用力传感器测量位移和加速度的方法_徐庆华

第31卷第1期

1999年2月

Journal of Nanjing U niversity of Aeronautics &Astronautics F eb. 1999

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报

V ol. 31No. 1

用力传感器测量位移和加速度的方法

徐庆华

(南京航空航天大学振动工程研究所 南京, 210016)

*

摘要 指出用常规方法测量位移和加速度的局限性。依据力传感器良好的频响特性, 并借助FFT 技术, 提出一种用力传感器测量位移和加速度的新方法。该方法实现简便, 能在较宽的频率范围内测量位移和加速度, 尤其能较精确地测量大位移和低频加速度, 还能校准加速度传感器低频段特性。实验证明, 该方法是行之有效的。关键词:振动测量; 力传感器; 位移; 加速度中图分类号:O329

位移和加速度是振动测量与分析的两个主要物理量。长期以来, 人们一直采用直接测量法测量这两个物理量, 即用位移传感器测量位移, 用加速度传感器测量加速度

[1, 2]

。直接

测量法在一般的场合是可行的, 但在一些特殊场合, 由于结构动态特性或试验条件的限制, 往往会引起较大的测量误差, 甚至无法正确测量。例如, 类似桥梁、建筑物这样的大型结构, 由于其共振频率较低(一般为0. 15Hz) , 位移很大。因此, 一般很难用位移传感器测量其位移, 也难以用加速度传感器加上积分电路测量这一位移[3]。又如, 由于加速度传感器(包括电荷放大器) 低频段灵敏度与参考灵敏度偏差较大, 用加速度传感器测量低频加速度会产生较大的误差。加速度传感器的低频段(10Hz 以下) 性能校准也是令人头痛的事情。本文提出的方法能有效地解决上述问题。实验证明, 该方法是行之有效的。

1 理论依据

设一被测结构作初始位移为零的振动, 在该结构一测量点上装一个质量为m 的质量块, 用力传感器测量该质量块对测量点的作用力(如图1) 。设测出的力信号f 为

f =A f cos (X t +U f )

加速度a 和位移d 分别为

*

(1)

式中:X 为圆频率; (X t +U f ) 为相位; A f 为振幅; U f 为初相角。根据力学原理, 该测量点的

收稿日期:1998-05-21; 修改稿收到日期:1998-07-02

, , 年4月生。

104

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第31卷

a =A a cos (X t +U a ) =d =A d cos (X t +U d ) =若力信号为多谐波信号

A f

cos (X t +U f ) m

(2)

A a A f

cos (X t +U -P ) =cos (X t +U (3) ) a f -P X 2m X 2

(4)

Q Q

t 0

(

t

a d t) d t =

f =A f 0cos (X 0t +U f ) +A f cos (X 1t +U f ) +, +A f cos (X N-1t +U f ) 011N-1N-1

则相应的加速度与位移分别为

a=A a 0cos (X 0t +U a 0) +A a 1cos (X 1t +U a 1) +, +A a N-1cos (X N-1t +U a N-1) cos (X 0t +U cos (X 1t +U cos (X N-1t +U f 0) +f 1) +, +f N-1) m m m

d =A d 0cos (X 0t +U d 0) +A d 1cos (X 1t +U cos (X N-1t +U ) d ) +, +A d d

1N-1N-1=

A f 0m X 20

cos (X 0t +U ) +f 0-P

A f 1m X 21

cos (X 1t +U ) +, f 1-P

=A f 0

A f 1

A f N-1

(5)

+

A f N-1m X 2N-1

cos (X N-1t +U ) f N-1-P

(6)

由以上分析可知:若力信号是简谐信号, 求出该信号的A f , X 和U f , 再根据式(2, 3) , 求出对应的加速度和位移; 若力信号是多谐波信号, 求出该信号各谐波分量的幅值、圆频率和初相角(即A f 0, X 0, U f , A f , X 1, U f , 011, , A f N -1, X N -1, U f ) , 再根据式(5, 6) 求出相应的加速度和位移。求多N -1谐波信号中各谐波分量的幅值、圆频率和初相角正是快速傅立叶变换

