闸门振动加速度的测试

6.4　闸门振动加速度的测试

6.4.1　加速度测试分析原理

闸门主要由于启门时的脉动水压力的作用使其产生强迫振动。因此，闸门各部分将具有相应的振动加速度和振动能量。脉动水压力是随机的，所以闸门的强迫振动带有随机性质的过程。为此，对闸门的振动测试必须以工程振动及随机振动的理论为基础进行测试分析。

在测试中，把脉动水压力作为激励力，闸门作为被激振的对象，通过预置在闸门各布点上的加速度传感器把闸门的强迫振动加速度响应的电信号用信号记录仪记录，即得到所谓样本函数X(t)。设X(t)为各态历经随机振动的一个样本函数，它能反映整个各态历经随机振动过程的特性。其特性参数如下。

1.均值μ_x

其表示式为

2.标准差σ_x

它是方差的正平方根，即

3.均方差

其表达式为

其正平方根值ψ_x=?√l T i→m∞1T∫0 T X2(t)d t称为均方根值。

在上述参数中，称为方差。方差是描述随机变量X(t)偏离其均值μ_x的程度，也即均值是描写数据的静态分量，方差和标准差是描写数据的动态分量。显然，随机数据的均方值包含了动态分量和静态分量，即=+，所以，均方值提供了数据强度方面的总的描述。当随机变量X(t)表示振动的位移时，方差便是与随机振动的能量或功有关的量，即闸门的动能、弹性势能及阻尼消耗的能量均与之成比例。加速度是位移的二阶导数，所以在试验中如果测得的是振动加速度的均方值也是一种能量的标志。通过测得不同开度的闸门的振动加速度的均方值，便可以得知闸门振动加速度随闸门不同开度时的幅值变化规律图，并可找出泄水过程不同开度的最大加速度值，就可知其振动能量的大小，从而判断其振动加速度值是否属于安全范围。

6.4.2　加速度测试方法

闸门振动加速度的测试方法仍然采用电测法。电测法的基本做法是通过加速度传感器将闸门的强迫振动加速度转换成电量(较微弱的电荷)，然后用电荷放大器将其放大并输送给磁带记录仪记录。

6.4.3　加速度测试分析的仪器及其标定

6.4.3.1　测试分析的仪器

闸门振动加速度的测试分析系统的方框图及仪器如图6-8所示。

图6-8　加速度测试分析系统方框图

YD-107型压电加速度计用于测量垂直于加速度底面的对称轴方向的冲击或振动。其工作原理是加速度计向上运动时，其内部的质量块M朝着加速度计底面向下运动，反之亦然。这种上下运动可使加速度计内的质量块元件产生惯性力，这个惯性力使粘贴在基座上的静态预压的压电陶瓷(或石英、锆钛酸铝)上的压应力增加或减少，从而产生感应电荷为

式中:d——压电陶瓷的压电应变常数(C/N);

M——加速度计内的质量块元件的质量(kg);

m——压电陶瓷的质量(kg);

a——被测物体的加速度(m/s²)。

由于d、M、m均为常数，因此，压电陶瓷上产生的电荷正比于加速度a。被测的闸门上的加速度的大小就是通过加速度计产生的电荷数量来体现的。由于压电材料是一个电容，当频率为零时其容抗为无穷大，因此振动频率为零时压电陶瓷产生的电荷是难以测试到的。可见这种加速度计可用来测试频率很低的振动信号，这是它的优点之一。

YD-107型加速度计的主要技术性能的典型参数为:灵敏度51.2pC/g，频率范围0～100kHz，横向灵敏度小于5%，量程为10g。

7021型电荷放大器安置在传感器和记录仪之间作为量测电路。其主要作用是，由于压电式加速度计输出的电荷量较少，在传送距离较长时，可不失真地放大信号与排除其他信号的干扰，使记录仪能真实地记录所测得的振动信号。量测电路的线路简图如图6-9所示。电荷放大器的输出电压为

图6-9　放大器线路简图

式中:当放大器增益A= 1000，加速度计和电缆电容C_p+ C_L= 1000微微法拉(pF)、电荷Q为微微库仑(pC)及分流电阻R_S= 100000(Ω)时，其输出电压近似等于电荷除以反馈电容。即使加速度计与电荷放大器之间的电缆很长，而E₀也近似地保持常数。可见，它的工作原理主要是通过一个具有深度电容负反馈的高开环增益运算器来实现放大。

INV306型多功能采集记录仪，采集容量为4G，采集方式为随机采样。此仪器与带有专门分析软件的计算机联合使用时兼有数据处理分析的功能，可进行时域分析和频域分析等。

6.4.3.2　传感器的标定

压电式加速度计的灵敏度随时间、温湿度及急变的压力等外界环境条件的影响而变化。因此，在使用前须对加速度计的电荷灵敏度重新标定，以保证闸门振动测试的精度。

标定工作的方框图如图6-10所示。

图6-10　标定工作方框图

标定原理是利用YD-107型压电式加速度计感受JX-1型加速度校准仪产生一个“g”的加速度标准信号(振动频率为79.6Hz)，同时调好7021型电荷放大器的衰减挡及截止频率及各通道的电荷灵敏度，使接在7021型电荷放大器输出端的数字器电压表量得的电压为1V，并将此标准信号记录在相应通道的记录仪磁带上，再由记录仪输入数据处理机中作为标定信号。重复完成所用的各通道，标定完毕。

6.4.4　闸门振动加速度现场测试

6.4.4.1　加速度计的安置与保护

在闸门各选定的布点部位(测点)上粘贴固定加速度计的基座，把加速度计固于基座上，并注意保护，以防脱落。

6.4.4.2　测试内容

按测试目的要求，测量闸门在不同开度下各测点的振动加速度样本函数(即加速度随时间变化过程)曲线X(t)。

6.4.5　测试结果分析

将记录在INV306多功能采集记录仪的记录数据，通过计算机(含分析软件)分析计算，得到加速度样本函数X(t)的均值μ_x、标准差σ_x、均方值、正均方根值及振动作用的时间t。

正均方根值还不是闸门各部位(测点)的真实加速度，必须通过换算才能得到闸门各测点振动响应加速度值。换算公式为

式中:——加速度正均方根值，单位为“g”;

K——有效标定值，K=×;

T——样本函数采集时间。如果每个样本函数文件有8096点，而速度为1024点/秒，则T== 8(s)。

t——振动作用有效时间。一般在闸门振动测试中在采集时间内，都会产生强迫振动，即T= t。

通过换算便得到闸门各测点的加速度响应在不同开度时的最大加速度值。