測試技術基礎第六章_振動的測試

1、Page: 1振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 2振動的測試概述振動的測試概述 機械的振動是工程技術和日常生活常見的現(xiàn)象 振動的危害振動的危害 機械振動的利用機械振動的利用 振動信號在設備運行狀態(tài)檢測和故障診斷方面振動信號在設備運行狀態(tài)檢測和故障診斷方面的應用的應用 Page: 3振動的危害振動的危害 振動常常破壞機械的正常工作，振動的動載荷振

2、動常常破壞機械的正常工作，振動的動載荷使機械加快失效，降低機械設備的使用壽命甚使機械加快失效，降低機械設備的使用壽命甚至導致?lián)p壞造成事故。在大多數(shù)的情況下，機至導致?lián)p壞造成事故。在大多數(shù)的情況下，機械振動是有害的。械振動是有害的。 精密量儀與精密機床設備應隔絕通過基礎傳精密量儀與精密機床設備應隔絕通過基礎傳來的振動來的振動Page: 4機械振動的利用機械振動的利用 主要體現(xiàn)在振動機械上，通過合理設計，達主要體現(xiàn)在振動機械上，通過合理設計，達到能耗少、效率高的特點，如運輸、夯實、到能耗少、效率高的特點，如運輸、夯實、搗固、清洗、脫水、時效、破碎等。搗固、清洗、脫水、時效、破碎等。Page: 5振

3、動信號在設備運行狀態(tài)檢測和振動信號在設備運行狀態(tài)檢測和故障診斷方面的應用故障診斷方面的應用 機械運轉中的振動及其產生的噪聲，一般都具機械運轉中的振動及其產生的噪聲，一般都具有相同的頻率組成。有相同的頻率組成。 雖然兩者傳輸方式以及雖然兩者傳輸方式以及各自的頻率成分之間的強度比例都不一樣，但各自的頻率成分之間的強度比例都不一樣，但它們的頻譜都在某種程度上反映機器運行狀況，它們的頻譜都在某種程度上反映機器運行狀況，均可作為監(jiān)測工況、評價運轉質量時的測試參均可作為監(jiān)測工況、評價運轉質量時的測試參數(shù)。數(shù)。Page: 6振動的測試概述振動的測試概述(2) 振動測試在生產和科研的許多方面都占有重要地位機械

4、設備的性能分析、運行過程的監(jiān)測、診斷、對工作環(huán)境的控制等 應用實例Page: 7Page: 8Page: 9Page: 10Page: 11車身模態(tài)分析車身模態(tài)分析（多輸入多輸出（多輸入多輸出）Page: 12在意大利在意大利AIENIA測試的機身結構測試的機身結構（8個激振器和個激振器和896個傳感器）個傳感器）Page: 13振動的測試概述振動的測試概述(3) 振動測試大致可分為兩類 1.1.測量設備和結構所存在的振動。測量設備和結構所存在的振動。 2.2.對設備或結構施加某種激勵，使其產生振動，然后測量其對設備或結構施加某種激勵，使其產生振動，然后測量其振動；此類振動測試的目的是研究設備

5、或結構的力學動態(tài)特振動；此類振動測試的目的是研究設備或結構的力學動態(tài)特性。性。 提醒注意提醒注意: 對振動進行測量，有時只需測出被測對象某些點的位移或速對振動進行測量，有時只需測出被測對象某些點的位移或速度、加速度和振動度、加速度和振動 頻率。有時則需要對所測的信號作進一步頻率。有時則需要對所測的信號作進一步的分析和處理，如譜分析、相關分析等，進而確定對象的固的分析和處理，如譜分析、相關分析等，進而確定對象的固有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動參數(shù)。求出被測對象的有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動參數(shù)。求出被測對象的頻率響應特性，或尋找振源，并為采取有效對策提供依據。頻率響應特性，或尋找振源，并為

