超低頻測振儀的優(yōu)化設計

超低頻測振儀隨著大型設計的出現(xiàn)，通用的測量精度無法滿足設計結構的動態(tài)特性。應開發(fā)出多功能的超低頻振動測量儀器，以便不僅滿足一般工程的振動測量，而且滿足較大結構的動態(tài)特性測量。本文介紹了采用無源伺服技術研制成功的941B型超低頻測振儀的原理及性能。941B型測振儀包括941B型拾振器和941型放大器。拾振器設計成往復式輕擺結構,克服了回轉擺低頻拾振器體積大、使用中需要調零、運輸中簧片易損和頻帶窄的缺點。拾振器采用了無源伺服技術,拓寬了拾振器的低頻使用范圍和測量量程,拾振器上設置了一個微型開關,可以改變拾振器的測量量程、通頻帶、靈敏度以及測量參量(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開關、放大器上參數選擇開關及放大倍數開關檔位的不同組合,可提供不同頻帶、不同量程的加速度、速度或位移的參量,從而實現(xiàn)一機多能的特點。194拾振器頻率使用的頻率范圍941B型拾振器屬于往復擺式絕對測振儀,其基本原理可用圖1的數學模型來描述,輸出電路如圖2所示。圖1中m為運動部分質量,k為支承導向彈簧剛度,b為包括空氣阻尼在內的阻尼力系數,X為地基的運動位移,x為質量相對于外殼的運動位移。圖2中G為動圈的機電耦合系數,i為線圈中的電流,運動微分方程為:m¨x+b˙x+kx+Gi=-m■AX¨U1■(1)當拾振器構成無源伺服系統(tǒng)時,其輸出電壓與地面運動速度成正比,其電路方程為Rsi+e=G˙xC˙e+1Re=i}(2)式(2)中的Rs為動圈內阻,C為并聯(lián)電容,R為并聯(lián)電阻,e為輸出電壓。設空氣阻尼可以忽略,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。當R→∞,G2Cm>>1時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,最大可測位移隨頻率變化,在頻率n以上,受到n1和n2兩項的影響,頻率越高,被測幅值越小,逐漸接近于X≈x。由式(11)可見,在n1很高時,n2和n20之比為:n2n20≈11+G2RCm(R+Rs)(15)n值遠比n0為小,故可使測量范圍延伸到低于自振頻率范圍。當R→∞,G2RCm(R+RS)>>1時,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。當構成速度擺加速度計時,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n0=ω;D1>>1時,拾振器構成加速度計,加速度計的靈敏度為低頻下限可按式(22)計算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標準941B型超低頻無源伺服拾振器技術指標如表1所示。拾振器的幅頻特性曲線和可測位移曲線見圖4和圖5。394測振放大器的選擇放大器的原理如圖6所示。941B型測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信號的要求,根據要求可選擇不同的放大倍數;積分器可將速度信號進行一次積分獲得位移信號,濾波器設計成3頻段高陡度低通濾波器,以濾除不必要的高頻信號。放大器具有參數選擇開關,放大倍數開關,通頻帶選擇開關。放大器選用了低噪聲、高精度運算放大器,可獲得較大的動態(tài)范圍。放大器可使用直流電或交流電,以滿足野外振動測量。941B型測振放大器的技術指標放大倍數K:參數選擇開關置于1時,K=10～5000;參數選擇開關置于2時,K=1～500。參數選擇開關置于3時,K=5～2500,KI1=20;參數選擇開關置于4時,K=1～500,KI2=4。其中KI1及KI2為積分增益。4結語從表1和放大器的技術指標可以看出,合理地選擇拾