動載試驗的量測儀器08次課39

1、Lab of Prof. Tian Shizhu12壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 從物理學知道，晶體當受到壓力并產生機械變形從物理學知道，晶體當受到壓力并產生機械變形時在它們相應的兩個表面上出現(xiàn)異號電荷，當外時在它們相應的兩個表面上出現(xiàn)異號電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。為壓電效應。 壓電材料中，石英晶體是較好的一種壓電材料中，石英晶體是較好的一種。2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器QGALab of Prof. Tian Shizhu2 特點特點：高穩(wěn)定性；高機械強度和在很寬的溫度范：高穩(wěn)定性；高機械

2、強度和在很寬的溫度范圍內使用的特點，但靈敏度較低，在計量方面用圍內使用的特點，但靈敏度較低，在計量方面用最多的是壓電陶瓷材料。最多的是壓電陶瓷材料。 壓電式加速度傳感器是一種利用晶體的壓電效應把壓電式加速度傳感器是一種利用晶體的壓電效應把振動加速度振動加速度轉換成轉換成電荷量電荷量的機電換能裝置。這種的機電換能裝置。這種傳感器具有動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，重量輕，傳感器具有動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，重量輕，體積小等特點。體積小等特點。2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器Lab of Prof. Tian Shizhu3 壓電式加速度傳感器的結構原理：壓電式加速度傳感器的結構原理： 壓電晶體

3、片上（質量塊壓電晶體片上（質量塊m m），用硬彈簧將它們夾緊），用硬彈簧將它們夾緊在基座上，傳感器的力學模型如圖。在基座上，傳感器的力學模型如圖。2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器質量彈簧系統(tǒng)的彈簧剛度由硬彈簧的剛質量彈簧系統(tǒng)的彈簧剛度由硬彈簧的剛度度K1K1和晶體的剛度和晶體的剛度K2K2組成，因此組成，因此K K= =K K1+1+K K2 2。阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 。在壓電式加速度傳感。在壓電式加速度傳感器內，質量塊的質量器內，質量塊的質量m m較小，阻尼系數(shù)也較小，阻尼系數(shù)也較小，而剛度較小，而剛度K K很大，因而質量、彈簧系很大，因而質量、彈簧系統(tǒng)的固有頻率很高，可達幾千赫。統(tǒng)

4、的固有頻率很高，可達幾千赫。12 Lab of Prof. Tian Shizhu4 2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器由前面的分析可知，當被測物體的頻率時，質量塊相對由前面的分析可知，當被測物體的頻率時，質量塊相對于儀器外殼的位移就反映所測振動的加速度值即于儀器外殼的位移就反映所測振動的加速度值即 n 2221nd xydt 晶體的剛度為晶體的剛度為K K2 2，因而作用在晶體的動壓力，因而作用在晶體的動壓力22222nkd xAk ydt 22222nkd xAk ydt 2222nG kdxVCd t 壓電晶體兩表面所產生的電荷量（或壓電晶體兩表面所產生的電荷量（或電壓）與所測

5、振動之加速度或正比電壓）與所測振動之加速度或正比 Lab of Prof. Tian Shizhu5 2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器壓電式加速度傳感器的主要技術指標如下：壓電式加速度傳感器的主要技術指標如下： 靈敏度靈敏度 安裝諧振頻率安裝諧振頻率 頻率響應頻率響應 橫向靈敏度比橫向靈敏度比 幅值范圍幅值范圍Lab of Prof. Tian Shizhu6 2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器3 3記錄設備記錄設備 光線示波器光線示波器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Lab of Prof. Tian Shizhu7 2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的

6、量測儀器4 4測振儀器的標定測振儀器的標定測振儀器在使用過程中需要對其性能參數(shù)進行定測振儀器在使用過程中需要對其性能參數(shù)進行定期標定。這是因為儀器某些元件的電氣性能和機期標定。這是因為儀器某些元件的電氣性能和機械性能會械性能會有所變化有所變化，而且還經常碰到各種類型的，而且還經常碰到各種類型的傳感器，放大器和記錄設備的配套使用，這也需傳感器，放大器和記錄設備的配套使用，這也需要對靈敏度和使用范圍的各項指標進行確定。要對靈敏度和使用范圍的各項指標進行確定。Lab of Prof. Tian Shizhu8 2.2 動載試驗的量測儀器動載試驗的量測儀器常用的標定有：常用的標定有： 分部標定：分部標