6、采取有效對策提供依據。Page: 14常見的振動測量系統(tǒng)常見的振動測量系統(tǒng)1Page: 15常見的振動測量系統(tǒng)常見的振動測量系統(tǒng)2Page: 16常見的振動測量系統(tǒng)常見的振動測量系統(tǒng)3Page: 17常見的振動測量系統(tǒng)常見的振動測量系統(tǒng)4Page: 18振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 19單由度系統(tǒng)單由度系統(tǒng)質量塊受力引起的質量塊受力引起的的

7、受迫振動的受迫振動22()dzd zmck zftd td t運動微分方程運動微分方程頻率響應、幅頻特性、相頻特性頻率響應、幅頻特性、相頻特性Page: 20位移位移共振頻率、速度共振頻率和相位共振共振頻率、速度共振頻率和相位共振 通常把幅頻曲線上幅值比最大通常把幅頻曲線上幅值比最大處的頻率稱為處的頻率稱為位移共振頻率位移共振頻率r r ； 位移共振頻率隨阻尼的減小而位移共振頻率隨阻尼的減小而向向n n 靠近。在小阻尼時，靠近。在小阻尼時，rr很很接近接近nn，故常采用，故常采用r r 來代替來代替n n ； 從相頻曲線上可看到從相頻曲線上可看到, ,不管系不管系統(tǒng)的阻尼比是多少統(tǒng)的阻尼比是多

8、少, ,在在(/ (/ n)=1n)=1時位移始終落后于激振力時位移始終落后于激振力9090O O, ,這被稱為相位共振。這被稱為相位共振。Page: 21 小結： 在激振頻率遠小于固有頻率時在激振頻率遠小于固有頻率時, ,輸出位移隨激振頻率輸出位移隨激振頻率的變化非常?。坏淖兓浅Ｐ?； 當激振頻率大于固有頻率時，輸出位移為零當激振頻率大于固有頻率時，輸出位移為零, ,質量塊質量塊近于靜止；近于靜止； 當激振頻率接近固有頻率時當激振頻率接近固有頻率時, ,系統(tǒng)的響應特性取決于系統(tǒng)的響應特性取決于系統(tǒng)阻尼系統(tǒng)阻尼, ,并隨頻率的變化而劇烈的變化并隨頻率的變化而劇烈的變化。Page: 22Page

9、: 23單由度系統(tǒng)由單由度系統(tǒng)由基礎運動引起的基礎運動引起的受迫振動受迫振動 質量塊絕對運動方程質量塊絕對運動方程 質量塊相對運動方程質量塊相對運動方程 頻率響應頻率響應 幅頻特性幅頻特性 相頻特性相頻特性0)()(1010202zzkzzcmdtddtzd2 21 12 20 01 12 20 01 12 2d dt tz zd d0 01 1d dt td dz zd dt tz zd dmmk kz zc cmm 2 2n n2 2n nn n2 2n n2 22 22 2n nn n2 2n n2 2n n( () )1 1 ( () )2 2j j( () )1 1 ( () )(

10、(2 2) )1 1H H( () )A A( () )( () )a ar rc ct ta an nPage: 24 小結 當激振頻率遠小于系統(tǒng)固有頻率時當激振頻率遠小于系統(tǒng)固有頻率時質量塊相對基礎的振動為質量塊相對基礎的振動為0 0，也就，也就是質量塊幾乎隨著基礎一起振動；是質量塊幾乎隨著基礎一起振動；而當激振頻率遠遠高于固有頻率時，而當激振頻率遠遠高于固有頻率時，A(A() )接近接近1 1，說明質量塊和殼體的，說明質量塊和殼體的相對運動（輸出）和基礎的振動相對運動（輸出）和基礎的振動（輸入）近似相等。從而表明質量（輸入）近似相等。從而表明質量塊在慣性坐標系中幾乎處于靜止狀塊在慣性坐標

