五、拾振装置

拾振装置是将输入到被测结构的信号和从该系统输出的信号进行测量的装置，包括力传感器、响应传感器。

模态分析试验中常用以压电晶体为敏感元件的传感器，分为电荷型和电压型两种。电荷型传感器的主要优点是动态范围大，工作温度范围大，但需要匹配相应的电荷放大器；电压型传感器不需要电荷放大器，使用方便，但需要一个外部恒流电源为其内部电路供电。传感器做得比较好的国外公司有美国的Endevco（恩德福克）公司、丹麦的B&K公司，它们的产品精度高、可靠性好，缺点是价格贵；美国PCB公司产品以大众化为主，特别是ICP产品是他们的一大优势；瑞士Kistler公司的传感器也不错；国内以联能公司的传感器性价比较好。

力传感器和响应传感器的选择主要取决于试验的频率范围、振动量级、允许的质量载荷大小、精度范围等。

1. 力传感器

模态试验中常用的力传感器如图11 所示，其主要特性指标是最大力、最低频率和最高频率以及灵敏度。应使模态实验要求的工作频率落在力传感器频响函数的线性段范围内，而且结合调整功率放大器的增益，使试验中可能产生的最大冲击力不超过力传感器冲击额定值的1/3。如果是电荷型的力传感器，应配合相应的电荷灵敏度和电荷放大器的量程，使其在测试过程中产生一个既不过载又不太弱的可供分析的电压信号。

图11 力传感器

根据所选激励方式确定力传感器的类型。比如，用激振器时，应选用组合型力传感器；如用冲击锤激励，宜选用冲击型力传感器。

2. 加速度传感器

由于位移传感器和速度传感器比较重，加速度传感器比较小，而且加速度信号可以通过积分电路正确积分，从而得到速度和位移，所以模态分析试验中常用加速度传感器，即加速度计，如图12所示。

图12 加速度计

加速度计的主要技术参数为灵敏度和动态范围。灵敏度分电荷灵敏度和电压灵敏度，电荷灵敏度为加速度计接收轴向单位加速度时所输出的电荷量；电压灵敏度为加速度计接收轴向单位加速度时输出的电压值。电压灵敏度与连接加速度计和电荷放大器的引线长度有关，而电荷灵敏度与引线长度无关。电荷灵敏度的单位为“Pc·s2/m”或Pc/g，g为重力加速度。电压灵敏度的单位为“mV·s2/m”。所选用加速度计的灵敏度还应与电荷放大器的量程相匹配。

横向灵敏度是加速度计另一个重要指标。制造误差及压电晶体片极化轴术规则等原因，使得传感器不仅接收轴向加速度，还部分接收横向振动加速度。横向灵敏度定义为传感器接收横向单位加速度所产生的电荷量。横向灵敏度不仅影响信号幅值的测量精度，更严重的是影响信号相位的测量。因此，横向灵敏度越小越好。加速度计在出厂前要逐个标定横向灵敏度，并将最小横向灵敏度方向用红点标注于外壳上。安装加速度计时，应将红点对准测点横向振动最大的方向，以最大限度减小横向灵敏度的影响。

动态范围是指加速度计有效工作频率范围，加速度计的下限频率可以为零，但电荷放大器有幅值下限频率和相位下限频率，幅值下限频率比相位下限频率低，如B&K2635电荷放大器幅值下限频率为0.2Hz，而相位下限频率为2Hz。不同的加速度计有不同的幅值上限频率和相位上限频率，一般情况下，相位上限频率比幅值上限频率低，所以，应根据试验所关心的频率范围选择传感器的有效工作频率，如图13为带电荷放大器的加速度计的有效工作频率范围。

图13 带电荷放大器的加速度计的有效工作频率范围

限制加速度计可用频率范围的另一个重要因素，即它与结构的连接方式。一般情况下，测试的最高频率不大于加速度计谐振频率的1/10，测试中可能产生的最大加速度不超过其额定值的1/3。

最后需要注意的是对于轻型结构，加速度计的附加质量影响应尽可能的小。可用如下方法鉴别加速度计的质量对试验结构动力特性的影响程度。首先将加速度计固连在试验结构上，测量该测点与激励点之间的频响函数；然后，在此加速度计上再安装一同样的加速度计，再次测量同一频响函数。比较两次测量频响函数曲线的差异，如果固有频率和幅值相差较大，说明此种加速度计对结构的附加质量有明显影响，如图14 所示。此时，应更换一质量更小的加速度计。然而，质量小的加速度计的灵敏度也小，所测信号信噪比会降低，必须考虑这一矛盾。

图14 加速度计对结构的附加质量的影响