06-振動(dòng)的測量

1、1,第六章、振動(dòng)的測量,1.掌握單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)的基本原理； 2.了解振動(dòng)激勵(lì)和測量的方法和設(shè)備； 3.了解測振傳感器的原理和應(yīng)用。 4.了解振動(dòng)測量的工作原理和機(jī)械振動(dòng)參數(shù)估計(jì)。,本章學(xué)習(xí)要求（6課時(shí)）：,2,第一節(jié)、概 述,從狹義上說，通常把具有時(shí)間周期性的運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。 從廣義上說，任何一個(gè)物理量在某一數(shù)值附近作周期性的變化，都稱為振動(dòng)。 機(jī)械振動(dòng)是物體在一定位置附近所作的周期性往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。 構(gòu)成機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去的性質(zhì)；恢復(fù)性就是

2、能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)；阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。這三個(gè)基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。,3,1、機(jī)械振動(dòng)的危害性：低機(jī)器性能 ，縮短使用壽命，事故 2、機(jī)械振動(dòng)被利用的一面：振動(dòng)篩，夯實(shí)，粉碎 3、機(jī)械振動(dòng)測量的目的：設(shè)備的監(jiān)測、診斷和控制 在振動(dòng)測量時(shí)，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)。如振動(dòng)位移是研究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動(dòng)加速度與作用力或載荷成正比，是研究動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，人對機(jī)械振動(dòng)的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由振動(dòng)速度決定的，振動(dòng)速度又與能量和功率有關(guān)，并決定了力的動(dòng)量。 4、現(xiàn)代振動(dòng)測試多采用電測法,4,5、機(jī)械振動(dòng)的

3、類型,系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的 激勵(lì)而引起的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)；系統(tǒng)在持續(xù)的 外作用力激勵(lì)下的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。 自由振動(dòng)問題雖然比強(qiáng)迫振動(dòng)問題單純，但自 由振動(dòng)反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有信息，是研究 強(qiáng)迫振動(dòng)的基礎(chǔ)。 單自由度系統(tǒng)在簡化模型中，振動(dòng)體的位置或 形狀只需用一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)來描述的系統(tǒng)稱為單自 由度系統(tǒng)。,5,第二節(jié)、單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng),一、質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動(dòng),在外力f(t)的作用下，質(zhì)量塊 m 的運(yùn)動(dòng)(位移)方程為：,c為粘性阻尼系數(shù)；k為彈簧剛度；位移y(t)為振動(dòng)系統(tǒng)的輸出。,6,這是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，其系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)H(w)和幅頻特性A(w) 、

4、相頻特性j(w)分別為：,n固有圓頻率,阻尼比,7,幅頻特性曲線和相頻特性曲線,8,振動(dòng)幅頻特性曲線上幅值極大的頻率稱為共振頻率,對A(w)求一階導(dǎo)數(shù)并令其為零，可以得到共振頻率wr（在wn的偏左）為：,可見，質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng)其共振頻率wr總是小于系統(tǒng)的固有頻率wn，阻尼越小，兩者越靠近，因此，在小阻尼情況下可以采用wr作為的wn估計(jì)值；而在相頻特性圖上，不管系統(tǒng)的阻尼比為多少，在wr/wn=1時(shí)，位移始終落后于激振力90，這是判別共振頻率的一個(gè)十分有用的指標(biāo)。,9,二、由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng),在許多情況下，振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)是由基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為y1(t)，質(zhì)量

5、塊m的絕對位移為y0(t)，則質(zhì)量塊 m 的運(yùn)動(dòng)方程為:,10,y01(t)=y0(t) -y1(t)為質(zhì)量塊m 對基礎(chǔ)的相對位移，則系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)H(w)和幅頻特性A(w)、相頻特性j(w)分別為：,11,幅頻特性曲線,12,可見，當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，質(zhì)量塊相對于基礎(chǔ)的振動(dòng)幅值(位移)為零，這意味著質(zhì)量塊幾乎跟隨基礎(chǔ)一起振動(dòng)，兩者相對運(yùn)動(dòng)極小。而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)高于固有頻率時(shí)，A(w)接近于1，這表明質(zhì)量塊和基礎(chǔ)之間的相對運(yùn)動(dòng)(輸出)和基礎(chǔ)的振動(dòng)(輸入)近于相等。 對于單自由度系統(tǒng)，可以用一元二次微分方程進(jìn)行描述；而對于多自由度系統(tǒng)，則需要用高階微分方程進(jìn)行描述。,13,第三節(jié)、