7、定：是分別對測振是分別對測振傳感器傳感器，放大器放大器和和記記錄儀器錄儀器等各個部分的性能指標進行測定，然后等各個部分的性能指標進行測定，然后把它們組合起來。求得整套儀器的輸入量和輸把它們組合起來。求得整套儀器的輸入量和輸出量之間的關系。出量之間的關系。 系統(tǒng)標定：系統(tǒng)標定：是將所選定的測振傳感器，放大器是將所選定的測振傳感器，放大器和記錄儀器組成和記錄儀器組成整套整套的測試系統(tǒng)，進行連機標的測試系統(tǒng)，進行連機標定以求得總的系統(tǒng)靈敏度，頻率響應和線性度定以求得總的系統(tǒng)靈敏度，頻率響應和線性度的標定。的標定。Lab of Prof. Tian Shizhu9 2.3 動載試驗的加載方法與設備動載

8、試驗的加載方法與設備結構動載試驗時的動荷載有結構動載試驗時的動荷載有兩種兩種情況情況： 一種是一種是實際實際的動力荷載，如動力機械，起重運的動力荷載，如動力機械，起重運輸設備在運行中產生的動力荷載等輸設備在運行中產生的動力荷載等。 另一種是為了產生預期的振動用起振機和振動另一種是為了產生預期的振動用起振機和振動臺等專門設備對試驗結構臺等專門設備對試驗結構施施加加動荷載。動荷載。Lab of Prof. Tian Shizhu10 2.3 動載試驗的加載方法與設備動載試驗的加載方法與設備一、慣性力加載一、慣性力加載 慣性力加載是利用運動物體質量的慣性力，慣性力加載是利用運動物體質量的慣性力，對結

9、構施加動荷載，按產生慣性力的方法可對結構施加動荷載，按產生慣性力的方法可分成分成沖擊力沖擊力，離心力離心力及及直線位移直線位移慣性力加載慣性力加載等。等。Lab of Prof. Tian Shizhu11 2.3 動載試驗的加載方法與設備動載試驗的加載方法與設備1 1沖擊力加載沖擊力加載這種荷載作用于試件上的時間較短，屬于這種荷載作用于試件上的時間較短，屬于突然加載，一般用于測定試件在沖擊荷載突然加載，一般用于測定試件在沖擊荷載作用下的某些性能，如強度，抗裂性等，作用下的某些性能，如強度，抗裂性等，也用于測定結構本身的各種動力特性，如也用于測定結構本身的各種動力特性，如固有頻率等。固有頻率等

10、。Lab of Prof. Tian Shizhu12 沖擊荷載產生的方法沖擊荷載產生的方法: : 從一定高度上落下的重物打擊在結構上可產生垂從一定高度上落下的重物打擊在結構上可產生垂直沖擊荷載直沖擊荷載 水平運動的重物撞在結構上水平運動的重物撞在結構上 用反沖激振器可產生水平沖擊荷載用反沖激振器可產生水平沖擊荷載 用張拉突卸的方法對結構施加沖擊荷載。用張拉突卸的方法對結構施加沖擊荷載。Lab of Prof. Tian Shizhu13 2 2離心力加載離心力加載離心力加載，是根據(jù)旋轉質量產生離心力的原理對離心力加載，是根據(jù)旋轉質量產生離心力的原理對結構施加簡諧振動荷載。結構施加簡諧振動荷載

11、。其原理如圖所示，離心力為其原理如圖所示，離心力為 P=mwP=mw2 2r r。 在任何瞬時產生的離心力均可分解成垂在任何瞬時產生的離心力均可分解成垂直與水平的二個分力。直與水平的二個分力。 trmaPPvsinsin2trmPPHcoscos2Lab of Prof. Tian Shizhu14 離心式起振機的原理離心式起振機的原理它由機械和電控兩部分組成，機械部分主要是由它由機械和電控兩部分組成，機械部分主要是由二個或多個偏心質量旋轉組成，按其旋轉的相對二個或多個偏心質量旋轉組成，按其旋轉的相對位置，可形成位置，可形成垂直垂直或或水平水平的簡諧振動的簡諧振動垂直振動垂直振動水平振動水平振

