适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器耦合装置及阻尼调试方法，尤其涉及适合于振动/波动测试的 传感器耦合装置及阻尼调试方法。
【背景技术】
[0002] 在对振动、波动的测试中，由传感器拾取被测结构的振动信号是目前最为主流的 方式，传感系统（包括传感器、耦合方式）对测试信号有着最为直接的影响。
[0003] 传感器的主要指标有质量、灵敏度、频响范围、固有频率、横向灵敏度、温度范围以 及抗冲击性等指标。其中最为重要的指标为传感器的质量、灵敏度、频响范围。对于传感器 的质量，如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰 减和频率的下降。但是，传感器的质量与灵敏度往往成正比，因此，在满足灵敏度的条件下， 应尽量选用质量小的传感器。再者，对于测试信号而言，当然是灵敏度越高越好，但灵敏度 高的传感器一般质量大、频响范围窄。对于频响范围，一般指频响特性曲线中平坦的部分 (如图3所示），对于频率在该范围中的振动信号，传感器的输入值与振动幅值的比例一定， 一般来说，共振频率越高的传感器，频响范围越宽，但灵敏度也越低。
[0004] 现有传感器的耦合方式主要有螺栓固定式、磁性卡座式、强力粘接式、弱力粘接 式、探针压着式以及按压压着式。对于螺栓固定式，其固定最为牢靠，频响特性稳定，但需要 在被测体上钻孔，不仅操作费时费力，而且对被测体有一定的损伤。对于磁性卡座式固定方 法，由于要在测试面上涂油，表面状态较好的条件下，效果与螺栓固定相近，但仅适用于铁 质被测体。对于强力粘接式的固定方法，传感器粘在被测体上进行测试，如果表面状态良 好，其固定效果与螺栓固定接近，但由于胶体厚度对频响特性影响大，测试效率较低。采用 弱力粘接式的方法将传感器粘在被测体上进行测试，测试作业相对简单，但仅适用于测试 对象频率较低的场合，而且频响特性不稳定。采用探针式压着测试方式虽可适用于狭窄部 位，但有效测试范围在IkHz以下，只适用于低频信号测试。采用人工或机械的按压方式虽 测试作业最为简单，效率和适用性最高，但压着力度对频响特性有影响，而且传感器与被测 体的接触状态难以保障。
[0005] 综上所述，各类固定方式均有明显的缺陷，特别是对于交通、铁道、水利等大体积 混凝土结构进行动力检测和测试时，由于测试对象面积大，被测体无磁性且被测体表面比 较粗糙、不少场合中还有水分等，使得上述螺栓、磁性卡座、弱力粘结以及探针式均不适用 于此类被测体，而强力粘结式在被测体表面有水分的情况下也难以适用，只能采用按压式 固定方式。按压式固定方式一般直接用手将传感器按压在被测体的表面上，测试结果容易 受按压力度影响且传感器与被测体表面接触状态也不易保障，再者，现有采用传感器支座 固定传感器的方式对测试系统的频响特性有较大的影响，无法保证测试精度。
【发明内容】
[0006] 为解决现有的传感器系统频响特性不稳定、测试效率较低等缺陷，本发明特提供 一种适合于振动/波动测试的传感器耦合装置及阻尼调试方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，包括头套、设置在头套中的卡座以及 固定在头套下端的底座，头套、卡座均为空腔结构，头套下端开口，卡座上下表面均开口，卡 座卡设在头套的内腔中；卡座内壁上涂抹有与传感器相连的耦合剂；所述底座上表面开设 有供传感器下端穿过的孔。还包括设置在卡座的外壁与头套的内壁间的耦合剂。在测试 时，将传感器嵌入本方案的卡座中，并使传感器下端穿过底座上的孔，卡座的设置对传感器 提供了 一个侧向阻尼并对其侧向位移加以限制。填充在卡座内壁与传感器之间的耦合剂相 对于现有的将耦合剂涂抹在传感器和被测体之间的耦合方式相比，增加了传感器与传感器 耦合装置的接触粘性，在不降低测试系统刚性的前提下，减小了动态误差。
[0009] 进一步地，还包括设置在头套中的弹簧以及橡胶垫片，弹簧的一端与头套上顶部 相连，另一端与橡胶垫片相连。在测试时，将嵌入卡座中的传感器与橡胶垫片相连，传感器 将在自身重力与弹簧弹力的作用下提供稳定的按压力度。再者，弹力的作用也将稳固传感 器并限制其底部漏出长度，避免手按过程中因力度变换、抖动等引起传感器的自身输出信 号导致测试结果不准。
[0010] 进一步地，所述底座与头套下端螺纹连接。在本方案中，当用手将传感器耦合装置 与传感器同时按压在被测物表面时，底座承载了手按的力量，而传感器本身只受到了弹力 弹簧和橡胶垫的按压力，不受手按力量的影响，同时与头套下端螺纹连接的底座也增加了 传感器与被测物表面的接触面积，减小了因手抖导致的传感器与被测物表面接触不良的缺 陷。
