機(jī)械振動與力的測試24

請簡要說明測試裝置幅頻特性的物理含義，并結(jié)合如圖所示某測試裝置的幅頻特性說明該裝置可允許測試信號的頻率范圍。第5章力的測量

力壓力應(yīng)力重力扭矩應(yīng)變彈性力氣動力轉(zhuǎn)矩摩擦力§5.1.1力的基本概念力是一個(gè)重要的物理量。力體現(xiàn)了物質(zhì)之間的相互作用，凡是能使物體的運(yùn)動狀態(tài)或物體所具有的動量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。單位：力在國際單位制(SI)中是導(dǎo)出量，在我國法定計(jì)量單位制和國際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓（N），定義為：使1kg質(zhì)量的物體產(chǎn)生1m/s2加速度的力，即1N=1kg·m/s2

?！?.1.1力的基本概念標(biāo)準(zhǔn)：為保證國民經(jīng)濟(jì)各部門和研究單位靜態(tài)力的力值準(zhǔn)確一致，目前均以標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力作為力的標(biāo)準(zhǔn)，其大小除可以用標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞外，還可以用各種不同準(zhǔn)確度等級的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測力儀器設(shè)備復(fù)現(xiàn)力值及進(jìn)行量值的傳遞。（重力加速度g是一個(gè)使用很方便的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定地球上緯度為45o海平面上的重力加速度為g的標(biāo)準(zhǔn)值，為9.80665m/s2。該標(biāo)準(zhǔn)便是對測力系統(tǒng)作“靜重”標(biāo)定的基礎(chǔ)）§5.1.2力的測量方法力平衡法

機(jī)械式力平衡裝置

力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一個(gè)已知力來平衡待測的未知力，從而得出待測力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重力、電磁力或氣動力等§5.1.2力的測量方法力平衡法

液壓和氣壓式測力系統(tǒng)

§5.1.2力的測量方法在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測位移法通過測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未知力值。

扁環(huán)形彈性元件內(nèi)腔上下平面上分別固連電容傳感器的兩個(gè)極板。在力作用下，彈性元件受力變形，使極板間距改變，導(dǎo)致傳感器電容量變化。用測量電路將此電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號，即可得到被測力值。通常采用調(diào)頻或調(diào)相電路來測量電容。這種測力裝置可用于大型電子吊秤。

測位移法

§5.1.2力的測量方法測位移法

彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動差動變壓器的鐵芯運(yùn)動，使兩線圈互感發(fā)生變化，最后使差動變壓器的輸出電壓產(chǎn)生和彈性元件受力大小成比例的變化。

§5.1.2力的測量方法物理效應(yīng)法

物體在力作用下會產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，如應(yīng)變效應(yīng)，壓磁效應(yīng)，壓電效應(yīng)等，可以利用這些效應(yīng)間接檢測力值。依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式等等。這類傳感器的測量基礎(chǔ)是彈性元件的彈性變形和作用力成正比的現(xiàn)象。這類傳感器原則上可簡化為如圖所示的在質(zhì)量塊受力的單自由度振動系統(tǒng)。

§5.1.2力的測量方法§5.1.2力的測量方法物理效應(yīng)法

傳感器的彈性和慣性參數(shù)是分布的而不是集中的，作為集中參數(shù)質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼比都很難確定，而且其固有頻率也總是和外部承力構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)，因此，對于這類傳感器，應(yīng)進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)校準(zhǔn)，以建立其輸出和輸入力之間的關(guān)系和確定其靈敏度、固有頻率等項(xiàng)特性參數(shù)。

§5.1.3測力裝置的使用特點(diǎn)使用測力裝置在測量過程中，它與被測系統(tǒng)以及它的支撐系統(tǒng)組成非常復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，在動態(tài)力作用下，該彈性元件的彈性變形同動態(tài)力的關(guān)系也就變得相當(dāng)復(fù)雜，兩者在幅值、相位方面都有較大差異，這些差異和測力裝置的動態(tài)特性、支撐系統(tǒng)、負(fù)載效應(yīng)都有密切關(guān)系。FF§5.1.3測力裝置的使用特點(diǎn)被測系統(tǒng)的構(gòu)件作為測力裝置的構(gòu)件FF系統(tǒng)的構(gòu)件直接出現(xiàn)物理效應(yīng)模擬實(shí)際使用條件，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全面校準(zhǔn)

§5.1.3測力裝置的使用特點(diǎn)按照實(shí)際條件進(jìn)行現(xiàn)場靜態(tài)和動態(tài)校準(zhǔn)；避免專為測試而增減被測機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)件；測力裝置整體化、簡單化；采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法。