12、動Lab of Prof. Tian Shizhu15 3. 3. 直線位移慣性力加載直線位移慣性力加載直線位移慣性力加載系統(tǒng)，是由閉環(huán)伺服系統(tǒng)控直線位移慣性力加載系統(tǒng)，是由閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制的。固定在結構上的作動器（雙作用液壓缸）制的。固定在結構上的作動器（雙作用液壓缸）來回推動質量塊作水平直線往復運動，由運動著來回推動質量塊作水平直線往復運動，由運動著的質量產生的慣性力，通過作動器及其固定于結的質量產生的慣性力，通過作動器及其固定于結構上的基礎作用于結構。構上的基礎作用于結構。Lab of Prof. Tian Shizhu16 二、電磁加載二、電磁加載通電的導體在磁場中，要受到與通電的導體

13、在磁場中，要受到與磁場方向相垂直的作用力，根據(jù)磁場方向相垂直的作用力，根據(jù)這個原理，在磁場中放入動圈，這個原理，在磁場中放入動圈，通以交變電流，則可使固定于動通以交變電流，則可使固定于動圈上的頂桿等部件往復運動，產圈上的頂桿等部件往復運動，產生荷載。若動圈通以一定方向的生荷載。若動圈通以一定方向的直流電，則產生靜載。直流電，則產生靜載。Lab of Prof. Tian Shizhu17 常見的電磁加載設備為電磁式常見的電磁加載設備為電磁式激振器激振器與與振動臺振動臺: :l 電磁式激振器電磁式激振器 優(yōu)點優(yōu)點為頻率范圍較寬，由幾為頻率范圍較寬，由幾HzHz到幾十到幾十HzHz；重量輕；控制；

14、重量輕；控制方便，按給定訊號可產生各種波形的激振力。方便，按給定訊號可產生各種波形的激振力。 缺點缺點為激振力不大，推動力由幾十公斤到幾百公斤，僅為激振力不大，推動力由幾十公斤到幾百公斤，僅適合于小型結構或小型模型試驗。適合于小型結構或小型模型試驗。l 電磁式振動臺電磁式振動臺 實際上是利用電磁式激振器來推動一個活動臺面構成實際上是利用電磁式激振器來推動一個活動臺面構成的。由于電流都比較大，工作時間長了易發(fā)熱。的。由于電流都比較大，工作時間長了易發(fā)熱。Lab of Prof. Tian Shizhu18 2.3 動載試驗的加載方法與設備動載試驗的加載方法與設備三、結構疲勞試驗機三、結構疲勞試驗

15、機結構疲勞試驗機可做正弦波形荷載的疲勞試驗，也可結構疲勞試驗機可做正弦波形荷載的疲勞試驗，也可做靜載試驗和長期荷載試驗等。做靜載試驗和長期荷載試驗等。組成：由脈動發(fā)生系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)三部分組成：由脈動發(fā)生系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)三部分組成。組成。目前目前多采用電液伺服作動器，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)等多采用電液伺服作動器，控制系統(tǒng)和工作系統(tǒng)等組成。組成。Lab of Prof. Tian Shizhu19 2.3 動載試驗的加載方法與設備動載試驗的加載方法與設備四、液壓振動臺四、液壓振動臺液壓振動臺（液壓振動臺（地震模擬振動臺地震模擬振動臺）主要用在試驗室）主要用在試驗室內做模型的模擬地震波

16、振動試驗。目前這類振動內做模型的模擬地震波振動試驗。目前這類振動臺多采用電液伺服系統(tǒng)推動，其特點是能在低頻臺多采用電液伺服系統(tǒng)推動，其特點是能在低頻時產生大的推力。時產生大的推力。振動臺的型式分：單向、雙向、三向振動振動臺的型式分：單向、雙向、三向振動Lab of Prof. Tian Shizhu20 2.4 動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定 對結構進行動力分析和隔振設計時，對結構進行動力分析和隔振設計時，必須掌握動必須掌握動荷載的特性荷載的特性，這些特性包括作，這些特性包括作用力的用力的大小大小，方向方向，頻率頻率及及作用規(guī)律作用規(guī)律。 對對地震作用地震作用或或風荷載風荷載等特殊的動力

17、荷等特殊的動力荷載，可用長期觀察的歷史資料進行分析，載，可用長期觀察的歷史資料進行分析，確定其作用力的大小和振動規(guī)律。確定其作用力的大小和振動規(guī)律。Lab of Prof. Tian Shizhu21 2.4 動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定 有些動力設備如往復式機械及各種帶有離心力的回有些動力設備如往復式機械及各種帶有離心力的回轉機械，可以根據(jù)機械本身的參數(shù)進行轉機械，可以根據(jù)機械本身的參數(shù)進行動荷載特性動荷載特性計算計算。在大多場合下，不能用計算方法獲得動荷載特性資在大多場合下，不能用計算方法獲得動荷載特性資料，只能用料，只能用試驗方法試驗方法確定。例如：確定。例如： 有些名義上是均衡

