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數據采集(DAQ),是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析,處理。數據采集系統是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。

數據采集 - 目的

數據采集,是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集信息的過程。數據采集系統是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。
數據采集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象?;赑C的數據采集,通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合,進行測量。盡管數據采集系統根據不同的應用需求有不同的定義,但各個系統采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數據采集系統整合了信號、傳感器、激勵器、信號調理、數據采集設備和應用軟件。

數據采集 - 原理

在計算機廣泛應用的今天,數據采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時,噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時,有一些基本原理要注意,還有更多的實際的問題要解決。
采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數
假設對一個模擬信號x(t)每隔Δt時間采樣一次。時間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數1/Δt被稱為采樣頻率,單位是采樣數/每秒。t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等,x(t)的數值就被稱為采樣值。所有x(0),xΔt),x(2Δt)都是采樣值。根據采樣定理,最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說,如果給定了采樣頻率,那么能夠正確顯示信號而不發生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率,它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分,信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。
采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊(alias)。出現的混頻偏差(aliasfrequency)是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。
采樣的結果將會是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz)的信號可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號成分采樣時會發生畸變。分別產生了30、40和10Hz的畸變頻率F2、F3和F4。    
計算混頻偏差的公式是:
混頻偏差=ABS(采樣頻率的最近整數倍-輸入頻率)
其中ABS表示“絕對值”,
為了避免這種情況的發生,通常在信號被采集(A/D)之前,經過一個低通濾波器,將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。這個濾波器稱為抗混疊濾波器。
采樣頻率應當怎樣設置。也許可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是,較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內存或者硬盤存儲數據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了,實際上工程中選用5~10倍,有時為了較好地還原波形,甚至更高一些。
通常,信號采集后都要去做適當的信號處理,例如FFT等。這里對樣本數又有一個要求,一般不能只提供一個信號周期的數據樣本,希望有5~10個周期,甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數是整周期個數的。這里又發生一個困難,并不知道,或不確切知道被采信號的頻率,因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數,也不能保證提供整周期數的樣本。所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數x(n)和采樣頻率。這是測量與分析的唯一依據。數據采集卡,數據采集模塊,數據采集儀表等,都是數據采集工具。

數據采集 - 系統實例

在一些工業現場中,設備長時間運行容易出現故障,為了監控這些設備,通常利用數據采集裝置采集他們運行時的數據并送給PC機,通過運行在PC機上的特定軟件對這些數據進行分析,以此判斷當前運行設備的狀況,進而采取相應措施。當前常用的數據采集裝置,在其系統軟件設計中,多采用單任務順序機制。這樣就存在系統安全性差的問題。這對于穩定性、實時性要求很高的數據采集裝置來說是不允許的,因此有必要引入嵌入式操作系統。

PXI是一個模塊化的平臺。PXI將計算機PCI 總線、Compact PCI完美地結合到測試儀器中。首先在可靠性、穩定性和測量精度等方面擁有模塊化優點;其次PCI總線還有著許多先天性優點,如數據寬度、數據速率等;第三PXI與Compact PCI保持兼容,技術優勢可不斷發展。 億恒科技研發了Premax數據采集與分析儀,采用PXI總線,并緊密結合千兆以太網技術,集成了多種數據采集卡、信號輸出卡,并配有強大的嵌入式實時處理系統。該系統具有強大的擴展性和靈活性,您可以根據需要配置輸入、輸出硬件模塊和分析軟件模塊,構建出一個性能卓越的輸入高達1024通道的測試分析平臺。 同時,PXI總線和千兆網相結合的數據傳輸和管理能力保證了1024通道的同步數據采集與傳輸,使得系統具有優良的擴展性和可靠性。Premax利用QNX實時操作系統和機載板卡DSP,實現了數據的實時分析處理和多種分析功能。Premax為航空、航天工程、汽車工程、土木工程以及工業測試等領域提供了測試測量、分析處理、狀態監測以及可靠性試驗振動控制等手段。

中文名稱:傳感器 
英文名稱:sensor;measuring element;transducer

定義1:能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。

1.傳感器的定義
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。
“傳感器”在新韋式大詞典中定義為: ?。?ldquo;從一個系統接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”?! 「鶕@個定義,傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式,所以不少學者也用“換能器-Transducer”來稱謂“傳感器-Sensor”。

2.傳感器的作用
人們為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官,在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況,就需要傳感器。因此可以說,傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官?! ⌒录夹g革命的到來,世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段?! ≡诂F代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎?! ≡诨A學科研究中,傳感器更具有突出的地位?,F代科學技術的發展,進入了許多新領域:例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙,微觀上要觀察小到 nm的粒子世界,縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化,短到 s的瞬間反應。此外,還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究,如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然,要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息,沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙,首先就在于對象信息的獲取存在困難,而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現,往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展,往往是一些邊緣學科開發的先驅?! 鞲衅髟缫褲B透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域??梢院敛豢鋸埖卣f,從茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各種復雜的工程系統,幾乎每一個現代化項目,都離不開各種各樣的傳感器?! ∮纱丝梢?,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來,傳感器技術將會出現一個飛躍,達到與其重要地位相稱的新水平。

3.傳感器的原理
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應,諸如壓電效應,磁致伸縮現象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?;瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器,被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源,激磁電路中的晶體振蕩器產生400Hz的方波,經過TDA2030功率放大器即產生交流激磁功率電源,通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈,得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源,該電源做運算放大器AD822的工作電源;由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源產生±4.5V的精密直流電源,該電源既作為電橋電源,又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時,應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號,再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號,通過信號環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈,再經過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號,該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動--靜環之間只有零點幾毫米的間隙,加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內,形成有效的屏蔽,因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?;瘜W傳感器技術問題較多,例如可靠性問題,規模生產的可能性,價格問題等,解決了這類難題,化學傳感器的應用將會有巨大增長。

