振動(dòng)測(cè)試技術(shù)學(xué)習(xí)資料Word版

1、一、 簡(jiǎn)諧振動(dòng)有時(shí)域測(cè)試參數(shù) 簡(jiǎn)諧振動(dòng)中常用的參數(shù)為位移、速度、加速度、激振力、振幅和振動(dòng)頻率，其中前五個(gè)參數(shù)屬于時(shí)域測(cè)試參數(shù)。二、 振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析的任務(wù) 振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析主要有以下五個(gè)方面的任務(wù)：（1） 驗(yàn)證振動(dòng)理論和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也被稱為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或工程振動(dòng)測(cè)試中的正問題。（2） 為改進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。（3） 查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律，以便采取措施來減少或控制振動(dòng)。（4） 檢測(cè)診斷設(shè)備故障。（5） 振動(dòng)控制。三、 壓電式、渦流式及磁電式傳感器的機(jī)電變化原理。1、壓電式傳感器的機(jī)電變換原理某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等）在一定的方向的外力作用下或承受變

2、形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生。這種從機(jī)械能（力或變形）到電能（電荷或電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場(chǎng)或電壓）到機(jī)械能（變形或力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器。在振動(dòng)測(cè)量中，由于F=ma,所以壓電式傳感器是加速度傳感器。 2、電渦流傳感器的機(jī)電變換原理 電渦流傳感器是一種相對(duì)式的非接觸傳感器，它是通過傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的，主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、振動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。3、電動(dòng)式（磁電式）傳感器的機(jī)電變換原理 電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線

3、時(shí)，導(dǎo)體兩端就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，因此利用這一原理而產(chǎn)生的傳感器稱之為電動(dòng)式（磁電式）傳感器。它實(shí)際上是速度傳感器。四、 選擇振動(dòng)傳感器的原則 選擇拾振器類型時(shí)，要根據(jù)測(cè)試的要求（如要求測(cè)位移、或測(cè)速度、加速度、力等）及被測(cè)物體的振動(dòng)特性（如待測(cè)的頻率范圍，估計(jì)的振幅范圍等），應(yīng)用環(huán)境情況（如環(huán)境溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾情況等）結(jié)合各類拾振器本身的各項(xiàng)特性指標(biāo)來考慮。 下列情況可用位移拾振器： （1）位移幅值特別重要時(shí)（例如，不允許某振動(dòng)部件在振動(dòng)時(shí)碰到別的物體，即要求振幅時(shí)）。 （2）測(cè)量位移幅值的場(chǎng)合，正好就是要分析應(yīng)力的場(chǎng)合。 （3）低頻振動(dòng)。此時(shí)速度、加速度數(shù)值太小不便于采用速度或加速度計(jì)測(cè)量

4、。 下列情況下，可采用速度型拾振器： （1）位移的幅度太小，不便于測(cè)量中頻段。 （2）在與聲音有關(guān)的振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用，因?yàn)檎駝?dòng)部件在空氣中產(chǎn)生的聲壓正比于振動(dòng)的速度。 下列情況下，可采用加速度型拾振器： （1）高頻振動(dòng)。 （2）量測(cè)那種對(duì)力、載荷或應(yīng)力要做分析的部位時(shí)，因?yàn)榱φ扔诩铀俣取?（3）量測(cè)空間受限制，不允許傳感器體積大，重要大的場(chǎng)合，采用壓電加速度為佳。五、測(cè)振放大器選擇及使用條件1、當(dāng)選用壓電加速度計(jì)做為拾振器時(shí)，它要求二次儀表的輸入阻抗必須是高阻抗，才能把壓電加速度計(jì)由于振動(dòng)而產(chǎn)生的電荷量測(cè)量出來，否則此電荷將通過測(cè)量電路的低輸入電阻釋放掉，以至無法測(cè)量，而一般的指示，記錄設(shè)備的