18、回轉而實際并不是完全均衡回有些名義上是均衡回轉而實際并不是完全均衡回轉部件產生的慣性力，轉部件產生的慣性力， 吊車行駛時因軌道不平或接頭所產生得沖擊荷載。吊車行駛時因軌道不平或接頭所產生得沖擊荷載。Lab of Prof. Tian Shizhu22 2.4 動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定 一、探測主振源的方法一、探測主振源的方法作用在結構上的動荷載常常是復雜的，許多情況作用在結構上的動荷載常常是復雜的，許多情況是由多個振源產生的，首先要找到對結構振動起是由多個振源產生的，首先要找到對結構振動起主導作用而危害最大的主導作用而危害最大的主振源，主振源，然后測定其特性。然后測定其特性。結構發(fā)

19、生振動，其主振源并不總是顯而易見的，結構發(fā)生振動，其主振源并不總是顯而易見的，這時可以通過下述試驗方法測定：這時可以通過下述試驗方法測定：Lab of Prof. Tian Shizhu23 2.4 動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定 在工業(yè)廠房內有多臺動力機械設備時，在工業(yè)廠房內有多臺動力機械設備時，可以逐個可以逐個開動開動，觀察結構在每個振源影響下的振動情況，觀察結構在每個振源影響下的振動情況，從中找出主振源，但是這種方法往往由于影響生從中找出主振源，但是這種方法往往由于影響生產而不一定能實現(xiàn)。產而不一定能實現(xiàn)。分析實測振動波形分析實測振動波形。按照不同振源將會引起規(guī)律。按照不同振源將會

20、引起規(guī)律不同的強迫振動這一特點，可以間接判定振源的不同的強迫振動這一特點，可以間接判定振源的某些性質，作為探測主振源的參考。某些性質，作為探測主振源的參考。Lab of Prof. Tian Shizhu24 圖圖a a 是間歇性的阻尼振動，而且有明是間歇性的阻尼振動，而且有明顯尖峰和衰減的特點時，說明是碰擊顯尖峰和衰減的特點時，說明是碰擊性振源所引起的振動；性振源所引起的振動；圖圖b b 是具有單一簡諧振源的接近正弦是具有單一簡諧振源的接近正弦規(guī)律的振動圖形。這可能是一臺機器規(guī)律的振動圖形。這可能是一臺機器或多臺轉速一樣的機器所引起的振動；或多臺轉速一樣的機器所引起的振動；圖圖c c 是兩個

21、頻率相差兩倍的簡諧振源是兩個頻率相差兩倍的簡諧振源引起的合成振動圖形；引起的合成振動圖形；Lab of Prof. Tian Shizhu25 圖圖d d 是三個簡諧振源引起的更為復是三個簡諧振源引起的更為復雜的合成振動圖形；雜的合成振動圖形；圖圖e e 是是“拍振拍振”，可能是由兩個頻，可能是由兩個頻率接近的簡諧振源共同作用；另一率接近的簡諧振源共同作用；另一種只有一個振源，但其頻率和結構種只有一個振源，但其頻率和結構的固有頻率相近；的固有頻率相近；圖圖f f 是屬于隨機振動一類。是屬于隨機振動一類。Lab of Prof. Tian Shizhu26 分析結構振動的頻率，可以作為進一步判分

22、析結構振動的頻率，可以作為進一步判定定主振源主振源的依據(jù)。我們知道，結構強迫振的依據(jù)。我們知道，結構強迫振動的頻率和作用力的頻率相同，因此具有動的頻率和作用力的頻率相同，因此具有這種頻率的振源就可能是主振源。對于這種頻率的振源就可能是主振源。對于簡簡諧振動諧振動可以直接量出振動的頻率?？梢灾苯恿砍稣駝拥念l率。Lab of Prof. Tian Shizhu27例：某鋼混框架，高例：某鋼混框架，高17.5m17.5m，上面有一個，上面有一個300300噸的化工容器，此框架建成投產后即噸的化工容器，此框架建成投產后即發(fā)現(xiàn)水平橫向振動很大發(fā)現(xiàn)水平橫向振動很大于是以探測主振源為目的進行了實測。于是以探