4.傳感器的應用
常見的:
  1.自動門,利用人體的紅外微波來開關門
  2.煙霧報警器,利用煙敏電阻來測量煙霧濃度,從而達到報警目的
  3.手機,數碼相機的照相機,利用光學傳感器來捕獲圖象
  4.電子稱,利用力學傳感器(導體應變片技術)來測量物體對應變片的壓力,從而達到測量重量目的
  5.水位報警,溫度報警,濕度報警,光學報警等都是……
  智能傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中。例如,它在機器人領域中有著廣闊應用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現象,完成各種動作。在工業生產中,利用傳統的傳感器無法對某些產品質量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產品質量指標有函數關系的生產過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等)。Cygnus公司生產了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現無疼、無血、連續的血糖測試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發生電化學反應,產生電流。傳感器測量該電流,經處理器計算出與該電流對應的血糖濃度,并以數字量顯示。

5.傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類:它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應);它們的用途;它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。
根據傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化學傳感器二大類:
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應,諸如壓電效應,磁致伸縮現象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。
化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器,被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。
有些傳感器既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?;瘜W傳感器技術問題較多,例如可靠性問題,規模生產的可能性,價格問題等,解決了這類難題,化學傳感器的應用將會有巨大增長。
常見傳感器的應用領域和工作原理列于下表。
1、傳感器按照其用途分類:
  壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器
  液面傳感器 能耗傳感器
  速度傳感器 加速度傳感器
  射線輻射傳感器 熱敏傳感器
  24GHz雷達傳感器
2、傳感器按照其原理分類:
  振動傳感器 濕敏傳感器   磁敏傳感器氣敏傳感器  真空度傳感器生物傳感器等。
3、傳感器按照其輸出信號為標準分類:
  模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。
  數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
  膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。
  開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時,傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
4、傳感器按照其材料為標準分類:
 在外界因素的作用下,所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用來制作傳感器的敏感元件。
從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列幾類:
(1)按照其所用材料的類別分  金屬 聚合物 陶瓷 混合物   
(2)按材料的物理性質分:導體 絕緣體 半導體 磁性材料   
(3)按材料的晶體結構分:  單晶 多晶 非晶材料   
與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作,可以歸納為下述三個方向:  
(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應,然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用?! ?br /> (2)探索新的材料,應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術?! ?br /> (3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應,并在傳感器技術中加以具體實施?! ‖F代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。
5、傳感器按照其制造工藝分類:
集成傳感器 薄膜傳感器 厚膜傳感器陶瓷傳感器
集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的,相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時,同樣可將部分電路制造在此基板上。
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后進行熱處理,使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。
完成適當的預備性操作之后,已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性,在某些方面,可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型?! ∶糠N工藝技術都有自己的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低,以及傳感器參數的高穩定性等原因,采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

6、傳感器根據測量目的不同分類
 物理型傳感器是利用被測量物質的某些物理性質發生明顯變化的特性制成的。
 化學型傳感器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件制成的。
 生物型傳感器是利用各種生物或生物物質的特性做成的,用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。
 
 

1.什么是模態分析?
模態分析的經典定義:將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標,使方程組解耦,成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程,以便求出系統的模態參數。坐標變換的變換矩陣為模態矩陣,其每列為模態振型。
2.模態分析有什么用處?
模態分析所的最終目標在是識別出系統的模態參數,為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。
模態分析技術的應用可歸結為一下幾個方面:
1) 評價現有結構系統的動態特性;
2) 在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計;
3) 診斷及預報結構系統的故障;
4) 控制結構的輻射噪聲;
5) 識別結構系統的載荷。
模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的,則稱為計算模記分析;如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數,稱為試驗模態分析。通常,模態分析都是指試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。如果通過模態分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性,就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法。
機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態、瞬息變化。模態分析提供了研究各種實際結構振動的一條有效途徑。首先,將結構物在靜止狀態下進行人為激振,通過測量激振力與胯動響應并進行雙通道快速傅里葉變換(FFT)分析,得到任意兩點之間的機械導納函數(傳遞函數)。用模態分析理論通過對試驗導納函數的曲線擬合,識別出結構物的模態參數,從而建立起結構物的模態模型。根據模態疊加原理,在已知各種載荷時間歷程的情況下,就可以預言結構物的實際振動的響應歷程或響應譜。
近十多年來,由于計算機技術、FFT分析儀、高速數據采集系統以及振動傳感器、激勵器等技術的發展,試驗模態分析得到了很快的發展,受到了機械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多產業部門的高度重視。已有多種檔次、各種原理的模態分析硬件與軟件問世。在各種各樣的模態分析方法中,大致均可分為四個基本過程:
(1)動態數據的采集及頻響函數或脈沖響應函數分析
1)激勵方法。試驗模態分析是人為地對結構物施加一定動態激勵,采集各點的振動響應信號及激振力信號,根據力及響應信號,用各種參數識別方法獲取模態參數。激勵方法不同,相應識別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出(SISO)、單輸入多輸出(SIMO)多輸入多輸出(MIMO)三種方法。以輸入力的信號特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩態隨機(包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機)、瞬態激勵(包括隨機脈沖激勵)等。
2)數據采集。SISO方法要求同時高速采集輸入與輸出兩個點的信號,用不斷移動激勵點位置或響應點位置的辦法取得振形數據。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數據的高速并行采集,因此要求大量的振動測量傳感器或激振器,試驗成本較高。
3)時域或頻域信號處理。例如譜分析、傳遞函數估計、脈沖響應測量以及濾波、相關分析等。
(2)建立結構數學模型根據已知條件,建立一種描述結構狀態及特性的模型,作為計算及識別參數依據。目前一般假定系統為線性的。由于采用的識別方法不同,也分為頻域建模和時域建模。根據阻尼特性及頻率耦合程度分為實模態或復模態模型等。
(3)參數識別按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法,后者是指在時域識別復特征值,再回到頻域中識別振型,激勵方式不同(SISO、SIMO、MIMO),相應的參數識別方法也不盡相同。并非越復雜的方法識別的結果越可靠。對于目前能夠進行的大多數不是十分復雜的結構,只要取得了可靠的頻響數據,即使用較簡單的識別方法也可能獲得良好的模態參數;反之,即使用最復雜的數學模型、最高級的擬合方法,如果頻響測量數據不可靠,則識別的結果一定不會理想。
(4)振形動畫參數識別的結果得到了結構的模態參數模型,即一組固有頻率、模態阻尼以及相應各階模態的振形。由于結構復雜,由許多自由度組成的振形也相當復雜,必須采用動畫的方法,將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。
以上四個步驟是模態試驗及分析的主要過程。而支持這個過程的除了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、臺式或便攜式計算機等硬件外,還要有一個完善的模態分析軟件包。通用的模態分析軟件包必須適合各種結構物的幾何物征,設置多種坐標系,劃分多個子結構,具有多種擬合方法,并能將結構的模態振動在屏幕上三維實時動畫顯示。
2.結構動力修改與靈敏度分析
結構動力修改(Structure Dynamic Modify——SDM)有兩個含義:①如果機器作了某種設計上的修改,它的動力學特性將會有何種變化?這個問題被稱為SDM的正問題。②如果要求結構動力學參數作某種改變,應該對設計作何種修改?這是SDM的反問題。
上述兩個問題,如果局限在有限元計算模型內解決,其正問題是比較簡單的,即只要改變參數重新計算一次就可以。其反問題就是特征值的反問題,由于結構的復雜性和數學處理的難度較大,目前在理論上還不完善。只有涉及雅可比矩陣的問題得到了比較完善的解決,相應的力學模型是彈簧質量單向串聯系統或桿件經過有限元或差分法離散的系統。此外,特征值反問題的解決要求未修改系統計算的特征值及特征向量是精確的。因此,現在通常所指的SDM是指在試驗模態分析基礎上的。
不論是結構動力修改的正問題還是反問題,都要涉及針對結構進行修改。為了避免修改的盲目性,人們自然要問,如何修改才是最見成效的?換而言之,對一個機械系統,是進行質量修改,還是進行剛度修改?質量或剛度修改時,在機械結構上何處修改才是最靈敏部位,使得以較少的修改量得到較大的收獲?由此,引出了結構動力修改中的靈敏度分析技術。目前較為常見的是基于攝動的靈敏度分析。
模態分析技術從20世紀60年代后期發展至今已趨成熟,它和有限元分析技術一起成為結構動力學的兩大支柱模態分析作為一種“逆問題”分析方法,是建立在實驗基礎上的,采用實驗與理論相結合的方法來處理工程中的振動問題。
 