總的使用原則當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱為應(yīng)變（Strain）。材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定義單位面積上的這種反作用力為應(yīng)力（Stress）?；蛭矬w由于外因(受力、濕度變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置?！?.2應(yīng)力測量［應(yīng)力］分為由拉伸載荷引起的拉應(yīng)力、由壓縮載荷引起的壓應(yīng)力和由剪切引起的剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都產(chǎn)生在橫截面的法線方向上，這種應(yīng)力常常稱為正應(yīng)力（normalstress）,而剪應(yīng)力產(chǎn)生在橫截面的切線方向上，通常稱為切應(yīng)力（tangentialstress）。

§5.2應(yīng)力測量yTF正應(yīng)力：剪應(yīng)力：W為拉伸（或壓縮）載荷，Ws為剪切載荷，A為橫截面積。

§5.2應(yīng)力測量［應(yīng)變］單位長度材料的變形量稱為應(yīng)變量，簡稱應(yīng)變。應(yīng)變分為軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變剪切應(yīng)變

［應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系］［橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的關(guān)系］§5.2應(yīng)力測量東漢《考工記?弓人》中的測變形圖應(yīng)力是一重要的機(jī)械量，它表征了構(gòu)件的受載狀態(tài)、負(fù)載水平和強(qiáng)度能力，因此應(yīng)力測量是其它力參數(shù)測量的基礎(chǔ)。通過應(yīng)力分析可以測定外載的大小、方向以及各種動態(tài)響應(yīng)。

§5.2應(yīng)力測量敏感元件轉(zhuǎn)換元件采用電阻應(yīng)變法測量應(yīng)力時(shí)就是利用該原理首先把被測應(yīng)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小?！?.2應(yīng)力測量若當(dāng)四個(gè)橋臂的阻值變化同號時(shí)：

設(shè)四個(gè)橋臂的初始電阻值均為R0電橋的和差特性

§5.2應(yīng)力測量§5.3應(yīng)變式力傳感器在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于極小到很大的動、靜態(tài)力的測量，且測量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。應(yīng)變式力傳感器首先把被測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小。

§5.3.1應(yīng)變式力傳感器的組成確保力的良好傳遞將受力轉(zhuǎn)化為應(yīng)變將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化加載裝置彈性元件應(yīng)變片保護(hù)套§5.3.2應(yīng)變式力傳感器常見彈性元件

柱式筒式梁式應(yīng)變式力傳感器的彈性元件是主要元件，其設(shè)計(jì)的好壞直接決定著傳感器的靈敏度、抗干擾能力等重要指標(biāo)。彈性元件的材質(zhì)一般用合金鋼，如40CrNiMo,40CrMnMo?！?.3.2應(yīng)變式力傳感器常見彈性元件

受拉；受壓13725468§5.3.2應(yīng)變式力傳感器常見彈性元件零應(yīng)變應(yīng)變最大處39.6°F有應(yīng)變零應(yīng)變F由于圓環(huán)不易夾緊，實(shí)際上通常用八角環(huán)代替，當(dāng)環(huán)的厚度與環(huán)的半徑之比為0.4時(shí)，零應(yīng)變點(diǎn)在45°處，故一般八角環(huán)的一部分應(yīng)變片貼在45°處?！?.3.3應(yīng)變式力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例單分量傳感器測量壓縮力的應(yīng)變式測力傳感器的典型結(jié)構(gòu)又名測力頭。為了提高靈敏度，常采用內(nèi)圓外方的空心柱；加強(qiáng)板的作用是增大XY平面的剛度，而其Z向的剛度很小采用全橋法能消除彎矩的影響，也有溫度補(bǔ)償功能?！?.3.3應(yīng)變式力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例§5.3.3應(yīng)變式力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例返回艙再入大氣層時(shí)，因?yàn)樵偃胨俣群芨?，空氣又比較稠密，氣動環(huán)境十分惡劣。返回艙在返回地球時(shí)由于需要減速因此選用了大鈍頭外形，但正因?yàn)檫x用了大鈍頭外形，又存在一些不可避免的問題：巨大的空氣阻力對氣動力特性產(chǎn)生落點(diǎn)偏失等嚴(yán)重影響。

飛行器模型測力天平§5.3.3應(yīng)變式力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例承載錐彈性元件加速度計(jì)應(yīng)變片flow地面模擬試驗(yàn)示意§5.3.3應(yīng)變式力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例1天平2加載套3鋼絲4滑輪5載荷靜態(tài)校準(zhǔn)機(jī)械振動是生活中常見的運(yùn)動形式上下跳動的皮球小鳥飛離后顫動的樹枝被手撥動的彈簧片第6章機(jī)械振動測試