6、振動(dòng)的激勵(lì),如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動(dòng)態(tài)特性。振動(dòng)系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗(yàn)方法。 為了獲得振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，需要對被測對象施加一定的外力(激振力)，讓其作受迫振動(dòng)或自由振動(dòng)，以便獲得相應(yīng)的激勵(lì)及其響應(yīng)。一般說來測試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個(gè)主要部分：,14,1)激勵(lì)部分 實(shí)現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵(lì)(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振裝置組成。 2)拾振部分 檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號(hào))。它主要由測振傳感器、可調(diào)放大器組成。 3)分析記錄部分 將拾振部分傳來的信號(hào)記錄

7、下來供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。,15,見：ZK4VIC型虛擬測試振動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)裝置,16,一、穩(wěn)態(tài)正弦激振,穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激振設(shè)備對被測對象施加一個(gè)頻率可控的正弦激振力，并測定振動(dòng)響應(yīng)與正弦力的幅值比與相位差。其優(yōu)點(diǎn)是激振功率大，信噪比高，能保證響應(yīng)測試的精度。 為了測得整個(gè)頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)，必須用多個(gè)頻率進(jìn)行試驗(yàn)以得到系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，這一過程稱為掃頻或掃描。需要注意的是在每個(gè)測試頻率處，只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)才能進(jìn)行測試，這對于小阻尼系統(tǒng)尤為重要，因此測試時(shí)間相對較長。,激勵(lì)方式通?？梢苑譃榉€(wěn)態(tài)正弦激

8、振、 瞬態(tài)激振 和 隨機(jī)激振三種。,17,二、隨機(jī)激振(略),隨機(jī)激振是一種寬帶激振，一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)。 白噪聲在整個(gè)頻譜內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的能量為常數(shù)，并基本恒定。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)單位脈沖函數(shù)，即除t=0 處以外，自相關(guān)函數(shù)等于零，在t=0 時(shí)，自相關(guān)函數(shù)為無窮大，而其自功率譜密度函數(shù)幅值恒為1。實(shí)際測試中，當(dāng)白噪聲通過功放并控制激振器時(shí)，由于功放和激振器的通頻帶是有限的，所以實(shí)際的激振力頻譜不能在整個(gè)頻率域中保持恒值（此時(shí)就不是白噪聲），但如果在比所關(guān)心的有用頻率范圍寬得多的頻域內(nèi)具有相等的功率密度時(shí)，仍可視為白噪聲信號(hào)。,18,在工程上，為了能夠重復(fù)試驗(yàn)，常采用偽隨機(jī)信

9、號(hào)作為測試信號(hào)，把它作為測試的輸入激勵(lì)信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)是一種有周期性的隨機(jī)信號(hào)，將白噪聲在時(shí)間T（單位為s）內(nèi)截?cái)?，然后按周期T重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號(hào)，見圖。偽隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲的自相關(guān)函數(shù)相似，但是它有一個(gè)重復(fù)周期T，即偽隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù) Rx(t)在t=0, T, 2T,.以及-T, - 2T,. 各點(diǎn)取值a2 ，而在其余各點(diǎn)之值均為零。采用偽隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)的測試方法，既具有純隨機(jī)信號(hào)的真實(shí)性，又因?yàn)橛幸欢ǖ闹芷谛?，而在?shù)據(jù)處理中避免了統(tǒng)計(jì)誤差。 許多機(jī)械或結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下所受到的干擾力或動(dòng)載荷往往都具有隨機(jī)的性質(zhì)，因此，振動(dòng)測試可以在被測對象正常的運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行，如果用傳感器

10、測出這種干擾力及其系統(tǒng)的響應(yīng)，就可以利用分析儀器對正在運(yùn)行中的被測對象作“在線”分析。,19,20,三、瞬態(tài)激振,瞬態(tài)激振為對被測對象施加一個(gè)瞬態(tài)變化的力，是一種寬帶激勵(lì)方法。常用的激勵(lì)方式有以下幾種： （一）快速正弦掃描激振 激振信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器供給，其頻率可調(diào)，激振力為正弦力。但信號(hào)發(fā)生器能夠作快速掃描，激振信號(hào)頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持不變，見圖。 快速正弦掃描激振力信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式為：,21,式中：T為信號(hào)的周期；a=(fmax-fmin)/T；b=fmin； fmax , fmin為掃描的上下限頻率。掃描頻率的上下限頻率和周期根據(jù)試驗(yàn)要求可以改變，一般掃描時(shí)間為12s，

