhǔn)加速度計測量臺面的加速度值，或由加速度 0 值換算成速度值及位移值 (此時要2求對臺面運動頻率或周期的檢測精度較高 )。711. 水平向振動臺水平向振動臺如圖 2 所示。它由激振器 (1)、臺面 (2)、

8、圖 3 鉛垂向振動臺結(jié)構(gòu)簡圖簧片 (3)、相對速度計 (4)、底4座(5)和鎖緊機(jī)構(gòu) (6)構(gòu)成。2. 鉛垂向振動臺鉛垂向振動臺如圖 3 所示，它由底座 (1)、激振器 (2)、臺面 (3)、導(dǎo)向簧片 (4)、臺面平衡位置的調(diào)節(jié)彈簧 (5)和相對速度計 (6)和鎖緊機(jī)構(gòu) (7)構(gòu)成。激振器輸入插頭的接線圖見圖4。765431接伺服控制系統(tǒng)后面板的功放輸出插座的芯線212接伺服控制系統(tǒng)后面板的功放輸出插座的屏蔽層圖 4 激振器輸入插頭接線圖編號：200年月BX輸入功放輸出信號源反饋輸出AC220VCZ 3CZ 2CZ 5CZ6CZ4CZ1圖 5 控制系統(tǒng)的后面板3. 振動臺伺服控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的

9、后面板如圖5 所示， BX 為保險絲盒，保險絲的規(guī)格為1A。 CZ1 為220V 交流電源的輸入插座。 CZ2 為功率放大輸出插座，通過連線接到振動臺激振器輸入插座。 CZ3 為測量信號輸入插座 (七芯插座 )，其對應(yīng)插頭的接線圖如圖6 所示。使用時可把四個被測拾振器的電信號同時輸入，調(diào)節(jié)前面板上的參量選擇開關(guān) K 4，可分別測量四個拾振器電壓信號的峰值及相對速度計測得的臺面運動速度和位移的峰值。 CZ4 為輸出插座，用于臺面運動的速度電壓信號，位移電壓信號，功放輸出電壓信號及被標(biāo)拾振器輸出電壓 (通過前面板參數(shù)選擇旋鈕調(diào)節(jié) )等信號的輸出，此插座可接示波器，電壓表，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器。 CZ

10、5 為信號源插座，通過連線與信號源直接連接。 CZ6 為反饋輸入插座，通過連線與振動臺的相對速度計插座連接。51接第 1 道拾振器的輸出762接第 2 道拾振器的輸出5433接第 3 道拾振器的輸出214接第 4 道拾振器的輸出5接地圖 6 CZ3 插頭接線圖XS 型振動臺伺服控制系統(tǒng)小阻尼大阻尼開環(huán)工作開2V1X0.2V20V2保持測量V3GF4輸入衰減狀態(tài)選擇接地接地量程參數(shù)選擇復(fù)零復(fù)零中國地震局工程力學(xué)研究所K8K4K3K2K7K5K6K1圖 7 控制系統(tǒng)的前面板圖 7 所示為伺服控制系統(tǒng)的前面板，其中： K 1 為電源開關(guān)，當(dāng)置于開時，系統(tǒng)的電源接通。 K 2 是用來使測量系統(tǒng)輸入端復(fù)

11、零或接通被測電壓信號的開關(guān)。K 3 是用來保持或復(fù)零被測電壓信號的開關(guān)。K 4 是參量選擇開關(guān)，當(dāng)置位于V 檔，輸出插座CZ4 輸出臺面運動的速度電壓信號，當(dāng)開關(guān)K 2 置位于“測量”，K 3 置于“保持”時，數(shù)字表頭顯示的電壓即為正比于臺面運動速度的電壓半峰值；當(dāng)置于X 檔，CZ4輸出臺面運動的位移電壓信號，此時表頭所測得的為正比于臺面運動位移的電壓半峰值。當(dāng) K 4 置于 1、2、3 或 4 檔時，則分別測量由 CZ3 輸入的被標(biāo)拾振器輸出的電壓信號。當(dāng)置于 GF 檔， CZ4 輸出控制系統(tǒng)功率放大輸出的電壓信號。1表頭是用來測量電壓峰值的3位數(shù)字電壓表。 此測量系統(tǒng)的電壓表為一峰值電壓表

