振動(dòng)是許多電子應(yīng)用中的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素,如工業(yè),汽車,航空航天和海運(yùn)系統(tǒng),消費(fèi)品和光盤驅(qū)動(dòng)器。甚至設(shè)計(jì)用于相對(duì)無(wú)振動(dòng)環(huán)境的電子設(shè)備也可能在運(yùn)輸過(guò)程中受到潛在的破壞性振動(dòng)。與振動(dòng)相關(guān)的概念也能在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、游戲和動(dòng)畫中找到實(shí)用性,包括虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

這個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題回顧了周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的基本概念,考察了測(cè)量振動(dòng)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(lái)描述振動(dòng)的特征。

振動(dòng)是物體在平衡位置上的運(yùn)動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)。它可以是周期性的,也可以是隨機(jī)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(dòng)或強(qiáng)迫振動(dòng).

標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量彈簧阻尼器模型由分布在整個(gè)物體上的一個(gè)或多個(gè)離散質(zhì)量節(jié)點(diǎn)組成,并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)彈簧和阻尼器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)(圖1)。這個(gè)模型非常適合于對(duì)具有復(fù)雜和非線性物質(zhì)屬性的物體進(jìn)行重復(fù)的前后、左右或上下運(yùn)動(dòng)建模。像MATLAB這樣的軟件包可以用來(lái)運(yùn)行振動(dòng)模擬。

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

振動(dòng)用頻率、位移、速度和加速度定量表示:

· 頻率 (f)測(cè)量振動(dòng)物體產(chǎn)生重復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)(通常在一秒鐘內(nèi)),用赫茲進(jìn)行量化。

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

· 速度 (五)用毫米/秒、厘米/秒等計(jì)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(duì)于正弦振動(dòng),D,V和A具有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻率和時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)進(jìn)行時(shí)間平均測(cè)量時(shí),忽略了相位,V可以用與F成正比的系數(shù)除以A來(lái)推導(dǎo),D可以用與F的平方成正比的系數(shù)除以A來(lái)推導(dǎo)。

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

機(jī)械系統(tǒng),如洗衣機(jī)、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵等,在操作過(guò)程中受到隨機(jī)的強(qiáng)迫振動(dòng)。即使是相對(duì)"無(wú)振動(dòng)"的環(huán)境,例如汽車的乘客車廂,也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較高的振動(dòng)峰值。在許多系統(tǒng)中,條件監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)需求的預(yù)測(cè)是非常重要的。加速度和位移的測(cè)量是調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)的重要組成部分.

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

測(cè)量振動(dòng)

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

加速度計(jì)可以在一個(gè)或多個(gè)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(jī)械部件制造,也可以用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造。任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng),它內(nèi)部的小質(zhì)量會(huì)與加速度成正比地偏轉(zhuǎn)。加速度很容易計(jì)算,因?yàn)橘|(zhì)量和彈簧的力量是已知的數(shù)量.

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

當(dāng)使用加速度計(jì)時(shí),一個(gè)重要的因素是加速度計(jì)的質(zhì)量相對(duì)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(jì)組成的系統(tǒng)將具有不同于單獨(dú)物體的自然共振頻率。如果存在,需要說(shuō)明這一因素。這也是使用基于模塊的加速度計(jì)和非接觸式位移傳感器的原因之一。

非接觸位移振動(dòng)傳感器利用各種技術(shù),包括電容,渦流和激光三角測(cè)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(dá)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(dòng)時(shí)也能產(chǎn)生精確的瞬時(shí)位置。

非接觸式傳感器在傳感器探測(cè)器和目標(biāo)物體表面之間有一個(gè)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(cè)量。激光三角測(cè)量傳感器還可以提供高分辨率、高速的測(cè)量,并可以在更長(zhǎng)的距離上工作。

利用電容技術(shù),傳感器和目標(biāo)形成一個(gè)平行板電容。當(dāng)恒頻電流通過(guò)傳感器電容時(shí),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(cè)量絕緣子,但對(duì)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(cè)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(chǎng)。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)電物體被放置在磁場(chǎng)中時(shí),就會(huì)產(chǎn)生渦流。集成單片機(jī)利用從傳感器線圈到目標(biāo)的能量變化來(lái)計(jì)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(cè)量位移傳感器使用激光二極管將一個(gè)光點(diǎn)傳送到被跟蹤物體的表面。CCD陣列通過(guò)一個(gè)精密光學(xué)透鏡系統(tǒng)捕捉從那一點(diǎn)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(cè)量)。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于傳感器移動(dòng)時(shí),利用CCD傳感器測(cè)量反射光的變化,集成單片機(jī)可以計(jì)算精確的位置變化,從而計(jì)算加速度。

振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試通常采用兩種測(cè)試方式:正弦式和隨機(jī)式。正弦振動(dòng)測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單,但不像隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試那么有用。正弦測(cè)試一次使用一個(gè)頻率,而隨機(jī)測(cè)試可以在任何時(shí)間點(diǎn)激發(fā)定義的光譜中的任何頻率。

隨機(jī)測(cè)試對(duì)于識(shí)別可能的設(shè)計(jì)缺陷和使設(shè)備在測(cè)試(DUT)中失敗非常重要。對(duì)故障的測(cè)試可以找出設(shè)備中的弱點(diǎn),以及最小化或消除這些弱點(diǎn)的方法。隨機(jī)測(cè)試比正弦測(cè)試更嚴(yán)格,因?yàn)殡S機(jī)測(cè)試"同時(shí)"強(qiáng)調(diào)了DUT的所有共振。

通過(guò)正弦測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)共振頻率會(huì)影響到DUT的一部分的性能,而另一部分會(huì)在不同的頻率上共振。在不同時(shí)間識(shí)別不同部分的單獨(dú)共振頻率可能不會(huì)導(dǎo)致故障甚至故障。但是當(dāng)兩個(gè)共振頻率同時(shí)被激活時(shí),DUT就會(huì)失敗。隨機(jī)測(cè)試將同時(shí)激發(fā)兩個(gè)共振頻率并確定潛在的失效模式。

選擇正確的振動(dòng)測(cè)試譜或振動(dòng)曲線是隨機(jī)振動(dòng)測(cè)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(dòng)剖面提供了指導(dǎo),但需要針對(duì)每個(gè)具體應(yīng)用對(duì)剖面進(jìn)行優(yōu)化。

私營(yíng)部門司和PDF功能

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

圖:典型功率譜密度振動(dòng)測(cè)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(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),使振動(dòng)表現(xiàn)出目標(biāo)私營(yíng)部門的特征。私營(yíng)部門司的結(jié)果來(lái)自一個(gè)平均過(guò)程,不符合一個(gè)獨(dú)特的時(shí)間波形集。概率密度函數(shù)(pdf)可以用來(lái)提取來(lái)自一個(gè)psp測(cè)試的特定信息。pdf是一個(gè)幅度直方圖。直方圖中的每一個(gè)點(diǎn)都是被測(cè)信號(hào)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(gè)"垃圾桶")。由于該系統(tǒng)實(shí)施隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試,因此使用pdf來(lái)分析該系統(tǒng)產(chǎn)生的加速度值范圍,以提取出相對(duì)于整體平均值的高加速度。

總結(jié)

振動(dòng)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(gè)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(jì)算出來(lái)。因此,加速度計(jì)是最常用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試是一個(gè)基于隨機(jī)變量的復(fù)雜統(tǒng)計(jì)過(guò)程,依靠使用功率譜密度圖和概率密度函數(shù)。