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- 用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量傳感器參數(shù)的選擇
- 來(lái)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(dòng)測(cè)量中，經(jīng)常需要用到傳感器來(lái)測(cè)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(lèi)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(lèi)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(yùn)動(dòng)參數(shù)等。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)；傳感器；通頻帶；量程；運(yùn)動(dòng)參數(shù)
傳感器在與國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它是信息采集和轉(zhuǎn)換的重要部件，測(cè)量和控制系統(tǒng)的首要儀器，測(cè)試計(jì)量和工業(yè)自動(dòng)化、智能化的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。
在建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量中，人們期望獲得可靠的數(shù)據(jù)，因而 選擇合適的振動(dòng)測(cè)量?jī)x器極為重要。使用者在購(gòu)置測(cè)振儀前, 必須考慮到當(dāng)前使用環(huán)境及今后所會(huì)遇到的各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)的測(cè) 振需要，綜合權(quán)衡以減少所購(gòu)儀器的種類(lèi)和數(shù)量。在選擇儀器時(shí)，通常要考慮傳感器的測(cè)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(lèi)建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)
測(cè)量各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)用測(cè)量?jī)x器，取決于所需測(cè)量的 建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，包括頻率、幅值、運(yùn)動(dòng)參量（位移、速度或加速度），以及振動(dòng)時(shí)間歷程的性態(tài)等。本文根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié) 果給出各類(lèi)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(dòng) 頻率范圍，表2為一般建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值參數(shù)值，表3為幾 種高柔結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)情況下，一般建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(dòng) 下，振動(dòng)幅值視振源不同比脈動(dòng)要大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在大風(fēng) 作用下，其振動(dòng)位移比加速度較安靜情況下的脈動(dòng)值要大得 多。對(duì)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(shí)，其振動(dòng)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(chē)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(jí)。
2 振動(dòng)測(cè)量?jī)x器的選擇
在振動(dòng)測(cè)量中，振動(dòng)傳感器的選擇非常重要。它直接影 響測(cè)試結(jié)果的重要性，選擇不當(dāng)往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。選 擇測(cè)試用傳感器時(shí)，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(duì)象的主要頻率范圍和主要頻率及幅值 來(lái)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(cè)振儀器的頻率范圍在0.5 ~ 100 Hz之 間即可滿足要求。在實(shí)際測(cè)量中，不同情況要區(qū)別對(duì)待，根據(jù) 實(shí)際情況來(lái)選擇頻率。通常場(chǎng)地脈動(dòng)可選1~ 20 Hz,工程結(jié) 構(gòu)可選0.5 ~ 35 Hz,而長(zhǎng)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(kāi)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(dòng)的幅值范圍很 大，亦即常稱(chēng)的動(dòng)態(tài)范圍很大。在脈動(dòng)測(cè)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(dòng)加速度為10* g量級(jí)。在強(qiáng)迫振動(dòng)中，脈動(dòng)加速器可達(dá)到lg量級(jí)。在購(gòu)置儀器時(shí)，如能選用一儀多用的多功能測(cè)振儀較為理想。
2.3運(yùn)動(dòng)參置的選擇
運(yùn)動(dòng)參量通常指位移、速度和加速度。在測(cè)量建筑結(jié)構(gòu)的 基本振型時(shí)，其頻率均較低，加速度很小，此時(shí)宜采用測(cè)量位移為宜。要求取高階振型時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移反應(yīng)對(duì)高階 振型反應(yīng)不明顯，但對(duì)長(zhǎng)大、高柔結(jié)構(gòu)而言，位移較大，用位 移進(jìn)行測(cè)量更具優(yōu)越性。
在兼顧高階振型的獲取時(shí)，可以測(cè)量振動(dòng)速度，這樣既將基本振型顯現(xiàn)出來(lái)，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(dòng)時(shí)間歷程要求選用儀器
根據(jù)振動(dòng)時(shí)間歷程獲得的要求不同來(lái)選擇不同>的測(cè)量?jī)x器。周期振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)可根據(jù)被測(cè)頻率范圍、振動(dòng)幅值 大小來(lái)選擇儀器，而對(duì)于沖擊振動(dòng)（如爆破、火箭沖擊視速 度、張拉釋放等非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)過(guò)程）選擇儀器時(shí)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(jì)在受到?jīng)_ 擊正弦振動(dòng)時(shí)的反應(yīng)曲線，在被測(cè)信號(hào)上疊加有高頻衰減信號(hào)，此為加速度計(jì)的自由振動(dòng)項(xiàng)，用低通濾波可去掉其影響。 圖3為加速度計(jì)不是從零頻開(kāi)始的記錄值。圖3中有一個(gè)低頻 衰!f過(guò)程，此為測(cè)量?jī)x器的低頻下限引起的瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程，在數(shù)據(jù)處理時(shí)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(guò)程的出現(xiàn)，且會(huì)造成起始幾個(gè)被測(cè)信號(hào)峰值的畸變，要想獲得滿意的分析結(jié)果需從 信號(hào)分析中進(jìn)行處理。
對(duì)沖擊性的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選用具有零頻特性的加速度計(jì)為宜，在信號(hào)處理時(shí)只需濾去不需要的高頻衰減信號(hào)即 可。通常加速度計(jì)的自振頻率均遠(yuǎn)大于被測(cè)頻率，對(duì)被測(cè)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(jì)或丨CPS 電加速度計(jì)的低頻端不能達(dá)到零頻，故在受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，極 易出現(xiàn)如圖3所示的記錄信號(hào)，有時(shí)其過(guò)濾過(guò)程可能會(huì)完全掩 蓋有用的振動(dòng)信號(hào)。
以中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的9-4-1B型無(wú)源伺服拾振器為例，在測(cè)量速度時(shí)，其過(guò)渡過(guò)程的影響較小，而經(jīng)過(guò)積分放大器積分輸出位移時(shí)，過(guò)渡過(guò)程影響大，故在測(cè)量沖擊 性振動(dòng)信號(hào)時(shí)，宜選取測(cè)量速度或測(cè)量加速度。
3 結(jié)語(yǔ)
工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)屬于穩(wěn)態(tài)的周期振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)（如脈動(dòng)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(cè)量，而 且量程可以變化，據(jù)振動(dòng)信號(hào)的大小來(lái)選取不同的信號(hào)輸出擋 位。如果考慮攜帶方便，且只需測(cè)量加速度反應(yīng)即可，則可選 取ICP型壓電加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)童。如果需要測(cè)量脈動(dòng)信號(hào)，宜 選取量程小于5 g,靈敏度大于0.5 V/g的ICP加速度計(jì)。如果 需要測(cè)量沖擊性加速度信號(hào)，宜選取壓阻式加速度計(jì)或具有零 頻特性的力平衡加速度計(jì)。（作者：宋麗紅，田輝鵬,黃浩華）
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