11、系中幾乎處于靜止狀態(tài)。態(tài)。 這種現(xiàn)象被廣泛用于測振儀器中Page: 25振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 269-1 設有單自由度振動系統(tǒng)、其活動質量塊為0.44kg，彈簧剛度為52.5*104N/m，阻尼比=0.068，求此系統(tǒng)的粘性阻尼系數(shù)，固有頻率以及質量塊受周期力激勵下其位移共振頻率、速度共振頻率。9-5 用磁電式速度傳感器測頻率為30

12、Hz的振動，傳感器阻尼比=0.7，固有頻率fn=15Hz，求振幅測量誤差是多少？Page: 27脈沖激勵脈沖激勵-力錘力錘Page: 28脈沖錘結構與激振力頻譜脈沖錘結構與激振力頻譜Page: 29振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 30激激 振振 器器 定義定義 激振器是對試件施加某種預定要求的激振力，激起激振器是對試件施加某種預定要求的激振力

13、，激起試件振動的裝置。試件振動的裝置。 作用作用 在要求頻率范圍內提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定在要求頻率范圍內提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力的交變力 常用的激振器常用的激振器 電動式電動式、電磁式、電液式。、電磁式、電液式。 Page: 31電動式激振器電動式激振器Page: 32 電動式激振器電動式激振器 按其磁場的形成又分為永磁按其磁場的形成又分為永磁式（小型激振器）和勵磁式式（小型激振器）和勵磁式（大型激振器）（大型激振器）。 注意注意由頂桿施加到試件上的由頂桿施加到試件上的激振力不等于線圈受到激振力不等于線圈受到的電動力的電動力一般最好使頂桿通過一一般最好使頂桿通過一只力傳感器去

14、激勵試件，只力傳感器去激勵試件，以便精確測出激振力的以便精確測出激振力的大小和相位。大小和相位。Page: 33電動式激振器的應用電動式激振器的應用Page: 34電動式激振器的應用電動式激振器的應用車身模態(tài)分析車身模態(tài)分析（多輸入多輸出（多輸入多輸出）Page: 35振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 36振動的測量方法及測振傳感器振動測量方法

15、按振動信號轉換后的形式可分為：振動測量方法按振動信號轉換后的形式可分為：名稱名稱原理原理優(yōu)缺點優(yōu)缺點電測法電測法將被測件的振動量轉化成電將被測件的振動量轉化成電量量,而后用電量測試儀測量而后用電量測試儀測量靈敏度高，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線性靈敏度高，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線性范圍寬。便于分析和遙測。易受電磁干擾。范圍寬。便于分析和遙測。易受電磁干擾。目前應用最廣目前應用最廣。機械法機械法利用杠桿原理將振動量放大利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍、動態(tài)范圍、和抗干擾能力強，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線形范圍窄。測試時會給試件產生一定的線形范圍窄。測試時會給試

16、件產生一定的負載效應，影響測試結果。主要負載效應，影響測試結果。主要用于低頻用于低頻大振幅振動及扭振的測量大振幅振動及扭振的測量。光學法光學法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多鏡、光波干涉原理、激光多普勒效應和光纖等進行測量普勒效應和光纖等進行測量不受電磁干擾，測量精度高，適用于對質不受電磁干擾，測量精度高，適用于對質量和體積小、不易安裝傳感器的試件作非量和體積小、不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀在精密測量和傳感器、測振儀的校準、定度中用的較多的校準、定度中用的較多。Page: 37 按測振時拾振器是否與被測件接觸可將

