CN105067111A - 适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明记载了适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法，包括头套、设置在头套中的卡座以及固定在头套下端的底座，头套、卡座均为空腔结构，头套下端开口，卡座上下表面均开口，卡座卡设在头套的内腔中；卡座内壁上涂抹有与传感器相连的耦合剂；所述底座上表面开设有供传感器下端穿过的孔。还包括设置在卡座的外壁与头套的内壁间的耦合剂。在本发明中，卡座的设置对传感器提供了一个侧向阻尼并对传感器的侧向位移加以限制，底座内壁与传感器以及卡座外壁与头套内壁之间填充的耦合剂在不减小传感器与被测物接触刚性的前提下增加了测试系统的粘性，改善了测试系统的频响范围，减小了动态误差。

Description

适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法

技术领域

本发明涉及传感器耦合装置及阻尼调试方法，尤其涉及适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法。

背景技术

在对振动、波动的测试中，由传感器拾取被测结构的振动信号是目前最为主流的方式，传感系统(包括传感器、耦合方式)对测试信号有着最为直接的影响。

传感器的主要指标有质量、灵敏度、频响范围、固有频率、横向灵敏度、温度范围以及抗冲击性等指标。其中最为重要的指标为传感器的质量、灵敏度、频响范围。对于传感器的质量，如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减和频率的下降。但是，传感器的质量与灵敏度往往成正比，因此，在满足灵敏度的条件下，应尽量选用质量小的传感器。再者，对于测试信号而言，当然是灵敏度越高越好，但灵敏度高的传感器一般质量大、频响范围窄。对于频响范围，一般指频响特性曲线中平坦的部分(如图3所示)，对于频率在该范围中的振动信号，传感器的输入值与振动幅值的比例一定，一般来说，共振频率越高的传感器，频响范围越宽，但灵敏度也越低。

现有传感器的耦合方式主要有螺栓固定式、磁性卡座式、强力粘接式、弱力粘接式、探针压着式以及按压压着式。对于螺栓固定式，其固定最为牢靠，频响特性稳定，但需要在被测体上钻孔，不仅操作费时费力，而且对被测体有一定的损伤。对于磁性卡座式固定方法，由于要在测试面上涂油，表面状态较好的条件下，效果与螺栓固定相近，但仅适用于铁质被测体。对于强力粘接式的固定方法，传感器粘在被测体上进行测试，如果表面状态良好，其固定效果与螺栓固定接近，但由于胶体厚度对频响特性影响大，测试效率较低。采用弱力粘接式的方法将传感器粘在被测体上进行测试，测试作业相对简单，但仅适用于测试对象频率较低的场合，而且频响特性不稳定。采用探针式压着测试方式虽可适用于狭窄部位，但有效测试范围在1kHz以下，只适用于低频信号测试。采用人工或机械的按压方式虽测试作业最为简单，效率和适用性最高，但压着力度对频响特性有影响，而且传感器与被测体的接触状态难以保障。

综上所述，各类固定方式均有明显的缺陷，特别是对于交通、铁道、水利等大体积混凝土结构进行动力检测和测试时，由于测试对象面积大，被测体无磁性且被测体表面比较粗糙、不少场合中还有水分等，使得上述螺栓、磁性卡座、弱力粘结以及探针式均不适用于此类被测体，而强力粘结式在被测体表面有水分的情况下也难以适用，只能采用按压式固定方式。按压式固定方式一般直接用手将传感器按压在被测体的表面上，测试结果容易受按压力度影响且传感器与被测体表面接触状态也不易保障，再者，现有采用传感器支座固定传感器的方式对测试系统的频响特性有较大的影响，无法保证测试精度。

发明内容

为解决现有的传感器系统频响特性不稳定、测试效率较低等缺陷，本发明特提供一种适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法。

本发明的技术方案如下：

适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，包括头套、设置在头套中的卡座以及固定在头套下端的底座，头套、卡座均为空腔结构，头套下端开口，卡座上下表面均开口，卡座卡设在头套的内腔中；卡座内壁上涂抹有与传感器相连的耦合剂；所述底座上表面开设有供传感器下端穿过的孔。还包括设置在卡座的外壁与头套的内壁间的耦合剂。在测试时，将传感器嵌入本方案的卡座中，并使传感器下端穿过底座上的孔，卡座的设置对传感器提供了一个侧向阻尼并对其侧向位移加以限制。填充在卡座内壁与传感器之间的耦合剂相对于现有的将耦合剂涂抹在传感器和被测体之间的耦合方式相比，增加了传感器与传感器耦合装置的接触粘性，在不降低测试系统刚性的前提下，减小了动态误差。