图1 力传感器

的安装

(FFT ) 解决的问题。

一样本长度为T 的时域信号x (t) 经数据采集后, 形成离散数据x (nt s ) , t s 为采样周期。如果在时间T 内采集N 个数据, 则x (t ) 归一化的离散傅立叶变换(DFT ) 与逆变换(IDFT) 分别为

N-1

X (k ) =DFT [x (n) ]=

n =0

E

x (n) e

N-1n=0

-j () nk

N

2P

(7) (8)

x (n) =IDT F [X (k ) ]=N

E

X (k) e j() nk

式中n 和k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。DFT 及IDFT 采用离散傅里叶变换快速算法(FFT 及IFFT) 。x (n ) 经离散傅里叶变换后得到的X (k ) 是一个长度为N 的复数序列(频谱)

X (k ) =DFT [x (n ) ]=[(a 0, j b 0) , (a 1, j b 1) , , , (a N-1, j b N -1) ]可根据下式求出x (n) 中各谐波分量的幅值、圆频率及初相角

A k =

a k +b k

(9)

X k =2P

T

(10)

)

b k

U k =arctg a

k

, , 2, (N -1。

第1期徐庆华:用力传感器测量位移和加速度的方法

105

2 测量位移和加速度的具体过程

首先应根据测试设备的量程及被测位移或加速度的大小选择具有合适灵敏度的力传感器, 以及一个质量适中的质量块(设为m kg ) 。在测量点位置安装力传感器, 在力传感器上装质量块。若力传感器不在垂直方向, 必须使用橡皮绳悬挂质量块, 消除质量块对力传感器的静挠度。

经数据采集后得到离散力信号f (n) , 将f (n) 作FFT 求出其频谱F (k ) , 由频谱求出各谐波分量的幅值A f k 、圆频率X k 和初相角U f

k

FFT [f (n ) ]=F(k ) =[(a f 0, j b f 0) , (a f 1, j b f 1) , , , (a f N-1, j b f N-1) ]A f k =

a f k +b f k

(11)

b f k

U f =arctg k a f k

X

(12)

X k =2P

T

再根据以下两式, 分别求出位移与加速度中各谐波分量的幅值(A d k 与A a k ) 和初相角(U d k 和U a k )

A d k =A a k =

A f k m X 2k A f k

U d k =U f k -P

(13) (14) (15) (16)

U a k =U f k

m

于是可以求出位移频谱D(k ) 和加速度频谱A (k )

D(k ) =[(a d 0, j b d 0) , (a d 1, j b d 1) , , , (a d N-1, j b d N-1) ]其中:a d k =A d k cos U d k ; b d k =A d k sin U d k , k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。

A (k ) =[(a a 0, j b a 0) , (a a 1, j b a 1) , , , (a a N-1, j b a N-1) ]

其中:a a k =A a k cos U a k ; b a k =A a k sin U a k , k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。

有两种方法可以得到离散位移d (n) 和离散加速度a(n ) , 一种方法是将D (k ) 和A (k) 进行IFFT, 另一种方法是利用以下两式

N-1

d (n) =a(n) =

k=0N-1k=0

E A d cos (X k t s n +

k k

U d k ) U a k )

(17) (18)

E A a cos (X k t s n +

3 应用举例

3. 1 校准加速度传感器低频段性能

,

106

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第31卷

性。工程上经常要测试10H z 以下的加速度(如飞机全机模态试验) , 过去由于受校准设备的限制, 通常将加速度计10Hz 以上的灵敏度参数延用到10Hz 以下。由于加速度传感器10Hz 以下的灵敏度与10H z 以上的灵敏度差别较大, 易引起较大的测试误差。可以用力传感器替代比较法校准系统中的标准加速度计, 并采用本文提出的测量加速度的方法校准加速度计。表1是一个校准加速度计灵敏度的实例, 为提高校准精度, 在不同的校准频率选用不同的质量块。