將信號源發出的信號強度按頻率順序展開,使其成為頻率的函數,并考察變化規律,稱為頻譜分析。運用傅里葉級數或傅里葉變換,就能實現把時間域信號變換成頻率域信號,稱為信號的頻率描述或稱為頻譜分析。
頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器,用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量,可用以測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數,是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?,F代頻譜分析儀能以模擬方式或數字方式顯示分析結果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內部若采用數字電路和微處理器,具有存儲和運算功能;配置標準接口,就容易構成自動測試系統。
頻譜分析儀 - 簡介
頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備手段,是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具。因此,應用十分廣泛,被稱為工程師的射頻萬用表。
1、傳統頻譜分析儀
傳統的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機,輸入信號經變頻器變頻后由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標圖,就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續信號或調制信號,頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是,傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點,它只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標量儀器而不是矢量儀器。
2、現代頻譜分析儀
  基于快速傅里葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀,通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果,。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經FFT處理后獲得頻譜分布圖?!?br />   在這種頻譜分析儀中,為獲得良好的儀器線性度和高分辨率,對信號進行數據采集時 ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
  目前半導體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達到2GHz的帶寬,為了擴展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用數字調諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。
  FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點,則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點,則分辨率提高到25Hz。由此可知,最高輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點數。FFT運算時間與取樣,點數成對數關系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時,要選用高速的FFT硬件,或者相應的數字信號處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs,而10KHz的1024點的運算時間變為64ms,1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時,屏幕的反應變慢,不適于眼睛的觀察,補救辦法是減少取樣點數,使運算時間降低至200ms以下。
3、用FFT計算信號頻譜的算法
離散付里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值
同樣,X(k)也可看作是序列付氏變換X(ejω)的采樣,采樣間隔為ωN=2π/N
由此看出,離散付里葉變換實質上是其頻譜的離散頻域采樣,對頻率具有選擇性(ωk=2πk/N),在這些點上反映了信號的頻譜。
根據采樣定律,一個頻帶有限的信號,可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息,FFT變換則說明對于時間有限的信號(有限長序列),也可以對其進行頻域采樣,而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長,采樣足夠密,頻域采樣也就可較好地反映信號的頻譜趨勢,所以FFT可以用以進行連續信號的頻譜分析
頻譜分析儀原理
頻譜分析儀系統主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性,頻譜分析儀依信號處理方式的不同,一般有兩種類型,即時頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃描調諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅,其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(Detector),再經由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT螢幕上,其優點是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應,其缺點是價昂且性能受限於頻寬范圍,濾波器的數目與最大的多工交換時間(Switching Time),最常用的頻譜分析儀是掃描調諧頻譜分析儀,其基本結構類似超外差式接收器,工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混波器,可調變的本地振蕩器經與CRT同步的掃描產生器產生隨時間作線性變化的振蕩頻率,經混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號(IF)再放大,濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板,因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關系。影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬,濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-Shaped Filter),影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬(RBW,ResolutionBandwidth)。RBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異,兩個不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW,此時該兩信號將重疊,難以分辨,較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測,低的RBW將濾除較高頻率的信號成份,導致信號顯示時產生失真,失真值與設定的RBW密切相關,較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測,將增加雜訊底層值(Noise Floor),降低量測靈敏度,對於偵測低強度的信號易產生阻礙,因此適當的RBW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
 

