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- 用于建筑結構振動測量傳感器參數(shù)的選擇
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/8/5
摘要：在建筑結構振動測量中，經(jīng)常需要用到傳感器來測量其性能指標和其他重當箴們按照儀器使 用環(huán)境確定所需的傳感器類型后，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。文章介紹了各種類型 建筑結構的基本參數(shù)，以合理地選擇傳感器的通頻帶、量程及運動參數(shù)等。
關鍵詞：振動；傳感器；通頻帶；量程；運動參數(shù)
傳感器在與國民經(jīng)濟相關的各個領域中獲得越來越廣泛的應用，它是信息采集和轉(zhuǎn)換的重要部件，測量和控制系統(tǒng)的首要儀器，測試計量和工業(yè)自動化、智能化的關鍵技術設備。
在建筑結構振動測量中，人們期望獲得可靠的數(shù)據(jù)，因而 選擇合適的振動測量儀器極為重要。使用者在購置測振儀前, 必須考慮到當前使用環(huán)境及今后所會遇到的各類建筑結構的測 振需要，綜合權衡以減少所購儀器的種類和數(shù)量。在選擇儀器時，通常要考慮傳感器的測量條件、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 各類建筑結構的基本參數(shù)
測量各類建筑結構的振動用測量儀器，取決于所需測量的 建筑結構的基本參數(shù)，包括頻率、幅值、運動參量（位移、速度或加速度），以及振動時間歷程的性態(tài)等。本文根據(jù)實測結 果給出各類建筑結構基本參數(shù)值。表1為一般建筑結構的振動 頻率范圍，表2為一般建筑結構的振動幅值參數(shù)值，表3為幾 種高柔結構實測振動參數(shù)。
考慮到高階振型的固有頻率，一般建筑結構的固有頻率范 圍在0.5 ~ 20 Hz之間，而長大和高柔建筑結構（如懸索橋、 斜拉橋、電視塔等）最低頻率可達0.05 Hz。
在脈動情況下，一般建筑結構的振動幅值通常位移在 0.1~100 JJL m之間，加速度在10-5 ~ 10-3 g之間。在受強迫振動 下，振動幅值視振源不同比脈動要大一個數(shù)量級以上。在大風 作用下，其振動位移比加速度較安靜情況下的脈動值要大得 多。對于暢達和高柔建筑結構（如髙層鋼結構、電視塔等）， 當受風作用時，其振動位移幅值可達數(shù)厘米乃至數(shù)十厘米。大 跨度橋梁（如懸索橋、斜拉橋等）在行車作用或大風作用下， 其位移幅值均可達到數(shù)厘米，乃至大于10 cm的量級。
2 振動測量儀器的選擇
在振動測量中，振動傳感器的選擇非常重要。它直接影 響測試結果的重要性，選擇不當往往會得出錯誤的結果。選 擇測試用傳感器時，不能一味追求頻帶寬、靈敏度高的傳感 器，而應根據(jù)被研究對象的主要頻率范圍和主要頻率及幅值 來選擇。
2.1合理選擇儀器的通頻帶
從表1可以看出，一般建筑結構的固有頻率均不高，在足 夠的振型情況下，工程測振儀器的頻率范圍在0.5 ~ 100 Hz之 間即可滿足要求。在實際測量中，不同情況要區(qū)別對待，根據(jù) 實際情況來選擇頻率。通常場地脈動可選1~ 20 Hz,工程結 構可選0.5 ~ 35 Hz,而長大和高柔結構則需選0.1 Hz乃至更低 —些。目前，大部分儀器都設置有頻帶選擇開關，應用者可視 需要選擇適當?shù)念l帶。
2.2合理選擇儀器的量程
從表2可以看出，一般工程建筑結構振動的幅值范圍很 大，亦即常稱的動態(tài)范圍很大。在脈動測量中，位移幅值小至 1(1 m以下，而高柔結構則可達數(shù)十厘米，脈動加速度為10* g量級。在強迫振動中，脈動加速器可達到lg量級。在購置儀器時，如能選用一儀多用的多功能測振儀較為理想。
2.3運動參置的選擇
運動參量通常指位移、速度和加速度。在測量建筑結構的 基本振型時，其頻率均較低，加速度很小，此時宜采用測量位移為宜。要求取高階振型時，建筑結構的振動位移反應對高階 振型反應不明顯，但對長大、高柔結構而言，位移較大，用位 移進行測量更具優(yōu)越性。
在兼顧高階振型的獲取時，可以測量振動速度，這樣既將基本振型顯現(xiàn)出來，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)振動時間歷程要求選用儀器
根據(jù)振動時間歷程獲得的要求不同來選擇不同>的測量儀器。周期振動、穩(wěn)態(tài)隨機振動可根據(jù)被測頻率范圍、振動幅值 大小來選擇儀器，而對于沖擊振動（如爆破、火箭沖擊視速 度、張拉釋放等非穩(wěn)態(tài)振動過程）選擇儀器時還應注意考慮儀器的瞬態(tài)響應影響。圖2為具有零頻特性的加速度計在受到?jīng)_ 擊正弦振動時的反應曲線，在被測信號上疊加有高頻衰減信號，此為加速度計的自由振動項，用低通濾波可去掉其影響。 圖3為加速度計不是從零頻開始的記錄值。圖3中有一個低頻 衰!f過程，此為測量儀器的低頻下限引起的瞬態(tài)過渡過程，在數(shù)據(jù)處理時應予以高通濾去除。
速度拾振器、位移拾振器均有瞬態(tài)過程的出現(xiàn)，且會造成起始幾個被測信號峰值的畸變，要想獲得滿意的分析結果需從 信號分析中進行處理。
對沖擊性的振動信號進行測量時，選用具有零頻特性的加速度計為宜，在信號處理時只需濾去不需要的高頻衰減信號即 可。通常加速度計的自振頻率均遠大于被測頻率，對被測波形 造成的失真較小。用電荷放大器調(diào)理的壓電加速度計或丨CPS 電加速度計的低頻端不能達到零頻，故在受到?jīng)_擊振動時，極 易出現(xiàn)如圖3所示的記錄信號，有時其過濾過程可能會完全掩 蓋有用的振動信號。
以中國地震局工程力學研究所生產(chǎn)的9-4-1B型無源伺服拾振器為例，在測量速度時，其過渡過程的影響較小，而經(jīng)過積分放大器積分輸出位移時，過渡過程影響大，故在測量沖擊 性振動信號時，宜選取測量速度或測量加速度。
3 結語
工程結構振動屬于穩(wěn)態(tài)的周期振動、隨機振動（如脈動等），考慮到頻帶上限到100 Hz即可，.而低頻下限需達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 頻帶要求的基礎上可以選取位移、速度或加速度進行測量，而 且量程可以變化，據(jù)振動信號的大小來選取不同的信號輸出擋 位。如果考慮攜帶方便，且只需測量加速度反應即可，則可選 取ICP型壓電加速度計進行測童。如果需要測量脈動信號，宜 選取量程小于5 g,靈敏度大于0.5 V/g的ICP加速度計。如果 需要測量沖擊性加速度信號，宜選取壓阻式加速度計或具有零 頻特性的力平衡加速度計。（作者：宋麗紅，田輝鵬,黃浩華）
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