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用于建筑結(jié)構(gòu)振動測量傳感器參數(shù)的選擇
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/8/5

  摘要:在建筑結(jié)構(gòu)振動測量中,經(jīng)常需要用到傳感器來測量其性能指標(biāo)和其他重當(dāng)箴們按照儀器使 用環(huán)境確定所需的傳感器類型后,如何根據(jù)不同情況選取具體參數(shù)的產(chǎn)品顯得尤為重要。文章介紹了各種類型 建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù),以合理地選擇傳感器的通頻帶、量程及運動參數(shù)等。

  關(guān)鍵詞:振動;傳感器;通頻帶;量程;運動參數(shù)

  傳感器在與國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各個領(lǐng)域中獲得越來越廣泛的應(yīng)用,它是信息采集和轉(zhuǎn)換的重要部件,測量和控制系統(tǒng)的首要儀器,測試計量和工業(yè)自動化、智能化的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。

 

  在建筑結(jié)構(gòu)振動測量中,人們期望獲得可靠的數(shù)據(jù),因而 選擇合適的振動測量儀器極為重要。使用者在購置測振儀前, 必須考慮到當(dāng)前使用環(huán)境及今后所會遇到的各類建筑結(jié)構(gòu)的測 振需要,綜合權(quán)衡以減少所購儀器的種類和數(shù)量。在選擇儀器時,通常要考慮傳感器的測量條件、性能及使用環(huán)境等因素ra。 確定這些條件后,還要考慮如下幾方面的具體因素。

  1 各類建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

  測量各類建筑結(jié)構(gòu)的振動用測量儀器,取決于所需測量的 建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù),包括頻率、幅值、運動參量(位移、速度或加速度),以及振動時間歷程的性態(tài)等。本文根據(jù)實測結(jié) 果給出各類建筑結(jié)構(gòu)基本參數(shù)值。表1為一般建筑結(jié)構(gòu)的振動 頻率范圍,表2為一般建筑結(jié)構(gòu)的振動幅值參數(shù)值,表3為幾 種高柔結(jié)構(gòu)實測振動參數(shù)。


  考慮到高階振型的固有頻率,一般建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率范 圍在0.5 ~ 20 Hz之間,而長大和高柔建筑結(jié)構(gòu)(如懸索橋、 斜拉橋、電視塔等)最低頻率可達(dá)0.05 Hz。

  在脈動情況下,一般建筑結(jié)構(gòu)的振動幅值通常位移在 0.1~100 JJL m之間,加速度在10-5 ~ 10-3 g之間。在受強(qiáng)迫振動 下,振動幅值視振源不同比脈動要大一個數(shù)量級以上。在大風(fēng) 作用下,其振動位移比加速度較安靜情況下的脈動值要大得 多。對于暢達(dá)和高柔建筑結(jié)構(gòu)(如髙層鋼結(jié)構(gòu)、電視塔等), 當(dāng)受風(fēng)作用時,其振動位移幅值可達(dá)數(shù)厘米乃至數(shù)十厘米。大 跨度橋梁(如懸索橋、斜拉橋等)在行車作用或大風(fēng)作用下, 其位移幅值均可達(dá)到數(shù)厘米,乃至大于10 cm的量級。

  2 振動測量儀器的選擇

  在振動測量中,振動傳感器的選擇非常重要。它直接影 響測試結(jié)果的重要性,選擇不當(dāng)往往會得出錯誤的結(jié)果。選 擇測試用傳感器時,不能一味追求頻帶寬、靈敏度高的傳感 器,而應(yīng)根據(jù)被研究對象的主要頻率范圍和主要頻率及幅值 來選擇。

  2.1合理選擇儀器的通頻帶

  從表1可以看出,一般建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率均不高,在足 夠的振型情況下,工程測振儀器的頻率范圍在0.5 ~ 100 Hz之 間即可滿足要求。在實際測量中,不同情況要區(qū)別對待,根據(jù) 實際情況來選擇頻率。通常場地脈動可選1~ 20 Hz,工程結(jié) 構(gòu)可選0.5 ~ 35 Hz,而長大和高柔結(jié)構(gòu)則需選0.1 Hz乃至更低 —些。目前,大部分儀器都設(shè)置有頻帶選擇開關(guān),應(yīng)用者可視 需要選擇適當(dāng)?shù)念l帶。

