振動是許多電子應(yīng)用中的一個重要的設(shè)計考慮因素,如工業(yè),汽車,航空航天和海運系統(tǒng),消費品和光盤驅(qū)動器。甚至設(shè)計用于相對無振動環(huán)境的電子設(shè)備也可能在運輸過程中受到潛在的破壞性振動。與振動相關(guān)的概念也能在計算機圖形學(xué)、游戲和動畫中找到實用性,包括虛擬和增強現(xiàn)實。

這個常見問題回顧了周期振動和隨機振動的基本概念,考察了測量振動的各種方法,并解釋了如何利用光譜密度函數(shù)和概率密度函數(shù)來描述振動的特征。

振動是物體在平衡位置上的運動或機械振動。它可以是周期性的,也可以是隨機的,可以用公制單位表示。 2 或重力常數(shù)單位"g",其中1克=9.81米/秒 2 .物體可以經(jīng)歷自由振動或強迫振動.

標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量彈簧阻尼器模型由分布在整個物體上的一個或多個離散質(zhì)量節(jié)點組成,并通過一個或多個彈簧和阻尼器網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)(圖1)。這個模型非常適合于對具有復(fù)雜和非線性物質(zhì)屬性的物體進行重復(fù)的前后、左右或上下運動建模。像MATLAB這樣的軟件包可以用來運行振動模擬。

圖1:經(jīng)典質(zhì)量(M)彈簧(K)和阻尼器(C)模型的振動方向X

振動用頻率、位移、速度和加速度定量表示:

· 頻率 (f)測量振動物體產(chǎn)生重復(fù)運動的次數(shù)(通常在一秒鐘內(nèi)),用赫茲進行量化。

· 置換 (d)根據(jù)具體情況,測量以數(shù)模、毫米等方式測量的振動峰之間的幅幅(距離)。

· 速度 (五)用毫米/秒、厘米/秒等計量D的變化速度。

· 加速度 (a)以M/S衡量V的變化率 2 或者是重力常數(shù)。

對于正弦振動,D,V和A具有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻率和時間的函數(shù)。當(dāng)進行時間平均測量時,忽略了相位,V可以用與F成正比的系數(shù)除以A來推導(dǎo),D可以用與F的平方成正比的系數(shù)除以A來推導(dǎo)。

物體可以受到自由振動或強迫振動。當(dāng)一個物體或結(jié)構(gòu)被移動,然后允許自然振動時,就會發(fā)生自由振動。當(dāng)結(jié)構(gòu)由于交替和/或重復(fù)力而振動時,會發(fā)生強迫振動。自由振動導(dǎo)致物體以其自然頻率振動,而強迫振動往往導(dǎo)致物體以非自然頻率振動。物體固有頻率或附近的強迫振動會引起共振,即系統(tǒng)隨能量增加而振蕩,從而導(dǎo)致過早失效。

機械系統(tǒng),如洗衣機、壓縮機、渦輪機、泵等,在操作過程中受到隨機的強迫振動。即使是相對"無振動"的環(huán)境,例如汽車的乘客車廂,也會出現(xiàn)相對較高的振動峰值。在許多系統(tǒng)中,條件監(jiān)測和預(yù)防性維護需求的預(yù)測是非常重要的。加速度和位移的測量是調(diào)節(jié)監(jiān)測的重要組成部分.

圖:汽車儀表板上收集的加速度時間記錄,任何車輛的相對"無振動"區(qū)域。

測量振動

加速度和位移的大小是測量振動最常用的指標(biāo).加速度計和非接觸式位移傳感器通常用于這一目的。

加速度計可以在一個或多個軸上產(chǎn)生加速度信息。它們是小型的,直接安裝在被監(jiān)視的物體表面或內(nèi)部。它們可以用離散的機械部件制造,也可以用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造。任何運動都會引起加速度計的運動,它內(nèi)部的小質(zhì)量會與加速度成正比地偏轉(zhuǎn)。加速度很容易計算,因為質(zhì)量和彈簧的力量是已知的數(shù)量.

利用加速度計的慣性振動傳感廣泛應(yīng)用于從手機手機到汽車和航天器的系統(tǒng)中。在這些應(yīng)用中,振動往往是相對較低的頻率,產(chǎn)生較低的信號,并且可能有很低的信號噪聲比。

當(dāng)使用加速度計時,一個重要的因素是加速度計的質(zhì)量相對于安裝它的物體的質(zhì)量。假設(shè)兩者之間的質(zhì)量差不夠大.在這種情況下,由物體和加速度計組成的系統(tǒng)將具有不同于單獨物體的自然共振頻率。如果存在,需要說明這一因素。這也是使用基于模塊的加速度計和非接觸式位移傳感器的原因之一。

非接觸位移振動傳感器利用各種技術(shù),包括電容,渦流和激光三角測量。這些傳感器可提供納米或亞微米分辨率,并可用于具有挑戰(zhàn)性的材料,如硅、塑料、玻璃和微型電子和醫(yī)療組件。這些小分辨率與高達80千赫的頻率響應(yīng)相結(jié)合,使這些傳感器即使在目標(biāo)高速移動時也能產(chǎn)生精確的瞬時位置。

