微振动的高精度测量原理

微振动的测量原理及其应用

吴志超（机械与电子工程学院电子信息工程）指导教师：许海峰

摘要：振动是指描述系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。

对振动的研究意义非常重大。通过掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动时，工程结构和机械产品的性能、寿命及安全的有害影响；本文介绍了接触式和非接触式两种微振动的测量原理，可以运用振动理论去创造和设计新型振动设备、仪表及自动化装置。主题词：微振动；测量原理；应用

Abstract：Vibration refers to describe the system state parameters (such as displacement, voltage) in its benchmark fluctuation variations of process. In its narrow sense means mechanical vibration, namely the mechanical system of vibration. Electromagnetic vibration habit is called on oscillation. Mechanical system can maintain vibration, must have the flexibility and inertia. Due to its equilibrium elasticity, system deviation position, can produce reply force, prompting system; return to its original position Because of inertia, system in return balance position process accumulated the kinetic energy, so that the system across to the other side movement balance position. Because of elasticity and inertia mutual influence, just cause system vibration.

The vibration research significance of very significant. Through mastery of vibration of basic theory and analysis method to determine and restrictions vibrating engineering structural and mechanical product performance, the life and the safety of harmful influence; This paper introduces the contact and contact-less two micro vibration measuring principle of vibration theory, and can be used to create and design a new vibration equipment,

instrument and automatic device.

Keywords：Micro vibration ；Measuring principle；Application

1. 测量原理

1.1接触式压电传感器振动测试原理

压电式传感器所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时,会在压电材料的极化面上产生电荷,其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时,晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷,由于晶体片的绝缘电阻很高,因此压电晶体片相当于一只平行板电容器,如图1所示。其电容量为：

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为：

式中:ε为压电晶体的介电常数；A为晶体片(构成极板)的面积；d为晶体片的厚度；d33为压电系数；F为沿晶轴施加的力。

图1 压电晶体内部等效图

压电式加速度计的晶体片确定后,d33、d、ε、A都是常数,则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时,将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基面粗糙度不超过0.41μm。当加速度计受振动时,由于压电片具有的压电效应,它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比,因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图2所示。被测对象的振动加速度信号经传感器拾振,由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器,电荷放大器将信号转换为电压信号并放大,通过数据采集测试仪采样,便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理,也可以将信号保存，或进行二次处理。

图2 振动测试系统

1.2 非接触式外差干涉仪测量系统原理

外差式激光干涉仪利用的是光学多普勒效应，即当光源和光电检测器固定不动，光波在运动物体上反射或散射后，光电检测器所接收到的光波发生频率变化。激光多普勒测振是基于被测物振动、或位移，其部分散射光含有其运动速度或位移、相位信息的理论。

外差式激光振动测量系统基本构成如图3所示，为外差式激光振动幅、相位特性测量系统的结构示意图。它主要由激振系统、外差式激光干涉仪、信号调理系统、数据采集处理系统组成。其中，外差式激光干涉仪采用马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer) 。将马赫泽德干涉仪与正弦直线(水平或垂直) 振动台或柱面为衍射光栅旋转振动台的激振系统相匹配，就可以实现正弦直线或正弦旋转振动量的精确量。

图 3 外差式激光振动测量系统基本构成

激光器发出的光束经偏振分光镜后被分离为测量和参考两路光束。参考光束经过反射镜，由布拉格盒BC(Bragg cell) 进行声光调制后，射向分光镜。测量光束经过偏振分光镜、透镜和1/4 波片后，照射在运动物体表面并被反射回来，与参考光束发生干涉，并由光电检测器完成干涉信号的接收和检测。参考光路中的布拉格盒，通过晶振信号对参考光的光频进行频移和调制。

此系统应用于直线振动测量时，在0.1Hz～20kHz 范围内，振幅测量可以达到1 nm ，灵敏度幅值校准不确定度优于1 % ，相位校准不确定度优于1°；应用于旋转振动测量时，在0.3 Hz～1 kHz 范围内，角位移幅值测量可以达到1μrad ，灵敏度幅值校准不确定度优于15 % ，相位校准不确定度优于0.5度。