17、拾振器分為：按測振時拾振器是否與被測件接觸可將拾振器分為：接觸式接觸式和和非接觸式非接觸式 按所測的振動性質可將拾振器分為：按所測的振動性質可將拾振器分為：絕對式絕對式和和相對式相對式拾振器絕對式拾振器的輸出描述被測物體的絕對振動相對式拾振器的輸出描述被測物體之間的的相對振動使用時殼體固定在被測物體上內部利用彈簧質量系統(tǒng)感受振動。也被稱為慣性拾振器使用時其殼體和測桿分別和不同的測件聯(lián)系Page: 38常用傳感器常用傳感器 渦流位移傳感器渦流位移傳感器 電容傳感器電容傳感器 磁電式速度計磁電式速度計 壓電式加速度計壓電式加速度計 阻抗頭阻抗頭Page: 39渦流位移傳感器渦流位移傳感器Page:

18、 40渦流位移傳感器渦流位移傳感器Page: 41電容傳感器電容傳感器 非接觸式電容傳感器常用于位移測量中。非接觸式電容傳感器常用于位移測量中。 接觸式的電容傳感器常用于振動測量。該類接觸式的電容傳感器常用于振動測量。該類型信號的信號轉換放大電路主要采用頻率調制型信號的信號轉換放大電路主要采用頻率調制型（增大電路的靈敏度和可靠性）。型（增大電路的靈敏度和可靠性）。 工作頻率范圍工作頻率范圍 0Hz0Hz300Hz,300Hz,實現(xiàn)超低頻測量；實現(xiàn)超低頻測量；連接方式為螺栓或粘接；其性能為低噪聲，分連接方式為螺栓或粘接；其性能為低噪聲，分辨率達辨率達0.1mg0.1mg。 Page: 42Pag

19、e: 43磁電式絕對速度計磁電式絕對速度計Page: 44磁電式相對速度計磁電式相對速度計Page: 45常用壓電傳感器1Page: 46壓電式加速度計壓電式加速度計 中心壓縮型中心壓縮型 高的共振頻率，基座變高的共振頻率，基座變形影響輸出，測試對象形影響輸出，測試對象和環(huán)境溫度變化易引起和環(huán)境溫度變化易引起溫度飄逸溫度飄逸 三角剪切型三角剪切型 有高的共振頻率和良好有高的共振頻率和良好的線性，對底座變形和的線性，對底座變形和溫度變化有良好的隔離溫度變化有良好的隔離作用作用 環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型 極小型的，高的共振頻極小型的，高的共振頻率，最高工作溫度受限率，最高工作溫度受限制制使用時注意：使

20、用時注意：共振頻率與加速度計的固定狀況有關共振頻率與加速度計的固定狀況有關Page: 47壓電加速度計的幅頻特性壓電加速度計的幅頻特性 加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率共振頻率Page: 48壓電加速度計的壓電加速度計的安裝方法安裝方法Page: 49壓電加速度計的靈敏度和前置放大器壓電加速度計的靈敏度和前置放大器 靈敏度靈敏度 電荷靈敏度與電壓靈敏度電荷靈敏度與電壓靈敏度 前置放大器前置放大器 電壓放大器：電壓放大器：受連接電纜對地電容的影響受連接電纜對地電容的影響 電荷放大器：電荷放大器：不受電纜電容的影響不受電纜電容的影響Page:

21、 50電荷放大器電荷放大器Page: 51阻抗頭阻抗頭 在激振實驗中常在激振實驗中常常用到；前端為常用到；前端為力傳感器，后面力傳感器，后面為激振點響應的為激振點響應的加速度傳感器加速度傳感器Page: 52測振傳感器的合理選擇測振傳感器的合理選擇 直接測量參數(shù)的選擇直接測量參數(shù)的選擇 低頻時加速度信噪比差低頻時加速度信噪比差 高頻時位移信噪比差高頻時位移信噪比差 綜合考慮傳感器的各個指標綜合考慮傳感器的各個指標 靈敏度、測量范圍、頻率范圍靈敏度、測量范圍、頻率范圍 考慮到具體的使用環(huán)境考慮到具體的使用環(huán)境Page: 53振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫

22、振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 54振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 基于帶通濾波的頻譜分析儀基于帶通濾波的頻譜分析儀對模擬信號作譜分析的實質是用不同中心頻率的帶通濾對模擬信號作譜分析的實質是用不同中心頻率的帶通濾波器分離出信號在濾波器帶通內的信號波器分離出信號在濾波器帶通內的信號 跟蹤濾波技術跟蹤濾波技術跟蹤濾波是指濾波器中心頻率能自動的跟隨參考信號，跟蹤濾波是指濾波器中心頻率能自動的跟隨參考信號，從而

23、達到在強噪聲干擾下提取有用信息的濾波方法從而達到在強噪聲干擾下提取有用信息的濾波方法Page: 55振動的分析方法與儀器（振動的分析方法與儀器（2） 振動信號處理與分析振動信號處理與分析一般的譜分析：一般的譜分析：在采樣前應經抗混疊濾波，并根據最高頻率和采樣定在采樣前應經抗混疊濾波，并根據最高頻率和采樣定理來選擇采樣頻率。一般先估計信號中感興趣的最高頻率，據此選擇理來選擇采樣頻率。一般先估計信號中感興趣的最高頻率，據此選擇抗混疊濾波器的截止頻率，而后確定采樣頻率。通過自功率譜的分析抗混疊濾波器的截止頻率，而后確定采樣頻率。通過自功率譜的分析最終可以得到信號頻譜結構的全貌。最終可以得到信號頻譜結

24、構的全貌。與激振頻率同頻成分的提取：與激振頻率同頻成分的提?。河孟嚓P濾波或用相關濾波或FFTFFT算法都可以實現(xiàn)這種要算法都可以實現(xiàn)這種要求。對于求。對于FFTFFT，為了防止泄露誤差和柵欄效應，應使，為了防止泄露誤差和柵欄效應，應使FFTFFT譜線落在參考譜線落在參考信號的頻率上。為此截取信號時長等于參考信號周期的整數(shù)倍。信號的頻率上。為此截取信號時長等于參考信號周期的整數(shù)倍。寬帶激勵下系統(tǒng)傳輸特性的求法：寬帶激勵下系統(tǒng)傳輸特性的求法：這時分析的兩個信號記錄應該是同這時分析的兩個信號記錄應該是同時發(fā)生的，不允許有時差；兩通道應該使用相同的采樣頻率和時長；時發(fā)生的，不允許有時差；兩通道應該使用

25、相同的采樣頻率和時長；頻譜分析使用相同的窗函數(shù)和分析程序。一般采用多段記錄分析，將頻譜分析使用相同的窗函數(shù)和分析程序。一般采用多段記錄分析，將其進行平均，以提高測試的精度。其進行平均，以提高測試的精度。Page: 56振動的測試振動的測試 概述概述 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 振動的激勵振動的激勵 激振器激振器 振動測量方法和常用傳感器振動測量方法和常用傳感器 振動的分析方法與儀器振動的分析方法與儀器 測振裝置的校準測振裝置的校準 機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)動參數(shù)的估計Page: 57測振裝置的校準測振裝置的校準 把測振傳感器、放大器和記錄儀器放在全套儀把測振傳感器、放大器和記錄儀器放在全套儀器測量系統(tǒng)中，求得測振儀最初輸入量和最終器測量系統(tǒng)中，求得測振儀最初輸入量和最終輸出量的關系輸出量的關系-校準值。校準值。 分部校準分部校準 傳感器校準、放大器校準、記錄儀校準傳感器校準、放大器校準、記錄儀校準 系統(tǒng)校準系統(tǒng)校準 對整個系統(tǒng)進行校準對整個系統(tǒng)進行校準Page: 58傳感器的校準傳感器的校準 靜態(tài)校準法靜態(tài)校準法 僅能用于校準具有零頻率響應的傳感器及測量儀僅能用于校準具有零頻率響應的傳感器及測量儀器，如：電渦流式、電感式及電容式等相對式位器，如：電渦流式、電感式及電容式等相對式位