（材料加工工程专业论文）基于动应力判据的振动时效效果评估分析系统.pdf

基于动应力判据的振动时效( v s r ) 效果评估分析系统 摘要 近年来，我国在振动时效的研究和应用方面取得了长足的进展， 其技术、经济效果曰益明显，应用领域也不断扩大。但由于振动时效 效果评估困难，尚缺乏方便、快捷、定量的评估方法，这在一定程度 上制约了时效技术的进一步推广应用。本课题基于多年的实践经验和 研究成果，立足于工件振动动应力和时效工艺效果之间关系的探索， 从动态观点将时效效果的评估与振动工艺过程结合起来，这不仅回避 了传统振动时效效果评估手段中工件残余应| j 现场测量困难的问题 而且易于实现整个时效过程的自动控制。本文主要介绍了评估分析系 统的理沦基础、硬件结构和基于l a b v i e w 编程环境下的系统软件设 计。同时，本文通过现场测评试验并与传统的评估手段进行比较以完 成目标系统的可靠性鉴定。 评估系统是基于振动时效效果和工件振动动应力之间存在的某 种近似的函数关系( 动应j 判据) 为基础，通过对振动过程中】：件的 动应力和加速度的测量分析来达n t l - - i 效，一i 二艺效果的实时评估的目的。 虽然，目前就振动时效效果和振动动应力之间的函数关系仍然缺乏严 格的翌p 沦证明，但近十年的推广应用经验说明当评估精度要求不太高 ( 9 0 ) 的场合f ，动j 够力判据完全可以作为振动时效工艺效果的 评定标准。本文系统以二l ：控机和p c l 8 18 数据采集卡为核心，除了 实现埘低弱佶弓，进行榆洲的传感电路( 动应力传感器和加速度传感 器) 和高增益( g 1 0 0 0 ) 糕密放大电路的设计外，鉴于测评现场多 为大功率七jl p , i f - 乜网l u 膻起伏较大，系统完成了精密稳定的电源电路 ( 4 - 5 v ，4 - 2 5 v ) 砹计：豁丁r ：作空间电磁干扰大、噪音高，系统除 了实现4 阶b u t t e r w o r t h 模拟滤波功能外，还通过软件进行lo 阶数字 滤波设计，以提高系统的信噪比，分离有用信号。同时，本文也利用 p r o t e l 等e d a 工具进行系统硬件的仿真分析。系统利用p c l 一8 1 8 卡 实现模拟信号的a d 转换和硬件与工控机的数据通讯。p c l 81 8 卡最 大d m a 采样速率可达4 0 k h z ，1 2 b i t s 的分辨率完全符合实际工业应 用要求。系统软件基于l a b v i e w 开发环境设计，其分层模块化的编 程特点可方便地实现采样通道选择和参数设置、数据的实时处理和良 好的用户界面显示。同时，为了工艺结束后的数据分析提供依据，软 件也实现了数据的存储功能。 本文系统开发过程是结合实际工业应用进行的。虽然，动应力判 据可能因为材料原始应力水平、加工工艺等的不同而有所差异，但考 虑到工业的大量生产，完全可以通过抽样进行判据的修正，因而对实 际生产应有很强的推广应刖价值。鉴于该系统目前并未实现与振动部 分的结合，因而尚不能实现整个振动工艺过程的自动控制。但从动态 的观点进行振动t 艺的评估分析为实现这一i i 标提供了依据，而动应 力判据也将为下一步工作奠定基础。 关键词：振动i i 、j 效，效果评f + ，动应力判据，评估系统，测量和测试 e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n & a n a “s i s s y s t e mo fv i b r a t o r ys t r e s sr e l i e fb a s e d o nt h ed y n a mi cs t r e s sc r i t e r i o n a b s t r a c t o v e rt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，g r e a td e v e l o p m e n th a sb e e nm a d ei nt h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ev i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f ( v s r ) i nc h i n a ， w h i c hh a sd e m o n s t r a t e de n o r m o u st e c h n o l o g i c a la n de c o n o mi cv a l u e s a n dw a sb e i n ga p p l i e di n t ot h em o r ea n dm o r ef i e l d s b u ti ti sd i f f i c u l tt o e v a l u a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ev s r p r o c e s s ，a n dn o w t h e r ei ss t i l ln oa c o n v e n i e n t ，t i m