2. 微振动测量系统的应用

2.1 接触点式微振动测量系统的应用

随着模具行业、航空制造业对加工速度、加工精度和表面质量的要求愈来愈高以及高速加工技术的发展，数控机床和机器人制造商面临着如何在实现较高加工速度的同时保证加工精度和表面质量的问题。通过加速度传感器，可以对采集到的加速度信息进行贝叶斯估算和传感器融合算法进行刀具中心点TCP速度的估算。在数控机床运行中，通过DAS加速度传感器

将刀具中心点TCP的加速度读取到Orchestra运动控制平台中进行速度估算，将此估算的结果与激光跟踪仪测量的结果进行对比，达到验证基于加速度传感器估算TCP速度的有效性(模型如图4)。需要注意的是，DAS加速度传感器，主要安装在刀具中心点TCP的附近位置。

通过采集加速度传感器的测量信息并在车床控制系统平台下开发的振动控制方案能够在不降低加工精度的前提下，提升数控机床的加工效率和表面质量

图 4 数控车床振动控的基本构成

2.2 非接触式微振动测量系统的应用

外差式干涉仪测量系统可以应用在非接触式心脏监测，利用干涉测量的方法，激光多普勒振动测量术可以精确地逐点测量面速度，系统的工作频率通常在几十MHz至不足1Hz的频率范围内。有关实验表明，使用激光传感器(即波长为632.8 nm，输出功率<1 mW 的He- Ne激光光源) 来执行振动速度测量，分辨率可高达0.5微米/秒。

这种被称之为心振图( VCG) 的光学分析方法采用激光束监测胸腔壁的振动速度和位移量，取代了用电学分析方法测量、收集心脏跳动的电信号。最大优点是提供了一种测量传播至胸腔壁的P波的非接触式测量方法，医生可根据P波评估患者生命信号的监测结果。无需使用电极贴片触及患者的皮肤，只须用低功率的红光激光束对患者的胸部进行照射，然后测量、分析反射回来的光信号即完成整个测量过程。输出的电压信号以20 mm/s/V 的灵敏度转换为速度信号，由于仪器所需的功率很低,所以不需要采取特殊的安全措施。

用这种光学方法获得的信息数据与心电图所提供的信息数据一样，此外还能向医生提供一些与患者心脏机械功能和与患者呼吸频率相关的信息数据。这种方法非常适于监测那些

皮肤烧伤的患者、放在恒温箱中的新生婴儿和其他一些不适于用电极贴片去接触皮肤的患者。更重要的是，这种光学监测方法消除了电磁干扰或者因电极贴片放置得不适当而导致的读出数据不精确的弊端。

结论

传统的振动测量分为机械法和电测法，由于机械法有着其固有的缺陷，且一般为接触式测量，已不能满足要求日益提高的工程测量，多数电测法具有灵敏度高，频率范围，动态、线性范围宽、便于分析和遥测等优点，所以取代了机械法成为了振动测量领域里主要测量方法，但是它在测量过程中易受电磁干扰等环境因素的影响，而且不能满足超高分辨率，超高精度的测量要求。随着近些年来，光学测试技术的不断发展，涌现出一大批基于光电技术的测量方法，几乎全部实现非接触式测量。与传统的接触式测量方法相比较，这类方法具有结构简单，精度高，耐高压，耐腐蚀，能在易燃易爆的环境下可靠运行，抗电磁干扰，动态范围大，无损测量等一系列优点，因而得到广泛的应用，其前景非常的广阔。

参考文献

【1】俞本立、孟军：微振动的高精度测量，光电工程，2006，（1）

【2】俞本立、吴许强：基于光纤激光器的微振动信号保真拾取干涉仪，量子电子学报，2006，（4）

【3】孟迎军、华敏：用于微振动测量的微型迈克尔逊干涉仪的构建，南京理工大学学报（自然科学版），2002，（6）

【4】周小伟：工件状况对动平衡检测的影响，机械制造，2003，（07）

【5】金杰、焦强、刘剑飞、曾祥烨：双包层光纤激光器的发展及应用前景，河北工业大学学报，2001，（01）

【6】聂秋华：掺稀土元素光纤激光器和放大器综述（中），宁波高等专科学校学报，1997,(02)