適合于振動/波動測試的傳感器耦合裝置及阻尼調(diào)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器耦合裝置及阻尼調(diào)試方法，尤其涉及適合于振動/波動測試的 傳感器耦合裝置及阻尼調(diào)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在對振動、波動的測試中，由傳感器拾取被測結(jié)構(gòu)的振動信號是目前最為主流的 方式，傳感系統(tǒng)（包括傳感器、耦合方式）對測試信號有著最為直接的影響。
[0003] 傳感器的主要指標(biāo)有質(zhì)量、靈敏度、頻響范圍、固有頻率、橫向靈敏度、溫度范圍以 及抗沖擊性等指標(biāo)。其中最為重要的指標(biāo)為傳感器的質(zhì)量、靈敏度、頻響范圍。對于傳感器 的質(zhì)量，如果加速度計(jì)的動態(tài)質(zhì)量接近被測結(jié)構(gòu)物的動態(tài)質(zhì)量，則會使振動產(chǎn)生明顯的衰 減和頻率的下降。但是，傳感器的質(zhì)量與靈敏度往往成正比，因此，在滿足靈敏度的條件下， 應(yīng)盡量選用質(zhì)量小的傳感器。再者，對于測試信號而言，當(dāng)然是靈敏度越高越好，但靈敏度 高的傳感器一般質(zhì)量大、頻響范圍窄。對于頻響范圍，一般指頻響特性曲線中平坦的部分 (如圖3所示），對于頻率在該范圍中的振動信號，傳感器的輸入值與振動幅值的比例一定， 一般來說，共振頻率越高的傳感器，頻響范圍越寬，但靈敏度也越低。
[0004] 現(xiàn)有傳感器的耦合方式主要有螺栓固定式、磁性卡座式、強(qiáng)力粘接式、弱力粘接 式、探針壓著式以及按壓壓著式。對于螺栓固定式，其固定最為牢靠，頻響特性穩(wěn)定，但需要 在被測體上鉆孔，不僅操作費(fèi)時費(fèi)力，而且對被測體有一定的損傷。對于磁性卡座式固定方 法，由于要在測試面上涂油，表面狀態(tài)較好的條件下，效果與螺栓固定相近，但僅適用于鐵 質(zhì)被測體。對于強(qiáng)力粘接式的固定方法，傳感器粘在被測體上進(jìn)行測試，如果表面狀態(tài)良 好，其固定效果與螺栓固定接近，但由于膠體厚度對頻響特性影響大，測試效率較低。采用 弱力粘接式的方法將傳感器粘在被測體上進(jìn)行測試，測試作業(yè)相對簡單，但僅適用于測試 對象頻率較低的場合，而且頻響特性不穩(wěn)定。采用探針式壓著測試方式雖可適用于狹窄部 位，但有效測試范圍在IkHz以下，只適用于低頻信號測試。采用人工或機(jī)械的按壓方式雖 測試作業(yè)最為簡單，效率和適用性最高，但壓著力度對頻響特性有影響，而且傳感器與被測 體的接觸狀態(tài)難以保障。
[0005] 綜上所述，各類固定方式均有明顯的缺陷，特別是對于交通、鐵道、水利等大體積 混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力檢測和測試時，由于測試對象面積大，被測體無磁性且被測體表面比 較粗糙、不少場合中還有水分等，使得上述螺栓、磁性卡座、弱力粘結(jié)以及探針式均不適用 于此類被測體，而強(qiáng)力粘結(jié)式在被測體表面有水分的情況下也難以適用，只能采用按壓式 固定方式。按壓式固定方式一般直接用手將傳感器按壓在被測體的表面上，測試結(jié)果容易 受按壓力度影響且傳感器與被測體表面接觸狀態(tài)也不易保障，再者，現(xiàn)有采用傳感器支座 固定傳感器的方式對測試系統(tǒng)的頻響特性有較大的影響，無法保證測試精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)頻響特性不穩(wěn)定、測試效率較低等缺陷，本發(fā)明特提供 一種適合于振動/波動測試的傳感器耦合裝置及阻尼調(diào)試方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 適合于振動/波動測試的傳感器耦合裝置，包括頭套、設(shè)置在頭套中的卡座以及 固定在頭套下端的底座，頭套、卡座均為空腔結(jié)構(gòu)，頭套下端開口，卡座上下表面均開口，卡 座卡設(shè)在頭套的內(nèi)腔中；卡座內(nèi)壁上涂抹有與傳感器相連的耦合劑；所述底座上表面開設(shè) 有供傳感器下端穿過的孔。