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振動式音叉液位開關(guān)的阻尼分析

2014-11-06

　　振動式物位開關(guān)在過去幾十年得到長足發(fā)展，在振動式音叉液位開關(guān)的設(shè)計(jì)中，其音叉振動幅度一般很小，但振動頻率較高，一般在1200Hz左右。音叉液位開關(guān)采用壓電器件實(shí)現(xiàn)叉體的振動驅(qū)動與檢測。當(dāng)叉體與被測液體接觸時，因阻尼使叉體的諧振頻率明顯降低，振動頻率的變化直接反應(yīng)在壓電檢測器件的輸出信號上，檢測電路對頻率的變化進(jìn)行判別并輸出一個開關(guān)信號。

　　因此，在音叉液位開關(guān)設(shè)計(jì)過程中，分析當(dāng)其接觸被測液體時，其振動特性和變化規(guī)律，就顯得尤為重要，而影響或改變音叉振動特性的因素就是介質(zhì)產(chǎn)生的阻尼。那么，振動式音叉液位開關(guān)的阻尼是怎樣的呢？

　　阻尼的相關(guān)概念

　　在對振動式音叉液位開關(guān)的阻尼進(jìn)行分析之前，我們先來看看阻尼的概念。

　　阻尼，是阻尼是一種能量耗散機(jī)制，是指任何振動系統(tǒng)在振動中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性，以及此一特性的量化表征。根據(jù)不同類型阻尼的物理機(jī)制及具體的阻尼現(xiàn)象，或者為了數(shù)學(xué)計(jì)算的方便，物理學(xué)家和工程專家在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，相繼建立了許多描述阻尼力的數(shù)學(xué)模型。在單自由度有阻尼體系運(yùn)動方程的基礎(chǔ)上，用來描述阻尼常見的三種數(shù)學(xué)模型分別是粘性阻尼、遲滯阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。
　　粘性阻尼假定阻尼力與速度成正比，其阻尼力表示為F=-CV。方便地表達(dá)阻尼對頻率、共振等的影響，是應(yīng)用最為廣泛的阻尼模型，通過將阻尼系數(shù)與結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量、剛度相聯(lián)系，可以方便地構(gòu)造出具體的阻尼系數(shù)，是目前最常用的阻尼表達(dá)方法。粘性阻尼很好地描述了在粘性流體中運(yùn)動所受到的阻尼作用。
　　遲滯阻尼又稱頻率相關(guān)阻尼，它與粘性阻尼系數(shù)C相對應(yīng)的阻尼因子是h/θ，其阻尼力表示為F=(h/θ)×V，其中h為材料遲滯阻尼常數(shù)；θ為振動頻率。砂子的阻尼特性可很好地用遲滯阻尼模型來描述。
　　結(jié)構(gòu)阻尼理論認(rèn)為，在固體材料中，阻尼力獨(dú)立于應(yīng)變速度，而與應(yīng)變幅值有關(guān)。結(jié)構(gòu)阻尼能很好地描述固體材料的阻尼特性。
　　振動式音叉液位開關(guān)的阻尼分析

　　振動式物位開關(guān)中的音叉液位開關(guān)在流體介質(zhì)中做單自由度的簡諧振動，其所受到的阻尼模型視為粘性阻尼模型。由牛頓第二定律，即F=ma，得到其阻尼體系運(yùn)動方程為：

　　其中介質(zhì)對音叉振動的阻尼力即為：

　　C稱為阻尼系數(shù)，單位為N.s/m，c與物體的形狀、尺寸及介質(zhì)的性質(zhì)（如密度、溫度、壓力、粘度等）有關(guān)；為振動速度V。事實(shí)上，介質(zhì)對振動的阻尼力的影響因素并不是單一的，可以肯定的是，阻尼力的大小和振動的速度、介質(zhì)密度、接觸面積都相關(guān)，此外，還與振動頻率及振幅有關(guān)聯(lián)。在流體介質(zhì)中，阻尼力大小還與粘度系數(shù)有關(guān)。在接觸面積逐漸增大時，振動速度和振幅都會衰減，阻尼系數(shù)c也會隨之減小，它是一個不斷變化的量。