12、，它可用來作一般低頻峰值電壓表用。K 5 為狀態(tài)選擇開關(guān)，當(dāng)置于“大阻尼”時，振動臺產(chǎn)生大阻尼，其適用頻率范圍為 0.05 0.5H Z ；當(dāng)置于“小阻尼”時，振動臺適用頻率范圍為 0.2 100H Z ；當(dāng)置于“開環(huán)”時，其信號源信號直接通過功率放大推動振動臺，不形成閉環(huán)伺服，此時振動臺阻尼很小， 其適用范圍為 5 100H Z ，K 6 是用來使控制系統(tǒng)功率放大輸入6端“接地”或“工作” (非接地 )的開關(guān)。當(dāng)狀態(tài)選擇開關(guān) K 5 在變換檔位過程中， K 6 最好置于“接地”檔，以避免振動臺由一種工作狀態(tài) (如“小阻尼” ) 轉(zhuǎn)換到另一種工作狀態(tài) (如“開環(huán)” )時振動臺振動幅值變化較大而

13、產(chǎn)生的沖擊，它起到保護(hù)振動臺的作用。K 7 是輸入衰減旋鈕，用它可調(diào)伺服控制系統(tǒng)功率輸出的大小，當(dāng)改變振動臺振動頻率時，或 K 5 開關(guān)由“小阻尼”檔向“開環(huán)”檔轉(zhuǎn)換時， K 7 宜關(guān)到最小，然后再慢慢增大即可。 K 8 為調(diào)節(jié)數(shù)字表頭量程的轉(zhuǎn)換開關(guān)。由于振動信號均存在高次諧波，即存在一定的失真度，故在高精度測量中要求電壓表使用真有效值數(shù)字電壓表，以降低信號電壓值的測量誤差。如用戶對測量精度的要求較高時，應(yīng)使用真有效值數(shù)字電壓表 (用戶自購 )。四、使用方法(一 ) 振動臺的運輸、安裝與調(diào)整1. 運輸水平振動臺在運輸時，按右螺紋旋轉(zhuǎn)三卡盤鎖緊機(jī)構(gòu)，使臺面固定不動，并把臺面用支架上的四個螺絲固定

14、，以免損壞彈性元件及動圈。鉛垂振動臺在運輸時，按右螺紋旋轉(zhuǎn)三卡盤鎖緊機(jī)構(gòu)，使臺面固定不動，并將與臺面連接的小橫梁和大橫梁 (固定在底座上 )之間墊一適當(dāng)厚度的木塊后用膠布固定在一起，確保彈性元件和線圈的安全。2. 安裝振動臺應(yīng)固定在安有預(yù)埋螺栓的混凝土墩上，并選擇遠(yuǎn)離干擾源的地點，方可獲得較好的標(biāo)定結(jié)果。如把系統(tǒng)作為流動性振動臺，也可把振動臺直接放在工作臺上或地面上，此時背景噪聲的影響較大。3. 調(diào)整松開臺面鎖緊機(jī)構(gòu)。水平振動臺一般不需調(diào)整，只要使臺面基本呈水平即可 (在底座下加墊片 )。鉛垂向振動臺在裝上被標(biāo)拾振器后， 調(diào)整調(diào)節(jié)彈簧 (螺旋彈簧 )使臺面居于平衡位置(指針指標(biāo)零點 )。(二

15、) 系統(tǒng)的連接與操作方法按圖 1 所示，將各部分的連線接好，然后按下述步驟進(jìn)行：1. 把信號發(fā)生器的輸出調(diào)至最小。2. 依次把信號發(fā)生器、振動臺伺服控制系統(tǒng)的電源開關(guān)置于開的位置。3. 把被標(biāo)拾振器和標(biāo)準(zhǔn)加速度計用橡皮泥 (或其它方法 )固定在臺面上，標(biāo)準(zhǔn)加速度計應(yīng)盡可能安裝在沿臺面運動方向的中心線上，對于鉛垂向振動臺應(yīng)調(diào)整調(diào)節(jié)彈簧使臺面居于平衡位置。把拾振器、放大器、伺服控制系統(tǒng)用導(dǎo)線連接起來。把7拾振器和放大器置于所需檔位。被標(biāo)拾振器在臺面上應(yīng)相對于臺面縱橫中心線對稱布置，使臺面荷載盡可能均勻。在水平臺上標(biāo)定時，當(dāng)激振頻率在0.3 40H Z 范圍內(nèi)時，可同時進(jìn)行多臺拾振器的標(biāo)定 (如 8

16、91 型拾振器可同時標(biāo)定四臺 )。當(dāng)激振頻率超過 40H Z 及低于 0.3H Z 時，每次只能標(biāo)定兩臺拾振器，此時拾振器應(yīng)安裝在沿臺面運動方向的中心線上。在鉛垂臺上標(biāo)定時，當(dāng)激振頻率低于 20H Z 時，可同時進(jìn)行多臺拾振器的標(biāo)定。當(dāng)激振頻率低于 1H Z 時，拾振器的安裝應(yīng)避開臺面中心直徑約 60mm 的范圍。當(dāng)激振頻率高于 20H Z 時，每次只能標(biāo)定一臺拾振器，此時拾振器應(yīng)安裝在臺面中心，標(biāo)準(zhǔn)加速度計可安裝在拾振器蓋上，也可緊挨拾振器安裝。4. 當(dāng)對標(biāo)定精度的要求不高時，可使用控制系統(tǒng) (即峰值電壓表 )來測量臺面運動的位移、速度及加速度。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)加速度計測量臺面運動的加速度時，其輸出

