1、工程振动测试技术工程振动测试技术刘习军刘习军 教授教授天津大学天津大学机械工程学院力学系机械工程学院力学系第第4章章振动测量系统振动测量系统l振动传感器输出的信号一般都很微弱，需经放振动传感器输出的信号一般都很微弱，需经放大后才能推动后续设备。因此就需用相应的放大大后才能推动后续设备。因此就需用相应的放大设备组成相应的振动测量系统。设备组成相应的振动测量系统。l 通常振动测量系统包括：微积分放大器、滤波通常振动测量系统包括：微积分放大器、滤波器、电压放大器和电荷放大器、电涡流传感器测器、电压放大器和电荷放大器、电涡流传感器测振仪、电阻动态应变仪、调频式放大器等。振仪、电阻动态应变仪、调频式放大
2、器等。l电子仪器种类很多，我们主要介绍几种常见的电子仪器种类很多，我们主要介绍几种常见的专用仪器的一般工作原理和基本性能，如电压表专用仪器的一般工作原理和基本性能，如电压表、信号发生器、示波器等在一般电工书籍中都有、信号发生器、示波器等在一般电工书籍中都有介绍。可参见其它书籍。介绍。可参见其它书籍。4.1 4.1 微积分放大器微积分放大器一个振动传感器只一个振动传感器只能测量某一个振动能测量某一个振动量，位移、速度和量，位移、速度和加速度三个参量要加速度三个参量要进行变换。因此，进行变换。因此，在振动测量系统中在振动测量系统中都装有微分和积分都装有微分和积分运算电路。运算电路。微积分电路是由电
3、阻、电微积分电路是由电阻、电容或电感元件组成，如图容或电感元件组成，如图示。若电路中输入的交流示。若电路中输入的交流电流为电流为i，则电路方程为，则电路方程为实际的微积分电路只有两种元件组成，而且实际的微积分电路只有两种元件组成，而且一般应用阻容式微积分网络。这种电路比较简一般应用阻容式微积分网络。这种电路比较简单，阻容元件规格较多，体积小，容易实现。单，阻容元件规格较多，体积小，容易实现。dtdiLRiidtCuuuuLRci 1 4.1.1 RC微分电路微分电路 最简单的一阶微分最简单的一阶微分电路由电容和电阻组电路由电容和电阻组成。电路方程为成。电路方程为所以，所以，RC电路中，输出电压
4、电路中，输出电压u1为电阻上的压降为电阻上的压降uR RiidtCuuuRCi1dtduRCRiuuiR 1当当ZCR时，满足时，满足uC uR，则有，则有 idtCuuCi1dtduCii 即即dtduRCRiuuiR 1输出电压输出电压u1与输入电压与输入电压ui的微分成正比关的微分成正比关系，所以称为系，所以称为RC微分电路。微分电路。RC通常称为时间常数，用通常称为时间常数，用 表示。表示。微分性质：时间常数越小，微分结果越准微分性质：时间常数越小，微分结果越准确，输出电压信号越小。一般微分电路应确，输出电压信号越小。一般微分电路应满足的条件是满足的条件是 =RC 0.1T，其，其T是
5、输入电是输入电压的时间周期。压的时间周期。4.1.2 微分电路的幅频曲线微分电路的幅频曲线微分电路的幅频特性曲线表达式为微分电路的幅频特性曲线表达式为2111)/()(ffuufACiui、u1为微分电路的为微分电路的输入、输出信号电压输入、输出信号电压；A(f)为放大系数；为放大系数；f为被测振动信号的频为被测振动信号的频率；微分电路的截止率；微分电路的截止频率为频率为RCfC 21变换为对数形式变换为对数形式L(f)=20logA(f)两个极端情况为两个极端情况为（1）当）当ffc（高频）时，（高频）时，A(f)1，L(f)=20log1=0 dB（一条与一条与f轴重合的直线）。轴重合的直
6、线）。即即L(f)=20 xa（一条斜线）（一条斜线）l两线交点处的频率为两线交点处的频率为f=fC，同样也是半功率，同样也是半功率点，输出电压值为输入电压值的点，输出电压值为输入电压值的70.7%，衰减，衰减3dB。在实际应用中，是用低端斜线来代替理。在实际应用中，是用低端斜线来代替理想微分曲线的，因此，只有当想微分曲线的，因此，只有当ffC时才有比时才有比较高的微分精度。较高的微分精度。4.1.3 RC积分电路积分电路积分电路主要由电阻积分电路主要由电阻R和电容和电容C组成，如图组成，如图所示。电路方程为所示。电路方程为idtCRiuuuCRi1当当ZCuC 时，有时，有ui uR，i u