e s a v i n g ，q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，w h i c hf u r t h e r c o n s t r a i n st h ea p p l i c a t i o no ft h ev s rt e c h n o l o g y t h ep r o j e c tb a s e do n t h en e a r l yt e ny e a r s p r a c t i c a le x p e r ie n c ea n da c h i e v e m e n t sin t e g r a t e dt h e e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o ni n t ot h ev s r p r o c e s s f r o ma d y n a m i c p r o s p e c t i v et h r o u g ht h es t u d yo ft h er e l a t i o no ft h ee f f e c t i v e n e s so ft h e v s rp r o c e s sa n dd y n a m i cs t r e s s ，w h i c hn o to n l yb y p a s s e dt h ed i f f i c u l t y o fr e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n tr e q u i r e db yt r a d i t i o n a le v a l u a t i o nm e t h o d s b u ta l s oc o n t r i b u t e dt or e a l i z a t i o no ft h ea u t o m a t i o no ft h ev s r p r o c e s s t h i st r e a t i s ei n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a if o u n d a t i o n s d e t a i l e dh a r d w a r e s t r u c t u r ea n d s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n e d w i t hl a b v i e w f i e l d e x p e r i m e n t sw e r ea l s om a d et oa p p r a i s et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi n c o m p a r i s o nw i t ho t h e re v a l u a t i o nm e t h o d s t h es y s t e me v a l u a t e st h ev s re f f e c t i v e n e s s b ym e a s u r i n ga n d a n a l y z i n gt h ed y n a m i cs t r e s sa n da c c e l e r a t i o no ft h ec o m p o n e n tw h i l e v i b r a t i n go nt h e b a s i so ft h ea p p r o x i m a t ef u n c t i o n a lr e l a t i o no ft h e e f f e c t i v e n e s so ft h ev s r p r o c e s sa n dt h ed y n a m i cs t r e s so fc o m p o n e n t s a l t h o u g h ，t h ef u n c t i o nd o e sn o tc o m ef r o mt h es t r i c tt h e o r e t i c a lp r o o f , n u m e r o u sa p p li c a t i o n si n d i c a t et h a tt h ed y n a m i cs t r e s sc r i t e r i o n ( d s c ) c a na c ta st h ee f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o nc r i t e r i o no ft h ev s r p r o c e s sw h e n t h ee v a l u a t i o np r e c i s i o ni sn oh i g h e rt h a n9 0 。