還包括設(shè)置在卡座的外壁與頭套的內(nèi)壁間的耦合劑。在測試 時，將傳感器嵌入本方案的卡座中，并使傳感器下端穿過底座上的孔，卡座的設(shè)置對傳感器 提供了 一個側(cè)向阻尼并對其側(cè)向位移加以限制。填充在卡座內(nèi)壁與傳感器之間的耦合劑相 對于現(xiàn)有的將耦合劑涂抹在傳感器和被測體之間的耦合方式相比，增加了傳感器與傳感器 耦合裝置的接觸粘性，在不降低測試系統(tǒng)剛性的前提下，減小了動態(tài)誤差。
[0009] 進(jìn)一步地，還包括設(shè)置在頭套中的彈簧以及橡膠墊片，彈簧的一端與頭套上頂部 相連，另一端與橡膠墊片相連。在測試時，將嵌入卡座中的傳感器與橡膠墊片相連，傳感器 將在自身重力與彈簧彈力的作用下提供穩(wěn)定的按壓力度。再者，彈力的作用也將穩(wěn)固傳感 器并限制其底部漏出長度，避免手按過程中因力度變換、抖動等引起傳感器的自身輸出信 號導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)。
[0010] 進(jìn)一步地，所述底座與頭套下端螺紋連接。在本方案中，當(dāng)用手將傳感器耦合裝置 與傳感器同時按壓在被測物表面時，底座承載了手按的力量，而傳感器本身只受到了彈力 彈簧和橡膠墊的按壓力，不受手按力量的影響，同時與頭套下端螺紋連接的底座也增加了 傳感器與被測物表面的接觸面積，減小了因手抖導(dǎo)致的傳感器與被測物表面接觸不良的缺 陷。
[0011] 為了測試系統(tǒng)阻尼是否達(dá)到所需的阻尼比，發(fā)明人進(jìn)一步地提出適合于振動/波 動測試的傳感器耦合裝置的阻尼調(diào)試方法，包括以下步驟：
[0012]a)將傳感器嵌入卡座中，并使傳感器下端穿過底座上的孔，在此狀態(tài)下，傳感器下 端將有一部分露出底座；
[0013]b)松開傳感器，使其在彈簧的作用下恢復(fù)自由狀態(tài)，測量其所需的復(fù)原時間t1;
[0014]c)根據(jù)彈力彈簧的彈簧系數(shù)kz、傳感器系統(tǒng)的固有頻率CO、傳感器系統(tǒng)的質(zhì)量m計(jì)算出涂抹耦合劑后其應(yīng)該復(fù)原的時間t2;
[0015]d)將測試得到的^與t2?行對比，若ti落入、的范圍內(nèi)，則涂抹的耦合劑滿足 測試系統(tǒng)所需的阻尼比要求，若h未落入12的范圍內(nèi)，對涂抹的耦合劑厚度進(jìn)行調(diào)整，直到 L落入t2的范圍內(nèi)。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟c)中，涂抹耦合劑后其應(yīng)該復(fù)原的時間12的計(jì)算方式如下：
[0017] 阻尼c可按以下公式計(jì)算：
[0018] c=kzt2
[0019] 測試系統(tǒng)的阻尼比h由下列公式計(jì)算：
[0021] 傳感器測試系統(tǒng)所需阻尼比一般要求小于0. 2大于0. 5,若使h< 0. 2且h大于 0. 5,根據(jù)以上兩個公式，可計(jì)算出1~2的范圍為：
[0023] 根據(jù)以上步驟，發(fā)明人可將測試所得的h與計(jì)算所得的^進(jìn)行對比，若ti短于預(yù) 設(shè)范圍t2,則增加耦合劑的厚度，反之則減少耦合劑的厚度。本方案中的阻尼調(diào)試方法保證 了測試系統(tǒng)的阻尼比滿足要求，使得測試信號更為穩(wěn)定，效果更好。