7、i/R。输出电压为电容两端的电压，有输出电压为电容两端的电压，有dtuRCidtCuuiC111l输出电压输出电压u1与输入电压与输入电压ui的积分成正比关系，称为的积分成正比关系，称为RC积分电路。积分电路。dtdtuRCui221)(对于二次积分电路对于二次积分电路积分性质：时间常数积分性质：时间常数=RC越大，积分结果越准确越大，积分结果越准确，但输出信号越小。，但输出信号越小。4.1.4 积分电路的幅频特性积分电路的幅频特性ui、u1为积分电路的输入、输出信号电压；为积分电路的输入、输出信号电压；A(f)为放为放大系数；大系数；f为被测振动信号的变化频率；为被测振动信号的变化频率；fC
8、为积分电为积分电路的截止频率。路的截止频率。2111CiffuufA)(RCfC21RC积分电路的幅频特性的表达式为：积分电路的幅频特性的表达式为：变换为对数形式变换为对数形式211CffL(f)=20logA(f)=20log 积分电路的对数幅频特积分电路的对数幅频特性曲线。性曲线。存在两个极端状态：存在两个极端状态：（1）当）当ffC（高频）时，有（高频）时，有A(f)fC/fffffCCloglog)(2020L(f)=20log画出对数幅频特性曲线如图示画出对数幅频特性曲线如图示 211CffL(f)=20logA(f)=20log在高端，用斜线在高端，用斜线L(f)=a20 x来逼近
9、。两直线交点的来逼近。两直线交点的频率为频率为f=fC=1/2 RC，对应的放大系数为：，对应的放大系数为：A(f)=0.707。此时的输出电压值为输入电压值的此时的输出电压值为输入电压值的70.7%。积分电路的幅频特性积分电路的幅频特性曲线在这两条极限线内。曲线在这两条极限线内。在低端，可用直线在低端，可用直线L(f)=0来来逼近。逼近。令令 x=logfa=20logfC 则则L(f)=a20 x（一条斜线）（一条斜线）dB3212020 )log()(log)(fAfL若用输出功率若用输出功率P来表示，则有来表示，则有输入输入PRuRuRuii212122221 )(P输出输出=故该点称
10、为半功率点。此时的分贝数为故该点称为半功率点。此时的分贝数为 即衰减了即衰减了3dB，在实际测量中，是用高端的斜线，在实际测量中，是用高端的斜线来代替理想的积分曲线的，因此，只有当来代替理想的积分曲线的，因此，只有当ffC 时，时，才能有较精确的结果。才能有较精确的结果。二次积分的对数幅频特性与一次类似，同样存二次积分的对数幅频特性与一次类似，同样存在两个极限情况，但斜线的斜率大，故覆盖的频率在两个极限情况，但斜线的斜率大，故覆盖的频率区间更窄。区间更窄。l通过上述分析得知，无论是通过上述分析得知，无论是RC积分电路或积分电路或RC微分微分电路，其覆盖的频率范围是有限的。要想使一个测量电路，其
11、覆盖的频率范围是有限的。要想使一个测量放大器具有广阔的频率测量范围，必须设计由多个微放大器具有广阔的频率测量范围，必须设计由多个微、积分电路组成的微、积分网络。、积分电路组成的微、积分网络。4.1.5 比例运算器比例运算器及及有源微、积分电路有源微、积分电路无源微、积分电路的缺点：无源微、积分电路的缺点：l一是电路无放大作用，信号经过微、一是电路无放大作用，信号经过微、积分网络时将受到很大的衰减，降低了积分网络时将受到很大的衰减，降低了信号强度。信号强度。l二是频率范围较窄。二是频率范围较窄。l为了克服缺点，多采用比例运算器及为了克服缺点，多采用比例运算器及有源微、积分电路。有源微、积分电路。
12、1.比例运算器比例运算器运算放大器是一个具有运算放大器是一个具有高放大倍数并带有深度高放大倍数并带有深度电压负反馈的直流放大电压负反馈的直流放大器。它是运算放大器的器。它是运算放大器的一个典型应用。一个典型应用。比例运算器比例运算器工作原理：工作原理：l信号从输入端输入，经放大后输出，然后又把输信号从输入端输入，经放大后输出，然后又把输出电压通过反馈电路反馈回来，以并联的形式加到出电压通过反馈电路反馈回来，以并联的形式加到输入端。使输入到输出之间构成一个闭合环路，这输入端。使输入到输出之间构成一个闭合环路，这种工作状态称作闭环状态。种工作状态称作闭环状态。l由于由于K的值一般做得很大，而的值一
13、般做得很大，而u1 又是一个有限又是一个有限值，所以迫使值，所以迫使uA接近于零电位但又不等于零，故接近于零电位但又不等于零，故A点称为点称为“虚地虚地”。没有反馈作用没有反馈作用的工作状态为开环的工作状态为开环状态。开环放大倍状态。开环放大倍数一般用数一般用K 表示，其表示，其值为值为K=u1/uA，负，负号表示输出电压和号表示输出电压和输入电压反相。输入电压反相。l这种情况称之为比例运算，此电路称为比例运算器这种情况称之为比例运算，此电路称为比例运算器121RRuuKi l由于由于A点的电位接近点的电位接近于零，流入放大器的电于零，流入放大器的电流流i3 是很小的，有：是很小的，有：i1
