机械振动与力的测试24

请简要说明测试装置幅频特性的物理含义，并结合如图所示某测试装置的幅频特性说明该装置可允许测试信号的频率范围。第5章力的测量

力压力应力重力扭矩应变弹性力气动力转矩摩擦力§5.1.1力的基本概念力是一个重要的物理量。力体现了物质之间的相互作用，凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。单位：力在国际单位制(SI)中是导出量，在我国法定计量单位制和国际单位制中，规定力的单位为牛顿（N），定义为：使1kg质量的物体产生1m/s2加速度的力，即1N=1kg·m/s2

。§5.1.1力的基本概念标准：为保证国民经济各部门和研究单位静态力的力值准确一致，目前均以标准砝码的重力作为力的标准，其大小除可以用标准砝码传递外，还可以用各种不同准确度等级的基准和标准测力仪器设备复现力值及进行量值的传递。（重力加速度g是一个使用很方便的标准，规定地球上纬度为45º海平面上的重力加速度为g的标准值，为9.80665m/s2。该标准便是对测力系统作“静重”标定的基础）§5.1.2力的测量方法力平衡法

机械式力平衡装置

力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等§5.1.2力的测量方法力平衡法

液压和气压式测力系统

§5.1.2力的测量方法在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。

扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调频或调相电路来测量电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。

测位移法

§5.1.2力的测量方法测位移法

弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。

§5.1.2力的测量方法物理效应法

物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应，压磁效应，压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式等等。这类传感器的测量基础是弹性元件的弹性变形和作用力成正比的现象。这类传感器原则上可简化为如图所示的在质量块受力的单自由度振动系统。

§5.1.2力的测量方法§5.1.2力的测量方法物理效应法

传感器的弹性和惯性参数是分布的而不是集中的，作为集中参数质量、弹簧刚度和阻尼比都很难确定，而且其固有频率也总是和外部承力构件的质量有关，因此，对于这类传感器，应进行动态和静态校准，以建立其输出和输入力之间的关系和确定其灵敏度、固有频率等项特性参数。

§5.1.3测力装置的使用特点使用测力装置在测量过程中，它与被测系统以及它的支撑系统组成非常复杂的多自由度振动系统，在动态力作用下，该弹性元件的弹性变形同动态力的关系也就变得相当复杂，两者在幅值、相位方面都有较大差异，这些差异和测力装置的动态特性、支撑系统、负载效应都有密切关系。FF§5.1.3测力装置的使用特点被测系统的构件作为测力装置的构件FF系统的构件直接出现物理效应模拟实际使用条件，在整个工作频率范围内进行全面校准

§5.1.3测力装置的使用特点按照实际条件进行现场静态和动态校准；避免专为测试而增减被测机械系统的构件；测力装置整体化、简单化；采用适当的补偿技术和数据处理方法。

总的使用原则当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。§5.2应力测量［应力］分为由拉伸载荷引起的拉应力、由压缩载荷引起的压应力和由剪切引起的剪应力。拉应力和压应力都产生在横截面的法线方向上，这种应力常常称为正应力（normalstress）,而剪应力产生在横截面的切线方向上，通常称为切应力（tangentialstress）。

§5.2应力测量yTF正应力：剪应力：W为拉伸（或压缩）载荷，Ws为剪切载荷，A为横截面积。

§5.2应力测量［应变］单位长度材料的变形量称为应变量，简称应变。应变分为轴向应变横向应变剪切应变

［应力与应变的关系］［横向应变与纵向应变的关系］§5.2应力测量东汉《考工记•弓人》中的测变形图应力是一重要的机械量，它表征了构件的受载状态、负载水平和强度能力，因此应力测量是其它力参数测量的基础。通过应力分析可以测定外载的大小、方向以及各种动态响应。

§5.2应力测量敏感元件转换元件采用电阻应变法测量应力时就是利用该原理首先把被测应力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。§5.2应力测量若当四个桥臂的阻值变化同号时：

设四个桥臂的初始电阻值均为R0电桥的和差特性

§5.2应力测量§5.3应变式力传感器在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于极小到很大的动、静态力的测量，且测量精度高，其使用量约占力传感器总量的90％左右。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。

§5.3.1应变式力传感器的组成确保力的良好传递将受力转化为应变将应变的变化转换为电量的变化加载装置弹性元件应变片保护套§5.3.2应变式力传感器常见弹性元件

柱式筒式梁式应变式力传感器的弹性元件是主要元件，其设计的好坏直接决定着传感器的灵敏度、抗干扰能力等重要指标。弹性元件的材质一般用合金钢，如40CrNiMo,40CrMnMo。§5.3.2应变式力传感器常见弹性元件

