98.模态空间14.04 – 你需要在所有位置都安装三轴向加速度计吗?

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

模态空间 – 在我们自己的小世界中     Pete Avitabile() KSI科尚仪器 董书伟(译)

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你需要在所有位置都安装三轴向加速度计吗?这会导致需要更多通道与更高费用。

我们讨论并思考一下这个问题。

2016年03月06日 发布 version1.0

嗯,我们讨论一下这个问题,同时也讨论一下跟结构如何布置仪器相关的其他问题。

我先要讲,在很多很多应用中三轴向加速度计极其有用。它们允许使用一个非常紧凑的封装,从结构上物理安装的一个传感器,来监测全部三个方向。没错,我确实使用它们,但实际上我真的不是所有时候都用它们,并且很多情况下我完全不用三轴加速度计,我们将讨论一下其中缘由。

首先,我们都知道,可以通过在一个安装块上安装三个独立的加速度计来“制作”一个三轴向加速度计。当然了,它不会像三轴向加速度计那样精美,但它是一种简单而又经济的的实现方法。另外,这当然也意味着你可以买三个单独的加速度计,它们差不多跟三轴向加速度计同样价格。但记住这里有一个明显的区别。

当我安装三轴向加速度计到被测结构上时,实际上仅需要测量一个方向,那么事实上我已经浪费了两个加速度计。另外,如果其他人需要做测量,对于每个测量位置,你有固定在一起的三个加速度计,不管你用还是不用全部三个。现在假设你有三个单独的加速度计,那么你不会占用所有加速度计。现在或许这话听起来很傻,但当你没有很多加速度计,并且它们都是三轴向的,如果实际上你只需要一个单轴向的加速度计,那么你已经占用了许多仪器。我见过不少实验室,他们买的都是三轴向加速度计,当有多个试验要做时,一个试验占用了所有的仪器。

好了。那么现在我们讨论些其他的事情。让我首先从一个简单的自由-自由梁试验开始。(您知道,所有我们“学术界的教育工作者”向来都进行梁试验的。)如果我们要测试一个简单梁,找出仅沿一个方向上的横向弯曲模态,那么我们就会如图1所示的那样进行试验布置,其中沿着梁的长度方向有15个测量位置。

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现在,如果我有的都是三轴向加速度计,那么我将会占用45个测量传感器,而实际上对眼前的试验只需要其中的15个。当然了,你可以说我可能也需要测试其他平面的梁弯曲方向,为此需要会需要另外15个加速度计。但是如果我实际上不需要轴向的话,我还是会有15个测量传感器没有用上。

不过,你可能又会说这是一种学术的情形,另外对于典型应用而言,你可能确实需要全部加速度计。对此我同意,但让我展示一些实例,这里你可能想要重新考虑这个问题。

最近我们做了相当多的大型风电机组叶片模态测试,这里主要兴趣在于锚固风电叶片两个方向上的弯曲模态,称为挥舞模态和摆振模态。(另外也认识到,这实际上只不过是一个“相当大的”梁罢了。)一个9米风电叶片试验及加速度计布置的示意图如图2所示。注意到,只在2个方向(x和y)上有测点,因为确实对轴向不感兴趣。这个试验是用一个非常便携的的8通道系统做的,含7个加速度计和一把冲击力锤。做试验时,用7个加速度计布置在7个测点位置,但它们都是沿x方向,得到第一组测量结果。接下来,对第二组测试,所有加速度计转向到y方向。最终,加速度计漫游遍历到所有感兴趣的测点。现在,这里使用单轴向加速度计的一个好处在于,当转向及漫游到所有测点的时候,所有的电缆都持续连接到加速度计和数采设备上。这样,绝不担心会有电缆交换,以致于加速度计位置或方向之间的不匹配。如果所有都用三轴向加速度,那么就有极大的可能会将电缆搞乱。

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另外对一个风电叶片进行了试验,叶片在50米长度范围内。这个试验也是只对叶片挥舞和摆振模态感兴趣,但有几个人说也可能需要测量轴向。叶片试验、电缆布置、试验预期的模态振型以及相关的测量结果如图3所示

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但是,相对于两个挥舞和摆振运动,轴向是非常刚硬的,并且位移是非常小的。现在我要说,在这个试验中,我们实际上确实安装了三轴向加速度计,以防末后我们需要测量所有三个方向,但幸运的是,多数人认为测量轴向是极少的。但是有一个非常重要的问题,很多人实际上从来没有考虑过。

挥舞和摆振运动是大的,对于这两个弹性体方向上的运动,100mV/g的加速度计灵敏度是非常适合的。然而,在轴向上的运动时非常小的,为了得到好的测量结果,需要1V/g或更高的灵敏度。三轴向加速度计的问题在于,所有三个方向上的灵敏度名义上是相同的 — 用100mV/g的三轴向加速度在轴向上的测量结果将会受到噪声和糟糕的信号强度困扰,以致于实际上根本不能提供合适的测量结果!!!

因此这里,对于最后的测试情形,我要用一个非常明确的说法来结束这篇文章,对于大型风电叶片试验,用不同的灵敏度适合于被测运动的三个单独的加速度计,我会更好些。对这个试验,考虑所有情况,三轴向加速度不会是明智的选择。

但是,我会指出,对于这个试验我们确实是安装了三轴向加速度计,但它主要是使我们在叶片起升到试验支架之前,能够在整个叶片上预先布置电缆。没错,在试验过程中,我确实有一个加速度计方向从来没有测过。另外,实际上我们只测量了挥舞和摆振两个方向,对任何测量位置,我们从来都没有接通轴向加速度计通道。并且,如果我要接通每个三轴向加速度的所有三个方向,那么与我所用采集系统已有的比,我将会需要更多的数据采集设备通道。但是,我用了三轴向加速度计“以防万一”!!!

我希望这有助于解释你的问题。如果你有关于模态分析的任何问题,尽管问我好了。

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