14、i2。当放大倍数。当放大倍数K足足够大时，负反馈放大器够大时，负反馈放大器的输出电压的输出电压u1 与输入电与输入电压压ui之间的关系为之间的关系为比比例例运运算算器器 2.有源积分电路有源积分电路有有源源积积分分电电路路 有源积分电路有源积分电路中的运算放大器是中的运算放大器是用电容来构成反馈用电容来构成反馈回路。回路。dtiCdtiCuuA 12111由于由于A点为点为“虚地虚地”，i30，有，有i1 i2，则电容，则电容两端的电压为两端的电压为),/(,11RuidtiCui 11 因为：因为：uA 0，则，则代入得代入得有源积分电路有源积分电路即输出电压与输入电压的即输出电压与输入电压
15、的积分成正比。积分成正比。dtuRCdtRuCuii111 由于由于K很大，故截止频率很大，故截止频率fC可以做得很低，从而可以做得很低，从而扩大了积分的频率范围扩大了积分的频率范围 RCKfC21有源积分电路的截止频率为有源积分电路的截止频率为3.有源微分电路有源微分电路 有源微分电路中的运有源微分电路中的运算放大器的输入端用电容算放大器的输入端用电容连接，用电阻构成反馈电连接，用电阻构成反馈电路。同样，由于反馈作用路。同样，由于反馈作用，使，使uA变得很小，有：变得很小，有：i1 i2。因此，反馈电阻。因此，反馈电阻R上上的压降为的压降为有源微分电路有源微分电路uAu1=i2R i1R由于
16、由于uA0，则有，则有u1 i1R，而，而 i1=C(dui/dt)，所以所以dtduRCui 1即输出电压与输入电压的一阶微分成正比。同样，即输出电压与输入电压的一阶微分成正比。同样，有源微分电路的性能比无源微分电路好得多。有源微分电路的性能比无源微分电路好得多。4.2模拟滤波器模拟滤波器 滤波器的作用是选择需要的信号，滤掉不需要的滤波器的作用是选择需要的信号，滤掉不需要的信号。信号。滤波器最小衰减的频段称为通频带。滤波器最小衰减的频段称为通频带。滤波器最大衰减的频段称为阻频带。滤波器最大衰减的频段称为阻频带。位于通频带与阻频带界限上的频率称为截止频率位于通频带与阻频带界限上的频率称为截止频
17、率fC 滤波器根据通频带的不同可分为：滤波器根据通频带的不同可分为：1.低通滤波器低通滤波器 能传输能传输0fC 频带内的信号；频带内的信号；2.高通滤波器高通滤波器 能传输能传输fC 频带内的信号；频带内的信号；3.带通滤波器带通滤波器 能传输能传输f1f2 频带内的信号；频带内的信号；4.带阻滤波器带阻滤波器 不能传输由不能传输由f1f2 频带内的信号；频带内的信号；（a a）理想的低通滤波（）理想的低通滤波（b b）理想的没有损耗的频率特性曲线）理想的没有损耗的频率特性曲线 （c c）滤波器元件有损耗的特性曲线）滤波器元件有损耗的特性曲线 滤波器的工作特性主要决定于电路的衰减、相位移、滤
18、波器的工作特性主要决定于电路的衰减、相位移、阻抗及频率特性的优劣。阻抗及频率特性的优劣。根据元件的性质可分为：根据元件的性质可分为：LC滤波器滤波器由电感和电容组成；由电感和电容组成；RC滤波器滤波器由电阻和电容组成；由电阻和电容组成；按滤波器电路内有无放大器可分为：按滤波器电路内有无放大器可分为：有源滤波器。有源滤波器。无源滤波器。无源滤波器。4.2.1 无源无源RC高、低通滤波器高、低通滤波器 1.RC低通滤波器低通滤波器 RC低通滤波器主要是由一个电阻和一个电容构成。低通滤波器主要是由一个电阻和一个电容构成。RC低通滤波器的典型电路和衰减频率特性曲线。低通滤波器的典型电路和衰减频率特性曲
19、线。lfc 称为滤波器截止频率，输出信号称为滤波器截止频率，输出信号u1和输入信号和输入信号ui的比值为的比值为3分贝，则低通滤波器的通频带为分贝，则低通滤波器的通频带为0fC 。lRC低通滤波器和低通滤波器和RC积分电路相似，只是积分电路相似，只是RC低通低通滤波器的工作段是滤波器的工作段是RC积分电路的非积分区，而它积分电路的非积分区，而它的阻频带则是的阻频带则是RC积分电路的积分工作区。积分电路的积分工作区。lRC低通滤波器的衰减频率特性，可以用电容元低通滤波器的衰减频率特性，可以用电容元件的容抗值随频率变化的性质来说明。件的容抗值随频率变化的性质来说明。l当应用一个当应用一个RC低通滤