[0011] 为了测试系统阻尼是否达到所需的阻尼比，发明人进一步地提出适合于振动/波 动测试的传感器耦合装置的阻尼调试方法，包括以下步骤：
[0012]a)将传感器嵌入卡座中，并使传感器下端穿过底座上的孔，在此状态下，传感器下 端将有一部分露出底座；
[0013]b)松开传感器，使其在弹簧的作用下恢复自由状态，测量其所需的复原时间t1;
[0014]c)根据弹力弹簧的弹簧系数kz、传感器系统的固有频率CO、传感器系统的质量m计算出涂抹耦合剂后其应该复原的时间t2;
[0015]d)将测试得到的^与t2?行对比，若ti落入、的范围内，则涂抹的耦合剂满足 测试系统所需的阻尼比要求，若h未落入12的范围内，对涂抹的耦合剂厚度进行调整，直到 L落入t2的范围内。
[0016] 进一步地，所述步骤c)中，涂抹耦合剂后其应该复原的时间12的计算方式如下：
[0017] 阻尼c可按以下公式计算：
[0018] c=kzt2
[0019] 测试系统的阻尼比h由下列公式计算：
[0021] 传感器测试系统所需阻尼比一般要求小于0. 2大于0. 5,若使h< 0. 2且h大于 0. 5,根据以上两个公式，可计算出1~2的范围为：
[0023] 根据以上步骤，发明人可将测试所得的h与计算所得的^进行对比，若ti短于预 设范围t2,则增加耦合剂的厚度，反之则减少耦合剂的厚度。本方案中的阻尼调试方法保证 了测试系统的阻尼比满足要求，使得测试信号更为稳定，效果更好。
[0024] 综上所述，本发明的有益技术效果如下：
[0025] 1、卡座的设置对传感器提供了一个侧向阻尼并对传感器的侧向位移加以限制，底 座内壁与传感器以及卡座外壁与头套内壁之间填充的耦合剂在不减小传感器与被测物接 触刚性的前提下增加了测试系统的粘性，改善了测试系统的频响范围，减小了动态误差。
[0026] 2、弹簧和橡胶垫的设置对传感器提供了稳定的按压力度，保证频响测试稳定。
[0027] 3、底座的设置起到了增加传感器与被测物表面接触面积的作用，减小了因手抖而 导致传感器与被测物表面接触不良的缺陷。
[0028] 4、阻尼调试方法保证了测试系统的阻尼比满足要求，使得测试信号更稳定，效果 更好。
【附图说明】
[0029] 图1为适合于振动/波动测试的传感器耦合装置的结构示意图；
[0030] 图2为传感器设置在传感器耦合装置中的结构示意图；
[0031] 图3为传感器频响特性曲线图；
[0032] 图4为周期性支点振动引起的强制振动不意图；
[0033] 图5为不同阻尼比下X/Z~wQ/?的关系不意图；
[0034] 图6为传感器直接按压在被测物表面上的结构示意图；
[0035] 图7-A为采用本发明的传感器耦合装置得到的测试结果图；
[0036] 图7-B为采用力度较小的手按得到的测试结果图；
[0037] 图7-C为采用力度较大的手按得到的测试结果图；
[0038] 图7-D为采用热熔胶得到的测试结果图；
[0039] 图8-A为针对Im混凝土立方块采用手按得到的测试结果图；
[0040] 图8-B为针对Im混凝土立方块采用本发明的传感器耦合装置得到的测试结果图。
[0041] 其中附图标记所对应的零部件名称标记如下：
[0042] 1-头套，2-卡座，3-底座，4-弹簧，5-橡胶垫片，6-传感器。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细地说明，但本发明的实施方式 并不限于此。
[0044] 实施例1
[0045] 如图1、图2、图3所示，适合于振动/波动测试的传感器耦合装置，包括头套1、设 置在头套1中的卡座2以及固定在头套1下端的底座3,头套1、卡座2均为空腔结构，头套 1下端开口，卡座2上下表面均开口，卡座2卡设在头套1的内腔中；卡座2内壁上涂抹有 与传感器6相连的耦合剂；所述底座3上表面开设有供传感器6下端穿过的孔。还包括设 置在卡座2的外壁与头套1的内壁间的耦合剂。还包括设置在头套1中的弹簧4以及橡胶 垫片5,弹簧4的一端与头套1上顶部相连，另一端与橡胶垫片5相连。所述底座3与头套 1的下端螺纹连接。
[0046] 如图4所示，振动传感器的拾振对象为支点产生的振动z(t)，其运动方程式为：
[0047]z(t)=Zsin(?0t)
[0048] 其中，Z为被测体振动的振幅；
[0049] ?。为被测体振动的角频率；
[0050] 振动传感器拾振得到的信号的运动方程式为：
[0051] ,v(/) =Xsin((〇,,+(6)
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