книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

и от 5 до 20 см/сек (два положения переключателя), рычажную си­ стему, связывающую перо с вибрирующим элементом или сейсмомас­ сой, и две системы отметок времени — от внешнего и от внутреннего

токопрерывателей.

Передача движения к перу от точки, относительно которой изме­

смомассы, лежат в пределах от 5 до 300 гц, а с добавочными устрой­ ствами, входящими в комплект прибора, — от 2,5 гц. Лента шириной 50 мм выпускается двух типов: белая — для чернильных перьев и крас­ ная — для царапающих.

Аналогичные паспортные характеристики имеют вибрографы типа Кембридж, а близкие паспортные характеристики — двухкомпонентный

теристики виброизмерительных приборов с механическим методом реги­ страции не всегда соответствуют фактическим. Вибрографы Гейгера и Майгак обеспечивают удовлетворительную точность лишь при огра­ ниченных коэффициентах увеличения. Некоторые вибрографы, напри-, мер трехкомпонентный виброграф Шредер, оказались практически не­ пригодными для измерений.

§ 1.3. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для измерения колебаний строительных конструкций оптические приборы используются весьма редко. От механических оптические при­ боры. для измерения параметров вибрации отличаются тем, что в них

а )

Рис. 1.7. Зеркальные амплитудомеры

20

из рис. 1.7. Большой набор аналогичных схем применительно к различ­ ным условиям приводится в работе [88].

Простейший амплитудомер, называемый вибромаркой или мерным клином, показан на рис. 1.8. Вибромарка вычерчивается или изготов­ ляется фотоспособом на бумаге и наклеивается на поверхность, совер­ шающую вибрации в направлении стрелок на рис. 1,8,6. При частотах выше 8—10 гц глаз отчетливо видит сдвоенный клин, причем по рас­ стоянию I от острия клина до точки пересечения определяют амплитуду

а)

6)

I

Рис. 1.8. Вибромарка а — внешний вид; 6 — расчетная схема

поверхность и, освещая ее ярким светом, измеряют с помощью лупы или микроскопа с микрометром ширину размытого изображения этой проволоки при вибрациях. Минимальная амплитуда, измеряемая таким образом, составляет 3—5 мкм.

Для измерения меньших амплитуд или для определения амплитуд с большей точностью, что может потребоваться для калибровки виброизмерительной аппаратуры, используются интерференционные методы

[56, 88, 251].

Для измерения амплитуд колебаний высотных сооружений, при величине этих амплитуд от нескольких сантиметров до нескольких мет­ ров, используют геодезические оптические приборы.

Для измерения частот применяют стробоскопы с градуированной шкалой, подбирая наименьшую частоту вспышек, при которой вибри­ рующая поверхность казалась бы неподвижной.

Более сложные оптические виброизмерительные. приборы, в том числе зеркальные, фотографические, фототеневые, фотоэлектронные и т. п. [56, 88, 251], распространены мало, так как серийно не выпуска­ ются, а изготовление их сложно.

Механические и оптические приборы обладают существенным не­ достатком — они позволяют производить измерения одновременно только в одной точке и вблизи вибрирующего элемента. В большин­ стве же случаев изучения вибраций сооружений требуется иметь запись колебаний одновременно во многих точках сооружения. Часто возни­ кает необходимость дистанционного измерения вибрации. Такую воз­ можность дают только электрические приборы.

21

§2.1. О БЩ И Е СВЕДЕНИЯ

Воснову устройства всех электрических приборов для измерения вибраций положен общий принцип — кинематические параметры коле­ бательного движения преобразуются в электрические величины, которые затем измеряются или регистрируются с помощью электроизмеритель­ ных приборов или регистраторов электрических сигналов. Основным преимуществом электрических приборов для измерения вибрации явля­ ется возможность дистанционного измерения и одновременной реги­ страции вибраций во многих точках. Это дает возможность просле­ дить сложные динамические процессы в сооружении в целом, опреде­ лить формы колебаний, проанализировать взаимные связи между колебаниями отдельных элементов или связь .вибраций с нагрузками. Кроме того, электрические методы позволяют использовать электриче­ ские приборы для анализа вибраций, автоматизировать измерительные процессы, а также организовать предупредительную и аварийную сиг­ нализацию, когда какие-либо параметры вибрации достигают недопу­ стимых величин.

Преобразователи механических величин в электрические подразде­

параметры и соответственно ток в электрической цепи, питаемой от самостоятельного источника.

Генераторные преобразователи построены на общих принципах преобразования механической или световой энергии в электрическую. Наибольшее распространение получили способы, основанные на измене­

электрические [56, 88, 214, 263]. Их описанию посвящен § 2.2. Весьма

эффектов описаны в § 2.3. Наконец, в § 2.4 изложены краткие све­

зователи, не нашедшие пока сколько-нибудь широкого применения при исследованиях колебаний сооружений, в книге не описаны.

§2.2. ИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Все серийно выпускаемые вибродатчики (сейсмоприемники) с ин­ дукционными преобразователями состоят из корпуса, инерционной массы (сейсмомассы), индукционного элемента, включенного между сейсмомассой и корпусом прибора, и кабеля для подсоединения к внеш­ ним электрическим цепям.