20、波器衰减不够时，也可用低通滤波器衰减不够时，也可用两个两个RC滤波器网络串接起来，以提高滤波效果。滤波器网络串接起来，以提高滤波效果。2.RC高通滤波器高通滤波器lRC高通滤波器是由一只电容和一只电阻构成。高通滤波器是由一只电容和一只电阻构成。lRC高通滤波器电路和它的衰减频率特性曲线。高通滤波器电路和它的衰减频率特性曲线。lRC高通滤波器与低通滤波器相比，只是把高通滤波器与低通滤波器相比，只是把R和和C对对换一个位置。在同样截止频率换一个位置。在同样截止频率fC时，时，u1/ui 比值为比值为-3分贝。分贝。lRC高通滤波器与微分电路相似，微分电路用的是高通滤波器与微分电路相似，微分电路用的
21、是阻频带区，而高通滤波器用的是非微分区间。阻频带区，而高通滤波器用的是非微分区间。lRC高通滤波器的衰减频率特性曲线也可用电容元高通滤波器的衰减频率特性曲线也可用电容元件的容抗随频率而变化的性质来说明。件的容抗随频率而变化的性质来说明。l作用：主要是排除一些低频干扰。作用：主要是排除一些低频干扰。如低频输出电压的晃动，如车辆和船舶的低频摇摆如低频输出电压的晃动，如车辆和船舶的低频摇摆等。为了满足位移传感器的工作条件，必须利用高等。为了满足位移传感器的工作条件，必须利用高通滤波器排除低频成分。通滤波器排除低频成分。4.2.2 有源高、低通滤波器有源高、低通滤波器有源有源RC滤波器是一种带有负反馈
22、电路的放大器。滤波器是一种带有负反馈电路的放大器。频率特性曲线如图示。频率特性曲线如图示。1 1放大器本身的频响曲线。放大器本身的频响曲线。2 2无源滤波器的频响曲线；无源滤波器的频响曲线；3 3合成后滤波器的实际频响曲线。合成后滤波器的实际频响曲线。l由此可见，有源高、低通滤波器频率特性比无由此可见，有源高、低通滤波器频率特性比无源高、低通滤波器频率特性有了明显提高。源高、低通滤波器频率特性有了明显提高。l为了在阻频带有更大的衰减频率特性，实际应为了在阻频带有更大的衰减频率特性，实际应用的有源滤波器往往采用的是多级有源滤波器。用的有源滤波器往往采用的是多级有源滤波器。4.2.3 带通滤波器和
23、带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器l低通滤波器截止频率低通滤波器截止频率fC2大于高通滤波器截止频大于高通滤波器截止频率率fC1时，它们串联起来就组成带通滤波器。时，它们串联起来就组成带通滤波器。l带通滤波器的带通滤波器的主要工作性能。主要工作性能。l高通滤波器截止高通滤波器截止频率频率fC1大于低通滤大于低通滤波器截止频率波器截止频率fC2时时，它们并联起来就，它们并联起来就组成带阻滤波器。组成带阻滤波器。1、带通滤波器的基本参数、带通滤波器的基本参数a.带通滤波器的高端截止频率带通滤波器的高端截止频率fC2称为上截止频称为上截止频率，低端截止频率率，低端截止频率fC1称为下截止频率。称为下截
24、止频率。对恒百分比带宽滤波对恒百分比带宽滤波器，取几何平均值，器，取几何平均值，即即b.中心频率中心频率f0的定义：的定义：对于恒带宽滤波器，对于恒带宽滤波器，取算术平均值，即取算术平均值，即)(12021CCfff120CCfffc.滤波器的带宽定义：滤波器的带宽定义：3dB带宽，记作带宽，记作B3，即，即B3=fC2fC1，也称为半功，也称为半功率带宽率带宽 百分比带宽或相对带宽，百分比带宽或相对带宽，记作记作b，即，即%10001203ffffBbCCSF值小，表明滤波器的带宽选择性好。对于理想带值小，表明滤波器的带宽选择性好。对于理想带通滤波器，有通滤波器，有SF=1；实际带通滤波器，
25、一般能实现；实际带通滤波器，一般能实现SF57等。等。360BBd.形状因子，记作形状因子，记作SF，即，即SF=2、恒带宽滤波器及恒百分比带宽滤波器、恒带宽滤波器及恒百分比带宽滤波器 带通滤波器若对某一频带进行分析，需用一组中带通滤波器若对某一频带进行分析，需用一组中心频率逐级变化各自带宽相互衔接的带通滤波器完成心频率逐级变化各自带宽相互衔接的带通滤波器完成l恒带宽滤波器，取绝对带宽等于常数，即恒带宽滤波器，取绝对带宽等于常数，即B3=fC2fC1=常数常数l恒恒百分比带宽滤波器，取相对带宽等于常数，即百分比带宽滤波器，取相对带宽等于常数，即l恒带宽滤波器不论中心频率恒带宽滤波器不论中心频率