5、輸入阻抗較低，為此，必須在壓電加速計(jì)與記錄器之間，加入一前置放大器，它的作用是把加速度計(jì)的高輸出阻抗，轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗，以便與一般的測(cè)量?jī)x器的低輸入阻抗向匹配，同時(shí)也把加速度計(jì)輸出信號(hào)加以放大。電荷放大器以及前置電壓放大器（又稱阻抗變換器）就是為壓電加速度計(jì)所配用的前置放大器，這兩者的主要差別在與使用前置電壓放大器時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)和前置放大器的導(dǎo)線電容的變化非常靈敏，因此，實(shí)際測(cè)量中，導(dǎo)線不能更換，一般其長度不超過2米，所以前置電壓放大器必須在拾振器附近；而配用電荷放大器時(shí)，導(dǎo)線的影響可以忽略不計(jì)算，使用導(dǎo)線的長度甚至可以達(dá)到上千米。當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)附近不允許放置儀器時(shí)，最好選用電荷放大器，前

6、置電壓放大器（阻抗變換器）一般的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是起阻抗變換作用，對(duì)訊號(hào)無放大作用，所以在前置放大器后，應(yīng)在配接一般的測(cè)量放大器，如微積分放大器等。 2、采用磁電式速度傳感器做拾振時(shí)，其輸出電壓與被測(cè)振動(dòng)速度成正比，經(jīng)積分可得到被測(cè)振動(dòng)體的位移，經(jīng)過積分就可以得到加速度。因此，速度型拾振器需配積分放大器，從而可以測(cè)量振動(dòng)物體的位移，速度和加速度。由于磁電式速度拾振器因?yàn)檩斎氲男盘?hào)大，輸出的阻抗低，所以不需要做阻抗變換就可以通過放大器指示儀來讀數(shù)如CD 1型的速度傳感器，可以通過GZI或GZ2型測(cè)振儀（微積分放大器）由表頭指示出振動(dòng)物體的位移、速度及加速度。被測(cè)的頻率越高，積分的效果越好；被測(cè)得頻率

7、越低，其微分的效果越好、但積分和微分的效果越好，則其輸出的信號(hào)也越小，因此，在高頻小幅度測(cè)量時(shí)，為了保證振動(dòng)小幅值測(cè)量的精度，有時(shí)將速度型拾振器的輸出不經(jīng)過微積分網(wǎng)絡(luò)而直接的線性放大，這樣先測(cè)出振動(dòng)速度后，在利用速度和位移及加速度的關(guān)系來求出振動(dòng)的位移和加速度來，這樣可以提高測(cè)量的精度。 3、對(duì)于電阻式（應(yīng)變式）、電感式和電容式拾振器配用的放大器，多數(shù)采用載波放大的形式。振動(dòng)測(cè)量常采用的載波放大器有電阻應(yīng)變儀、差動(dòng)變壓放大器簽頻放大器等類型。常見的電阻應(yīng)變儀和差動(dòng)變壓放大器屬于調(diào)幅式、簽頻放大器屬于調(diào)頻式，調(diào)相式則較少采用。六、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理。 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的原理如圖1所示。圖1

8、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的原理方框圖由應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，其載波電壓由振蕩器供給。在應(yīng)變片感受應(yīng)變信號(hào)后，測(cè)量電橋輸出一個(gè)調(diào)幅交流電壓，經(jīng)過交流放大器放大后的電壓為，由相敏檢波器檢波后的電壓信號(hào)為，在經(jīng)過低通濾波器濾去高次諧波，得到與原應(yīng)變信號(hào)相似的電壓或是電流波形，再由記錄器記錄下來。直流穩(wěn)壓電源供給放大器和振蕩器直流工作電壓。七、電動(dòng)力式激振器的工作原理及主要性能特點(diǎn)。 電磁式激振器是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并將其傳遞給實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種儀器。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2示。 圖2 電磁式激振器原理電磁式激振器由磁電路系統(tǒng)（包括勵(lì)磁線圈、中心磁極、磁極板）與動(dòng)圈、彈簧、頂桿、外殼等組成。電磁式激振器工作原理如下。