22

Индукционный элемент содержит постоянный магнит и электриче­ скую катушку, скомбинированные таким образом, что при движении сейсмомассы относительно корпуса прибора изменяется магнитный по­ ток через катушку, в результате чего в ней вырабатывается электро­ движущая сила (ЭДС). Способы изменения магнитного потока через катушку чрезвычайно разнообразны [56, 88]. Наибольшее распростране­ ние получили так называемые электродинамические способы, основан­ ные на перемещении катушки в магнитном поле, образованном по­ стоянным магнитом со специально подобранной формой магнитопроводов (рис. 2.1). Вырабатываемая при этом ЭДС п р о п о р ц и о ­ н а л ь н а с к о р о с т и и з м е н е н и я м а г н и т н о г о п о т о к а и, соответственно, при однородном магнит­ ном поле — с к о р о с т и д в и ж е н и я *

При включении катушки, имеющей внутреннее сопротивление R (ом), во внешнюю цепь с сопротивлением г и электродвижущей силой, развиваемой другими источниками, Ец (вольт), ток (ампер), протекаю­ щий через эту катушку,

Gz Е ц

(2.3)

R + r

Индукционный элемент, включенный между сейсмомассой и кор­ пусом, не только вырабатывает ЭДС, но и оказывает воздействие на движение сейсмомассы, так как магнитное поле, образующееся при прохождении тока через катушку, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, причем сила этого взаимодействия (ньютон)

Например, катушка, замкнутая на сопротивление г [в этом случае сила тока может определяться по формуле (2.3) при Яц = 0], будет вы­ полнять в приборе роль демпфера, развивающего силу

сой через упругий элемент, в результате чего при определенных параметрах датчика вырабатываемая ЭДС получается пропорциональной перемещению [161]. Серийно такие устройства не выпускаются.

23

имеющей КЭМС Gr, угол поворота Ѳ (при этом в рамке гальванометра индуцируется ЭДС Ец = йгѲ) и сопротивление Rr,

г G2z + GGrQ

(2.6)

R -\- R r

Эту силу необходимо учитывать при анализе колебаний сейсмомассы. Конструктивные схемы подвески сейсмомассы в вибродатчиках с индукционными преобразователями весьма разнообразны, но они

» « — I— • — 1

ъ.

Ц.Т.

1

i h

7Ш 7/

\

диняющая центр тяжести массы с осью подвески, перпендикулярна направлению колебательного движения. Поскольку подвижная система

24

Маятниковая подвеска дает возможность добиваться сравнительно низких собственных частот при относительно малых габаритах и весе датчика. Однако этим датчикам требуется сравнительно частая регу­ лировка положения равновесия маятника и собственной частоты, что ограничивает их применение в местах, куда доступ в процессе изме­ рений затруднен или вообще невозможен. Способы дистанционной ре­ гулировки этих датчиков разработаны [122, 238], но применяются лишь в единичных из серийно выпускаемых приборов.

Необходимость в частой регулировке объясняется изменениями длины пружины из-за колебаний температуры, приводящими к отно­ сительно большим перемещениям центра тяжести сейсмомассы, что н^топустимо, поскольку для правильной работы датчика измеритель­ ная катушка, соединенная с сейсмомассой, должна находиться в сред­ ней части весьма малого (1—2 мм) зазора. Чтобы частично скомпен­ сировать изменения длины пружины, некоторые датчики снабжены биметаллическими термокомпенсаторами, позволяющими прибегать к регулировке лишь при значительных колебаниях температуры. Не­ обходимо отметить также сложность регулировки, вызванную тем, что в случае установки маятника в положение равновесия только путем изменения натяжения пружины изменяется и его собственная частота. Поэтому в большинстве датчиков предусмотрена возможность переме­ щать точку крепления пружины к корпусу (точка А на рис. 2.2, а) в двух направлениях, чтобы регулировать не только натяжение, но и угол наклона пружины.

В некоторых датчиках массы расположены на жестком рычаге по

обычно намного большей U+ U, вследствие чего снижаются собственная частота, КЭМС и габариты прибора, так как при больших амплитудах измеряемых колебаний и, соответственно, корпуса прибора перемеще­ ния масс относительнокорпуса оказываются сравнительно небольшими.

Существенным недостатком датчиков с маятниковой подвеской является их чувствительность также и к поворотам корпуса прибора. Причем она тем больше, чем больше приведенная длина маятника: поворот корпуса ^прибора на угол а даст сигнал, эквивалентный сиг­ налу от его поступательного перемещения на величину

Единственным серийным датчиком с маятниковой подвеской, в ко­ тором этот недостаток скомпенсирован, является ВБПП, описанный ниже.

Осевая подвеска сейсмомассы характеризуется тем, что центр тя­ жести и центр жесткости лежат на линии, имеющей направление из­

к вращательным компонентам вибрации и в большинстве случаев не требуют регулировок. Однако их собственные частоты относительно высоки — практически не ниже 6 гц.