表1 用力传感器校准加速度计结果及其比较

校准结果(PC/g )

f /Hz 0. 512. [1**********]60

激光法2. 1352. 1222. 1042. 0912. 0762. 0492. 0462. 0271. 995

力传感器法2. 2112. 1622. 1422. 1162. 0972. 1102. 0642. 0332. 004

3. 2 测量多谐波位移

) +2cos(2@P @4. 8+) +cos(2@P @12+) 242

(mm) , 如图2(a) 所示。图2(b) 是测出的力信号, 力传感器灵敏度为1V/N, 质量块质量为

一位移信号为5cos(2@P @0. 5-1kg 。图2(c) 是用本文方法由图2(b)

力信号得到的位移。

图2 测量多谐波位移

第1期徐庆华:用力传感器测量位移和加速度的方法

107

4 结束语

用力传感器测量位移和加速度所涉及到的仪器设备都是一些常用测试设备, 毋须再投入资金, 且实现简便。测试不受频率高低及位移大小的限制, 并具有较高的测试精度, 其突出的优势在于能够有效地测量大幅值位移和低频加速度, 在工程上具有较高的实用价值。具体实现该方法时同样要考虑信号混叠、泄漏以及离散傅立叶变换的折迭特性等。

1 (日) 谷口修主编. 振动工程大全(下) 1尹传家译. 北京:机械工业出版社, 1983. 621382 汪风泉, 郑万泔. 试验振动分析. 南京:江苏科技出版社, 1988. 3862

3 徐庆华. 试采用FFT 方法实现加速度、速度和位移的相互转换. 振动、冲击与诊断, 1997, 4:

3034

A Method for Measuring

Displacement and Acceleration Using Force Transducer

X u Qinghua

03

.

Research Institute of Vibration Engineer ing ,

Nanjing U niversity of Aeronautics &Astronaut ics Nanjing, 210016

Abstract The limitations of the routine methods for measuring displacement and acceleration are presented. A new method based on fast Fourier transform and the excellent frequency re -sponse characteristic of the force transducer is suggested. The method is easy to be used, and it can measure displacement and acceleration in w ide frequency band. Especially, the displace -ment w ith larg e amplitude or the acceleration in the low frequency band can be accurately mea -sured by the method. Besides, the method can be used to calibrate the low frequency character -istic of an acceleration transducer.

Key words:vibration measurement; force transducer; displacement; acceleration

第31卷第1期

1999年2月

Journal of Nanjing U niversity of Aeronautics &Astronautics F eb. 1999

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报

V ol. 31No. 1

用力传感器测量位移和加速度的方法

徐庆华

(南京航空航天大学振动工程研究所 南京, 210016)

*

摘要 指出用常规方法测量位移和加速度的局限性。依据力传感器良好的频响特性, 并借助FFT 技术, 提出一种用力传感器测量位移和加速度的新方法。该方法实现简便, 能在较宽的频率范围内测量位移和加速度, 尤其能较精确地测量大位移和低频加速度, 还能校准加速度传感器低频段特性。实验证明, 该方法是行之有效的。关键词:振动测量; 力传感器; 位移; 加速度中图分类号:O329

位移和加速度是振动测量与分析的两个主要物理量。长期以来, 人们一直采用直接测量法测量这两个物理量, 即用位移传感器测量位移, 用加速度传感器测量加速度

[1, 2]

。直接

测量法在一般的场合是可行的, 但在一些特殊场合, 由于结构动态特性或试验条件的限制, 往往会引起较大的测量误差, 甚至无法正确测量。例如, 类似桥梁、建筑物这样的大型结构, 由于其共振频率较低(一般为0. 15Hz) , 位移很大。因此, 一般很难用位移传感器测量其位移, 也难以用加速度传感器加上积分电路测量这一位移[3]。又如, 由于加速度传感器(包括电荷放大器) 低频段灵敏度与参考灵敏度偏差较大, 用加速度传感器测量低频加速度会产生较大的误差。加速度传感器的低频段(10Hz 以下) 性能校准也是令人头痛的事情。本文提出的方法能有效地解决上述问题。实验证明, 该方法是行之有效的。