隨機,就是任意,無規則。隨機振動就是無規則,雜亂無章的振動。

表述一個隨機振動比表述一個正弦振動要復雜。表述一個正弦振動用頻率和振幅或加速度就可以了。
說隨機振動之前先說一下非正弦的周期振動。周期振動包含與其周期相對應的基頻,以及若干與基頻整數倍的頻率,各個頻率都有它各自的振幅??梢杂镁礁穹蚓礁铀俣葋肀硎局芷谡駝拥膹姸?。而隨機振動沒有固定的周期,它包含的的頻率成分是連續的而不像周期振動那樣離散的。所以振幅或加速度要用隨頻率的變化曲線來表示,這個曲線叫頻譜曲線。
我們也常用均方根加速度表示隨機振動的強度,還要用所謂“加速度功率譜密度”曲線代替頻譜曲線表示其頻率特性。
再說一點,隨機振動的均方根加速度以(m/s2)為單位時,加速度功率譜密度以(m2/s3)為單位。但也常用重力加速度(G)為均方根加速度的單位,而相應的加速度功率譜密度的單位為(G2/Hz)。

任何一種傳感器在裝配完成后都必須按設計指標進行全面嚴格的性能鑒定。使用一段時間以后(中國計量法規定一般為一年)或經過修理,也必須對主要技術指標進行校準試驗以便確保傳感器的各項性能達到使用要求。
傳感器的標定,就是通過實驗確立傳感器的輸出量和輸入量之間的對應關系,同時也確定不同使用條件下的誤差關系。

傳感器的標定有兩層含義:
1)   確定傳感器的性能指標
2)   明確這些性能指標所適用的工作環境
傳感器標定的基本方法:
傳感器標定的基本方法是將已知的被測量(亦即標準量)輸入給待標定的傳感器,同時得到傳感器的輸出量,對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較,從而得到一系列表征兩者對應關系的標定曲線,進而得到傳感器性能指標的實測結果。
傳感器標定時,所用測量設備的精度通常要比待標定傳感器的精度高一個數量級(至少要高1/3以上)。
為了保證各種被測量量值的一致性和準確性,很多國家都建立了一系列計量器具(包括傳感器)檢定的組織和規程、管理辦法。我國由國家計量局、中國計量科學研究院和部、省、市計量部門以及一些大企業的計量站進行制定和實施。國家計量局(1989年后由國家技術監督局)制定和發布了力值、長度、壓力、溫度等一系列計量器具規程,并于1985年9月公布了《中華人民共和國計量法》,其中規定:計量檢定必須按照國家計量檢定系統表進行。計量檢定系統表是建立計量標準、制定檢定規程、開展檢定工作、組織量值傳遞的重要依據。
工程測量中傳感器的標定,應在與其使用條件相似的環境下進行。為獲得高的標定精度,應將傳感器及其配用的電纜(尤其像電容式、壓電式傳感器等)、放大器等測試系統一起標定。

1. 試驗結構的支撐方式 
    試驗結構分為原型和模型兩種,對于已有的不很特殊的結構,可采用試驗原型。對圖紙階段的結構或特殊結構,如超大、超重或超小超輕結構,只能采用模型試驗。采用試驗模型時,需要根據相似理論制作模型,不僅幾何相似,還要考慮動力相似。
    不管是原型還是模型試驗,試驗結構邊界條件都是要考慮的重量因素,不同邊界條件的結構特性可能完全不同。如一個自由梁與一個懸臂梁或簡支梁的振動特性完全不同。因此,必須要正確模擬被測結構的邊界條件。
    從力學意義上考慮,邊界條件可分為幾何邊界、力邊界條件、運動邊界條件等等。在模態實驗中,對系統固有特性影響最大的是幾何邊界條件,也即試驗結構的支撐條件。支撐條件一般是有自由支撐、固定支撐、原裝支撐。   
    如果被測結構是完整的,則模態試驗中的邊界條件也應是完整的,即應以模擬結構實際工作狀態為原則。如果采用模態綜合法將被測結構分為子結構來進行模態試驗,則邊界條件就以模態綜合法的要求確定。 

 2. 自由支撐
   有些振動結構的工作狀態為自由狀態,如空中飛行的飛機、火箭、導彈、衛星等,這類結構在做整體模型試驗時,要求具有自由邊界條件。 
    事實上,很難達到完全自由的約束狀態。為此采用的支撐應盡量柔軟,即具有較低的支撐剛度和阻尼。這樣的支撐稱為自由支撐。經常采用的方式有橡皮繩懸掛、彈簧懸掛、氣墊支撐、空氣彈簧支撐、螺旋彈簧支撐等等。采用自由支撐后,相當于給結構增加了柔軟約束,剛體模態頻率不再是零,彈性模態也會受到影響。但由于自由支撐的剛度、阻尼較小,結構的彈性模態不會受到很大的影響。比如,剛性體模態最高頻率占到結構最低彈性模態固有頻率的1/3時,自由支撐對結構最低彈性模態固有頻率的影響只有1%,故自由支撐一般能達到較好的效果。如果將自由支撐點選在結構上關心模態的節點附近,并使支撐體系與該階模態主振動方向正交,則自由支撐對該階模態的影響將達到最理想的效果。
有些邊界條件非完全自由而受到弱約束的結構也可以采用自由支撐。如汽車、摩托車、自行車、輪船等,所受的約束相對結構自身剛度來說小得多了。這類結構采用自由支撐也是適當的。運用模態綜合法研究子結構模態特性時,經常采用自由支撐。

