機(jī)械測(cè)試技術(shù) 第四章 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

1、振動(dòng)測(cè)試包括：振動(dòng)測(cè)試包括： 獲得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、獲得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、相位和模態(tài)等。阻尼、相位和模態(tài)等。 測(cè)量工作機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動(dòng)，如振動(dòng)測(cè)量工作機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動(dòng)，如振動(dòng)的位移、速度、加速度、頻率和相位等。的位移、速度、加速度、頻率和相位等。（1 1）了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)）了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)（2 2）評(píng)定等級(jí)）評(píng)定等級(jí)（3 3）尋找振源）尋找振源（4 4）進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè) 對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)上加某種激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)。對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)上加某種激勵(lì)，測(cè)量其

2、受迫振動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型三要素：質(zhì)量、彈性和阻尼振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型三要素：質(zhì)量、彈性和阻尼振動(dòng)三要素（信號(hào)三要素）振動(dòng)三要素（信號(hào)三要素） 幅值、頻率、相位幅值、頻率、相位 幅值幅值：振動(dòng)強(qiáng)度大小的標(biāo)志。表示方法：?jiǎn)畏逯怠⒂行е?、：振?dòng)強(qiáng)度大小的標(biāo)志。表示方法：?jiǎn)畏逯?、有效值、平均值等。平均值等?頻率頻率：周期的倒數(shù)。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分：周期的倒數(shù)。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而可以尋找振源，采取措施。及其幅值大小，從而可以尋找振源，采取措施。 相位：相位：振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要。振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要。4.1 4.1 振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)4

3、.2 4.2 測(cè)振傳感器測(cè)振傳感器4.2.1 4.2.1 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型三角剪切型三角剪切型 壓電式加速度傳感壓電式加速度傳感器屬于慣性式（絕對(duì)式）器屬于慣性式（絕對(duì)式）測(cè)振傳感器，可簡(jiǎn)化為右測(cè)振傳感器，可簡(jiǎn)化為右圖所示的力學(xué)模型。圖所示的力學(xué)模型。01x0 x1x1 1、慣性式傳感器的力學(xué)模型、慣性式傳感器的力學(xué)模型01x0 x1xp 傳感器輸入：傳感器輸入：被測(cè)振動(dòng)件的振動(dòng)位移為被測(cè)振動(dòng)件的振動(dòng)位移為x x1 1p 傳感器輸出：傳感器輸出： 質(zhì)量塊相對(duì)于殼體的相質(zhì)量塊相對(duì)于殼體的相對(duì)位移為對(duì)位移為x x0101 假設(shè)假設(shè)

4、: 質(zhì)量塊的力學(xué)表達(dá)式為質(zhì)量塊的力學(xué)表達(dá)式為: 00101202kxdtdxcdtxdm1010 xxx0)(010121012kxdtdxcdtxxdm21201012012dtxdmkxdtdxcdtxdm)()()()(120101012sXmsskXscsXsXmskcsmsmssXsXsH22101)()()(kjcmmH22)(js mknkmc2nnjH2)(222nnnjH2)(1)()(2222222)(1 )()(nnnA2)(12arctan)(nn2 2、慣性式位移傳感器的正確響應(yīng)條件、慣性式位移傳感器的正確響應(yīng)條件（1 1） ，一般取，一般取 ，即傳感器慣，即傳感器慣

5、性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測(cè)振動(dòng)下限頻率，此時(shí)，性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測(cè)振動(dòng)下限頻率，此時(shí)， 接近于一條水平直線，不產(chǎn)生振幅畸變。接近于一條水平直線，不產(chǎn)生振幅畸變。 1/n5)3(/n)(A（2 2）選擇適當(dāng)阻尼，可抑制）選擇適當(dāng)阻尼，可抑制 處的共振峰，處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限頻率，最佳使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限頻率，最佳阻尼阻尼1/n7 . 06 . 03 3、慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件、慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件 慣性式加速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)慣性式加速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來