进一步地，还包括设置在头套中的弹簧以及橡胶垫片，弹簧的一端与头套上顶部相连，另一端与橡胶垫片相连。在测试时，将嵌入卡座中的传感器与橡胶垫片相连，传感器将在自身重力与弹簧弹力的作用下提供稳定的按压力度。再者，弹力的作用也将稳固传感器并限制其底部漏出长度，避免手按过程中因力度变换、抖动等引起传感器的自身输出信号导致测试结果不准。

进一步地，所述底座与头套下端螺纹连接。在本方案中，当用手将传感器耦合装置与传感器同时按压在被测物表面时，底座承载了手按的力量，而传感器本身只受到了弹力弹簧和橡胶垫的按压力，不受手按力量的影响，同时与头套下端螺纹连接的底座也增加了传感器与被测物表面的接触面积，减小了因手抖导致的传感器与被测物表面接触不良的缺陷。

为了测试系统阻尼是否达到所需的阻尼比，发明人进一步地提出适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的阻尼调试方法，包括以下步骤：

a)将传感器嵌入卡座中，并使传感器下端穿过底座上的孔，在此状态下，传感器下端将有一部分露出底座；

b)松开传感器，使其在弹簧的作用下恢复自由状态，测量其所需的复原时间t₁；

c)根据弹力弹簧的弹簧系数k_z、传感器系统的固有频率ω、传感器系统的质量m计算出涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂；

d)将测试得到的t₁与t₂进行对比，若t₁落入t₂的范围内，则涂抹的耦合剂满足测试系统所需的阻尼比要求，若t₁未落入t₂的范围内，对涂抹的耦合剂厚度进行调整，直到t₁落入t₂的范围内。

进一步地，所述步骤c)中，涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂的计算方式如下：

阻尼c可按以下公式计算：

c＝k_zt₂

测试系统的阻尼比h由下列公式计算：

$h=\frac{c}{2m\mathrm{\ω}}=\frac{k_z{t}_2}{2m\mathrm{\ω}}$

传感器测试系统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，根据以上两个公式，可计算出T₂的范围为：

$\frac{m\mathrm{\ω}}{k_z}\≥t_2\≥\frac{0.4m\mathrm{\ω}}{k_z}$

根据以上步骤，发明人可将测试所得的t₁与计算所得的t₂进行对比，若t₁短于预设范围t₂，则增加耦合剂的厚度，反之则减少耦合剂的厚度。本方案中的阻尼调试方法保证了测试系统的阻尼比满足要求，使得测试信号更为稳定，效果更好。

综上所述，本发明的有益技术效果如下：

1、卡座的设置对传感器提供了一个侧向阻尼并对传感器的侧向位移加以限制，底座内壁与传感器以及卡座外壁与头套内壁之间填充的耦合剂在不减小传感器与被测物接触刚性的前提下增加了测试系统的粘性，改善了测试系统的频响范围，减小了动态误差。

2、弹簧和橡胶垫的设置对传感器提供了稳定的按压力度，保证频响测试稳定。

3、底座的设置起到了增加传感器与被测物表面接触面积的作用，减小了因手抖而导致传感器与被测物表面接触不良的缺陷。

4、阻尼调试方法保证了测试系统的阻尼比满足要求，使得测试信号更稳定，效果更好。

附图说明

图1为适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的结构示意图；

图2为传感器设置在传感器耦合装置中的结构示意图；

图3为传感器频响特性曲线图；

图4为周期性支点振动引起的强制振动示意图；

图5为不同阻尼比下X/Z～ω₀/ω的关系示意图；

图6为传感器直接按压在被测物表面上的结构示意图；

图7-A为采用本发明的传感器耦合装置得到的测试结果图；

图7-B为采用力度较小的手按得到的测试结果图；

图7-C为采用力度较大的手按得到的测试结果图；

图7-D为采用热熔胶得到的测试结果图；

图8-A为针对1m混凝土立方块采用手按得到的测试结果图；

图8-B为针对1m混凝土立方块采用本发明的传感器耦合装置得到的测试结果图。

其中附图标记所对应的零部件名称标记如下：

1-头套，2-卡座，3-底座，4-弹簧，5-橡胶垫片，6-传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细地说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

如图1、图2、图3所示，适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，包括头套1、设置在头套1中的卡座2以及固定在头套1下端的底座3，头套1、卡座2均为空腔结构，头套1下端开口，卡座2上下表面均开口，卡座2卡设在头套1的内腔中；卡座2内壁上涂抹有与传感器6相连的耦合剂；所述底座3上表面开设有供传感器6下端穿过的孔。还包括设置在卡座2的外壁与头套1的内壁间的耦合剂。还包括设置在头套1中的弹簧4以及橡胶垫片5，弹簧4的一端与头套1上顶部相连，另一端与橡胶垫片5相连。所述底座3与头套1的下端螺纹连接。