9、在勵(lì)磁線圈中輸入直流電流，使中心磁極在磁極板的空氣氣隙中形成一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)；同時(shí)再給動(dòng)圈輸入一個(gè)交變電流，電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁感應(yīng)力F。力F使頂桿做上下運(yùn)動(dòng)，由頂桿傳給試件的激振力是電磁感應(yīng)力F和可動(dòng)部分的慣性力、彈性力、阻尼力等的合力。但由于激振器的可動(dòng)部分質(zhì)量很小，彈簧較軟，所以在一般情況下，其慣性力、彈性力和阻尼力可以忽略。當(dāng)輸入動(dòng)圈內(nèi)的電流以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化時(shí)，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化。與電磁式激振器配套使用的儀器還有信號(hào)放大器、功率放大器和直流穩(wěn)壓電源。電磁式激振器的優(yōu)點(diǎn)是能獲得較寬頻帶（從零赫茲到一萬赫茲）的激振力，即產(chǎn)生激振力的頻率范圍較寬。而可動(dòng)部分質(zhì)量

10、較小，從而對(duì)被測(cè)量物體的附加質(zhì)量和附加剛度較小，使用也很方便。因此，應(yīng)用比較廣泛，但這種激振器的缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生太大的激振力。電磁式激振器主要有三種安裝的方式：（1）激振器固定安裝式（2）彈簧懸掛安裝方式（3）彈性安裝方式八、簡(jiǎn)諧振動(dòng)基本參數(shù)（頻率、固有頻率、振幅、相位、阻尼）的幾種測(cè)量方法及原理。1、簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量（1） 李薩如圖形比較法。 利用示波器、信號(hào)發(fā)生器以及常用的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試設(shè)備所組成的測(cè)試系統(tǒng)，來測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)頻率，稱之為李薩如圖形比較法。運(yùn)動(dòng)方向相互垂直的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，稱之為李薩如（Lissajous）圖形。使用李薩如圖形法測(cè)量振動(dòng)頻率的測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，

11、它是把被測(cè)信號(hào)送入陰極射線示波器的垂直偏轉(zhuǎn)軸Y，而把已知頻率的比較電壓信號(hào)（由信號(hào)發(fā)生器提供）送入水平偏轉(zhuǎn)軸X，這時(shí)在電子示波器的顯示屏上將形成李薩如圖形。圖3 李薩如圖形測(cè)頻的實(shí)驗(yàn)框圖（2） 錄波比較法。 這種方法是將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)標(biāo)信號(hào)（一般為等間距的時(shí)間脈沖信號(hào)）一 起送入光線示波器中，然后根據(jù)記錄紙上的振動(dòng)波形和時(shí)標(biāo)信號(hào)兩者之間的周期比測(cè)定被測(cè)振動(dòng)波形的頻率。如圖4所示為這種記錄圖像，若測(cè)出被測(cè)信號(hào)在周期T長度中的時(shí)標(biāo)脈動(dòng)數(shù)n，則被測(cè)信號(hào)頻率 式中，為時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率，一般選取n=510，便可得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。此法順便還可以利用振動(dòng)信號(hào)的波形，直接讀出振動(dòng)的振幅值A(chǔ)。 圖4 錄波比較測(cè)