3. 固定支撐
    固定支撐用于結構承受剛性約束的情形,故又稱剛性支撐,如高層建筑、大壩的模型試驗需要采用固定支撐。許多具有剛性基礎的機械結構也應采用剛性支撐。
    固定支撐要求支撐具有較大的剛度和質量,才能減少對結構高階模態的影響。一般以實測支撐系統的最低固有頻率大于所關心的結構最高固有頻率的3倍為參考標準。
    運用模態綜合法研究子結構模態特性時,有時也采用固定支撐。

4. 原裝支撐
    原裝支撐是廣泛應用的一種支撐方式。事實上,自由支撐和固定支撐都是原裝支撐的特殊情況。對完整結構來說,原裝支撐是最優邊界模擬。
    在現場模態試驗中,實際安裝中的結構原型便具有最優原裝支撐,無需做任何變動。在實驗室實驗中,則要盡量模擬現場的安裝條件。對某些放置于地面上的結構(如各種車輛),在實驗室進行模態試驗時,完全可以自由地置于地面上進行測試,這類結構自身的支撐系統已做到較好的模擬實際邊界條件。
另外指出,大多數模態實驗是在靜態下進行的,即被測結構處于靜態。有些結構在靜、動態下的特性相差較多,如具有滑動軸承的轉子,欲獲得結構在動態下的固有特性,應在運行狀態下進行模態實驗, 如果結構靜、動態特性的差異只由邊界條件決定,亦可在靜態下模擬動態邊界條件,但往往是困難的。

    以上三種支撐方式并無優劣之分,而是視具體問題而定。對完整結構而言,事實上應盡量做到原裝支撐。
 

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的,則稱為計算模態分析;如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數,稱為試驗模態分析。通常,模態分析都是指試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。如果通過模態分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性,就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法。 

模態分析最終目標在是識別出系統的模態參數,為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的,則稱為計算模態分析;如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數,稱為試驗模態分析。通常,模態分析都是指試驗模態分析。振動模態是彈性結構的固有的、整體的特性。如果通過模態分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性,就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態分析是結構動態設計及設備的故障診斷的重要方法。 

模態分析最終目標在是識別出系統的模態參數,

一. 模態分析的步驟是什么?

機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態、瞬息變化。模態分析提供了研究各種實際結構振動的一條有效途徑。首先,將結構物在靜止狀態下進行人為激振,通過測量激振力與振動動響應并進行雙通道快速傅里葉變換(FFT)分析,得到任意兩點之間的機械導納函數(傳遞函數)。用模態分析理論通過對試驗導納函數的曲線擬合,識別出結構物的模態參數,從而建立起結構物的模態模型。根據模態疊加原理,在已知各種載荷時間歷程的情況下,就可以預言結構物的實際振動的響應歷程或響應譜。
        近十多年來,由于計算機技術、FFT分析儀、高速數據采集系統以及振動傳感器、激勵器等技術的發展,試驗模態分析得到了很快的發展,受到了機械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多產業部門的高度重視。已有多種檔次、各種原理的模態分析硬件與軟件問世。在各種各樣的模態分析方法中,大致均可分為四個基本過程:
 1. 動態數據的采集及頻響函數或脈沖響應函數分析
 (1) 激勵方法。試驗模態分析是人為地對結構物施加一定動態激勵,采集各點的振動響應信號及激振力信號,根據力及響應信號,用各種參數識別方法獲取模態參數。激勵方法不同,相應識別方法也不同。目前主要由單輸入單輸出(SISO)、單輸入多輸出(SIMO)多輸入多輸出(MIMO)三種方法。以輸入力的信號特征還可分為正弦慢掃描、正弦快掃描、穩態隨機(包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機)、瞬態激勵(包括隨機脈沖激勵)等。
 (2)數據采集。SISO方法要求同時高速采集輸入與輸出兩個點的信號,用不斷移動激勵點位置或響應點位置的辦法取得振形數據。SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數據的高速并行采集,因此要求大量的振動測量傳感器或激振器,試驗成本較高。
(3)時域或頻域信號處理。例如譜分析、傳遞函數估計、脈沖響應測量以及濾波、相關分析等。
2. 結構數學模型
        根據已知條件,建立一種描述結構狀態及特性的模型,作為計算及識別參數依據。目前一般假定系統為線性的。由于采用的識別方法不同,也分為頻域建模和時域建模。根據阻尼特性及頻率耦合程度分為實模態或復模態模型等。
3. 參數識別
         按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法,后者是指在時域識別復特征值,再回到頻域中識別振型,激勵方式不同(SISO、SIMO、MIMO),相應的參數識別方法也不盡相同。并非越復雜的方法識別的結果越可靠。對于目前能夠進行的大多數不是十分復雜的結構,只要取得了可靠的頻響數據,即使用較簡單的識別方法也可能獲得良好的模態參數;反之,即使用最復雜的數學模型、最高級的擬合方法,如果頻響測量數據不可靠,則識別的結果一定不會理想。
4. 振形動畫
         參數識別的結果得到了結構的模態參數模型,即一組固有頻率、模態阻尼以及相應各階模態的振形。由于結構復雜,由許多自由度組成的振形也相當復雜,必須采用動畫的方法,將放大了的振形疊加到原始的幾何形狀上。
            以上四個步驟是模態試驗及分析的主要過程。而支持這個過程的除了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、臺式或便攜式計算機等硬件外,還要有一個完善的模態分析軟件包。通用的模態分析軟件包必須適合各種結構物的幾何物征,設置多種坐標系,劃分多個子結構,具有多種擬合方法,并能將結構的模態振動在屏幕上三維實時動畫顯示。

二. 模態參數有那些?