17、信號經(jīng)電荷放大器放大后， 輸給伺服及測量系統(tǒng)后面板的 CZ3 插座其中一個通道 (此時只能同時標(biāo)定 3 臺拾振器 )。當(dāng)要求測量精度較高時，則應(yīng)使用有效值數(shù)字電壓表測量信號電壓。此時把伺服控制系統(tǒng)后面板上的輸出插座 CZ4 與真有效值數(shù)字電壓表的輸入用導(dǎo)線連起來即可。5. 在所有儀器設(shè)備予熱約十分鐘后，將信號發(fā)生器頻率選擇、伺服控制系統(tǒng)前面板的狀態(tài)選擇旋鈕 K 5 置于所需位置，將鈕子開關(guān) K 6 置于“工作”檔。6. 逐步增大信號發(fā)生器的輸出電壓，調(diào)節(jié)伺服控制輸入衰減旋鈕 K 7，使振動臺的振幅達(dá)到所需幅值為止。(三 ) 靈敏度和幅值頻率特性的標(biāo)定本系統(tǒng)采用比較法來標(biāo)定拾振器，即利用臺面相對

18、速度計及標(biāo)準(zhǔn)加速度計測得臺面運動的幅值，再換算被標(biāo)拾振器的靈敏度。在上述準(zhǔn)備工作完成后，即可進(jìn)行拾振器靈敏度及幅值頻率特性的標(biāo)定工作。被標(biāo)拾振器的測量方向應(yīng)與臺面運動方向一致。1. 靈敏度標(biāo)定在作靈敏度標(biāo)定時， 激振頻率 (即信號發(fā)生器的頻率 )應(yīng)選在被標(biāo)拾振器頻率特性的平直段 (通常選在信號發(fā)生器頻率 下 上 附近，式中 下 及 上 分別為拾振器通頻帶的下、上限頻率 )。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出，使被標(biāo)拾振器的輸出信號具有合適的幅值。如被標(biāo)拾振器的靈敏度太低或太高，可使用配套放大器或衰減器來調(diào)節(jié)其輸出幅值。拾振器的輸出可直接 (或通過與其配套的放大器進(jìn)行放大或積分后 )和伺服控制系統(tǒng)后面板的 C

19、Z3 插座連接，然后把 K 4 置于所需的位置， 把 K 2 和 K3 先置位于“復(fù)零”，再分別置位于“測量”和“保持” ，即可測得所需電壓的半峰值。1.1 加速度靈敏度的標(biāo)定：分別測得“標(biāo)準(zhǔn)加速度計” 和被標(biāo)加速度計的輸出電壓為ua0 和 uai (i1,2,) ，8則被標(biāo)加速度計的靈敏度SaiuaiK 0Sa0(1)ua0K i式中 Sao 為“標(biāo)準(zhǔn)加速度計”的靈敏度，K 0 和 Ki分別為“標(biāo)準(zhǔn)加速度計”和被標(biāo)加速度計所配放大器的放大倍數(shù)。當(dāng)激振頻率低于 10H Z ，采用相對速度計作臺面運動檢測時，被標(biāo)加速度計的靈敏度uaiSv0(2)SaiK iuv0式中 Sv0 為臺面速度靈敏度，

20、 uv0 為伺服及測量系統(tǒng)上數(shù)字表頭的顯示值，(或真有效值數(shù)字電壓表顯示值乘以 2 )。為臺面運動的圓頻率。1.2 速度靈敏度的標(biāo)定當(dāng)采用相對速度計來檢測臺面運動的速度時，被標(biāo)拾振器的速度靈敏度SviuviSv0(3)uv0K i如使用標(biāo)準(zhǔn)加速度計來標(biāo)定拾振器的速度靈敏度時，則被標(biāo)拾振器的速度靈敏度SviuviSa 0(4)ua0K i1.3 位移靈敏度的標(biāo)定在振動測量中，通常是用位移擺速度計經(jīng)放大器積分來測量位移參量，極少使用位移擺位移計來測量振動位移參量。對于后者，被標(biāo)拾振器的輸出可直接 (拾振器的靈敏度足夠時 )輸給伺服控制系統(tǒng)的 CZ3 插座。對于前者，被標(biāo)拾振器必須與配套放大器配接 (放大器的輸出與伺服控制系統(tǒng)的 CZ3 插座連接 )，通過放大器上的積分檔得到振動位移參量。當(dāng)用相對速度計來檢測臺面運動的位移時 (此時伺服控制系統(tǒng)前