23、測主振源為目的進行了實測。在框架在框架頂部頂部、中部中部和和地面地面設置了測振傳感設置了測振傳感器，實測振動的記錄上、中、地面的波形器，實測振動的記錄上、中、地面的波形是一樣的。并且是拍振，通過分析兩個分是一樣的。并且是拍振，通過分析兩個分振動的頻率分別為振動的頻率分別為2.09Hz2.09Hz和和2.28Hz2.28Hz，相當，相當于于125.4125.4次次/ /分和分和136.8136.8次次/ /分，分，經過調查在附近有經過調查在附近有6 6臺大型臥式壓縮臺大型臥式壓縮機，其中機，其中4 4臺臺136136轉轉/ /分和分和2 2臺臺125125轉轉/ /分分。Lab of Prof.

24、 Tian Shizhu28 2.4 動載特性的試驗測定動載特性的試驗測定 二、動荷載特性的試驗測定二、動荷載特性的試驗測定根據(jù)不同的動荷載，可以采用下述幾種試驗方法根據(jù)不同的動荷載，可以采用下述幾種試驗方法測定其特性。測定其特性。（一）直接測定法。它是通過測定動荷載本身參（一）直接測定法。它是通過測定動荷載本身參數(shù)以確定其特性。這種方法簡單可靠。由于量測數(shù)以確定其特性。這種方法簡單可靠。由于量測技術不斷提高，各種傳感器逐步完善，它的應用技術不斷提高，各種傳感器逐步完善，它的應用范圍也愈來愈廣。范圍也愈來愈廣。Lab of Prof. Tian Shizhu29 對一些由往復式運動部件產生的慣

25、性力（如牛對一些由往復式運動部件產生的慣性力（如牛頭刨床、曲柄連桿機械等）可用加速度傳感器頭刨床、曲柄連桿機械等）可用加速度傳感器安裝在運動部件上，直接測出運動部件的安裝在運動部件上，直接測出運動部件的加速加速度度變化規(guī)律，由于運動部件的質量已知，慣性變化規(guī)律，由于運動部件的質量已知，慣性力便可得到。力便可得到。Lab of Prof. Tian Shizhu30 測定某些機器傳遞到結構上的動荷載，可使測定某些機器傳遞到結構上的動荷載，可使用各種用各種測力傳感器測力傳感器，將傳感器固定在結構物，將傳感器固定在結構物和機器底座之間，開動機器時可將產生的慣和機器底座之間，開動機器時可將產生的慣性力

26、用記錄儀器記下來。但用此法測力傳感性力用記錄儀器記下來。但用此法測力傳感器的剛度應足夠大，否則會導致很大誤差。器的剛度應足夠大，否則會導致很大誤差。Lab of Prof. Tian Shizhu31 有些機器設備如橋式吊車，可以通過測量有些機器設備如橋式吊車，可以通過測量某一桿件的變形來得到動載荷的大小和規(guī)某一桿件的變形來得到動載荷的大小和規(guī)律。但應注意選取適當?shù)臈U件是很重要的，律。但應注意選取適當?shù)臈U件是很重要的，被選的桿件要經過動力特性的測定。被選的桿件要經過動力特性的測定。Lab of Prof. Tian Shizhu32 （二）間接測定法。二）間接測定法。此法是把要測定動力的機械安

27、裝在足夠彈性此法是把要測定動力的機械安裝在足夠彈性變形的專用結構上，結構下面為剛性支座?？梢宰冃蔚膶Ｓ媒Y構上，結構下面為剛性支座?？梢圆捎檬軓澚夯蚰玖喊苍诖笮突A上作為這種彈性采用受彎梁或木梁安在大型基礎上作為這種彈性結構。梁的剛度和跨度選擇必須不與機器發(fā)生共結構。梁的剛度和跨度選擇必須不與機器發(fā)生共振，以保證所確定的動力荷載的準確度。振，以保證所確定的動力荷載的準確度。Lab of Prof. Tian Shizhu33 試驗時試驗時首先把機器安裝在梁上，在機器未開動前先首先把機器安裝在梁上，在機器未開動前先進行結構的靜力和動力特性的測定，確定出結構的進行結構的靜力和動力特性的測定，確定出結構的剛度和慣性力矩，固有頻率、阻尼比及已知簡諧外剛度和慣性力矩，固有頻率、阻尼比及已知簡諧外力作用下的振幅。力作用下的振幅。把要