26、f0取何值，均有相同的带取何值，均有相同的带宽。宽。l恒百分比带宽滤波器的带宽则随恒百分比带宽滤波器的带宽则随f0的升高而增加。的升高而增加。%10001203ffffBbCC常数常数4.3 压电加速度传感器测量系统压电加速度传感器测量系统l压电加速度传感器测量系统的作用：压电加速度传感器测量系统的作用：（1）将压电加速度传感器的高输出阻抗转换为前）将压电加速度传感器的高输出阻抗转换为前置放大器的低输出阻抗，以便同后续仪器相匹配。置放大器的低输出阻抗，以便同后续仪器相匹配。（2）放大从加速度传感器输出的微弱信号，使电）放大从加速度传感器输出的微弱信号，使电荷信号转换成电压信号。荷信号转换成电压
27、信号。（3）实现输出电压归一化，与不同灵敏度的加速）实现输出电压归一化，与不同灵敏度的加速度传感器相配合，在相同的加速度输入值时，实现度传感器相配合，在相同的加速度输入值时，实现相同的输出电压。相同的输出电压。l两种基本设计型式：一种是前置放大器的输出电两种基本设计型式：一种是前置放大器的输出电压正比于输入电压，称为电压放大器。此时，需要压正比于输入电压，称为电压放大器。此时，需要知道的是传感器的电压灵敏度知道的是传感器的电压灵敏度SV 。另一种是前置。另一种是前置放大器的输出电压正比于加速度传感器的输出电荷放大器的输出电压正比于加速度传感器的输出电荷，称为电荷放大器，此时需要知道的是传感器的
28、电，称为电荷放大器，此时需要知道的是传感器的电荷灵敏度荷灵敏度Sq 。l主要差别：电压放大器的输出电压大小同它的输主要差别：电压放大器的输出电压大小同它的输入连接电缆分布电容有密切关系，而电荷放大器的入连接电缆分布电容有密切关系，而电荷放大器的输出电压基本上不随输入连接电缆的分布电容而变输出电压基本上不随输入连接电缆的分布电容而变化。因此，电荷放大器测量系统适用于那些改变输化。因此，电荷放大器测量系统适用于那些改变输入连接电缆长度的场所，特别适用于远距离测量。入连接电缆长度的场所，特别适用于远距离测量。4.3.1 电压放大器电压放大器压电加速度传感器与所用的电压放大器、传输电压电加速度传感器与
29、所用的电压放大器、传输电缆组成的等效电路如图示。缆组成的等效电路如图示。传感器产生的总电荷为传感器产生的总电荷为qa=dxF。iaiaRRRRR等效电容为等效电容为C=Ca+CC+Ci，等效电阻为等效电阻为qa=qa1+qa2=dx Fqa1是电容是电容C充电的电荷量，即充电的电荷量，即u=。qa2是经电阻是经电阻R泄漏的电荷量，即泄漏的电荷量，即u=，并整理后可得，并整理后可得Cqa1Rdtdqa2tFRdutuRCxdddd设作用力为：设作用力为：F=Fm sin t，可得：，可得：结论：结论：（1）当测量静态参数时（）当测量静态参数时（=0），则），则um=0，即，即压电式加速度传感器没
30、有输出，所以它不能测量静压电式加速度传感器没有输出，所以它不能测量静态参数。态参数。（2）当测量频率足够大时（）当测量频率足够大时（1/R C），则），则um=dxFR，即电压放大器的输入电压是频率的函数，即电压放大器的输入电压是频率的函数，随着频率的下降而下降。随着频率的下降而下降。（4）由电压灵敏度）由电压灵敏度SV 与电荷灵敏度与电荷灵敏度Sq关系关系SV=Sq/Ca、Sq=qa/a、SV=ua/a、忽略忽略Ra和和Ri的影响。的影响。iCaqiCaaCCCaSCCCquaiCaaiCaaVuCCCCCCCaCS 电缆电容对电压放大线路测试的影响也是一个主电缆电容对电压放大线路测试的影响
31、也是一个主要因素。要因素。压电式压电式ICP加速度传感器加速度传感器 集成式压电集成式压电加速度传感器结构示意图加速度传感器结构示意图 4.3.2 电荷放大器电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。的前置放大器。由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如图所示。图所示。CF 为反馈电容，为反馈电容，K为放大倍数。为放大倍数。工作原理：忽略工作原理：忽略Ra和和Ri的影响。的影响。电荷放大器的输入电压是电容电荷放大器的输入电压是电容C两端的电位差。两端的电位差。)(1uuCqiFFFFi