模態參數有:模態頻率、模態質量、模態向量、模態剛度和模態阻尼等。
為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析所的最終目標在是識別出系統的模態參數,為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。模態分析技術的應用可歸結為以下幾個方面:
1. 評價現有結構系統的動態特性; 
    通過結構的模態分析可以求得各階模態參數(模態頻率、模態振型以及模態阻尼),從而評價結構的動態特性是否符合要求,并校驗理論計算結構的準確性。
2. 在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計; 
3. 診斷及預報結構系統的故障; 
   近年來,結構故障技術發展迅速,而模態分析已成為故障診斷的一個重要方法。利用結構模態參數的改變來診斷故障是一種有效方法。例如,根據模態頻率的變化可以判斷裂紋的出現;根據振型的分析可以確定斷裂的位置;根據轉子支承系統阻尼的改變,可以診斷與預報轉子系統的失穩等。
4. 控制結構的輻射噪聲; 
   結構噪聲是由于結構振動所引起的。結構振動時,各階模態對噪聲的“貢獻”并不相同,對噪聲貢獻較大的幾階模態稱為“優勢模態”。抑制或者調整優勢模態,便可降低噪聲。而優勢模態的確定,必須建立在模態
分析基礎之上。
5.識別結構系統的載荷。 
  某些結構在工作時所承受的載荷很難測量,這時,可通過實測響應和由模態分析所得的模態參數加以識別。此方法在航空,航天及核工程中應用廣泛。
 
模態分析的應用領域
1.  航空航天飛行器、船舶、汽車工業等 
2.  土木領域:大橋、大壩、高層建筑、海洋平臺、閘門、樁基檢測
3. 各種機械設備:如機床、發電設備、壓縮機、氣輪機
4. 軍工領域
 