1 理论依据

设一被测结构作初始位移为零的振动, 在该结构一测量点上装一个质量为m 的质量块, 用力传感器测量该质量块对测量点的作用力(如图1) 。设测出的力信号f 为

f =A f cos (X t +U f )

加速度a 和位移d 分别为

*

(1)

式中:X 为圆频率; (X t +U f ) 为相位; A f 为振幅; U f 为初相角。根据力学原理, 该测量点的

收稿日期:1998-05-21; 修改稿收到日期:1998-07-02

, , 年4月生。

104

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第31卷

a =A a cos (X t +U a ) =d =A d cos (X t +U d ) =若力信号为多谐波信号

A f

cos (X t +U f ) m

(2)

A a A f

cos (X t +U -P ) =cos (X t +U (3) ) a f -P X 2m X 2

(4)

Q Q

t 0

(

t

a d t) d t =

f =A f 0cos (X 0t +U f ) +A f cos (X 1t +U f ) +, +A f cos (X N-1t +U f ) 011N-1N-1

则相应的加速度与位移分别为

a=A a 0cos (X 0t +U a 0) +A a 1cos (X 1t +U a 1) +, +A a N-1cos (X N-1t +U a N-1) cos (X 0t +U cos (X 1t +U cos (X N-1t +U f 0) +f 1) +, +f N-1) m m m

d =A d 0cos (X 0t +U d 0) +A d 1cos (X 1t +U cos (X N-1t +U ) d ) +, +A d d

1N-1N-1=

A f 0m X 20

cos (X 0t +U ) +f 0-P

A f 1m X 21

cos (X 1t +U ) +, f 1-P

=A f 0

A f 1

A f N-1

(5)

+

A f N-1m X 2N-1

cos (X N-1t +U ) f N-1-P

(6)

由以上分析可知:若力信号是简谐信号, 求出该信号的A f , X 和U f , 再根据式(2, 3) , 求出对应的加速度和位移; 若力信号是多谐波信号, 求出该信号各谐波分量的幅值、圆频率和初相角(即A f 0, X 0, U f , A f , X 1, U f , 011, , A f N -1, X N -1, U f ) , 再根据式(5, 6) 求出相应的加速度和位移。求多N -1谐波信号中各谐波分量的幅值、圆频率和初相角正是快速傅立叶变换

图1 力传感器

的安装

(FFT ) 解决的问题。

一样本长度为T 的时域信号x (t) 经数据采集后, 形成离散数据x (nt s ) , t s 为采样周期。如果在时间T 内采集N 个数据, 则x (t ) 归一化的离散傅立叶变换(DFT ) 与逆变换(IDFT) 分别为

N-1

X (k ) =DFT [x (n) ]=

n =0

E

x (n) e

N-1n=0

-j () nk

N

2P

(7) (8)

x (n) =IDT F [X (k ) ]=N

E

X (k) e j() nk

式中n 和k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。DFT 及IDFT 采用离散傅里叶变换快速算法(FFT 及IFFT) 。x (n ) 经离散傅里叶变换后得到的X (k ) 是一个长度为N 的复数序列(频谱)

X (k ) =DFT [x (n ) ]=[(a 0, j b 0) , (a 1, j b 1) , , , (a N-1, j b N -1) ]可根据下式求出x (n) 中各谐波分量的幅值、圆频率及初相角

A k =

a k +b k

(9)

X k =2P

T

(10)

)

b k

U k =arctg a

k

, , 2, (N -1。

第1期徐庆华:用力传感器测量位移和加速度的方法

105

2 测量位移和加速度的具体过程

首先应根据测试设备的量程及被测位移或加速度的大小选择具有合适灵敏度的力传感器, 以及一个质量适中的质量块(设为m kg ) 。在测量点位置安装力传感器, 在力传感器上装质量块。若力传感器不在垂直方向, 必须使用橡皮绳悬挂质量块, 消除质量块对力传感器的静挠度。