11、因而可以快速測試出被測對象的頻率特性。,22,（二）脈沖激振 脈沖激振是用一個(gè)裝有傳感器的錘子（又稱脈沖錘）敲擊被測對象，對被測對象施加一個(gè)力脈沖，同時(shí)測量激勵(lì)和被測對象。脈沖的形成及有效頻率取決于脈沖的持續(xù)時(shí)間 t, t 則取決于錘端的材料，材料越硬 t 越小，則頻率范圍越大。脈沖錘激振簡便高效，因此常被選用。但在著力點(diǎn)位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟練的技巧，否則會(huì)產(chǎn)生很大的隨機(jī)誤差。 （三）階躍（張弛）激振 階躍激振的激振力來自一根剛度大、重量輕的弦。試驗(yàn)時(shí)，在激振點(diǎn)處，由力傳感器將弦的張力施加于被測對象上，使之產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦，這相當(dāng)于對被測對象施加一個(gè)負(fù)的階躍

12、激振力。階躍激振屬于寬帶激振，在建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試中被普遍應(yīng)用。,23,第四節(jié)、 激振器,常用的激振器有電動(dòng)式、電磁式和電液式三種，此外還有用于小型、薄壁結(jié)構(gòu)的壓電晶體激振器、高頻激振的磁致伸縮激振器和高聲強(qiáng)激振器等。,一、電動(dòng)式激振器,電動(dòng)式激振器按其磁場的形成方法分有永磁式和勵(lì)磁式兩種。前者多用于小型激振器，后者多用于較大型的激振器，即振動(dòng)臺(tái)。,24,線圈正好位于磁極與鐵芯的氣隙中。當(dāng)線圈通過經(jīng)功率放大后的交變電流i時(shí)，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，線圈將受到與電流i成正比的電動(dòng)力的作用，此力通過頂桿傳到被測對象，即為激振力。,打開演示,25,二、電磁式激振器,電磁式激振器直接利用電磁力作激

13、振力，常用于非接觸激振場合，特別是對回轉(zhuǎn)件的激振。勵(lì)磁線圈包括一組直流線圈和一組交流線圈，當(dāng)交變電流通過勵(lì)磁線圈便產(chǎn)生相應(yīng)的磁通，從而在鐵芯和銜鐵之間產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)兩者之間無接觸的相對激振。電磁激振器的特點(diǎn)是與被激對象不接觸，沒有附加質(zhì)量和剛度的影響，頻率上限約為500800Hz左右。,26,三、電液式激振器,在激振大型結(jié)構(gòu)時(shí)，為得到較大的響應(yīng)，有時(shí)需要很大的激振力，這時(shí)可采用電液式激振器。 信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)經(jīng)過放大后，經(jīng)由電動(dòng)式激振器、操縱閥和功率閥所組成的電液伺服閥2，來控制油路使活塞3作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并以頂桿1去激勵(lì)被激對象?；钊瞬枯斎胍欢ㄓ蛪旱挠?，形成靜壓力p靜，對被激對象施加預(yù)載荷。

14、用力傳感器測量交變激勵(lì)力p1和靜壓力p靜。 電液式激振器的優(yōu)點(diǎn)是激振力大，行程亦大 。,27,28,第五節(jié)、 振動(dòng)測量方法及測振傳感器,機(jī)械振動(dòng)測試方法一般有機(jī)械方法、光學(xué)方法和電測方法。機(jī)械方法（如采用杠桿原理）常用于振動(dòng)頻率低、振幅大、精度不高的場合。光學(xué)方法主要用于精密測量和振動(dòng)傳感器的標(biāo)定。而電測法則應(yīng)用范圍最廣（見表7-2）。 測振傳感器的分類方法很多： 1、按測振參數(shù)分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器 2、 按參考坐標(biāo)分：相對式傳感器、絕對式傳感器； 3、 按激振原理分：磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、光學(xué)式； 4、按傳感器與被測物關(guān)系分：接觸式傳感器、非接觸式傳