振動壓路機(jī)振動篩振動破碎機(jī)超聲波影像圖概率篩測量機(jī)器振動第6章機(jī)械振動測試

§6.1.1機(jī)械振動的初步認(rèn)識無阻尼簡諧振動xokm位移速度加速度vtxa名稱波形頻譜名稱波形頻譜各種振動的頻譜圖§6.1.2機(jī)械振動檢測方法名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機(jī)械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時(shí)會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多§6.1.2機(jī)械振動檢測方法光杠桿法在大多數(shù)的情況下，機(jī)械振動是有害的。振動常常破壞機(jī)械的正常工作，振動的動載荷使機(jī)械加快失效，降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命甚至導(dǎo)致?lián)p壞造成事故。振動也有可以被利用的一方面，如運(yùn)輸、夯實(shí)、搗固、清洗、脫水、時(shí)效等。

對設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動，然后測量其振動；此類振動的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài)特性。

現(xiàn)場測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動特性信號的時(shí)域分析和頻域分析§6.1.2機(jī)械振動檢測方法系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的激勵(lì)而引起的振動稱為自由振動，系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵(lì)下的振動稱為受迫振動。在簡化模型中，振動體的位置或形狀只需用一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)來描述的系統(tǒng)稱為單自由度系統(tǒng)。測試工作中的許多工程問題，往往可以用彈簧-阻尼器-質(zhì)量塊構(gòu)成的單自由度模型來描述。但是在不同的場合下所處理的輸入、輸出量往往是不同的，從而其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不同§6.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動；§6.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移Z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為Z0，分析如圖自由體上所受的力可得:如果考察質(zhì)量塊m對基礎(chǔ)的相對運(yùn)動，則可改寫成：§6.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動§6.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動設(shè)載體的運(yùn)動為簡諧運(yùn)動：上式變?yōu)?考慮如下幾種情形：輸入手段輸出載體振動位移載體振動速度載體振動加速度振動位移計(jì)質(zhì)量塊M對基礎(chǔ)的相對位移速度計(jì)加速度計(jì)§6.2.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動位移輸入位移計(jì)應(yīng)工作在過諧振區(qū)，其固有頻率越低越好。當(dāng)阻尼比取值在0.6～0.8范圍內(nèi)時(shí)，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時(shí)，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。§6.2.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動速度輸入速度計(jì)應(yīng)工作在諧振區(qū)附近，在選用速度計(jì)測量振動速度的響應(yīng)時(shí)，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。§6.2由系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫振動加速度輸入加速度計(jì)應(yīng)工作在亞諧振區(qū)，其固有頻率越高越好。當(dāng)阻尼比取值在0.6～0.8范圍內(nèi)時(shí)，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時(shí)，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線傳感器工作原理壓電式振動時(shí)，使傳感器中的壓電元件受到慣性重塊的慣性力作用而產(chǎn)生電荷。輸出量與振動加速度成正比。電動式振動時(shí)，使傳感器中的可動線圈在磁場中振動，切割磁力線而感應(yīng)出電動勢輸出量與振動速度成正比電磁式振動時(shí)，使傳感器中在磁場里的靜止線圈周圍磁通量發(fā)變化而感應(yīng)電動勢。輸出量與振動速度成正比。電阻式絲式：振動時(shí)，傳感器中電阻絲長度變化而使電阻變化。壓阻式：利用半導(dǎo)體或某些稀有金屬受力變形時(shí)電阻率改變的特性。與振動位移成正比。電容式相對式由振動體與傳感器作為電容的兩極，兩極的間隙或相對有效面積產(chǎn)生變化而使電容變化。慣性式由慣性重塊和傳感器基座組成電容的兩極。輸出量與位移成正比電感式渦流式：由振動體中感應(yīng)的渦流變化使傳感器的電感量變化。輸出量與位移成正比；變磁阻：振動時(shí)，傳感器中電感線圈與鐵心間磁隙（磁阻）變化而使電感變化§6.3測振常用的傳感器簡介測振傳感器選擇應(yīng)注意下列幾個(gè)問題直接測量參數(shù)的選擇。應(yīng)力圖使最重要的參數(shù)以最直接、最合理的方式測得；如考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)，宜作加速度測量，考察振動環(huán)境時(shí)，宜作振動速度測量，要監(jiān)測機(jī)間的位置變化時(shí)，宜選用位移的測量。晶體片晶體片質(zhì)量塊預(yù)緊環(huán)出線口底座出線口預(yù)壓簧片三角柱§6.3測振常用的傳感器