振動測試系統(tǒng).

1、5.1 5.1 振動的基礎知識振動的基礎知識5.2 5.2 測振傳感器測振傳感器5.3 5.3 振動測試系統(tǒng)振動測試系統(tǒng)5.1 5.1 振動的基礎知識振動的基礎知識 振動類型振動類型 穩(wěn)態(tài)振動穩(wěn)態(tài)振動 隨機振動隨機振動 機械振動是指機械設備在運動狀態(tài)下，機械設機械振動是指機械設備在運動狀態(tài)下，機械設備或結(jié)構(gòu)上某觀測點的位移量圍繞其均值或相對基備或結(jié)構(gòu)上某觀測點的位移量圍繞其均值或相對基準隨時間不斷變化的過程。機械振動具有雙面性，準隨時間不斷變化的過程。機械振動具有雙面性，有益也有害。有益也有害。 振動的基本參數(shù)振動的基本參數(shù)振動三要素（信號三要素）：振動三要素（信號三要素）：幅值幅值、頻率頻率

2、、相位相位 幅值幅值 振動強度大小的標志。表示方法：單峰振動強度大小的標志。表示方法：單峰值、有效值、平均值等。值、有效值、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，要頻率成分及其幅值大小，從而可以尋找振源，采取措施。采取措施。 相位相位 振動信號的相位信息十分重要。振動信號的相位信息十分重要。 獲得被測對象的振動力學參量或動態(tài)性能，如固獲得被測對象的振動力學參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、響應和模態(tài)等。有頻率、阻尼、響應和模態(tài)等。振動測試包括：振動測試包括： 測量工作機械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動，

3、如測量工作機械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動，如振動的位移、速度、加速度、頻率和相位等。振動的位移、速度、加速度、頻率和相位等。 了解被測對象的振動狀態(tài)了解被測對象的振動狀態(tài) 評定等級評定等級 尋找根源尋找根源 進行監(jiān)測、分析、診斷和預測進行監(jiān)測、分析、診斷和預測 對機械設備或結(jié)構(gòu)上加某種激勵，測量其受迫振動。對機械設備或結(jié)構(gòu)上加某種激勵，測量其受迫振動。5.2 5.2 測振傳感器測振傳感器 機械振動測試方法一般有機械法、光學法和電測法，機械振動測試方法一般有機械法、光學法和電測法，目前最為廣泛應用的是目前最為廣泛應用的是電測法電測法，即將被測對象的振動量轉(zhuǎn)，即將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后

4、用電測量儀器進行測量。換成電量，然后用電測量儀器進行測量。 測振傳感器也稱為拾振器，它是感受物體振動并將測振傳感器也稱為拾振器，它是感受物體振動并將其轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。其轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。測測振振傳傳感感器器測振參數(shù)分類：位移、速度、加速度傳感器測振參數(shù)分類：位移、速度、加速度傳感器參考坐標系分類參考坐標系分類變換原理分類：磁電式、壓電式、電阻應變式、電變換原理分類：磁電式、壓電式、電阻應變式、電 感式、電容式、光學式感式、電容式、光學式傳感器與被測物關系分類：接觸式、非接觸式傳感器與被測物關系分類：接觸式、非接觸式相對式傳感器相對式傳感器： 只有活動件與被測只有活動件與被測對

5、象接觸，其余固定在基礎上對象接觸，其余固定在基礎上絕對式傳感器：絕對式傳感器：完全置于被測對象完全置于被測對象上，利用彈簧支撐一個慣性體來感上，利用彈簧支撐一個慣性體來感受振動，故又為慣性式測振傳感器受振動，故又為慣性式測振傳感器在振動測試中，最常用的是在振動測試中，最常用的是壓電式加速度傳感器和磁電式絕壓電式加速度傳感器和磁電式絕對速度傳感器對速度傳感器，都屬于慣性式測振傳感器。，都屬于慣性式測振傳感器。5.1.1 5.1.1 慣性式傳感器力學原理慣性式傳感器力學原理單自由度的受迫振動單自由度的受迫振動01x0 x1x1 1、慣性式傳感器的力學模型、慣性式傳感器的力學模型p 傳感器輸入：傳感