1、問:什么是振動?
答:物體或質點相對于平衡位置所作的往復運動叫振動。
2、問:描述振動主要有幾個參數,它們相互關系如何?(正弦振動)
答:描述振動的主要參數有:振幅、速度、加速度。單頻正弦振動頻率為f時,振幅單峰值為D,則其速度單峰值為,加速度單峰值為。
3、問:加速度的單位如何表示?
答:加速度在振動工程界常用g表示,在國際單位(SI)中用的單位是,讀米每秒平方,在我國通常1g=9.80665。
4、問:壓電加速度計的工作原理是什么?
答:壓電加速度計是利用壓電晶體的正電壓效應工作的,即壓電晶體片受到外力的作用而變形時,內部會產生極化現象,并在其表面產生電荷,當外力去掉后又恢復原狀。壓電晶體和質量塊通過彈簧緊壓在一起安裝在盒形金屬殼內,就組成了壓電加速度計。
當加速度計受到振動或沖擊時,由于慣性的作用,質量塊將產生一個與其受到的振動。沖擊成比例的慣性力而作用在壓電晶體上。通過測量晶體上的電荷變化,可測得這個慣性力,由于,通過這個慣性力就可測得振動和沖擊的加速度值。這就是壓電加速度計的基本工作原理。
5、問:就振動傳感器的自振頻率和阻尼系數而言,位移、速度、加速度、傳感器各自工作在其自振頻率(傳感器固有諧頻)的什么區域?其阻尼系數的大小如何?
答:對一般慣性傳感器而言,加速度計的工作區域為從極低頻到小于其自振頻率以下,位移傳感器的工作區間為自振頻率以上到很高的頻率,而速度計則工作在自振頻率附近。
加速度計和位移計的阻尼系數一般都小于1,而速度計的阻尼系數卻大于1。這樣使用的目的都是為保證在工作頻率范圍內幅頻特性和相頻特性都是平直的,可以不失真地測量相應的振動量值。
6、問:在加速度計的質量不可忽略時,應如何考慮加速度計所測得的加速度值?
答:一般來說被測的物體附加上加速度計后,加速度計測得的加速度值要小于沒有附加加速度計時的值:式中:--帶加速度計時測得的加速度值。
--無加速度計時的結構的加速度值。
--結構“部件”的質量
--加速度計的質量。
在特殊情況下,由于加速度計的安裝引起了構件的共振,這時,加速度測量值就要大大超過預計的值,應當考慮換另外型號的加速度計或另想其他辦法。
當和被測物體相比小的很多(如十分之一以上),通常就近似認為=7、問:什么是壓電加速度計的幅值線性度?檢定加速度計的幅值線性度的目的是什么?
答:在壓電加速度計的使用范圍內(如極限加速度范圍內),不同加速度時,傳感器的靈敏度相對于參考靈敏度的偏差和參考靈敏度的比值,為加速度計的幅值線性度。用公式表示是:式中:--幅值線性度。
--在加速度為某值時的靈敏度。
--參考靈敏度。
檢定加速度計的幅值線性度的目的是為了確定加速度計的動態使用范圍,例如規程規定,用于振動、沖擊測量時,其幅值線性度應分別小于±5%和±10%而標準壓電加速度計則應小于±3%。
8、問:工作壓電加速度計的加速度參考靈敏度的定義是什么?
答:工作加速度計參考靈敏度的定義是:在一套規定的條件下(振幅、頻率、溫度、總電容、放大器輸入電阻、安裝力矩等)工作加速度計的電輸出與它安裝面所承受的加速度之比。
9、問:什么是安裝剛度?它在振動、沖擊測量中有何影響?
答:為了測量物體的振動,必須將接觸式振動傳感器接觸或安裝到被測物體上,任何安裝方式都是彈性連接的,如果傳感器和被測物體完全聯在一起,形成一體,這就是物理學中所說的成為一個剛體了。這時,安裝剛度很大很大,彈性很小很小,這就是安裝剛度的概念。
實際安裝時,安裝剛度不可能無限大,則傳感器的質量與安裝的彈性組成了一個彈簧—質量系統。如果這個系統的諧振頻率很小,則傳感器測出的振動就不但有被測物體的振動,還有傳感器—安裝彈簧系統的振動,總而言之,傳感器—安裝彈簧共振的話,失真就非常大了。
如壓電加速度計有以下幾種典型安裝方式:手持接觸,橡皮泥安裝、蠟粘結、磁鐵吸附安裝,502膠粘結,絕緣螺釘安裝、鋼制螺釘安裝等。顯然按這些順序排列的安裝方式,其安裝諧振頻率越來越高,即安裝彈性越來越小,安裝剛度越來越大。
10、問:某工廠生產的壓電加速度計在出廠檢驗證中有一張頻率特性曲線,曲線是從200Hz到35kHz,請說明該加速度計在200Hz以下能用嗎?
答:200Hz以下可以使用,因為加速度計的頻率響應從幾百赫以下都是平直的,一般可延伸到十赫左右,再往下,就要考查放大器的特性是否合適。如放大器比較好,0.5dB下限頻率可以到1Hz以下。出廠時只給出200Hz的起點,是頻響裝置所限,而不是傳感器的原因。
11、問:舉出輸出電量正比于加速度、速度和位移的傳感器。
答:輸出電量正比于加速度的傳感器有:壓電加速度計,伺服加速度計,應變式加速度計。
輸出電量正比于速度的傳感器有:電磁傳感器、速度傳感器、地震儀。
輸出電量正比于位移的傳感器有:渦流傳感器、電容傳感器、差動變壓器傳感器、光纖位移傳感器、激光干涉議。
12、問:什么叫傳感器的橫向靈敏度和橫向靈敏度比?
答:對單軸向傳感器來說,橫向靈敏度是指在承受橫向振動時,傳感器的電輸出與輸入振動量之比,它是頻率和傳感器橫向面位置的函數。
橫向靈敏度比表示為橫向靈敏度的最大值與該傳感器軸向靈敏度的比值,以百分數表示。其公式是其中:TSR--橫向靈敏度比
--橫向靈敏度
--軸向靈敏度
13、問:常用的機械式振動臺和電動式振動臺在激振原理方面有什么不同?其主要特點是什么?
答:機械式振動臺是由偏心質量在轉動時產生的慣性力或由偏心連桿在運動時產生的偏心距來激振的。其主要特點是振動頻率低,頻帶窄、波形失真大、無漏磁、幅度調節不方便,很難自動掃頻。
電動式振動臺是通過載流導體在磁場中產生電動力的原理來激振的。其主要特點是下限頻率較高,頻帶寬,波形失真小,幅度調節和頻率調節都很方便,有的還可以自動掃頻,但臺面往往有漏磁,成本較高。
14、問:什么是振動臺的交越頻率?同樣推力的振動臺,交越頻率低意味著什么?
答:在振動環境試驗中,交越頻率是指振動特征量由一種關系變為另一種關系的頻率點。例如由等位移—頻率關系變為等速度—頻率關系時,就有一個交越頻率。推力=式中:m--振動臺活動部分質量
M--振動承載質量
D--振動臺位移單峰值
推力相同,交越頻率低,意味著承載能力大(M可大些)或位移幅值大;或者意味著頻帶范圍寬。因此同樣的推力,交越頻率低,意味著臺子的性能優越。
15、問:試述電動振動臺氣隙的作用?
答:電動振動臺的不動部分如磁鐵,勵磁、線圈或永久磁鐵的磁缸和可動部分例如動圈、懸掛彈簧及臺面,是靠氣隙互相耦合的,氣隙雖小,卻起很重要的作用,它把電氣系統和機械系統耦合起來了。
氣隙過小,易造成摩擦損壞且波形不好,這是不允許的;氣隙過大則電氣耦合弱,電—機轉換效率低。因此要求氣隙干凈、干燥,如果是壓縮空氣的話,還要求氣流穩定,否則會產生噪聲、漂移、竄動或波形失真。
16、問:什么是振動臺的低頻竄擾?其產生的主要原因是什么?
答:振動臺低頻竄擾的是指在規定的振動波形上,疊加著一個低頻大振幅的振動現象。
