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机械振动

振动测量

壳内质量的相对位移 z=x−y,Z/Y=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²);r≫1(低 ωₙ)=地震仪(位移),r≪1(高 ωₙ)=加速度计(Z≈a/ωₙ²)

振动要怎样量?在外壳里放上质量和弹簧,把外壳贴到被测的东西上,读质量和外壳的相对位移 z = x − y。同一台装置,固有频率放在哪里,既可以变成量位移的地震仪,也可以变成量加速度的加速度计。固有频率的位置决定仪器的种类。

仪器的心脏是外壳里的质量和弹簧。外壳和对象一起晃时,我们读的是质量和外壳之间的相对位移 z = x − y。改变 r = ωωₙ,慢的时候质量跟着外壳,z≈0;快的时候质量停在空间里,只有外壳在动,于是 z 原样装着对象的运动。读到的不是绝对位置,而是两者之差。

相对位移曲线 ZY = r²√((1−r²)²+(2ζr)²) 把两台仪器收在一张图上。它和 A9 的曲线是同一个形状。移动 r,左边 r≪1 的区间是 ZY ≈ r²,与加速度成正比,那是加速度计;右边 r≫1 的区间是 ZY → 1,原样给出位移,那是地震仪。一条曲线的两端,中间则两边都不是。

地震仪住在右端(r≫1)。把固有频率放得很低,软弹簧加重质量,在快的晃动面前,质量靠惯性几乎停在空间里。那个停住的质量成了基准,相对位移 z 就原样给出对象的位移 Y。固有频率必须低,所以装置又大又重,经典的地震仪就是这样。

加速度计住在左端(r≪1)。把固有频率放得很高,硬弹簧加轻质量,就有 Z ≈ aωₙ²,相对位移与对象的加速度成正比。把 ωₙ 提高,信号 Z 按 1ωₙ² 变小,灵敏度下降,可是能测的频率范围变宽,装置也变小。手机里的 MEMS 加速度计,就是这样变小的。

把例子翻过去,会看到地震仪(地面的位移,很低的固有频率)、手机和汽车的 MEMS 加速度计(倾斜、步数、气囊,很高的固有频率)、机器状态监测(轴承和电机的振动)。加速度计通常把阻尼调到 ζ≈0.7,好把平坦的测量范围加宽。把晃动变成数字,都从这一台装置里出来。

实际应用振动测量仪是外壳里的质量、弹簧和阻尼器(SDOF),读到的值是质量和外壳的相对位移 z = x − y。它的振幅是 ZY = r²√((1−r²)²+(2ζr)²),r = ωωₙ,和 A9 的旋转不平衡是同一条曲线。一条曲线的两端就是两台仪器。r≫1,固有频率低、又重又软的一侧,质量停在空间里当基准,Z→Y → 就成了量位移的地震仪。r≪1,固有频率高、又轻又硬的一侧,Z ≈ aωₙ² → 就成了量加速度的加速度计。灵敏度是 1ωₙ²,这是拿测量范围去换大小,所以手机 MEMS 又小、固有频率又高。加速度计通常用 ζ≈0.7 来加宽平坦区。地震仪、手机、气囊和机器监测,都在这一条曲线上。
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