32、Cquu1或或（a）CqquFai（b）由电压负反馈电路由电压负反馈电路u1=Kui (c）由由(a)、(b)、(c)式式可得：可得：FaiCKCqu)1(（d）FaCKCKqu)1(1所以：所以：因为因为K1，因此，一般情，因此，一般情况下，（况下，（1+K）CF C，则有，则有FaCqu 1结论：电荷放大器的输出电结论：电荷放大器的输出电压与加速度传感器发出的电压与加速度传感器发出的电荷成正比，与反馈电容荷成正比，与反馈电容CF 成成反比，而且受电缆电容的影反比，而且受电缆电容的影响很小。响很小。FaCqu 1 为使运算放大器工作稳定，一般在反馈电容上为使运算放大器工作稳定，一般在反馈电容
33、上跨接一个电阻。从而组成高通滤波器，选择不同的跨接一个电阻。从而组成高通滤波器，选择不同的RF值，可得不同低截止频率的高通滤波器。值，可得不同低截止频率的高通滤波器。电荷放大器的电路框图如图示。电荷放大器的电路框图如图示。几个主要功能：几个主要功能：（1）电路上设置一组负反馈电容）电路上设置一组负反馈电容CF，改变，改变CF 值，值，可以获得不同的放大倍数。可以获得不同的放大倍数。（2）电路上设置有低通及高通滤波器，可以抑制）电路上设置有低通及高通滤波器，可以抑制高频噪声信号及低频晃动信号。高通是由并联反馈高频噪声信号及低频晃动信号。高通是由并联反馈电阻电阻RF来实现；低通则由另一个低通电路来
34、实现。来实现；低通则由另一个低通电路来实现。（3）电路上最有特点的是适调放大环节，它的）电路上最有特点的是适调放大环节，它的作用是实现作用是实现“归一化归一化”功能。可按传感器的电荷灵功能。可按传感器的电荷灵敏度值调节放大倍数。即：不论压电式加速度传感敏度值调节放大倍数。即：不论压电式加速度传感器的电荷灵敏度为多少，各通道都能输出具有统一器的电荷灵敏度为多少，各通道都能输出具有统一的电压信号，这就是的电压信号，这就是“归一化归一化”。B&K公司的公司的2635型电荷放大器面板如图示。型电荷放大器面板如图示。B&K公司的公司的2635型电荷放大器面板详解型电荷放大器面板详解电电荷荷放放大大器器
35、例例1 用加速度传感器和丹麦用加速度传感器和丹麦B&K公司产公司产2635电电荷放大器组成测量系统来测量振动速度，最低振动荷放大器组成测量系统来测量振动速度，最低振动频率约为频率约为10Hz，最高频率为，最高频率为3000Hz，加速度传感器，加速度传感器的电荷灵敏度为：的电荷灵敏度为：Sq=2.1PC/ms-2。解：根据传感器的电荷灵敏度和测量频率，电解：根据传感器的电荷灵敏度和测量频率，电荷放大器有关开关的设置步骤如下：荷放大器有关开关的设置步骤如下：（1）适调开关区间（电荷灵敏度区间）置：）适调开关区间（电荷灵敏度区间）置：111PC/ms-2 （2）设置适调开关值（电荷灵敏度）：）设置适
36、调开关值（电荷灵敏度）：2.1PC/ms-2（3）下限频率开关置：）下限频率开关置：10Hz（高通滤波），对应的（高通滤波），对应的速度单位为速度单位为0.01m/s；（4）上限频率开关置：）上限频率开关置：3kHz（低通滤波）；（低通滤波）；（5）根据显示仪表的灵敏度选择输出电压灵敏度开）根据显示仪表的灵敏度选择输出电压灵敏度开关，假定为关，假定为100mv/ms-1；（6）若输出电压为）若输出电压为3.16V，则振动速度为，则振动速度为m/s 31600101000100163.v 例例2 同上例，测量频率为同上例，测量频率为21000Hz区间内的振区间内的振动加速度，加速度传感器的电荷灵
37、敏度为动加速度，加速度传感器的电荷灵敏度为Sq=3.5101PC/ms-2。解：开关设置步骤解：开关设置步骤（1）适调开关区间置：）适调开关区间置：0.11PC/ms-2；（2）置适调开关值为：）置适调开关值为：0.35PC/ms-2；（3）置下限频率为）置下限频率为2Hz，加速度输出单位为，加速度输出单位为1m/s2；（4）置上限频率为：）置上限频率为：1KHz；（5）输出电压灵敏度开关，假定为）输出电压灵敏度开关，假定为1000mv/ms-2；（6）若输出电压为）若输出电压为3.16V，则振动加速度为，则振动加速度为 m/s 3.1611632.a4.44.4电涡流式传感器的测量系统电涡流
38、式传感器的测量系统CdLf）（谐 121 电涡流传感器的工作原理，主要是将测量间隙电涡流传感器的工作原理，主要是将测量间隙d的变化转化为测量的变化转化为测量L(d)的变化。再根据输出电压的变化。再根据输出电压u1与与L(d)的关系曲线求出的关系曲线求出d的变化规律。的变化规律。电涡流传感器的等效电路中电涡流传感器的等效电路中并联一电容并联一电容C。这样就构成一个。这样就构成一个R、L、C谐振回路，谐振频率谐振回路，谐振频率f谐谐（即阻抗即阻抗Z达最大值的频率）为达最大值的频率）为 l在振荡电压在振荡电压ui与谐振回路之间引进一个分压电与谐振回路之间引进一个分压电阻阻RC，则输出电压，则输出电压