形成低頻竄擾的原因很多,主要由機械導向,傳動部分的干摩擦和機械臺的傳動皮帶輪引起的共振造成的。電動臺有時會由于50Hz的干擾引起竄擾。所以增加機械臺的潤滑,保持電動臺的氣隙潔凈,減少各種機械傳動干擾和50Hz電源干擾。一般可以消除低頻竄擾。
17、問:使用凸輪式碰撞臺的主要要點有哪些?
答:1)根據試驗要求,按有關標準選擇嚴酷等級和安裝試件。
2)對于二側加墊層的碰撞臺,其緩沖墊層必須按標定時的嚴酷等級所要求的順序排列,且二側一一對應。
3)碰撞臺在使用中改變嚴酷等級,更換墊層和停用時,必須注意安全,工作結束后必須使碰撞臺面與緩沖墊層脫離接觸,為避免墊層長期受壓而改變其特性。
18、問:電動振動臺的活動系統質量應如何測定?
答:保持振動臺的推力不變,分別測出空載和加載時的加速度值,就可確定振動臺活動系統的質量。具體作法:保持電動臺功放的電流不變,分別測出臺面空載和加載N公斤(質量)時的加速度和,則活動系統的質量為:
(公斤)
19、問:什么叫轉速?
答:在工程技術上把作圓周運動的物體在單位時間內轉過的圈數叫作轉速。
20、問:什么叫平均角速度?
答:作圓周運動的物體在單位時間內經過的角位移叫作平均角速度()。
21、問:轉速的單位名稱及符號是什么?
答:轉速的單位名稱是:轉每分,單位符號是:。
22、問:手持式轉速表在檢定時其轉軸上的測頭應與標準轉速裝置轉軸保持什么樣的位置?
答:手持式轉速表的轉軸測頭應與標準轉速裝置轉軸的接觸在同一軸線上,且無滑動現象。
23、問:定時式轉速表的工作原理是什么?
答:定時式轉速表是按照在一定的時間間隔內測量旋轉體轉數的方法確定轉速平均值,并由指針在表盤上直接指示被測轉速值。為了測定時間間隔,在定時轉速表上裝有定時機構,定時轉速表由此得名。
24、問試寫出離心式轉速表指針擺幅率的計算式,并寫明式中各符號的意義。測試指針擺幅率的意義是什么?
答:計算公式為:式中:--同一檢定點每次測定的指針擺幅值()
N--被檢表相應量限的上限值()。
測試擺幅率的意義在于檢查被測儀表的安裝狀況(固定式轉速表)或被檢表與標準轉速裝置的接觸狀況和被測轉速表的內部零件緊固狀況。無論是安裝、接觸狀況不好,還是內部有故障,擺幅率都會超差。在擺幅率合格后,方可進行其他各項檢定。
25、問:離心式轉速表的原理是什么?
答:離心式轉速表是利用物體旋轉時產生的離心力來測量轉速的。當離心式轉速表的轉軸隨被測物體轉動時,離心器上的重物在慣性離心力作用下離開軸心,并通過傳動系統帶動指針回轉。當指針上的彈簧反作用力矩和慣性離心力矩相平衡時,指針停止在偏轉后所指示的刻度值處,即為被測轉速值。這就是離心式轉速表的原理。
26、問:離心式轉速表和定時式轉速表各有何有缺點?
答:離心式轉速表是根據旋轉時產生離心力的原理做成的,結構簡單,使用方便,但是由于轉速和離心力的非線性,使這種表存在著方法誤差、工藝上的誤差,因而其精度影響也大。
定時式轉速表是在時間間隔內測量旋轉體轉數,再確定轉速平均值,因此這種表精度較高,體積較小,較輕便。
二者是機械式轉速表,精度都不是很高,但是價格便宜,使用方便。
這種轉速表都是接觸式測量,不能進行非接觸式測量。
27、問:試述磁感應式轉速表的測轉速原理。
答:磁感應式轉速表是根據磁感應原理制成的。磁感應式轉速表的表軸上永磁體轉動,就形成了旋轉的磁場。在此磁場內的敏感元件由于磁場的旋轉而切割磁力線,并產生感應電流,這一電流與永磁體相互作用而產生力矩(即渦流電磁力矩),此力矩和表頭上裝的游絲反作用力矩相平衡時,轉速表表盤上的指針就指出了此時的被測轉速值。這就是磁感應轉速表測量轉速的原理。
28、問:試簡述頻閃轉速的原理?
答:頻閃測轉速,是基于頻閃效應原理的。所謂頻閃效應就是物體在人的視覺中消失后,人的眼睛能保留一定時間的視覺印象(視后效)的現象。視后效的持續時間,在物體一般光度的條件下約1/15-1/20S的范圍內。若來自被觀察物體的刺激信號是一個跟著一個斷續的,每次都少于1/20S,則視覺印象來不及消失,從而給人以連續而固定的假象。
若用一閃一閃的光照明旋轉圓盤,在盤上偏離圓心的位置做以明顯的記號,則當閃光的閃次/分與旋轉圓盤的轉速相等時,圓盤上的記號即呈現停止狀態。若閃次/分為已知,則可測定圓盤的轉速。
這就是頻閃測速的原理。
29、問:閃頻法測轉速的計算公式是什么?請說明公式中各符號的意義。
答:閃頻法測轉速的計算公式是
式中:--閃頻燈的閃光次數。
--待測轉速。
--為閃頻象停留序數,它是兩次閃光間被測物轉過的圈數,實際上是旋轉物體轉速比閃光次數高的倍數,通常選k=1,mz共同稱為當頻閃象停留時在閃頻盤上出現的頻閃點數,而其中z是頻閃盤上貼的標記數,m是閃光頻率超過轉速的倍數。也就是說貼的標記越多,閃光頻率越高,頻閃盤上的頻閃點數就多。
轉速高于閃光頻率k倍,將形成單定象,閃光頻率比轉速高m倍時,將形成m重象。
30、問:電子計數式轉速表的精度等級是怎么劃分的?
答:電子計數式轉速表的等級是百分誤差表示的,安 1-2-5序列分等。其主要技術指標有四個,即示值誤差,示值變動性,計數器時基準確度,計數器4小時時基穩定度。
等級劃分如下(%):
0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1。
示值誤差指標是(設等級為A);
±A%×n±1個字。
示值變動性指標是(設等級為A);
±A%×n±2個字。
計數器時基準確度和4小時時基穩定度指標是:
0.01級均為;0.02級均為;0.05級均為0.1級以下的轉速表對此二項不作要求。
31、問:試簡述電子計數轉速表時基穩定度的檢定方法,并給出時基穩定度計算公式?
答:電子計數式轉速表時基穩定度可用二種方式檢定,一種是用標準頻率源送信號給表,一種是用標準頻率計檢表內的晶體振蕩器。
無論哪種方式都是開機后預熱半小時以上,讀取第一個數值,然后每隔半小時測量一次,每次讀取一個顯示值,連續測量4小時,讀取九個顯示值。表的時基準確度計算如下:

式中時基穩定度;
4小時內讀數的最大顯示值和最小顯示值;
或者是標準頻率的讀數;或者是表內晶體振蕩器的讀數。
32、問:何謂測頻法?簡述其工作原理。
答:測頻法,在轉速測量計量中是指用測量頻率的方法去測量轉速。
用接觸或非接觸的方法做成的轉速傳感器取來轉速信號,將其送入頻率計數器,而頻率計數器給出標準時間間隔,例如0.1,1,2,6,10,30,60s等等,在此時間間隔內由頻率計數器記下傳感器送入的脈沖數,即測出了旋轉的頻率。而轉速和旋轉頻率的關系是:
n=60×f
因此轉速通過測量頻率的方法可以獲得。
電子計數式轉速表測出了頻率,直接就轉換成了轉速(r/min)。 

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