t h es y s t e mh a st h ec o r e o fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp c l 一818d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ( d a q ) ，h a s t h ed e s i g no ft h e h i g hp r e c i s e p o w e rr e g u l a t i o nc i r c u i t ( _ 5 v o l t s ， 2 5 v o l t s ) c o n s i d e r i n gt h eh i g hu n d u l a t i o n i n v o l t a g e i nt h ea c t u a l w o r k i n ge n v i r o n m e n t sr e s u l t i n gf r o mt h eb i gp o w e rc o n s u m p t i o nu n i t s a n dt h ed e s i g no f10 一p o l ed i g i t a lf il t e rt o g e t h e rw i t h4 - p o l eb u t t e r w o r t h a n a l o g u ef i l t e r i no r d e rt oi n c r e a s et h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oc o n s i d e r i n g i n t e n s i v ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r v e n t i o na n dh i g hn o i s ei nt h ew o r k i n g s p a c e ，a sw e l la sd y n a m i cs t r e s ss e n s o r sa n da c c e l e r a t i o ns e n s o r st o m e a s u r et h eu l t r a w e a ks i g n a l sa n dh i g hp r e c i s ea m p l i f i e rc i r c u i tw i t ha - i v g a i no fu pt o 10 0 0 f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o no fr e g u l a t i n gc i r c u i ti s m a d ew i t ht h ee d as o f t w a r eo fp r o t e l 9 9 a n a l o g u es i g n a l sw i l lb e c o n v e r t e da n dt r a n s f e r r e dt ot h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rb yp c l 一818d a q ， w h i c hh a sa12 一b i t a d ，u pt o4 0 k h zs a m p l i n gr a t ew i t hd m a t r a n s f e r a n da b s o l u t e l ym e e t st h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s y s t e ms o f t w a r e i s d e s i g n e dw i t hl a b v i e w , ap o w e r f u l s o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o lc o n v e n i e n tt or e a li z et h ef u n c t i o n so fs a m p l i n gc h a n n e l s e t t i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n du s e rc o m m u n i c a t i o n a sw e l la sd a t as a v i n g t h es y s t e mi s d e v e l o p e dt h r o u g hp r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n a l t h o u g ht h ed y n a m i cs t r e s sc r i t e r i o nm a yb em o d i f i e da c c o r d i n gt h e o r i g i n a lr e s i d u a ls t r e s sl e v e l ，p r o