39、u1决定于谐振回路的阻抗值。决定于谐振回路的阻抗值。l输出电压输出电压u1随振荡频率的变化曲线而变化，如随振荡频率的变化曲线而变化，如图所示。图所示。l如果将振荡输入电压如果将振荡输入电压ui的频率值严格稳定在的频率值严格稳定在f0（比（比如如1MHZ）处。）处。l输出电压输出电压u1 与间隙与间隙d的变化关系曲线如图示。图中的变化关系曲线如图示。图中直线段部分是有用的测量部分。直线段部分是有用的测量部分。l在图上并联一可微调的电容在图上并联一可微调的电容C ，以调整谐振回路，以调整谐振回路的参数，调整按装传感器的最合适的谐振位置的参数，调整按装传感器的最合适的谐振位置dc。l非接触式电涡流传
40、感器具有零频率响应，可以测非接触式电涡流传感器具有零频率响应，可以测量静态间隙，并可以用静态方法校准。量静态间隙，并可以用静态方法校准。测量系统示意图测量系统示意图4.5 激振设备激振设备 振动激振设备的功能主要是产生干扰力使被测物振动激振设备的功能主要是产生干扰力使被测物体发生强迫振动。体发生强迫振动。1、机械惯性式激振器、机械惯性式激振器temFcos22优点：制造简单，能获得从较小到很大的激振力优点：制造简单，能获得从较小到很大的激振力 （0几千几千kN）。）。4.5.1 激振器激振器激振力的大小为：激振力的大小为：机械惯性式激振器机械惯性式激振器缺点缺点:频率范围窄，一般应小于频率范围
41、窄，一般应小于100Hz。激振力大小无。激振力大小无法单独控制，附加质量大，安装使用不方便。法单独控制，附加质量大，安装使用不方便。2 2、电磁式激振器、电磁式激振器 电磁式激振器是将电能转换成机械能从而产生激振电磁式激振器是将电能转换成机械能从而产生激振力的装置。力的装置。结构原理示意图如图示。结构原理示意图如图示。产生的电磁感应力产生的电磁感应力F为：为：F=BLIm sin t 式中式中 B磁感应强度磁感应强度L动圈绕线有效长度动圈绕线有效长度Im通过动圈的电流通过动圈的电流要注意满足相应的跟随条件。要注意满足相应的跟随条件。优点：产生激振力的频率范围（从零赫兹到优点：产生激振力的频率范
42、围（从零赫兹到一万赫兹）较宽。激振力大小可调，附加质量一万赫兹）较宽。激振力大小可调，附加质量和附加刚度较小。使用方便。和附加刚度较小。使用方便。缺点：不能产生太大的激振力。缺点：不能产生太大的激振力。电磁式激振器系统联接示意方框图电磁式激振器系统联接示意方框图电磁式激振器系统电磁式激振器系统4.5.2 振动台振动台1 1、机械式振动台、机械式振动台（a a）惯性离心式）惯性离心式 （b b）连杆偏心式）连杆偏心式 使用范围：连杆偏心式振动台为使用范围：连杆偏心式振动台为0.520Hz；惯性离心式振动台为惯性离心式振动台为1070Hz左右。左右。振幅在大于振幅在大于0.1毫米以上时效果较好。毫
43、米以上时效果较好。优点：结构简单，容易产生比较大的振幅和激振力；优点：结构简单，容易产生比较大的振幅和激振力；缺点：频率范围小，振幅调节比较困难。缺点：频率范围小，振幅调节比较困难。机械摩擦易影响波形，使波形失真度较大。机械摩擦易影响波形，使波形失真度较大。2、电磁式振动台、电磁式振动台电磁式振动台的工作原理与激振器相同电磁式振动台的工作原理与激振器相同电磁式振动台结构原理图电磁式振动台结构原理图 电磁式振动台控制系统框图电磁式振动台控制系统框图电磁感应力电磁感应力F的大小为：的大小为：F=BLIm sin t 优点：噪音比机械式振动台小，频率范围宽，振动稳优点：噪音比机械式振动台小，频率范围
44、宽，振动稳定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。缺点：有漏磁场的影响，有些振动台低频特性较差。缺点：有漏磁场的影响，有些振动台低频特性较差。3、液压式振动台、液压式振动台 液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动的一种机械台面的往复运动的一种机械.优点：可比较方便地提供大的激振力，能承受大的优点：可比较方便地提供大的激振力，能承受大的负载。适应大型结构的模拟试验。工作频率段下限负载。适应大型结构的模拟试验。工作频率段下限可低至可低至0.5Hz，上限可达几百，上限可达几百Hz。缺点：波