15、感器（用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械）,29,拾取振動(dòng)信息的裝置通常稱拾振器(vibration transducer)，傳感器是其核心組成部分。表達(dá)振動(dòng)信號(hào)特性的基本參數(shù)是位移(速度、加速度),頻率和相位。拾振器的作用是檢測被測對象的振動(dòng)參數(shù)，在要求的頻率范圍內(nèi)正確地接受下來，并將此機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。,一、慣性式傳感器(機(jī)械式),圖中z1(t),z0(t),z01(t)分別表示殼 體絕對位移、質(zhì)塊的絕對位移和 殼體與 質(zhì)塊的相對位移。測試時(shí)， 殼體和被測物體聯(lián)接（用膠接或 機(jī)械方法），使殼體與被測物體 之間無相對的振動(dòng)，則被測物體 的振 動(dòng)也即拾振器的輸入。,30,二、電渦流式位移傳感器,根據(jù)法拉第電磁

16、感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。,金屬板,線圈,鐵心,31,電渦流式位移傳感器是一種非接觸式測振傳感器，其基本原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)，導(dǎo)致線圈阻抗發(fā)生變化，傳感器線圈的厚度越小，其靈敏度越高。,電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離 有關(guān)。因此，傳感器線圈受渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：,原線圈的等效阻抗Z變化：,如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就

17、僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。,32,電渦流式位移傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點(diǎn)。渦流傳感器屬于相對式拾振器，能方便地測量運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件間的間隙變化。,線圈,33,三、磁電式速度傳感器,磁感應(yīng)電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢，是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e的大小決

18、定于穿過線圈的磁通量的變化率，即 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故若改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。,34,若以線圈相對磁場運(yùn)動(dòng)的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e為： 式中：l每匝線圈的平均長度； B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； S每匝線圈的平均截面積. 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動(dòng)速度(v或)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測量。,3

19、5,磁電式速度傳感器為慣性式速度傳感器，其工作原理為：當(dāng)有一線圈在穿過其磁通發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的輸出與線圈的運(yùn)動(dòng)速度成正比。 在測振時(shí)，傳感器固定或緊壓于被測系統(tǒng)，磁鋼4與殼體2一起隨被測系統(tǒng)的振動(dòng)而振動(dòng)，裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場中運(yùn)動(dòng)。,36,磁電式振動(dòng)速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加電源，輸出信號(hào)可以不經(jīng)調(diào)理放大即可遠(yuǎn)距離傳送，這在實(shí)際長期監(jiān)測中是十分方便的。另一方面，由于磁電式振動(dòng)速度傳感器中存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，它與被測系統(tǒng)同頻率振動(dòng)，不僅限制了傳感器的測量上限，而且其疲勞極限造成傳感器的壽命比較短。在長期連續(xù)測量中必須考慮傳感器的壽命，要求

20、傳感器的壽命大于被測對象的檢修周期。,37,四、壓電式加速度傳感器,壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。,膜片,壓電轉(zhuǎn),換元件,支撐螺桿,本體,電極,38,由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是微弱的電荷，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號(hào)輸給指示 儀表或記錄器。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。 由于磁電

21、式速度傳感器存在響應(yīng)頻率范圍小，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞，傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點(diǎn)，近年發(fā)展了 壓電式速度傳感器，即在壓電式加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加了積分電路，實(shí)現(xiàn)了速度輸出。同樣，這種傳感器也全部實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。,39,五、測振傳感器的合理選擇,40,(1)直接測量參數(shù)的選擇作為拾振器的被測量是位移、速度或加速度。 通過微積分電路來實(shí)現(xiàn)它們之間的換算。低頻時(shí)加速度的幅值有可小到與測量噪聲相當(dāng)?shù)某潭龋缬眉铀俣扔?jì)測量低頻振動(dòng)，會(huì)因低信噪比使測量不穩(wěn)定和增大測量誤差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器測高頻位移有類似的情況發(fā)生。 傳感器選擇時(shí)還應(yīng)力圖使最重