c e s s i n gm e t h o d sa n do t h e rf a c t o r s ，i t s h o u l dd i r e c tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ev s r t e c h n o l o g yi fo n l yt h e d s cm o d i f i c a t i o nc a nb ec a r r i e do u tb ys a m p l i n gw i t hm a s s i v es i m i l a r p r o d u c t s h o w e v e r , b e c a u s et h es y s t e mh a sn o ti n t e g r a t e dt h ee v a l u a t i o n s e c t i o ni n t ot h ev i b r a t i o ns e c t i o n ，i tc a nn o ts t i l lr e a l i z et h ea u t o m a t i o no f t h ev s rp r o c e s s u n d e n i a b l y ，t h es y s t e mw i l ll a ys o l i df o u n d a t i o n sf o r t h ef u r t h e rw o r kt o w a r d st h ea u t o m a t i o no ft h ew h o l ev s r p r o c e s s k e yw o r d s ：v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e ee f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n ，d y n a m i c s t r e s sc r i t e r i o n ，e v a l u a t i o ns y s t e m ，t e s t i n ga n dm e a s u r e m e n t v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刁螈 日期易秒哆i f - 2 月乙日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ft 一， 保密“在土年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：刁廷隧 日期：伽噼五月力孑闩 指导教师签名： 嗍哆年7 月影日 l 海交通人学 i ! i ! i 。学位论义 第一章前言 1 1问题的提出 第一章前言 1 1 1 振动时效的特点 振动时效( v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f ，简称：v s r ) 又称振动消除应力法，其实 质是以振动的形式对工件( 铸件、锻件、焊件等) 施以附加交变应力作用一段时 间，当附加应力与残余应力叠加的总应力达到或者超过某一数值后，在应力集中 的地方就会因应力超过金属材料的屈服强度而发生微观和宏观的塑性变形，从而 降低该处的残余应力峰值，达到应力均化的目的；同时，振动引起的位错增殖和 移动，也将使材料的屈服点上升，金属的抗形变能力提高，从而稳定工件尺寸和 提高精度。 振动时效作为一种新型的材料处理技术，自上世纪5 0 年代前后在欧美等一 些发达国家刚一出现便迅速推广到实际生产应用中，美国、英国、西德与前苏联 等的一些企业就在材料加工和产品后处理中采用振动时效取代热时效，而工业成 本仅为热时效的1 0 左右，取得了良好的经济效益。我国则在7 0 年代末才首次 引入振动时效，近年来无论是在研究工作还是应用方面都取得了长足的进展。实 际使用标明经过振动时效的工件尺寸精度稳定性好，而费用仅为热时效的1 0 左 右，能源消耗不到热时效的5 。随着其技术经济效益日益明显，逐渐得到了各 方面的普遍重视，其应用领域也在不断扩大。这是因为与传统时效工艺( 热时效、 自然时效) 相比，振动时效具有明显的优点：( 1 ) 投资少，不像热时效需要庞大 的时效炉，可节省占地面积和昂贵的设备投资。( 2 ) 生产周期短，一般几十分钟 即可完成。而且，不受场地限制，不需要工件的往返运输。( 3 ) 使用方便，振动 设备体积小、重量轻、便于携带，适应性较强。( 4 ) 节约能源、降低成本。在工 件的共振频率下进行时效处理，耗能极少，一般能源消耗仅为热时效的3 5 ， 成本仅为热时效的8 1 0 。( 5 ) 工艺优点。操作简单，易于实现机械自动化，同 时可避免热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷，是目前 唯一能进行二次时效的方法。 综合以上特点，由于振动时效良好的技术经济效果，近年来在国内外都得到 迅速发展，广泛应用于机械制造、航空、化l ：器械、动力机械等行业中，特别在 超大型、超重型工件、异种金属焊件以及有抗氰化要求的工件的消应力过程中， 被广泛用来替代以尺寸稳定性为目标的热时效。 