[0024] 綜上所述，本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：
[0025] 1、卡座的設(shè)置對傳感器提供了一個側(cè)向阻尼并對傳感器的側(cè)向位移加以限制，底 座內(nèi)壁與傳感器以及卡座外壁與頭套內(nèi)壁之間填充的耦合劑在不減小傳感器與被測物接 觸剛性的前提下增加了測試系統(tǒng)的粘性，改善了測試系統(tǒng)的頻響范圍，減小了動態(tài)誤差。
[0026] 2、彈簧和橡膠墊的設(shè)置對傳感器提供了穩(wěn)定的按壓力度，保證頻響測試穩(wěn)定。
[0027] 3、底座的設(shè)置起到了增加傳感器與被測物表面接觸面積的作用，減小了因手抖而 導(dǎo)致傳感器與被測物表面接觸不良的缺陷。
[0028] 4、阻尼調(diào)試方法保證了測試系統(tǒng)的阻尼比滿足要求，使得測試信號更穩(wěn)定，效果 更好。
【附圖說明】
[0029] 圖1為適合于振動/波動測試的傳感器耦合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為傳感器設(shè)置在傳感器耦合裝置中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3為傳感器頻響特性曲線圖；
[0032] 圖4為周期性支點(diǎn)振動引起的強(qiáng)制振動不意圖；
[0033] 圖5為不同阻尼比下X/Z~wQ/?的關(guān)系不意圖；
[0034] 圖6為傳感器直接按壓在被測物表面上的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖7-A為采用本發(fā)明的傳感器耦合裝置得到的測試結(jié)果圖；
[0036] 圖7-B為采用力度較小的手按得到的測試結(jié)果圖；
[0037] 圖7-C為采用力度較大的手按得到的測試結(jié)果圖；
[0038] 圖7-D為采用熱熔膠得到的測試結(jié)果圖；
[0039] 圖8-A為針對Im混凝土立方塊采用手按得到的測試結(jié)果圖；
[0040] 圖8-B為針對Im混凝土立方塊采用本發(fā)明的傳感器耦合裝置得到的測試結(jié)果圖。
[0041] 其中附圖標(biāo)記所對應(yīng)的零部件名稱標(biāo)記如下：
[0042] 1-頭套，2-卡座，3-底座，4-彈簧，5-橡膠墊片，6-傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式 并不限于此。
[0044] 實(shí)施例1
[0045] 如圖1、圖2、圖3所示，適合于振動/波動測試的傳感器耦合裝置，包括頭套1、設(shè) 置在頭套1中的卡座2以及固定在頭套1下端的底座3,頭套1、卡座2均為空腔結(jié)構(gòu)，頭套 1下端開口，卡座2上下表面均開口，卡座2卡設(shè)在頭套1的內(nèi)腔中；卡座2內(nèi)壁上涂抹有 與傳感器6相連的耦合劑；所述底座3上表面開設(shè)有供傳感器6下端穿過的孔。還包括設(shè) 置在卡座2的外壁與頭套1的內(nèi)壁間的耦合劑。還包括設(shè)置在頭套1中的彈簧4以及橡膠 墊片5,彈簧4的一端與頭套1上頂部相連，另一端與橡膠墊片5相連。所述底座3與頭套 1的下端螺紋連接。
[0046] 如圖4所示，振動傳感器的拾振對象為支點(diǎn)產(chǎn)生的振動z(t)，其運(yùn)動方程式為：
[0047]z(t)=Zsin(?0t)
[0048] 其中，Z為被測體振動的振幅；
[0049] ?。為被測體振動的角頻率；
[0050] 振動傳感器拾振得到的信號的運(yùn)動方程式為：
[0051] ,v(/) =Xsin((〇,,+(6)
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