22、要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測得。例如考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)，宜作加速度測量；考察振動(dòng)環(huán)境（振動(dòng)烈度以振動(dòng)速度的均方值來描述）時(shí)，宜作振動(dòng)速度的測量；要監(jiān)測機(jī)件的位置變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感器作位移的測量。選擇時(shí)還需要注意能在實(shí)際機(jī)器設(shè)備安裝的可行性。,41,42,(2) 傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo)各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的范圍，選用時(shí)需要根據(jù)被測系統(tǒng)的振動(dòng)頻率范圍來選用。 對于慣性式拾振器，一般質(zhì)量大的拾振器上限頻率低、靈敏度高；質(zhì)量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計(jì)為例，作超低振級(jí)測量的都是質(zhì)量超過100g靈敏度很高的加速度計(jì)，

23、作高振級(jí)（如沖擊）測量的都是小到幾克或零點(diǎn)幾克的加速度計(jì)。,43,(3)使用的環(huán)境要求、價(jià)格、壽命、可靠性、維修、校準(zhǔn)等。 例如激光測振盡管有很高的分辨力和測量精確度，由于對環(huán)境（隔振）要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴，它只適用于實(shí)驗(yàn)室作精密測量或校準(zhǔn)。電渦流和電容傳感器均屬非接觸式，但前者對環(huán)境要求低而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場對機(jī)器振動(dòng)的測量中。如大型汽輪發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測中用的拾振器、要能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下長期可靠地工作，常選用電渦流傳感器。 對相位有嚴(yán)格要求的振動(dòng)測試項(xiàng)目（如作虛實(shí)頻譜，幅相圖、振型等測量），除了應(yīng)注意拾振器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)放大器的相

24、頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因?yàn)闇y得的激勵(lì)和響應(yīng)之間的相位差包括了測試系統(tǒng)中所有儀器的相移。,44,第六節(jié)、 振動(dòng)的分析方法與儀器,振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度三者的幅值之間的關(guān)系與頻率有關(guān)，所以，在低頻振動(dòng)場合，加速度的幅值不大；在高頻振動(dòng)場合，加速度幅值較大。,一、正弦測量系統(tǒng)(略),正弦測量系統(tǒng)適用于按簡諧振動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)。對機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試及環(huán)境考驗(yàn)時(shí)，也都是用正弦測量系統(tǒng)測量其響應(yīng)。正弦測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于測量比較精確，因而也最為常用。 應(yīng)用正弦測量系統(tǒng)，除了測量振幅外，有時(shí)還要求測量振幅對于激勵(lì)力的相位差，以及觀察振動(dòng)波形的畸變情況。,45,46,二、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測

25、量系統(tǒng),動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)將電阻應(yīng)變片貼在結(jié)構(gòu)的測振點(diǎn)處，或直接制成應(yīng)變片式位移計(jì)或加速度計(jì)，安裝在測振點(diǎn)處(demo)，將應(yīng) 變片接入電橋，電橋由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的振蕩器供給穩(wěn)定的載波電壓。測振時(shí)由于振動(dòng)位移引起電橋失衡而輸出一電壓，經(jīng)放大并轉(zhuǎn) 換成電流，由表頭指示，或由光學(xué)示波器、計(jì)算機(jī)記錄。,47,48,三、頻譜分析系統(tǒng),頻譜分析系統(tǒng)可以分成模擬量頻譜分析系統(tǒng)和數(shù)字頻譜分析系統(tǒng)。 a）模擬量頻譜分析系統(tǒng) 傳感器經(jīng)微/積分放大器后，進(jìn)入模擬量頻譜分析儀。系統(tǒng)的核心是模擬式頻譜分析儀，它由跟蹤濾波器或一系列窄帶帶通濾波器構(gòu)成，隨著濾波器中心頻率的變化，信號(hào)中的相應(yīng)頻率的諧波分量得以通過，從而可以得到

26、不同頻率的諧波分量的幅值或功率的值，由儀表顯示或記錄； b）數(shù)字頻譜分析系統(tǒng) 現(xiàn)代振動(dòng)分析系統(tǒng)大都是數(shù)字式分析系統(tǒng)。將來自傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列信號(hào)，然后通過快速傅里葉(FFT)的運(yùn)算，獲得被測系統(tǒng)的頻譜。,49,某外圓磨床在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作臺(tái)的橫向振動(dòng)記錄曲線，它是用磁電式速度傳感器測得的。圖a為振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域曲線 ，表明振動(dòng)信號(hào)中含有復(fù)雜的頻率成分，但很難對其頻率和振源作出判斷。圖b為該信號(hào)的頻譜圖，經(jīng)過頻譜分析可以估計(jì)振動(dòng)的根源和干擾。結(jié)合磨床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，可判明27.5Hz頻率成分為砂輪不平衡所引起的振動(dòng)；329Hz頻率成分為油泵脈動(dòng)引起的振 動(dòng)；50Hz、