上海交通大学硕上学位论文第一章前言 1 1 2 应用中的问题 近1 0 年来，随着振动王里论、测试技术的迅速发展和实际推广应用中经验的 不断积累，振动时效技术不断地得到完善。一方面，在理论上从微观的位错理论 到宏观上的形变机制都对振动时效的内在机理给出了自己的解释。这些理论使得 人们对于振动时效内在机理的认识不断深化，从而能够在实际应用中有目的地控 制某些关键因素，如振动频率、激振力、支撑点位置和振动时间等来提高时效效 果：另一方面，随着在实际应用经验的积累也出现了相关的行业标准：国家机械 电子行业部标准j b t5 9 2 6 - - 9 1 和国家航空航天工业部标准h b z2 2 9 - 9 3 。他 们对振动时效工艺参数的选择、技术要求以及时效效果的评定方法都提出了明确 要求。这在一定程度上成为振动时效的标准化应用的指导原则，也为时效技术的 推广起到了积极的推动作用。 但是，作为- 4 , t 新型的技术，技术理论还不完善，而其相关的行业标准虽经 多次修改补充，但就某些方面仍然缺乏科学实用的规定，且一些参数的设置也仅 是定性的说明。因此振动时效技术在实际应用过程中暴露出一定的不足，其中主 要是缺乏科学的定量判断标准，即消应力效果判据。就当前国内的应用状况来讲 主要以标准j b t 5 9 2 6 9 1 中有关时效工艺效果评定的说明为准，主要有参数曲 线观测法、残余应力检测法( 盲孔法、x 射线衍射法和激光散斑法) 和精度稳定 性检测法。 1 ) 参数曲线观测 利用工件在振动过程中动态参数( 振幅、共振频率和共振峰宽度等) 的改变 可以用来判定振动工艺效果。工件在振动过程中，振动应力与残余应力发生叠加 将导致个别取向的位错塞积开通，位错沿晶滑移。但由于晶粒方向不一，滑移带 互成角度，从而导致新的小品粒的形成和亚晶界产生，其结果表现为晶粒细化和 位错增殖。位错密度的增加必然导致位 错再滑移阻力的增大，位错移动将减少， 从而减小工件阻尼。工件阻尼系数的减 少，又将使共振频率降低、峰值减小， 从而使共振峰左移，带宽减少瞳1 。图卜1 为典型的工件振动工艺曲线变化示意 图。 参数曲线观测法是一种直观、定性、 快速的评定方法。从工件参数曲线的改 变可以获得由于工件阻尼的降低而造成 自身松弛刚性和抗变形能力的提高的信 e 之 一5 c m ) ，故测得的数据也不能反映实 际状况。总体测试效果表明：经v s r 工艺后机架的残余应力明显下降，应力分布 得到一定程度上的均化，机架稳定性和抗变形能力得到提高。 表2 2 刺绣机机架v s r 工艺残余应力测量教据表 t a b l e2 - 2 r e s i d u a ls t r e s so f t h ev s rp r o c e s so f t h ef r a m e w o r ko f t h ee m b r o i d e r ym a c h i n e p o i n tp o i n tp o i n tp o i n tp o i n t a v e r a g e e 仃e c t i v e n e s s v a r i a b l e s t a t u s i 一 4 5v a l u e( )j b e f o r e 1 0 81 2 21 3 i1 1 41 0 91 1 7 盯 v i b r a t i o n 3 l a t i e r ( n m m 2 ) 1 2 34 6 9 7 8 05 48 0 v i b r a t i o n b e f o t e 1 1 41 2 01 2 41 1 76 91 0 9 d 。 v i b r a t i o n 1 5 a f t e r ( n - m m 2 ) 1 3 2 9 3l ll 6 0 6 59 2 v i b r a t i o n 3 ) 动应力判据法 作为振动时效的最重要的参数，试验证明当动应力大于1 0 m p a 时就可以获 得消应力效果。而从测量的数据看刺绣机机架的动应力幅值为3 3 - - 4 7 m p a ( 见表 2 3 ) ，这说明了v s r 工艺可靠。利用动应力判掘计算两次振后机架的残余应力 i ：海交通人学坝l ，学位论文 第一：章动心力判据 下降量分别为6 7 m p a 及3 8 m p a ，总效粜为1 0 5 m p a 。按q 2 3 5 钢焊接残余应力峰 值为2 3 5 m p a 考虑，两次振动i j 效总体效果为4 5 ，比残余应力测量法的结果偏 大。这可能i tj 】：1 )臼t l f k i ! j 1 0 j i f i 化焰! 缝j 二，而机架钢板较簿，焊缝区应力梯 度很大，因而没订 i j 扶剑焰! 接钱余心j 的峰值，2 ) 为保证测量精度，而进行的 测点初始处理( r j 。磨、抛光等) 已造成一一定的仞始应力释放，3 ) 在焊接中进行 位置变换及后来n 勺搬运过程中，薄板机架更容易释放初始残余应力。因此，测得 的初始残余应力要低于一股的1 5 0 m p - - - 1 8 0 m p ，这将造成评定结果偏低。