如图4所示，振动传感器的拾振对象为支点产生的振动z(t)，其运动方程式为：

z(t)＝Zsin(ω₀t)

其中，Z为被测体振动的振幅；

ω₀为被测体振动的角频率；

振动传感器拾振得到的信号的运动方程式为：

$x\left(t\right)=X\sin ({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\φ})$

其中，X为拾振信号的振幅；

为被测体振动的角频率；

再有：

其中，ω为传感器系统的固有频率；

h为传感器系统的阻尼比，h的计算方式为：

$h=\frac{c}{2m\mathrm{\ω}}$

m为传感器系统的质量；

c为传感器的阻尼，c的定义为：

根据以上公式，发明人分别选取阻尼比为0.50、0.20、0.10、0.05、0.02、0.01的测试系统进行实验，最终依次得到如图5所示的a、b、c、d、e、f六条曲线。从图中X/Z～ω₀/ω的关系可以看出，当阻尼比较小，ω₀/ω接近1时，X/Z急剧增加，而ω₀＞ω时，X/Z急剧降低。当阻尼比较大时，X/Z与ω₀/ω的曲线则要平缓得多。从图5中可以看出，当阻尼比h＞0.2时，测试系统的频响曲线就变得较为平滑。因此，从测试的角度出发，提高测试系统的阻尼比显然有助于提高测试信号的平稳性。

现有提高测试系统的阻尼比主要依靠提高系统的阻尼。通常采用如图6所示的在传感器与被测体之间涂抹耦合剂的方式实现。但是，这样的耦合方式存在一个明显的缺点，即其对传感系统刚性的影响。

耦合剂具有一定的刚性K_O，传感系统的刚性K_S为耦合剂与传感器刚性的串联：

$K_S=\frac{{\mathrm{KK}}_0}{K+K_0}$

从上述公式可知，耦合剂的刚性K_O对传感系统的整体刚性K_S的影响较大。由于耦合剂的刚性K_O与其厚度有关，厚度越厚，K_O、K_S越小。因此在测试中，要求耦合剂的厚度尽可能薄，但耦合剂太薄又会使得阻尼C的提高幅度不大，不能很好地起到阻尼的作用。反之，耦合剂的厚度过厚又会使得测试系统的刚性和自振频率明显降低，从而影响频响范围。

鉴于此，为解决以上缺陷，发明人设计出了本方案中的卡座2，在测试时，将传感器6设置在卡座2中并在传感器6与卡座2中涂抹耦合剂，其中，卡座2由聚四氟乙烯等同时具备刚性和润滑性的材料制成。卡座2的设置起到了对传感器6提供侧向阻尼并对传感器6的侧向位移加以限制的作用。在本实施例中，由于耦合剂位于传感器6的侧壁，不在传感器6和被测体之间，因此其刚性K_O对测试系统的刚性K_S的影响可近似为耦合剂与传感器6刚性的并联：

K_S＝K+K_O

由于K_O本身较小，而且对系统的刚性有一定的提升作用，因此，本发明的耦合装置在不降低测试系统自振频率的同时，通过增加系统的阻尼，可改善频响范围。

为进一步验证本实施例的有益技术效果，发明人将本实施例采用的耦合方式与现有的几种压着式耦合方式进行了试验对比，具体如下：

将传感器6安装在耦合装置中，经测试和调整，采用的传感器测试系统的自振周期为28KHz，阻尼比为0.25。采用一标准混凝土试块(正方体，150×150×150mm)，分别对以下几种压着式的测试结果进行比较：

A：采用本发明的耦合装置

B：手按(力度小)

C：手按(力度大)

D：采用热熔胶

图7-A、图7-B、图7-C、图7-D分别为几种压着式耦合方式的测试结果图，其中横坐标代表振动周期，纵坐标代表相对振幅。

从图7-A可以看出，本发明的专用支座能够提供稳定可靠地耦合力度和阻尼，使得测试信号更为稳定，效果最好；

从图7-B可以看出，手按力度过大时频阶杂乱，说明手按力度对测试信号的影响较大；

从图7-C可以看出，手按力度较小时对测试信号影响较小，测试效果基本稳定；

从图7-D可以看出，热熔胶固定有附加模态，测试结果与热熔胶的厚度、温度等有关。

进一步地，发明人又对一边长为1m的正方体墩进行了对比测试，发明人经过事先标定，正方体墩混凝土波速为3.55km/s，正确的底部反射时刻为0.56ms。经测试和调整，采用的传感器测试系统的自振周期为28KHz，阻尼比为0.2。