  2.2合理選擇儀器的量程

  從表2可以看出,一般工程建筑結(jié)構(gòu)振動的幅值范圍很 大,亦即常稱的動態(tài)范圍很大。在脈動測量中,位移幅值小至 1(1 m以下,而高柔結(jié)構(gòu)則可達(dá)數(shù)十厘米,脈動加速度為10* g量級。在強(qiáng)迫振動中,脈動加速器可達(dá)到lg量級。在購置儀器時,如能選用一儀多用的多功能測振儀較為理想。

  2.3運動參置的選擇

  運動參量通常指位移、速度和加速度。在測量建筑結(jié)構(gòu)的 基本振型時,其頻率均較低,加速度很小,此時宜采用測量位移為宜。要求取高階振型時,建筑結(jié)構(gòu)的振動位移反應(yīng)對高階 振型反應(yīng)不明顯,但對長大、高柔結(jié)構(gòu)而言,位移較大,用位 移進(jìn)行測量更具優(yōu)越性。

  在兼顧高階振型的獲取時,可以測量振動速度,這樣既將基本振型顯現(xiàn)出來,又可獲得一定數(shù)量的高階振型的信息。

  如果需要更多的髙階振型,則采用加速度記錄。


  圖1為二階振型系統(tǒng)的3種頻譜特性。位移的低頻分量突 出,高階振型的幅值小,速度兼顧高低2種振型幅值,而加速度高階振型突出。

  2.4根據(jù)振動時間歷程要求選用儀器


  根據(jù)振動時間歷程獲得的要求不同來選擇不同>的測量儀器。周期振動、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動可根據(jù)被測頻率范圍、振動幅值 大小來選擇儀器,而對于沖擊振動(如爆破、火箭沖擊視速 度、張拉釋放等非穩(wěn)態(tài)振動過程)選擇儀器時還應(yīng)注意考慮儀器的瞬態(tài)響應(yīng)影響。圖2為具有零頻特性的加速度計在受到?jīng)_ 擊正弦振動時的反應(yīng)曲線,在被測信號上疊加有高頻衰減信號,此為加速度計的自由振動項,用低通濾波可去掉其影響。 圖3為加速度計不是從零頻開始的記錄值。圖3中有一個低頻 衰!f過程,此為測量儀器的低頻下限引起的瞬態(tài)過渡過程,在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)予以高通濾去除。 

  速度拾振器、位移拾振器均有瞬態(tài)過程的出現(xiàn),且會造成起始幾個被測信號峰值的畸變,要想獲得滿意的分析結(jié)果需從 信號分析中進(jìn)行處理。

  對沖擊性的振動信號進(jìn)行測量時,選用具有零頻特性的加速度計為宜,在信號處理時只需濾去不需要的高頻衰減信號即 可。通常加速度計的自振頻率均遠(yuǎn)大于被測頻率,對被測波形 造成的失真較小。用電荷放大器調(diào)理的壓電加速度計或丨CPS 電加速度計的低頻端不能達(dá)到零頻,故在受到?jīng)_擊振動時,極 易出現(xiàn)如圖3所示的記錄信號,有時其過濾過程可能會完全掩 蓋有用的振動信號。

  以中國地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的9-4-1B型無源伺服拾振器為例,在測量速度時,其過渡過程的影響較小,而經(jīng)過積分放大器積分輸出位移時,過渡過程影響大,故在測量沖擊 性振動信號時,宜選取測量速度或測量加速度。

  3  結(jié)語

  工程結(jié)構(gòu)振動屬于穩(wěn)態(tài)的周期振動、隨機(jī)振動(如脈動等),考慮到頻帶上限到100 Hz即可,.而低頻下限需達(dá)0.2 HZ,可選取一儀多用的拾振器,后接積分放大器,而在滿足 頻帶要求的基礎(chǔ)上可以選取位移、速度或加速度進(jìn)行測量,而 且量程可以變化,據(jù)振動信號的大小來選取不同的信號輸出擋 位。如果考慮攜帶方便,且只需測量加速度反應(yīng)即可,則可選 取ICP型壓電加速度計進(jìn)行測童。如果需要測量脈動信號,宜 選取量程小于5 g,靈敏度大于0.5 V/g的ICP加速度計。如果 需要測量沖擊性加速度信號,宜選取壓阻式加速度計或具有零 頻特性的力平衡加速度計。(作者:宋麗紅,田輝鵬,黃浩華)

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