因此， 结果可以说明两种方法的测量结果人敛相仿，且应用动应力判据方法可以观察到 盲孔法无法测量到的普遍效果，因f f 。实际生产中可以用动应力判据取代盲孔法进 行振动时效的效采评定。同时，动应力判据法回避了工件残余应力测量难这一问 题，可以进行现场的快速、定量评定，且易于实现整个工艺的自动控制。 表2 - 3 刺绣机机架v s rr 艺动j 影j 测军：数据表 t a b l e2 - 3 d y n a m i cs t r e s so f t h ev s rp r o c e s so f t h ef r a m e w o r ko f t h ee m b r o i d e r ym a c h i n e d y n a m i cs i i e s s d r o po fm a xm a i ns t r e s s e 侬c t i v e n e s s ( )t o t a l t e s t i n g o ( n m m 二) od ( n i l l n l 。) e f f e c t i v e n e s s p o i n tt w i s t i n e c u r v i n g 1w i s t i n g c u r v i n g t w i s t i n g c u r v i n g ( ) v jb r a t i o nv h 1 a t i o nv ib r u t k mv i b r a t i o nv i b r a t i o nv i b r a t i o n 1 6 2 73 7 78l3 93 42 65 l 23 i 72 7 75 43 92 32l3 9 a v e r a g e 4 73 36 73 82 92 34 5 v a l u e 2 2 5 结论 综合以上讨论，可以发现虽然振动时效效果评定目前尚缺乏统一全面的评定 标准，但动应力判抛作为一种应用力。使、结果可靠的评定手段，可以实现现场的 快速、定量评定，并目易于实现整个振动时效工艺过程的自动控制，因而具有良 好的发展前景和推广价值。但由于奉次动应力的测量是采用通用静动动态电阻应 变仪、双踪存储示波器( 具有瞒一2 3 2 ) 和笔记本电脑的组合系统来完成动应力 信息的采集。出于该系统缺乏有效的滤波功能，因而抗干扰能力弱，所获得动应 力数据精度和可靠。一i 较低。这就使得如何准确地获得有效动应力信号成为评估系 统设计的第一步，i 疗j 设计出稳定性高、抗干扰能力强的硬件电路成为该步的关键。 海交通人学坝j 学位论文 筘三章动j 逆j 测量模型 第三章动应力测量模型 3 。1 动态应变测量 3 1 1 动态应变的电测法 随着测量技术的1 i 断发展，用于应力应变测量的方法很多，主要有应变电测 法、光弹性测量法、磁性应变法、脆性涂层法、云纹法和全息干涉法。但它们各 具特点，又都有一定的 j j i 艰性。有的技术要求复杂、测量设备昂贵，不易现场应 用，如光弹性法、全息f 涉法：有的测量精度低、易受测试条件影响，技术尚不 完善，如磁性应变法。考虑至l j i j - - 应用的要求和实际工作条件复杂的现实，本文 的测量分析系统采用电阻应变电测法来测量工件振动过程中的动态应变。应变电 测法技术成熟、应用广泛，它的主要优点： 1 ) 测量精度商( 1 - - 3 ) ，灵敏度高( 1u ) ，而且数据稳定可靠。 2 ) 测量技术简单、易于掌握，使用方便，价格较低。 3 ) 使用范围j 一，可应用在高速旋转、强磁场或高辐射等特殊环境，且频率 i 咖应好，可测o - - - 5 0 0 k h z 的振动应变。 4 ) 输出为电信号，易于实现测量过程自动化与远距离传递。 用电阻应变计测量动念应变，需要考虑应变计的动念响应特性，同时要求应 变计有较高的疲劳受命，下面分别讨论。 3 1 2 应变计的动态响应 由于应变计基底和粘结底胶层很 薄，应变从构件表面传递至u 应变计敏 感栅底时侧很短，为微秒级，可以认 为对应变足立即响应。l l l 此只需考虑 应变沿栅长方向传播1 1 - 1 应变汁的动念 响应。 设频率为，的一弦应变波以的速 度v 在构件中沿应变计厅向传播。在某 一时刻心变沿构件农i l l jj 、i 变i , t 栅长方 向的分析j 见图3 一l 。瞬州t 的应变波 l ，1、 铲 划王 马x v 图3 一i 应变计对正弦渡的动态响应 f i g 3 一ir e s p o n s et 0s i n ew a v eo fs t r a i ng a u g e l ：向殳i | 豇人学坝i j 学位沦义 第三章动i , , l j j4 量模型 沿构件分们s ( x ) 为： ) ：占( js i n ( - _ 2 7 f c ( x 工) ) = 占( js i n ( - _ 工) 式中：占。，一l i ：弦麻变波的最人振幅： 五一廊变波波长： 丁是，麻变计栅k 中，l q v x 。的应变。为： 铲c os i n ( 孥工，)占，2s i n 【_ 工，) 应变计栅长l 范围内的平均应变。