测力传感器和柔性基础对动态力测量的影响

    0　引　言

    针对安装于多层工业厂房中的动力机械,将机器、测力传感器和基础结构作为一个大系统,利用子系统耦合观点,应用波动理论和四端参数技术,研究了测试系统中的插入环节——测力传感器和柔性基础的动态特性对动态力测量精度的影响规律,分析了产生动态误差的主要影响因素,推证了动态力精确测量的频率条件和设计测力仪刚度的定量公式,给出了提高测量精度的频率界限.

    当测量输入结构的功率流时,必须首先获得该结构在输入端的点导纳或点视在质量.很显然,结构点导纳的测量精度直接影响功率流的测量结果.而在导纳测量中,需同时测量结构上的激振力和响应信号.当用激振器激励结构时,必须将激振器的可动系统通过连接顶杆、力传感器与被测结构相连.这样,存在两个值得注意的问题:

    1)在测量过程中,连接顶杆和测力传感器成为系统的一个组成部分,这种插入环节改变了被测系统的动态特性,必将引入动态测量误差;

    2)在高频振动情况下,基础阻抗相对较小,动力机械的安装基础不能假设为理想刚体.基础本身的动态响应将给导纳测量引入虚假结果.

    1　测力仪动态特性的影响

    振动设备如马达、柴油机等,直接安装在刚性基础上时,其激振力直接作用在基础上.为了测量其激振力,需将测力仪或测力传感器串接在系统中,如图1.图中,F1为机器产生的频率为X的激振力,V1为振动速度;T表示传感器,其刚度为kt,质量为mt.F2、V2为力传感器(或测力仪)激振动和振动速度的读数,在图1所示系统中,可以通过四端参数法建立如下关系:

    其中,Aij,Bij分别为机器和传感器的四端参数.如果把机器看成理想刚体,则A11=A12=1,A22=jXm,A21=0;注意到V3=0,则

　　一般力传感器可视为如图2所示的弹性系统,其相应的四端参数为

　　若忽略力传感器质量和阻尼的影响,则B11=B22=1,B12=0,B21=jX/kt.

    其中,,为机器-力传感器系统的固有频率.

  　讨　论

    (1)力传感器的读数F2不是真实的激振力,其间相差一个系数B;

    (2)仅当力传感器刚度足够大,使得XtmX时,才有B→1,即读数值正确反映实际的激振力;

    (3)提高测力传感器的刚度,降低频率比X/Xt,可提高动态力测量精度和动态测量范围;

    (4)若工程上提出动态测量相对误差的限度为D,则满足动态精度要求的测力仪刚度条件为:

　　(5)测量大型激振设备的激振力时,需同时采用多个传感器.若使用相同的传感器,各测点的读数分别为Fi(i=1,2,…,N),由于各测点相位不同,则由∑Fi预估的激振力将偏于保守.