6、反映被測(cè)振的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映被測(cè)振動(dòng)加速度的大小。加速度傳感器幅頻特性為：動(dòng)加速度的大小。加速度傳感器幅頻特性為：2222210121201)/(2)/(1 1)(nnnaXXdtxdXA(2)(2)選擇適當(dāng)阻尼，可該善選擇適當(dāng)阻尼，可該善 的共振峰處的共振峰處的幅頻特性，以擴(kuò)大測(cè)量上限頻率，一般取的幅頻特性，以擴(kuò)大測(cè)量上限頻率，一般取n1慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件: (1) (1) ，一般取，一般取 ，即即 ，此時(shí)，此時(shí)， 接近于接近于一條水平直線。一條水平直線。 1/n)5131(/n)(A)53(n壓電式加速度傳感器的幅頻特

7、性曲線壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線壓電式加速度傳感器的固定方法壓電式加速度傳感器的固定方法共振頻率共振頻率2KHz共振頻率共振頻率7KHz共振頻率共振頻率31KHz4 4、慣性式速度傳感器的正確響應(yīng)條件、慣性式速度傳感器的正確響應(yīng)條件 慣性式速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的速慣性式速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映被測(cè)振動(dòng)速度度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映被測(cè)振動(dòng)速度的大小。速度傳感器幅頻特性為：的大小。速度傳感器幅頻特性為：2222101101)/(2)/(1 )(nnnvXXdtdxXA 要使慣性式速度傳感器的輸出量能正確地反映

8、被要使慣性式速度傳感器的輸出量能正確地反映被測(cè)振動(dòng)的速度，則必須滿足如下條件：測(cè)振動(dòng)的速度，則必須滿足如下條件：1/n 由于慣性式速度傳感器的有用頻率范圍十分由于慣性式速度傳感器的有用頻率范圍十分小，因此，在工程實(shí)踐中很少使用。小，因此，在工程實(shí)踐中很少使用。4.2.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器工作原理工作原理電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理 （1 1）磁電式相對(duì)速度傳感器）磁電式相對(duì)速度傳感器測(cè)桿的跟隨條件測(cè)桿的跟隨條件彈簧的預(yù)壓縮量：彈簧的預(yù)壓縮量：mnmnmxffxxxkmx222)()(即： 相對(duì)式傳感器只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。相對(duì)式傳感器只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。

9、4.2.4 4.2.4 渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器 工作原理：工作原理：利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。屬于非接觸式傳感器屬于非接觸式傳感器 傳感器以通有高頻交流電流的線圈為主要測(cè)量元件。當(dāng)載傳感器以通有高頻交流電流的線圈為主要測(cè)量元件。當(dāng)載流線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體試件的表面時(shí)，穿過導(dǎo)體的磁通量隨時(shí)間流線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體試件的表面時(shí)，穿過導(dǎo)體的磁通量隨時(shí)間變化，在導(dǎo)體表面感應(yīng)出電渦流。電渦流產(chǎn)生的磁通量又穿過變化，在導(dǎo)體表面感應(yīng)出電渦流。電渦流產(chǎn)生的磁通量又穿過線圈，由此引起線圈自感或線圈阻抗的變化。當(dāng)被測(cè)位移量發(fā)線圈，由此引起線圈自感或線圈阻抗的變化。當(dāng)

10、被測(cè)位移量發(fā)生變化時(shí)，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻生變化時(shí)，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻抗的變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出?？沟淖兓?，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。 p 特點(diǎn)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 線性度好線性度好 靈敏度高靈敏度高 頻率范圍寬（頻率范圍寬（010kHz010kHz） 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng) 不受油污等介質(zhì)影響不受油污等介質(zhì)影響 非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量 測(cè)量靜態(tài)位移測(cè)量靜態(tài)位移 測(cè)量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、測(cè)量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移、轉(zhuǎn)速等軸向位移、轉(zhuǎn)速等 工況監(jiān)測(cè)與故障診斷工況監(jiān)測(cè)與故障診斷中應(yīng)用甚廣。中應(yīng)