27、100Hz和150Hz的頻率成分都和工頻（電網(wǎng)的頻率，即發(fā)電機(jī)的工作頻率）和電機(jī)的振動(dòng)有關(guān)；500Hz以上的高頻振動(dòng)原因比較復(fù)雜，有軸承噪聲及其它振源。,50,第七節(jié)、 機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)的估計(jì),機(jī)械振動(dòng)參數(shù)估計(jì)的目的是用以確定被測結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型等振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。 實(shí)際的一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)大都是多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在其頻率響應(yīng)曲線上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，在奈魁斯特曲線中表現(xiàn)為多個(gè)圓環(huán)， 根據(jù)線性振動(dòng)理論，對于多自由度線性系統(tǒng)，在它任何一點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)可以認(rèn)為是反映系統(tǒng)特性的多個(gè)單自由度響應(yīng)的疊加。對于小阻尼的系統(tǒng)，在某個(gè)固有頻率附近，與其相應(yīng)階的振動(dòng)響應(yīng)就非常突出。 本節(jié)將著

28、重討論單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和阻尼的測試，這些方法可以用來近似估計(jì)多自由度的這兩個(gè)參數(shù)。,51,一、自由振動(dòng)法,52,一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，若給以初始沖擊（其初速度為dy(0)/dt）或初始位移y0，則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動(dòng)，其表達(dá)式為：,式中，wd為阻尼自由振動(dòng)的圓頻率。,53,根據(jù)阻尼自由振動(dòng)的記錄曲線，通過時(shí)標(biāo)可以確定震蕩周 期T，從而可得wd=2/T。在系統(tǒng)阻尼小的時(shí)候，由 知，可以用阻尼自由振動(dòng)圓頻率wd代替固有頻率wn。當(dāng)=0.3時(shí)， wd和wn相差不到5%。 阻尼比可以根據(jù)阻尼自由振動(dòng)的記錄曲線的相鄰峰值的衰減比來確定，,式中，Mi和Mi+1分別為阻尼自由振動(dòng)記錄曲

29、線的相鄰超調(diào)量。,54,二、共振法,單自由度系統(tǒng)在受迫振動(dòng)過程中，當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，其振動(dòng)幅值會(huì)急劇增大。 根據(jù)所用的測試手段和所得記錄，可以用下述方法求出系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。 （1）總幅值法 對單自由度系統(tǒng)進(jìn)行正弦掃描激勵(lì)，振幅可以用位移、速度或加速度計(jì)中的任何一種測量，改變掃描激勵(lì)頻率可以得到響應(yīng)曲線圖。在小阻尼時(shí)，可以直接用共振峰對應(yīng)的頻率r來近似地估計(jì)固有頻率n。 系統(tǒng)的阻尼較小時(shí)，可以從幅頻曲線估計(jì)阻尼比。在=n時(shí)，A(n)=1/2 。當(dāng)甚小時(shí)，A(n)非常接近峰值，且幅頻曲線在n的兩側(cè)可以認(rèn)為是對稱的。,55,56,在幅頻曲線峰值的70.7處作一根水平線，交幅頻

30、曲線于a、b兩點(diǎn)，如圖，它們對應(yīng)的頻率為1，2，其阻尼比可以估計(jì)為：,a、b兩點(diǎn)稱為“半功率點(diǎn)”，因此這種估計(jì)方法又稱為半功率點(diǎn)法。,57,（2）分量法 受迫振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為:,其中，=/n，將其虛、實(shí)部分開寫:,58,59,由實(shí)、虛部的表達(dá)式和曲線圖可知： 在=1 處，即=n 處，實(shí)部為零,虛部為-1/2，接近極小值。因此，可以依此來確定系統(tǒng)的固有頻率n 實(shí)頻曲線在 處有最大值，而在 處有最小值。因而不難從曲線的兩個(gè)峰值間隔距離來確定系統(tǒng)的阻尼比，即: 虛頻曲線在對應(yīng)1和2點(diǎn)的值十分接近1/4 。因此，在虛頻曲線上峰值1/2的一半處作水平線，截得曲線橫坐標(biāo)間距約為2,可近似估計(jì)系統(tǒng)的阻尼