12、頻方法（3） 直接測(cè)量法。 它是使用頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)定簡(jiǎn)諧波形電壓信號(hào)的頻率或周期的一種方法。頻率計(jì)數(shù)器有指針式和數(shù)字式兩種，其中數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度較高，它是目前普遍采用的測(cè)頻儀器。一般來說，此類儀器由三部分組成：計(jì)數(shù)部分、時(shí)基信號(hào)發(fā)生器和顯示部分。其測(cè)頻原理如圖5所示。 圖5數(shù)字式計(jì)數(shù)器的測(cè)頻原理方框圖2、簡(jiǎn)諧振動(dòng)固有頻率頻率的測(cè)量（1）自由振動(dòng)法。用自由振動(dòng)法測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，一般都是測(cè)量此系統(tǒng)的最低階固有頻率，因?yàn)檩^高階自由振動(dòng)衰減較快，幾乎在振動(dòng)波形圖中無法看到。通常為了讓機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)，一般采取兩個(gè)途徑：初位移法（如圖6）和敲擊法（如圖7示）。 圖6 初位移法示意

13、圖 圖7 敲擊法示意圖（2）強(qiáng)迫振動(dòng)法。它實(shí)質(zhì)上就是利用共振的特點(diǎn)（共振時(shí)振幅最大）來測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，因此這種方法也叫共振法。在振動(dòng)測(cè)量中，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的方法很多，主要有以下幾種： 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法（如圖8示）。調(diào)節(jié)干擾頻率的方法。包括用電磁激振器激振和將整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)（實(shí)物或模型）安裝在在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上（如圖9示）。 圖8 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法示意圖 圖9 調(diào)節(jié)干擾力頻率法示意圖3、簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值的測(cè)量對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)來說，只要能夠測(cè)出位移、速度和加速度的幅值中的任何一個(gè)，就能夠很容易的計(jì)算出其他兩個(gè)。因此，可以分別用壓電加速度傳感器、磁電式傳感器等測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，只要選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，從電壓表或在示波器中就?/p>

14、以讀出其振動(dòng)的幅值。下面是幾種常用的方法：（1） 指針式電壓表直讀法。（2） 數(shù)字式電壓表直讀法。（3） 光學(xué)法。包括用讀數(shù)顯微鏡觀察法（如圖10示）和楔形觀察法（如圖11示）。 圖10 讀數(shù)顯微鏡觀察法 圖11 楔形觀察法4、同頻率簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量 （1）示波器測(cè)量法。用電子示波器測(cè)量相位差，常用的是線性掃描法和橢圓法。 （2）相位直接測(cè)量法。相位計(jì)的基本原理與雙線示波器直接比較法是相同的，他根據(jù)通道A的信號(hào)正向過零時(shí)與通道B的信號(hào)正向過零時(shí)的時(shí)間差及信號(hào)周期來計(jì)算相位差。5、簡(jiǎn)諧振動(dòng)阻尼的測(cè)量由簡(jiǎn)諧振動(dòng)系數(shù)的阻尼系數(shù)或阻尼比可以導(dǎo)出衰減系數(shù)，因此，可根據(jù)衰減系數(shù)求得系統(tǒng)阻尼。根據(jù)衰減系

15、數(shù)和機(jī)械振動(dòng)基本參量的不同關(guān)系，大致可分為三種測(cè)量方法： （1） 用振動(dòng)波形圖測(cè)定機(jī)械系數(shù)的衰減系數(shù)。 振動(dòng)波形如圖12所示。由，測(cè)量衰減系數(shù)n的問題可以轉(zhuǎn)化為測(cè)量振動(dòng)頻率和振幅、的問題。（2） 用共振頻率測(cè)定機(jī)械系數(shù)的衰減系數(shù)。 其基本公式是 和（3） 用共振曲線測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)得衰減系數(shù)（如圖13所示）。 圖12衰減振動(dòng)的波形圖 圖13 共振曲線法示意圖九、應(yīng)用窗函數(shù)和采樣定理的作用1、數(shù)字信號(hào)分析對(duì)有限時(shí)間長度T的離散時(shí)間序列進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）運(yùn)算，這意味著首先要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行截?cái)?。這種截?cái)鄬?dǎo)致頻率分析出現(xiàn)誤差，其效果是使得本來集中于某一頻率的功率（或能量），部分被分散到該頻率的