11、用甚廣。 p 應(yīng)用應(yīng)用4.3 4.3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)4.3.1 4.3.1 振動(dòng)測(cè)試基本方法振動(dòng)測(cè)試基本方法（1 1）振幅的測(cè)量）振幅的測(cè)量 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中，有時(shí)不需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中，有時(shí)不需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程曲線，而只需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的幅值，即振動(dòng)位移、速度和曲線，而只需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的幅值，即振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)的有效值，有時(shí)也包括峰值的測(cè)量。加速度信號(hào)的有效值，有時(shí)也包括峰值的測(cè)量。 機(jī)械工程中最常采用機(jī)械工程中最常采用壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)和和磁電式磁電式速度計(jì)速度計(jì)作為測(cè)振傳感器來測(cè)量機(jī)械振動(dòng)。作為測(cè)振傳感器來測(cè)量機(jī)械振動(dòng)。 （2 2

12、）振動(dòng)頻率和相位的測(cè)量）振動(dòng)頻率和相位的測(cè)量1)1)簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量 簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量方法有李薩如圖形比較法、直讀法、簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量方法有李薩如圖形比較法、直讀法、頻譜分析法頻譜分析法等。等。 李薩如圖形比較法李薩如圖形比較法 基本原理：兩個(gè)相互垂直、頻率相等的簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)合成基本原理：兩個(gè)相互垂直、頻率相等的簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)合成后的振動(dòng)圖形可由一橢圓方程表示。后的振動(dòng)圖形可由一橢圓方程表示。 頻譜分析法：頻譜分析法： 用快速傅里葉變換（用快速傅里葉變換（FFTFFT）的方法，將振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)變換）的方法，將振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)變換為頻域中的頻譜，從而從頻譜的譜線測(cè)得振動(dòng)頻率。

13、為頻域中的頻譜，從而從頻譜的譜線測(cè)得振動(dòng)頻率。 2)2)同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量 線性掃描法、橢圓法、相位計(jì)直接測(cè)量法、線性掃描法、橢圓法、相位計(jì)直接測(cè)量法、頻譜分析法頻譜分析法等等 （3 3）機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量）機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量 固有頻率固有頻率共振頻率共振頻率 機(jī)械系統(tǒng)作自由振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率，與系統(tǒng)本身的質(zhì)量機(jī)械系統(tǒng)作自由振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率，與系統(tǒng)本身的質(zhì)量( (或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量) )、剛度有關(guān)。、剛度有關(guān)。 在系統(tǒng)作受迫激勵(lì)振動(dòng)過程中，當(dāng)激振頻率達(dá)到某一特在系統(tǒng)作受迫激勵(lì)振動(dòng)過程中，當(dāng)激振頻率達(dá)到某一特定值時(shí)，振動(dòng)量的振幅值達(dá)到極大值的現(xiàn)象稱為共振。共

14、振定值時(shí)，振動(dòng)量的振幅值達(dá)到極大值的現(xiàn)象稱為共振。共振時(shí)的激勵(lì)頻率就稱為共振頻率。時(shí)的激勵(lì)頻率就稱為共振頻率。 mkn/加速度共振頻率加速度共振頻率速度共振頻率速度共振頻率位移共振頻率位移共振頻率221nrnv2a21n 注意：在有阻尼的情況下，只有速度共振時(shí)，測(cè)得的速注意：在有阻尼的情況下，只有速度共振時(shí)，測(cè)得的速度共振頻率才是系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。度共振頻率才是系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。固有頻率的測(cè)量方法：共振頻率法、敲擊法固有頻率的測(cè)量方法：共振頻率法、敲擊法（4 4）相對(duì)阻尼系數(shù)的測(cè)定）相對(duì)阻尼系數(shù)的測(cè)定 通常，可用通常，可用自由振動(dòng)衰減法，半功率點(diǎn)法自由振動(dòng)衰減法，半功率點(diǎn)法和和共振法共