非接觸式傳感器在傳感器探測器和目標(biāo)物體表面之間有一個小間隙。電容和直流位移傳感器可以提供高分辨率的高速測量。激光三角測量傳感器還可以提供高分辨率、高速的測量,并可以在更長的距離上工作。

利用電容技術(shù),傳感器和目標(biāo)形成一個平行板電容。當(dāng)恒頻電流通過傳感器電容時,傳感器上交流電壓的幅值與電極(目標(biāo)和傳感器)之間的距離成正比。電容傳感器也可以測量絕緣子,但對傳感器間隙介質(zhì)特性的變化很敏感,因此在清潔、干燥的應(yīng)用中操作最有效。

渦流非接觸位移傳感器使用感應(yīng)測量技術(shù)工作。該傳感器由線圈組成,線圈由交流電構(gòu)成,產(chǎn)生磁場。當(dāng)一個導(dǎo)電物體被放置在磁場中時,就會產(chǎn)生渦流。集成單片機利用從傳感器線圈到目標(biāo)的能量變化來計算位移距離。渦流傳感器通常是小型設(shè)備,可用于所有導(dǎo)電材料,包括鐵磁材料和非鐵磁材料。渦流技術(shù)提供高精度,不受灰塵、污垢、油、濕度、高壓或介質(zhì)材料的影響。

激光三角測量位移傳感器使用激光二極管將一個光點傳送到被跟蹤物體的表面。CCD陣列通過一個精密光學(xué)透鏡系統(tǒng)捕捉從那一點返回散射的光。這些系統(tǒng)的光束寬度很小(用于高度局部化的測量)。當(dāng)目標(biāo)相對于傳感器移動時,利用CCD傳感器測量反射光的變化,集成單片機可以計算精確的位置變化,從而計算加速度。

振動測試

振動測試通常采用兩種測試方式:正弦式和隨機式。正弦振動測試相對簡單,但不像隨機振動測試那么有用。正弦測試一次使用一個頻率,而隨機測試可以在任何時間點激發(fā)定義的光譜中的任何頻率。

隨機測試對于識別可能的設(shè)計缺陷和使設(shè)備在測試(DUT)中失敗非常重要。對故障的測試可以找出設(shè)備中的弱點,以及最小化或消除這些弱點的方法。隨機測試比正弦測試更嚴(yán)格,因為隨機測試"同時"強調(diào)了DUT的所有共振。

通過正弦測試,可以發(fā)現(xiàn)一個共振頻率會影響到DUT的一部分的性能,而另一部分會在不同的頻率上共振。在不同時間識別不同部分的單獨共振頻率可能不會導(dǎo)致故障甚至故障。但是當(dāng)兩個共振頻率同時被激活時,DUT就會失敗。隨機測試將同時激發(fā)兩個共振頻率并確定潛在的失效模式。

選擇正確的振動測試譜或振動曲線是隨機振動測試成功的關(guān)鍵之一.工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如MIL-STD-810、DO-160、ML-STD-202、SAEJ1455和IAR6068,為選擇振動剖面提供了指導(dǎo),但需要針對每個具體應(yīng)用對剖面進行優(yōu)化。

私營部門司和PDF功能

在開始隨機振動測試之前,必須定義測試頻譜.該光譜可以用功率譜密度圖。私營部門司繪制每帶寬的平均平方加速度(G) 2 在測試期間使用的每一個頻率。

圖:典型功率譜密度振動測試規(guī)范(單位頻率平均平方加速度).

采用閉環(huán)反饋的方法進行隨機振動試驗,使振動表現(xiàn)出目標(biāo)私營部門的特征。私營部門司的結(jié)果來自一個平均過程,不符合一個獨特的時間波形集。概率密度函數(shù)(pdf)可以用來提取來自一個psp測試的特定信息。pdf是一個幅度直方圖。直方圖中的每一個點都是被測信號樣本被發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)的小幅度范圍內(nèi)的次數(shù)數(shù)(一個"垃圾桶")。由于該系統(tǒng)實施隨機振動測試,因此使用pdf來分析該系統(tǒng)產(chǎn)生的加速度值范圍,以提取出相對于整體平均值的高加速度。

總結(jié)

振動是物理系統(tǒng)(如電子設(shè)備)和非物理系統(tǒng)(如游戲和ARR/VR應(yīng)用)中的一個重要量。它用頻率、位移、速度和加速度定量地表示。這些量之間的固定數(shù)學(xué)關(guān)系意味著一旦知道加速度,其他值就可以計算出來。因此,加速度計是最常用的振動測量傳感器。系統(tǒng)振動測試是一個基于隨機變量的復(fù)雜統(tǒng)計過程,依靠使用功率譜密度圖和概率密度函數(shù)。