45、形失真度大。缺点：波形失真度大。主要性能范围。这是主要性能范围。这是指振动台使用的频率范指振动台使用的频率范围，能到达的最大振幅围，能到达的最大振幅或最大加速度值，振动或最大加速度值，振动台面的最大负荷等。图台面的最大负荷等。图示是机械式、电磁式和示是机械式、电磁式和液压式振动台的典型性液压式振动台的典型性能范围。能范围。振动台的主要性能指标振动台的主要性能指标各种振动台的典型性能范围各种振动台的典型性能范围振动台加速度波形的失真度。这是衡量振动振动台加速度波形的失真度。这是衡量振动台输出波形偏离简谐波的程度，一般不大于台输出波形偏离简谐波的程度，一般不大于1025，对校准传感器用的标准振动台
46、应小，对校准传感器用的标准振动台应小于于5。失真度的定义是（失真度的定义是（E1加速度基波幅值）加速度基波幅值）%100122322 EEEEn 台面的横向运动。这是衡量振动台在垂直于名义台面的横向运动。这是衡量振动台在垂直于名义振动方向的振动的大小，它以横向加速度幅值与名振动方向的振动的大小，它以横向加速度幅值与名义方向加速度幅值的比来表示。普通振动台此值不义方向加速度幅值的比来表示。普通振动台此值不应大于应大于1525，标准振动台应小于，标准振动台应小于10。台面各点振动的不均匀度。它是指台面上各点台面各点振动的不均匀度。它是指台面上各点振动的不均匀程度，用台面上加速度最大值（或振动的不均
47、匀程度，用台面上加速度最大值（或最小值）与台面中央点加速度幅值之差与后者的最小值）与台面中央点加速度幅值之差与后者的比来表示。对一般用振动台此值应小于比来表示。对一般用振动台此值应小于15%25，标准振动台不大于，标准振动台不大于5%15。所以为满足不同的实验要求，根据振动台的所以为满足不同的实验要求，根据振动台的技术参数，可选择使用不同类型的振动台。技术参数，可选择使用不同类型的振动台。4.5.3 力锤力锤 力锤又称手锤，是目前试验模态分析中经常采力锤又称手锤，是目前试验模态分析中经常采用的一种激励设备。用的一种激励设备。力锤示意图力锤示意图 力锤的另一种结构示意图力锤的另一种结构示意图力锤
48、实际上是一种手握式冲击激励装置。使用不力锤实际上是一种手握式冲击激励装置。使用不同的锤帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲，相应的同的锤帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲，相应的力谱也不同。常用的锤帽材料有橡胶、尼龙、铝、力谱也不同。常用的锤帽材料有橡胶、尼龙、铝、钢等。一般橡胶锤帽的带宽窄，钢最宽。因此，根钢等。一般橡胶锤帽的带宽窄，钢最宽。因此，根据不同的结构和分析频带选用不同的锤帽材料。据不同的结构和分析频带选用不同的锤帽材料。常用力锤的锤体重约几十克到几十千克，冲击力可常用力锤的锤体重约几十克到几十千克，冲击力可达数万牛顿。达数万牛顿。优点：结构简单，便于制作，使用方便。优点：结构简单，便于制作
49、，使用方便。4.6 振动测试仪器的校准振动测试仪器的校准 为保证振动测量的可靠性和精度，必须对振动为保证振动测量的可靠性和精度，必须对振动传感器和测量仪器进行校准。传感器和测量仪器进行校准。振动校准的主要内容振动校准的主要内容 1、灵敏度；、灵敏度；2、频率特性；、频率特性；3、幅值线性范围；、幅值线性范围；4、横向灵敏度、环境灵敏度等。、横向灵敏度、环境灵敏度等。校准的时间要求：校准的时间要求：1、每年一次定期校准；、每年一次定期校准；2、出厂前或维修必须进行的校准。、出厂前或维修必须进行的校准。目的：求出输入振动量与记录量之间的精确比例关系目的：求出输入振动量与记录量之间的精确比例关系分部
50、校准方框图分部校准方框图 第一级是传感器的校准；第二级是放大器校准；第第一级是传感器的校准；第二级是放大器校准；第三级是记录器校准；三级是记录器校准；优点：比较灵活。优点：比较灵活。缺点：校准精度要求高。缺点：校准精度要求高。4.6.1 分部校准与系统校准分部校准与系统校准1 1、分部校准：对传感器、放大器和记录器分段、分部校准：对传感器、放大器和记录器分段进行校准，这种方法称为分部校准法。进行校准，这种方法称为分部校准法。2 2、测振仪器的系统校准、测振仪器的系统校准 对传感器、放大器和记录器全系统进行配套校准，对传感器、放大器和记录器全系统进行配套校准，得到输入振动量与记录量之间的关系，这