经数据采集后得到离散力信号f (n) , 将f (n) 作FFT 求出其频谱F (k ) , 由频谱求出各谐波分量的幅值A f k 、圆频率X k 和初相角U f

k

FFT [f (n ) ]=F(k ) =[(a f 0, j b f 0) , (a f 1, j b f 1) , , , (a f N-1, j b f N-1) ]A f k =

a f k +b f k

(11)

b f k

U f =arctg k a f k

X

(12)

X k =2P

T

再根据以下两式, 分别求出位移与加速度中各谐波分量的幅值(A d k 与A a k ) 和初相角(U d k 和U a k )

A d k =A a k =

A f k m X 2k A f k

U d k =U f k -P

(13) (14) (15) (16)

U a k =U f k

m

于是可以求出位移频谱D(k ) 和加速度频谱A (k )

D(k ) =[(a d 0, j b d 0) , (a d 1, j b d 1) , , , (a d N-1, j b d N-1) ]其中:a d k =A d k cos U d k ; b d k =A d k sin U d k , k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。

A (k ) =[(a a 0, j b a 0) , (a a 1, j b a 1) , , , (a a N-1, j b a N-1) ]

其中:a a k =A a k cos U a k ; b a k =A a k sin U a k , k 取为0, 1, 2, , , (N -1) 。

有两种方法可以得到离散位移d (n) 和离散加速度a(n ) , 一种方法是将D (k ) 和A (k) 进行IFFT, 另一种方法是利用以下两式

N-1

d (n) =a(n) =

k=0N-1k=0

E A d cos (X k t s n +

k k

U d k ) U a k )

(17) (18)

E A a cos (X k t s n +

3 应用举例

3. 1 校准加速度传感器低频段性能

,

106

南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第31卷

性。工程上经常要测试10H z 以下的加速度(如飞机全机模态试验) , 过去由于受校准设备的限制, 通常将加速度计10Hz 以上的灵敏度参数延用到10Hz 以下。由于加速度传感器10Hz 以下的灵敏度与10H z 以上的灵敏度差别较大, 易引起较大的测试误差。可以用力传感器替代比较法校准系统中的标准加速度计, 并采用本文提出的测量加速度的方法校准加速度计。表1是一个校准加速度计灵敏度的实例, 为提高校准精度, 在不同的校准频率选用不同的质量块。

表1 用力传感器校准加速度计结果及其比较

校准结果(PC/g )

f /Hz 0. 512. [1**********]60

激光法2. 1352. 1222. 1042. 0912. 0762. 0492. 0462. 0271. 995

力传感器法2. 2112. 1622. 1422. 1162. 0972. 1102. 0642. 0332. 004

3. 2 测量多谐波位移

) +2cos(2@P @4. 8+) +cos(2@P @12+) 242

(mm) , 如图2(a) 所示。图2(b) 是测出的力信号, 力传感器灵敏度为1V/N, 质量块质量为

一位移信号为5cos(2@P @0. 5-1kg 。图2(c) 是用本文方法由图2(b)

力信号得到的位移。

图2 测量多谐波位移

第1期徐庆华:用力传感器测量位移和加速度的方法

107

4 结束语

用力传感器测量位移和加速度所涉及到的仪器设备都是一些常用测试设备, 毋须再投入资金, 且实现简便。测试不受频率高低及位移大小的限制, 并具有较高的测试精度, 其突出的优势在于能够有效地测量大幅值位移和低频加速度, 在工程上具有较高的实用价值。具体实现该方法时同样要考虑信号混叠、泄漏以及离散傅立叶变换的折迭特性等。

1 (日) 谷口修主编. 振动工程大全(下) 1尹传家译. 北京:机械工业出版社, 1983. 621382 汪风泉, 郑万泔. 试验振动分析. 南京:江苏科技出版社, 1988. 3862

3 徐庆华. 试采用FFT 方法实现加速度、速度和位移的相互转换. 振动、冲击与诊断, 1997, 4:

3034

A Method for Measuring

Displacement and Acceleration Using Force Transducer

X u Qinghua

03

.