16、臨近的頻率，這種現(xiàn)象稱為“泄露”效應(yīng)。以余弦信號(hào)為例說明截?cái)嗲昂蟮念l譜變化的泄露效應(yīng)。設(shè)有限時(shí)間長度T的離散時(shí)間序列信號(hào)被截?cái)?，相?dāng)于原來的余弦信號(hào)乘以矩形函數(shù)，如圖14所示。無限長度的余弦信號(hào)具有一個(gè)單一的頻率成分，其單邊譜是在處的單根分布的離散的譜線，而矩形函數(shù)的頻率是包含一個(gè)主瓣和許多旁瓣的連續(xù)譜。時(shí)域中余弦信號(hào)乘以矩形窗函數(shù)，在頻域中的頻譜就等于原信號(hào)的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，卷積的結(jié)果將導(dǎo)致截?cái)嗟男盘?hào)頻譜由原來的離散譜變?yōu)樵谔幱幸恢靼辏瑑膳愿饔性S多旁瓣的連續(xù)譜。這就是說，原來集中在頻譜的功率，泄露到了鄰近的很寬的頻帶上。 為了抑制“泄露”，需要采用特種窗函數(shù)來代替矩形窗函數(shù)。這一過程

17、，稱為窗函數(shù)處理，或者叫加窗。加窗的目的，是使在時(shí)域上截?cái)嘈盘?hào)兩端的波形有突變變?yōu)槠交?，在頻域上盡量壓低旁瓣的高度。圖14 余弦信號(hào)被矩形窗截?cái)嘈纬傻男孤对跀?shù)字信號(hào)處理中常用的窗函數(shù)有四種：矩形（Rectangular）窗、漢寧（Hanning）窗、凱塞-貝塞爾（kaiser-bessel）窗、平頂（Rectangular）窗。2、采樣就是將連續(xù)模擬信號(hào)變換成離散數(shù)字信號(hào)的過程。離散后的信號(hào)能唯一的確定原連續(xù)信號(hào)，并要求離散信號(hào)通過D/A裝換后能恢復(fù)成原連續(xù)信號(hào)。由于離散信號(hào)是從連續(xù)信號(hào)上取出的一部分值，于連續(xù)信號(hào)的關(guān)系是局部和整體的關(guān)系，一般來說是不可能唯一確定連續(xù)信號(hào)的。只有在滿足一定的條

18、件下，離散信號(hào)才可按一定的方式恢復(fù)出原來的連續(xù)信號(hào)。這個(gè)條件就是采樣定理：采樣頻率必須大于被分析信號(hào)成分中最高頻率值的兩倍以上，即離散信號(hào)才能在一定程度上代表原信號(hào)。其中是采樣時(shí)間間隔。否則將產(chǎn)生如圖15所示的高、低頻混淆現(xiàn)象，即高頻信號(hào)經(jīng)采樣后只出現(xiàn)低頻信號(hào)，采樣信號(hào)無法還原為原信號(hào)。 圖15 高、低頻混淆現(xiàn)象十、振動(dòng)數(shù)字信號(hào)采集處理系統(tǒng)。 一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介 信號(hào)采集和處理系統(tǒng)是由微型計(jì)算機(jī)（臺(tái)式、便攜式）、數(shù)據(jù)采集器和較大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和分析軟件以及抗混濾波器組成，如圖16所示。 圖16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖1、 硬件的一般性能：（1）最高采用的頻率可達(dá)到1MHZ；（2）并行無時(shí)差的采樣通道一般為16路或32路；（3）采樣精度為12位和16位；（4）量程一般為-5V-+5V。2、 軟件的一般性能：（1）數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、程控放大和示波；（2）數(shù)據(jù)的時(shí)域分析；（3）數(shù)據(jù)的頻域分析；（4）數(shù)據(jù)的相關(guān)分析；（5）振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。 二、數(shù)據(jù)采集處理軟件的介紹 以某一數(shù)據(jù)采集