图8-A、图8-B分别为手按方式和采用本发明的传感器耦合装置得到的频谱信号图，其中横坐标代表振动周期，纵坐标代表相对振幅。

从图8-A中可以看出，在进行MEM频谱分析以后，频谱信号分布分散，出现多个峰值，包含大量的伪频信号，极易产生误判。

采用本发明传感器耦合装置得到的信号，在进行MEM频谱分析以后，从图8-B中可以看出，底部反射信号单一、明确，无其它伪频。

综上，从发明人做出的实验对比图可知，本发明在现有不减小传感器6与被测物接触刚性的前提下增加了测试系统的粘性，能够完全稳固传感器6并使传感器6与被测物体之间的接触应力保持一致，较现有其他的压着式耦合方式而言，减小了动态误差，提高了抗振动和抗冲击力的能力。

实施例2

适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的阻尼调试方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

a)将传感器6嵌入卡座2中，并使传感器6下端穿过底座3上的孔，在此状态下，传感器6下端将有一部分露出底座3；

b)松开传感器6，使其在弹簧的作用下恢复自由状态，测量其所需的复原时间t₁；

c)根据弹力弹簧的弹簧系数k_z、传感器6系统的固有频率ω、感器6系统的质量m计算出涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂；

d)将测试得到的t₁与t₂进行对比，若t₁落入t₂的范围内，则涂抹的耦合剂满足测试系统所需的阻尼比要求，若t₁未落入t₂的范围内，对涂抹的耦合剂厚度进行调整，直到t₁落入t₂的范围内。

所述步骤c)中，涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂的计算方式如下：

阻尼c可按以下公式计算：

c＝k_zt₂

测试系统的阻尼比h由下列公式计算：

$h=\frac{c}{2m\mathrm{\ω}}=\frac{k_z{t}_2}{2m\mathrm{\ω}}$

传感器测试系统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，根据以上两个公式，可计算出t₂的范围为：

$\frac{m\mathrm{\ω}}{k_z}\≥t_2\≥\frac{0.4m\mathrm{\ω}}{k_z}$

本实施例通过在卡座2与传感器6间涂抹耦合剂来增加系统的阻尼，并通过调整涂抹在限位卡座2上的耦合剂厚度来保证系统的阻尼满足要求，使得测试信号更加稳定，效果更好。

Claims (6)

1.适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，其特征在于：

包括头套(1)、设置在头套(1)中的卡座(2)以及固定在头套(1)下端的底座(3)，头套(1)、卡座(2)均为空腔结构，头套(1)下端开口，卡座(2)上下表面均开口，卡座(2)卡设在头套(1)的内腔中；卡座(2)内壁上涂抹有与传感器(6)相连的耦合剂；所述底座(3)上表面开设有供传感器(6)下端穿过的孔。

2.根据权利要求1所述的适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，其特征在于：

还包括设置在卡座(2)的外壁与头套(1)的内壁间的耦合剂。

3.根据权利要求1所述的适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，其特征在于：

还包括设置在头套(1)中的弹簧(4)以及橡胶垫片(5)，弹簧(4)的一端与头套(1)上顶部相连，另一端与橡胶垫片(5)相连。

4.根据权利要求1所述的适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，其特征在于：

所述底座(3)与头套(1)的下端螺纹连接。

5.适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的阻尼调试方法，其特征在于：

包括以下步骤：

a)将传感器(6)嵌入卡座(2)中，并使传感器(6)下端穿过底座(3)上的孔，在此状态下，传感器(6)下端将有一部分露出底座(3)；

b)松开传感器(6)，使其在弹簧的作用下恢复自由状态，测量其所需的复原时间t₁；

c)根据弹力弹簧的弹簧系数k_z、传感器(6)系统的固有频率ω、传感器(6)系统的质量m计算出涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂；

d)将测试得到的t₁与t₂进行对比，若t₁落入t₂的范围内，则涂抹的耦合剂满足测试系统所需的阻尼比要求，若t₁未落入t₂的范围内，对涂抹的耦合剂厚度进行调整，直到t₁落入t₂的范围内。

6.根据权利要求5所示的适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的阻尼调试方法，其特征在于：

所述步骤c)中，涂抹耦合剂后其应该复原的时间t₂的计算方式如下：

阻尼c可按以下公式计算：

c＝k_zt₂

测试系统的阻尼比h由下列公式计算：

传感器测试系统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，根据以上两个公式，可计算出t₂的范围为：

。