Research Institute of Vibration Engineer ing ,

Nanjing U niversity of Aeronautics &Astronaut ics Nanjing, 210016

Abstract The limitations of the routine methods for measuring displacement and acceleration are presented. A new method based on fast Fourier transform and the excellent frequency re -sponse characteristic of the force transducer is suggested. The method is easy to be used, and it can measure displacement and acceleration in w ide frequency band. Especially, the displace -ment w ith larg e amplitude or the acceleration in the low frequency band can be accurately mea -sured by the method. Besides, the method can be used to calibrate the low frequency character -istic of an acceleration transducer.

Key words:vibration measurement; force transducer; displacement; acceleration


相关文章

  • 基于频域滤波的加速度信号处理
  • 2012年 俊表技术与传感蠢 111stⅢment TechniqlIe al]d sensor 2012Nn4 第4期 基于频域滤波的加速度信号处理 方新磊,郝伟,陈宏 (郑州大学振动工程研究所.河南郑州450呻1) 摘要:在工程实测信号 ...查看


  • 基于加速度积分的桥梁振动位移的研究
  • [摘 要] 本文提出一种区别于传统挠度计.光学法等测量桥梁剪切方向振动位移的加速度测量方式,可在不阻断交通的情况下进行快速精确的测量.对传统测量方式对环境噪声的要求较低,仪器携带方便.操作简单. [关键词] 有线测量:无线测量:加速度传感器 ...查看


  • 同济大学建筑结构试验期末整理
  • 1. 结构试验的任务 在结构物或试验对象上,使用仪器设备为工具,利用各种实验技术为手段,在荷载或其他因素的作用下,通过量测与结构工作性能有关的各种参数,从强度.刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明建筑结构的实际工作性能,估计结构的承载能力 ...查看


  • 传感器完整版
  • 1.1测试系统的组成及作用 传感器(非电量→电量):用来感受被测信号,并将被测信号转换为适合于系统后续处理的电信号. 信号调理电路(电量→电量):对传感器的输出信号作进一步加工处理,以便于传输.显示.记录以及后续进一步处理(如相关分析.频谱 ...查看


  • 传感器的应用论文汽车传感器的论文
  • <自动化与仪器仪表>2010年第5期(总第151期) 多传感器在智能机器人中的应用研究 耿庆华,宋 弘,陈桂徐 (四川理工学院自动化与电子信息学院) * 摘 要:介绍了一种使用多传感器快速测量智能机器人与障碍物之间距离的方法,使 ...查看


  • 振动的测量
  • 8.1 振动的基础知识 与信号的分类类似,机械振动根据振动规律可以分成两大类:稳态振动和随机振动,如图8.1所示. 振动的幅值.频率和相位是振动的三个基本参数,称为振动三要素.只要测定这三个要素,也就决定了整个振动运动. 图8.1 振动的种 ...查看


  • 测振仪使用作业指导书
  • 1.目的 便于操作人员正确使用测振仪对设备振动进行正确量测,保证产品质量,达到客户满意. 2.适用范围 该仪器适用于设备的常规振动测量,尤其是旋转或往复式机械中的振动测量,可以测量振动的加速度.速度和位移,我司一般使用速度模式测量设备振动. ...查看


  • 中学数字化实验报告
  • 中学数字化实验报告 第 2 次 实验时间:3月12日 实验者:080113016许杨 实验成绩: 实验2:牛顿第二定律 [实验目的] 验证牛顿第二定律,即物体质量一定时,加速度与作用力成正比,作用力一定时,加速度与质量成反比. [实验器材] ...查看


  • 手机中的传感器
  • 手机中的传感器 如今,智能手机在生活中已经是必不可少的了,人人都能使用手机,但我们对手机中的传感器又了解了多少呢? 手机传感器是手机上通过芯片来感应的元器件,如温度值.亮度值和压力值等. 随着技术的进步,手机已经不再是一个简单的通信工具,而 ...查看


热门内容