为： 毛，= 扳如n c 等舳 = 鲁s i n 了2 7 s i n ( 争 ( 3 一i ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 因此，在瞬时t ，用栅长范围内的平均应变米表示栅长中心位旨地应变，将产生 误差。其相对误差为： p ：三! 二血 ( 3 4 ) | 将( 3 2 ) 式科i ( 3 3 ) 代人式( 3 4 ) ，整理得： 剖一差咖c 等，( 3 - - 5 ) 由于l 五，故了z l l 。将喜s i n ( 车) 用级数展丌，且取f j i 两项后代入式( 3 5 ) 7见以 得： p = 譬c 吉c 警，2 ( 3 - - 6 ) 应变波在某种材料中的传播速度v 是常数( 例如对钢材，v = 5 0 0 0 r e s ) ，因此当 给定，和栅长时可以计算出应变计的相对误差p 。而振动时效工艺过程振动频 率，一。般不会超过2 0 0 h z ，应变计栅长l 取5 m m ，此时p 为6 5 7 e - - 8 ，应变计的动 奈响府菜本1 1 i 以绍略。 3 1 3 应变计的疲劳寿命 动念应变测量时，若测点的应变变化频率较快，测量时i 日j 较长，应变计所 经受的应变循环次数也就越多。在这种情况f ，要求应变计具有较高的疲劳寿命。 向交通人学坝t j 学化论义第三章动心力测量模型 一般的电| 5 l l 应变汁常温卜的疲劳寿命为1 0 5 1 0 6 次，动态应变计的疲劳寿命可 达1 0 7 1 0 8 。m j 振动时效i ：艺- 股时| u j f ：大于3 0 分钟振动频率4 i 大于2 0 0 h z ， 这样应变汁l f j 勺l ：作次数应不人f3 6 1 0 j 次。l x l i i 。匕一般振动时效过程普通的电 阻应变计既i 丌以满足使j l j 要求。 3 2 动应力的测量 3 2 1 动态应力应变关系的简化 应变电测法是用电阻应变计将构件表面上的应变转换成电阻变化，再用电 阻应变仪等测奄仪表测量相应的电阻变化，转换成应变，然后应用材料的应力应 变关系即本构关系转换成应力。但是，在列! 论上仅线弹性体的本构关系是确 定的，符合胡克定律。而非线弹性体的应力应变之i 日j 虽然存在某种函数关系，但 关系复杂，也不易得到实用的形式：非弹性体的应力应变之| 日j 函数关系通常很难 确定，往往需要根据不同条件经近似简化和必要的修i t j + 能使用。然而，理想的 线弹性体是小存在，而实际工件又在较大载荷的作用下或多或少地表现出一定的 塑性。因此，在实际生产应用中，当工件材料承受的载荷不大，表现出不太明显 的塑性时，为了能够分析材料内部应力的分伽，通常做必要的简化处理，忽略材 料塑性的影响。同样，振动时效效果评定中也需做必要的假设和近似处理4 。能将 动态应变转换为动应力。 目d ，j ，振动时效的应用集中于钢铁等会属材料，工件可近似认为材质均匀、 各向同性，为线弹性体。这因为，一方面工件在时效处理时，通常振动频率不高 ( 2 0 0 h z ) ，加速度不大( ilisz山s：oun一s叱i=z 加 强 拍 婚 oc一掣击一上r瓦工r0吕三山6f-鼋工u i 淘交通人学颂卜学位论义第p q 章系统硬件电路设计 从图4 - - 7 - f 1 j 以看出，如果直接从a d x l 5 0 第v p r 脚输出测量电压，测量 范围最火输出电i 是0 0 1 9 5 0 m y ，即0 9 5 v ，动念范阑只有1 9 v 。为了充分 利用数据采集仁p c l 一8 l8 l s 的输入电压转换范围，需扩大传感器的动态输出。 为此，可利用传感器自带的缓冲放大器来扩大输日：电压范旧。但由于缓冲放大器 的输出电压限是0 2 5 v - 一4 7 5 v 。因此需将零加述度输出电压调节为2 5 v 左右， 以充分利用放人器的放大能力。同时，利j | 缓冲放人器也可以进行一阶滤波，以 分离某些高频干扰信号，提高测量精度。具体加速度洲量电路，见图4 一1 4 。 在图中a 点建立电位平衡方程。有： 生丝二坠：! ：+ 兰! 二坠些二+ 竖二匕型= ：0 ( 4 - 2 6 ) 尺3尺2r 4 又v r f = 3 4 v ，v p r = ( 1 8 o 2 5 ) v ，r 2 = 1 0 0 k ，r 3 = 4 7 k ，r 4 = 1 0 0 k ，代入上式， 可得 肾3 6 t0 5 3 一+ 等( 4 - 2 7 ) 当加速度为零时，即v r , a = 0 ：v o = 3 6 t - 0 5 3 一，通过调解可变电阻r 5 可以 使得”，= 2 5v ，即输出电压平衡位置。放大器增益g = r 2 r 3 - - 2 1 3 。当加速度 为5 0 9 时，传感器输出电压限为 o 4 7 v ，4 5 l v 】。 c 2 3 3 图4 1 4 振动加速度测量电路 f i g 4 1 4m e a s u r i n g c ir c u i tf o rv i b r a t i n ga c c e l e r a t i o n a 本章第一节的分析可知，传感器测量的信号中存在高频干扰。因此，可 利用缓冲放大器进行初级滤波。滤波电容c 4 ，与电阻r 3 构成一阶低通滤波器。 其截至频率为： 厂，：l ( 4 - - 2 8 ) 2 r 3 * c 4 谨? f 自通 学mi 琦。