15、振法進(jìn)行進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定。1 1）自由振動(dòng)衰減法）自由振動(dòng)衰減法23112lnAA對(duì)數(shù)衰減比：對(duì)數(shù)衰減比：2當(dāng)當(dāng) 較小時(shí)：較小時(shí)：21dn2122nddT又因?yàn)椋河忠驗(yàn)椋核裕核裕?A21221ab1n20n212（2 2）半功率點(diǎn)法）半功率點(diǎn)法4.3.2 4.3.2 測(cè)振系統(tǒng)的定度和校準(zhǔn)測(cè)振系統(tǒng)的定度和校準(zhǔn)（1 1）絕對(duì)校準(zhǔn)法）絕對(duì)校準(zhǔn)法 絕對(duì)校準(zhǔn)法是將被校準(zhǔn)的傳感器置于精密的振動(dòng)臺(tái)上承絕對(duì)校準(zhǔn)法是將被校準(zhǔn)的傳感器置于精密的振動(dòng)臺(tái)上承受振動(dòng)，通過直接測(cè)量振動(dòng)的振幅、頻率和傳感器的輸出電受振動(dòng)，通過直接測(cè)量振動(dòng)的振幅、頻率和傳感器的輸出電量來確定傳感器的特性參數(shù)。量來確定傳感器的特性參數(shù)。 絕

16、對(duì)校絕對(duì)校準(zhǔn)法準(zhǔn)法振動(dòng)校準(zhǔn)法振動(dòng)校準(zhǔn)法互易法互易法激光干涉校準(zhǔn)法激光干涉校準(zhǔn)法重力加速度法重力加速度法共振梁法共振梁法（2 2）比較校準(zhǔn)法）比較校準(zhǔn)法 比較校準(zhǔn)法，是將被校準(zhǔn)的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比比較校準(zhǔn)法，是將被校準(zhǔn)的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比較。校準(zhǔn)時(shí)，將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器一起安裝在標(biāo)準(zhǔn)較。校準(zhǔn)時(shí)，將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器一起安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，使它們承受相同的振動(dòng)，然后，精確地測(cè)定它們振動(dòng)臺(tái)上，使它們承受相同的振動(dòng)，然后，精確地測(cè)定它們的輸出電量，被校傳感器的靈敏度由下式計(jì)算得到：的輸出電量，被校傳感器的靈敏度由下式計(jì)算得到：00)/(aaaSeeS “背靠背背靠背”安裝法安裝法（

17、3 3）1g1g標(biāo)準(zhǔn)加速度校準(zhǔn)法標(biāo)準(zhǔn)加速度校準(zhǔn)法4.3.34.3.3測(cè)試方案制定和測(cè)試系統(tǒng)的選擇測(cè)試方案制定和測(cè)試系統(tǒng)的選擇（1 1）測(cè)試方案的制定）測(cè)試方案的制定 所要研究、解決問題的性質(zhì)與要求；所要研究、解決問題的性質(zhì)與要求； 所測(cè)對(duì)象的情況所測(cè)對(duì)象的情況( (如尺寸、質(zhì)量和頻率等如尺寸、質(zhì)量和頻率等) )，試件或激振，試件或激振器的安裝方式器的安裝方式( (彈性支承或剛性固緊彈性支承或剛性固緊) )，夾具和激振推力桿的傳，夾具和激振推力桿的傳遞恃性等；遞恃性等； 測(cè)量要求，振動(dòng)類型、頻率范圍、振級(jí)和環(huán)境條件，傳測(cè)量要求，振動(dòng)類型、頻率范圍、振級(jí)和環(huán)境條件，傳感器的安裝方式及其質(zhì)量對(duì)振動(dòng)的影響；感器的安裝方式及其質(zhì)量對(duì)振動(dòng)的影響； 分析研究或監(jiān)測(cè)要求；分析研究或監(jiān)測(cè)要求； 整個(gè)測(cè)試方案，儀器系統(tǒng)及對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)測(cè)試方案，儀器系統(tǒng)及對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)( (包括電纜包括