超低頻測(cè)振儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

超低頻測(cè)振儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

超低頻測(cè)振儀隨著大型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，通用的測(cè)量精度無法滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。應(yīng)開發(fā)出多功能的超低頻振動(dòng)測(cè)量儀器，以便不僅滿足一般工程的振動(dòng)測(cè)量，而且滿足較大結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量。本文介紹了采用無源伺服技術(shù)研制成功的941B型超低頻測(cè)振儀的原理及性能。941B型測(cè)振儀包括941B型拾振器和941型放大器。拾振器設(shè)計(jì)成往復(fù)式輕擺結(jié)構(gòu),克服了回轉(zhuǎn)擺低頻拾振器體積大、使用中需要調(diào)零、運(yùn)輸中簧片易損和頻帶窄的缺點(diǎn)。拾振器采用了無源伺服技術(shù),拓寬了拾振器的低頻使用范圍和測(cè)量量程,拾振器上設(shè)置了一個(gè)微型開關(guān),可以改變拾振器的測(cè)量量程、通頻帶、靈敏度以及測(cè)量參量(加速度或速度)。941型放大器具有放大、積分、濾波和阻抗變換的功能。拾振器上的微型波動(dòng)開關(guān)、放大器上參數(shù)選擇開關(guān)及放大倍數(shù)開關(guān)檔位的不同組合,可提供不同頻帶、不同量程的加速度、速度或位移的參量,從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能的特點(diǎn)。194拾振器頻率使用的頻率范圍941B型拾振器屬于往復(fù)擺式絕對(duì)測(cè)振儀,其基本原理可用圖1的數(shù)學(xué)模型來描述,輸出電路如圖2所示。圖1中m為運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量,k為支承導(dǎo)向彈簧剛度,b為包括空氣阻尼在內(nèi)的阻尼力系數(shù),X為地基的運(yùn)動(dòng)位移,x為質(zhì)量相對(duì)于外殼的運(yùn)動(dòng)位移。圖2中G為動(dòng)圈的機(jī)電耦合系數(shù),i為線圈中的電流,運(yùn)動(dòng)微分方程為:m¨x+b˙x+kx+Gi=-m■AX¨U1■(1)當(dāng)拾振器構(gòu)成無源伺服系統(tǒng)時(shí),其輸出電壓與地面運(yùn)動(dòng)速度成正比,其電路方程為Rsi+e=G˙xC˙e+1Re=i}(2)式(2)中的Rs為動(dòng)圈內(nèi)阻,C為并聯(lián)電容,R為并聯(lián)電阻,e為輸出電壓。設(shè)空氣阻尼可以忽略,整理方程(1)和(2),可得用算子法聯(lián)立求解方程(3),可得x=-mk(RRSCR+RSs+1)s2Xs3(mk?RRSCR+RS)+s2(mk+RCG2(R+RS)k)+s(RRSCR+RS+G2(R+RS)k)+1(4)e=-mGR(R+RS)ks3Xs3(mk?RRSCR+RS)+s2(mk+RCG2(R+RS)k)+s(RRSCR+RS+G2(R+RS)k)+1(5)設(shè)n20=kmA1=RRsCR+RsB3=1n20?RRsCR+RsB2=1n20[1+G2RCm(R+Rs)]B1=RRsCR+Rs+G2n20(R+Rs)mA=RGn20(R+RS)}(6)由式(4)和(5)得x=-1n20(A1s+1)s2XB3s3+B2s2+B1s+1(7)e=-As3XB3s3+B2s2+B1s+1(8)由式(7)和(8)得x=-n2n20?(sn2+1)X(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(9)e=-S˙xsX(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(10)式中s=jωj=√-1S˙x=RR+Rs?n2n20?Gn20=kmn2=R+RsRRsC1n1n2=1n2n?R+RsR+Rs2D1n1n+1n2=1n20[1+G2RCm(R+Rs)]1n1+2D1n=RRsCR+Rs+G2n2n(R+Rs)m}(11)式(11)中S為速度靈敏度,n0為原機(jī)械系統(tǒng)固有頻率,n1為上限截止頻率,n為二階系統(tǒng)的低頻固有頻率,D1為二階系統(tǒng)的阻尼常數(shù)。當(dāng)R→∞,G2Cm>>1時(shí)D1?n0RS√mC2G(12)由式(11)得n1=n20n2?(R+RS)RRSC(13)n1決定了拾振器的頻率上限使用范圍。在線圈位移x限定的情況下,最大可測(cè)位移值可由式(14)求得:X=-n20n2?(sn1+1)(n2s2+2D1ns+1)(sn2+1)?x(14)由式(14)可見,最大可測(cè)位移隨頻率變化,在頻率n以上,受到n1和n2兩項(xiàng)的影響,頻率越高,被測(cè)幅值越小,逐漸接近于X≈x。由式(11)可見,在n1很高時(shí),n2和n20之比為:n2n20≈11+G2RCm(R+Rs)(15)n值遠(yuǎn)比n0為小,故可使測(cè)量范圍延伸到低于自振頻率范圍。當(dāng)R→∞,G2RCm(R+RS)>>1時(shí),拾振器的靈敏度為S?X?mGC(16)二階系統(tǒng)的固有頻率為n?n0G√mC(17)從式(16)、(17)可以看出,電容C越大,拾振器的低頻特性越好,而靈敏度越低。當(dāng)構(gòu)成速度擺加速度計(jì)時(shí),拾振器輸出電路如圖3所示,電路方程為Rsi+e=G˙x1Re=i}(18)解方程(1)和(18),可得x=-s2Xs2+2D1n0s+n20(19)e=-GRRS+R?s3Xs2+2D1n0s+n20(20)當(dāng)n0=ω;D1>>1時(shí),拾振器構(gòu)成加速度計(jì),加速度計(jì)的靈敏度為低頻下限可按式(22)計(jì)算fX=f02D1,(f0=n02π)(22)由式(22)可以看出,D1越大,低頻下限越好。294超低頻無源開采瑤社的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)941B型超低頻無源伺服拾振器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。拾振器的幅頻特性曲線和可測(cè)位移曲線見圖4和圖5。394測(cè)振放大器的選擇放大器的原理如圖6所示。941B型測(cè)振放大器由阻抗變換、放大、積分、濾波等組成,阻抗變換用于滿足拾振器的輸出阻抗要求,放大部分用于滿足不同振動(dòng)信號(hào)的要求,根據(jù)要求可選擇不同的放大倍數(shù);積分器可將速度信號(hào)進(jìn)行一次積分獲得位移信號(hào),濾波器設(shè)計(jì)成3頻段高陡度低通濾波器,以濾除不必要的高頻信號(hào)。放大器具有參數(shù)選擇開關(guān),放大倍數(shù)開關(guān),通頻帶選擇開關(guān)。放大器選用了低噪聲、高精度運(yùn)算放大器,可獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍。放大器可使用直流電或交流電,以滿足野外振動(dòng)測(cè)量。941B型測(cè)振放大器的技術(shù)指標(biāo)放大倍數(shù)K:參數(shù)選擇開關(guān)置于1時(shí),K=10～5000;參數(shù)選擇開關(guān)置于2時(shí),K=1～500。參數(shù)選擇開關(guān)置于3時(shí),K=5～2500,KI1=20;參數(shù)選擇開關(guān)置于4時(shí),K=1～500,KI2=4。其中KI1及KI2為積分增益。4結(jié)語從表1和放大器的技術(shù)指標(biāo)可以看出,合理地選擇拾