性m 女 第h 聋系统碰件电路设计 代入具体数值可以得到几= 2 i3 h z ，硝高j 。振动撮太频率2 0 0 h z 。 43 放大器、滤波器设计 43 1 放大电路设计 从应变电桥设计一节巾可：1 ，舟l 计材料有1 0 0 0u 时，应变电桥的输出 仅有25 m v ，这种微弱的信号在传输过程中根容易受到环境电磁干扰而被淹没。 为此，在测量系统须有信号放大功能柬对有川信号进行放大对噪声进行抻制。 通常实测电路对放大器的基本要求是：线性好、增益商、动态响应快，抗干扰能 力强，输入阻抗高( 减小电桥功耗) ，输出阻抗尽量小，便于信号的传输。 目前，j 。泛使用的放大电路是由集成电路组成的高放大倍数运算放大器，可 以完成电流、电压放大以及对线性和非线性模拟量信号处理等工作，运算放大器 输入阻抗高，共模抑制能力强。单运放的共模抑制比般可达6 0 d b 以上，而双 运放对称机构共模抑制比高达8 0 l o o d b 。运算放人器种类很多，常用的有测量 放大器、仪器放大器、隔离放人器、程控增益放大器等。 本测量系统采用a d 6 2 0 仪器般人措构成基本放人r 乜路。它精度高，增益非线 性误差小( 见蚓4 一1 5 ) 、输入失州l t al i h , c ( 最人加uv ，相当于2 0u ) 、温漂 小( 06uv o ) 。良好的共模抑制比( 见图4 1 8 ) 也叫以有效减小测量电桥的 零点漂移。而且，动态响应快( 见图4 一1 6 ) 、增益特宽大，只需一个外部电阻 就r 殴置l i 0 0 0 的增益。另外仪为9 n v h z 输入电压噪音( 见圈4 一1 7 ) 也可以提高系统稳定性和抗干执能力。 图4 15 增益频率关系 f i 9 4 - i5g a i nv sf r e q u e t l c ) 图4 - 16 动态响压 f i 9 41 6s i g n a lr e s p o n s e a n ds e t t l i n g t i m e 上海交通人学坝一i ：学位论义 第四章系统硬件电路设计 铷 喜 至 兰 1 6 至 j a i f l = l 、 ，r ，j ll i j i t l ；1 0 、 ， 、 、 、 j f ， 6 #- i h：to o o 一 一二i i t i1i ) b nl l t l t 、 l lii l 6 ：f o j = l 们每蛀 il j = 1 0 、 - 3 = l 、 。 1 0i ( o1 k1 0 1 + +i f 】k011 o1 0 0i k1 0 k +i k u f r e c , , i j e h c y h 2 f r e o u e n c y h z 图4 - 1 7 电压噪音谱密度与频率关系 f i 9 4 17 v o l t a g en o i s es p e c t r a ld e n s i t yv s f r e qu e n c y 具体的放大电路图如下： u i n c1 v c c 图4 - 1 8 共模抑制比与频率关系 f i 9 4 一i8 c m rv s f r e q u e n c y u o u t 图4 一1 9 动应力信号放大电路图 f i g 4 - i9a m p l i f y i n gc i r c u i tf o rd y n a m i cs t r e s ss i g n a l 图中，r g 为放大器增益调节电阻，它与放大器增益的关系为 g = 4 9 4 k q 1 - l ( 4 - - 2 9 ) 灭( j 在振动过程中，一般情况下工件应变1 0 0 0 u ，因而应变电桥的输出范围是 一2 5 m y ，+ 2 5 m y 。在放大电路中增益电阻i k - - 5 1q ，代入( 4 2 9 ) 式，可得 放大电路增益g = 9 6 9 8 。故放大器的输出范围为【2 4 2 v ，+ 2 4 2 v 。 另外，和正负电源相接的电容c l ，c 2 为电源调节电容。实际上，由于空间 电磁波的干扰、稳压电源的不稳定等因素的影响，v c c ，v e e 通常含有小波分量， 滤波电容c 1 ，c 2 可以去除这些小波的影响。提高电源稳定性，从而改善放大电 路工作性能。 m 协 帆 嘶 啪 啡 啪 o + 言叱=：i 【：海交通人学坝i 学位论义第p q 章系统硬件电路设计 4 3 2 滤波电路设计 由于振动时效测量环境的各种电子干扰以及测董系统本身的影响，通常测量 信号中会有多种频率成分的噪声。噪声有时会淹没难常的输入信号，在这种情况 下，需要采取滤波措施，抑制不需要的噪声，提高系统的信噪比。因此，要求滤 波器在其通带内的幅频特性、相频特性满足不失真测量的要求，而通道外的频率 成分在滤波以后应尽量小。也就是说，要求其截至频率的品质因数q 比较高，选 择特性好。 本系统采用t l c 0 4 来构成基本滤波电路。t l c 0 4 是单片集成巴特沃斯低通开 关电容滤波器。它使用方便，可提供精密四阶低通滤波功能，其截至频率范围宽 ( 0 1 h z - - 一3 0 k h z ) 、稳定性高，只和时钟频率稳定性有关，时钟一截至频率比误 差限为o 8 。而且由外部器件时