31、比。 從上述討論看，實(shí)、虛部曲線都包含有幅頻、相頻信息。但虛部曲線具有窄尖、陡峭的特點(diǎn)，在研究多自由度系統(tǒng)時(shí)，虛部曲線可以提供較精確的結(jié)果。,60,第八節(jié)、測振裝置的校準(zhǔn),在傳感器出廠前及使用一定年限后，為了保證振動(dòng)測試的可靠性和精確度，必須對傳感器及其測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感器生產(chǎn)廠對于每只拾振器在出廠前都進(jìn)行了檢測，并給出其靈敏度等參數(shù)和頻率響應(yīng)特性曲線；拾振器使用一定時(shí)間后，其靈敏度會(huì)發(fā)生變化，如壓電材料的老化會(huì)使靈敏度每年降低2%5%。同樣，測試儀器在使用一定時(shí)間或檢修后也必須進(jìn)行校準(zhǔn)。 對于拾振器來說，主要關(guān)心的是靈敏度和頻率響應(yīng)特性，對于常見的接觸式傳感器（速度計(jì)、加速度計(jì)）和非接觸

32、式（渦流位移傳感器）應(yīng)采用不同的校準(zhǔn)方法。,61,一、絕對法,絕對法將拾振器固定在校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，由正弦信號(hào)發(fā)生器經(jīng)功率放大器推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，用激光干涉振動(dòng)儀直接測量振動(dòng)臺(tái)的振幅，再和被校準(zhǔn)拾振器的輸出比較，以確定被校準(zhǔn)拾振器的靈敏度，這便是用激光干涉儀的絕對校準(zhǔn)法，某種校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)誤差在20Hz2000Hz范圍內(nèi)為1.5%，在2000Hz10000Hz范圍內(nèi)為2.5%，在10000Hz20000Hz范圍內(nèi)為5%。此方法可以同時(shí)測量拾 振器的頻率響應(yīng)。 采用激光干涉儀的絕對校準(zhǔn)法設(shè)備復(fù)雜，操作和環(huán)境要求高，只適合計(jì)量單位和測振儀器制造廠使用。,62,二、相對法,相對法此法又稱為背靠背比較校準(zhǔn)法。此法

33、是將待校準(zhǔn)的傳感器和經(jīng)過國家計(jì)量等部門嚴(yán)格校準(zhǔn)過的傳感器背靠背地（或仔細(xì)地并排地）安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上承受相同的振動(dòng)。將兩個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行比較，就可以計(jì)算出在該頻率點(diǎn)待校準(zhǔn)傳感器 的靈敏度。這時(shí)，嚴(yán)格校準(zhǔn)過的傳感器起著“振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞”的作用。通常稱為參考傳感器。,63,第九節(jié)、抑制振動(dòng),激發(fā)振動(dòng)的力源或運(yùn)動(dòng)源稱為振源，抑制振源是消除或減小振動(dòng)的最積極、最徹底的“治本”措施. 1旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡 廣義而言，機(jī)械設(shè)備中旋轉(zhuǎn)的部件都可稱為“轉(zhuǎn)子”當(dāng)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心與其回轉(zhuǎn)軸線不重合，即出現(xiàn)偏心時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生慣性離心力，離心力對設(shè)備構(gòu)成諧波激振。如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m(kg)，偏心距為e(mm)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為(rads)那么產(chǎn)生的激振力可表示為：,64,2. 傳動(dòng)系統(tǒng)的缺陷或誤差 制造不良或安裝不正確的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如齒輪、蝸輪、絲桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生周期性的激振力傳動(dòng)皮帶的接縫通過皮帶輪或張緊輪時(shí)，也會(huì)引起周期性的沖擊此外，鏈輪等傳動(dòng)裝置其工作原理本身就包含傳動(dòng)的不均勻性，從而會(huì)引起周期性的激振力,65,3工作載菏的波動(dòng) 機(jī)器工作載荷的波動(dòng)會(huì)引起各種類型的激振力象沖床、鍛錘一類的設(shè)備，其工作載荷是“陡起陡落”的，因而會(huì)產(chǎn)生一種“沖擊”激勵(lì)；我們知道，每一次沖擊之后會(huì)激起一種衰減的自由振動(dòng),66,4.