受拉；受压13725468§5.3.2应变式力传感器常见弹性元件零应变应变最大处39.6°F有应变零应变F由于圆环不易夹紧，实际上通常用八角环代替，当环的厚度与环的半径之比为0.4时，零应变点在45°处，故一般八角环的一部分应变片贴在45°处。§5.3.3应变式力传感器设计实例单分量传感器测量压缩力的应变式测力传感器的典型结构又名测力头。为了提高灵敏度，常采用内圆外方的空心柱；加强板的作用是增大XY平面的刚度，而其Z向的刚度很小采用全桥法能消除弯矩的影响，也有温度补偿功能。§5.3.3应变式力传感器设计实例§5.3.3应变式力传感器设计实例返回舱再入大气层时，因为再入速度很高，空气又比较稠密，气动环境十分恶劣。返回舱在返回地球时由于需要减速因此选用了大钝头外形，但正因为选用了大钝头外形，又存在一些不可避免的问题：巨大的空气阻力对气动力特性产生落点偏失等严重影响。

飞行器模型测力天平§5.3.3应变式力传感器设计实例承载锥弹性元件加速度计应变片flow地面模拟试验示意§5.3.3应变式力传感器设计实例1天平2加载套3钢丝4滑轮5载荷静态校准机械振动是生活中常见的运动形式上下跳动的皮球小鸟飞离后颤动的树枝被手拨动的弹簧片第6章机械振动测试

振动压路机振动筛振动破碎机超声波影像图概率筛测量机器振动第6章机械振动测试

§6.1.1机械振动的初步认识无阻尼简谐振动xokm位移速度加速度vtxa名称波形频谱名称波形频谱各种振动的频谱图§6.1.2机械振动检测方法名称原理优缺点及应用电测法将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目前最广泛采用的方法机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多§6.1.2机械振动检测方法光杠杆法在大多数的情况下，机械振动是有害的。振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。振动也有可以被利用的一方面，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效等。

对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；此类振动的目的是研究设备或结构的力学动态特性。

现场测量设备和结构所存在的振动特性信号的时域分析和频域分析§6.1.2机械振动检测方法系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动，系统在持续的外作用力激励下的振动称为受迫振动。在简化模型中，振动体的位置或形状只需用一个独立坐标来描述的系统称为单自由度系统。测试工作中的许多工程问题，往往可以用弹簧-阻尼器-质量块构成的单自由度模型来描述。但是在不同的场合下所处理的输入、输出量往往是不同的，从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不同§6.2由系统基础运动引起的受迫振动；§6.2由系统基础运动引起的受迫振动由系统基础运动引起的受迫振动设基础的绝对位移Z1，质量块m的绝对位移为Z0，分析如图自由体上所受的力可得:如果考察质量块m对基础的相对运动，则可改写成：§6.2由系统基础运动引起的受迫振动§6.2由系统基础运动引起的受迫振动设载体的运动为简谐运动：上式变为:考虑如下几种情形：输入手段输出载体振动位移载体振动速度载体振动加速度振动位移计质量块M对基础的相对位移速度计加速度计§6.2.2由系统基础运动引起的受迫振动位移输入位移计应工作在过谐振区，其固有频率越低越好。当阻尼比取值在0.6～0.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线。§6.2.2由系统基础运动引起的受迫振动速度输入速度计应工作在谐振区附近，在选用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。§6.2由系统基础运动引起的受迫振动加速度输入加速度计应工作在亚谐振区，其固有频率越高越好。当阻尼比取值在0.6～0.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线传感器工作原理压电式振动时，使传感器中的压电元件受到惯性重块的惯性力作用而产生电荷。输出量与振动加速度成正比。电动式振动时，使传感器中的可动线圈在磁场中振动，切割磁力线而感应出电动势输出量与振动速度成正比电磁式振动时，使传感器中在磁场里的静止线圈周围磁通量发变化而感应电动势。输出量与振动速度成正比。电阻式丝式：振动时，传感器中电阻丝长度变化而使电阻变化。压阻式：利用半导体或某些稀有金属受力变形时电阻率改变的特性。与振动位移成正比。电容式相对式由振动体与传感器作为电容的两极，两极的间隙或相对有效面积产生变化而使电容变化。惯性式由惯性重块和传感器基座组成电容的两极。输出量与位移成正比电感式涡流式：由振动体中感应的涡流变化使传感器的电感量变化。输出量与位移成正比；变磁阻：振动时，传感器中电感线圈与铁心间磁隙（磁阻）变化而使电感变化§6.3测振常用的传感器简介测振传感器选择应注意下列几个问题直接测量参数的选择。应力图使最重要的参数以最直接、最合理的方式测得；如考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量，考察振动环境时，宜作振动速度测量，要监测机间的位置变化时，宜选用位移的测量。晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口预压簧片三角柱§6.3测振常用的传感器