Для вертикально ориентированного вибродатчика с осевой под­ веской можно определить перемещение подвесной системы под дейст­ вием силы тяжести (т. е. статическую осадку пружины) Лет (в санти­ метрах) по формуле Лст = я /ші2~25//і2. Зная из паспортных данных собственную частоту /ч и допускаемое предельное перемещение

25

подвижной системы атах, можно определить, какие датчики с осевой подвеской являются универсальными, т. е. пригодными для измерения и вертикальных и горизонтальных колебаний (для этих датчиков должно выполняться неравенство ат ах>Хст, причем амплитуда измеряемых колебаний должна удовлетворять неравенству а г а т а х —Яст)-

Характеристики серийных вибродатчиков с индукционными преоб разователями, применяемых при изучении динамики сооружений, при­ ведены в табл. 2.1. Кроме параметров, рассмотренных выше, при под-

Рис. 2.3. Вибродатчик ВЭГИК а — общий вид; б — схематический разрез

боре датчиков часто бывает необходимо знать еще максимальную измеряемую амплитуду, в пределах которой датчик работает линейно, и максимально допустимое ускорение, в пределах которого завод га­ рантирует нормальную работу датчика. Вся эта совокупность харак­ теристик вместе с характеристиками измерительных или регистрирую­ щих приборов позволяет построить область параметров вибрации, из­ меряемых каждым датчиком. Методы построения таких областей изложены в гл. 4.

Описание конструкции нескольких наиболее употребительных дат­ чиков приводится ниже.

Вибродатчик ВЭГИК (рис. 2.3) [87, 97] содержит механическую систему, состоящую из маятника с сейсмомассой 1, вращающегося на крестовых шарнирах 2, и пружины 3, натяжение и геометрическое по­ ложение которой регулируется с помощью винтов 4 и 5, благодаря чему собственная частота маятника при измерении вертикальных коле­ баний может быть установлена в пределах от 0,5 до 2,5 гц. При из­ мерении горизонтальных колебаний пружина снимается, корпус при-

26 *

27

Продолжение табл. 2.1

бора поворачивается на 90° вокруг горизонтальной оси и устанавли­ вается на три установочных винта, служащих для регулировки наклона и положения равновесия массы маятника. Для обеспечения устойчиво­ сти маятника корпус датчика устанавливается с легким наклоном от подвески к сейсмомассе. Индукционный элемент датчика состоит из укрепленной па маятнике катушки 6 с двумя обмотками и укреплен­ ной на корпусе магнитной системы 7. Из двух обмоток катушки одна обычно замыкается накоротко или через небольшое сопротивление и выполняет роль демпфирующей, а вторая соединяется с измерительным пли регистрирующим устройством.

Вибродатчик И001 (рис. 2.4) [212] является в настоящее время одним из наиболее распространенных и доступных, так как выпуска­ ется серийно в составе комплекта К001 и притом в относительно больших количествах. По схеме подвески маятника он аналогичен дат­

Кроме того, он вместо одной измерительной катушки и магнитной системы содержит две, имеющие противоположную полярность, бла­ годаря чему при последовательном соединении катушек компенсиру­ ется ЭДС, наведенная внешним магнитным полем. Это особенно важно при проведении исследований вблизи мощных электрических машин и трансформаторов.

Вибродатчики И001 выпускаются д двух модификациях — для из­ мерений вертикальных и горизонтальных составляющих вибраций. Д ат­ чик для измерения вертикальной составляющей отличается только тем, что в нем пластина 5 (рис. 2.4) сделана биметаллической для расшире­ ния диапазона температур, в пределах которого датчик не требует ре­ гулировки. Регулировка этого датчика, особенно на месте измерений, крайне неудобна, в связи с чем предложены разные способы его мо­ дернизации [121, 146].

Сейсмоприемник СМ-2М [87, 210] по схеме подвески маятника аналогичен датчикам-ВЭГИК и И001, но по своим параметрам более

из двух массивных постоянных магнитов с магнитопроводами 2 (рис. 2.5), соединенных между собой жестким коромыслом 1, подвешенным на крестовых шарнирах 3 к шасси 9. Пружина 4 крепится одним кон­ цом к ползунку 5, перемещающемуся по регулировочному винту, а дру­ гим— к .биметаллическому термокомпенсатору 6, укрепленному на ма­ ятнике. Измерительная и демпфирующая катушки 7 неподвижно ук­

2.5, б) колебаний, причем на основании корпуса имеются выступы, позволяющие с помощью винтов 8 изменять угол между шасси и основанием корпуса. Изменением угла наклона шасси достигается из­ менение собственной частоты маятника, что позволяет осуществлять ее плавную регулировку после того как передвижением ползунка 5 маятник выведен в положение равновесия. При измерении горизон­ тальных колебаний пружину 4 выводят в одну плоскость с осью под­ вески маятника или в положение, близкое к этому.

Вибродатчик больших перемещений ВБП-3 [87, 180], так же как и С5С, имеет двухмассовую механическую систему с маятниковой подвеской (рис. 2.2, б). Маятник выполнен в виде плоской алюминие­ вой рамки 11 (рис. 2.6), на одной стороне которой для уменьшения

30