6、器輸入：被測振動件的振動位移為被測振動件的振動位移為x x1 1p 傳感器輸出：傳感器輸出：質(zhì)量塊相對于殼體的相對位質(zhì)量塊相對于殼體的相對位移為移為x x0101 質(zhì)量塊的力學表達式為質(zhì)量塊的力學表達式為: 00101202kxdtdxcdtxdm1010 xxx0)(010121012kxdtdxcdtxxdm21201012012dtxdmkxdtdxcdtxdm)()()()(120101012sXmsskXscsXsXmskcsmsmssXsXsH22101)()()(kjcmmH22)(js mknkmc2nnnjH2)(1)()(2222221012)(1 )()(nnnXXA2)

7、(12arctan)(nn慣性式位移傳感器慣性式位移傳感器的幅頻特性和相頻特性的幅頻特性和相頻特性具有高通特性具有高通特性2 2、慣性式位移傳感器的正確響應條件、慣性式位移傳感器的正確響應條件 ，一般取，一般取 ，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠低于被測振動即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠低于被測振動下限頻率，此時，下限頻率，此時， 接近于一條水平接近于一條水平直線，不產(chǎn)生振幅畸變。直線，不產(chǎn)生振幅畸變。 1/n5)3(/n)(A 當阻尼當阻尼 時，時， 水平水平直線寬度最寬，即擴大了下限頻率。直線寬度最寬，即擴大了下限頻率。7 . 06 . 0)(A 位移傳感器測量上限理論上是無限位移傳感器測量上限

8、理論上是無限的，但實際的工作頻率范圍是有限的。的，但實際的工作頻率范圍是有限的。3 3、慣性式加速度傳感器的正確響應條件、慣性式加速度傳感器的正確響應條件 慣性式加速度傳感器質(zhì)量塊的相對位移與被測慣性式加速度傳感器質(zhì)量塊的相對位移與被測振動的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來振動的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映被測振動加速度的大小。加速度傳感器幅頻特反映被測振動加速度的大小。加速度傳感器幅頻特性為：性為：2222210121201)/(2)/(1 1)(nnnaXXdtxdXA具有低通特性。具有低通特性。慣性式加速度傳感器的正確響應條件慣性式加速度傳感器的正確響應條件: ，一般

9、取，一般取 ，即即 ，此時，此時， 接近接近于一條水平直線。于一條水平直線。 1/n)5131(/n)(A)53(n 當阻尼當阻尼 時，時， 水平水平直線寬度最寬，即擴大了上限頻率。直線寬度最寬，即擴大了上限頻率。7 . 06 . 0)(A慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它具有零頻具有零頻特性特性，即理論上它的可測下限頻率為零，實際上是，即理論上它的可測下限頻率為零，實際上是可測頻率極低。慣性式加速度傳感器使用廣泛可測頻率極低。慣性式加速度傳感器使用廣泛4 4、慣性式速度傳感器的正確響應條件、慣性式速度傳感器的正確響應條件 慣性式速度傳感器質(zhì)量塊的相對位移與被測振

10、慣性式速度傳感器質(zhì)量塊的相對位移與被測振動的速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映動的速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來反映被測振動速度的大小。速度傳感器幅頻特性為：被測振動速度的大小。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要使慣性式速度傳感器的輸出量能正確地反映被測振動的速度，則必須滿足如下條件：反映被測振動的速度，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，在工程實踐中很少使用。分小，因此，在工程實踐中很少使用。nvA2/1)(此時

11、此時壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器屬于慣性式（絕對式）屬于慣性式（絕對式）傳感器。傳感器。 工作原理：壓電效應工作原理：壓電效應 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：質(zhì)量大的壓電加速度傳感器可測上限頻率低，靈敏度高；質(zhì)量大的壓電加速度傳感器可測上限頻率低，靈敏度高；質(zhì)量小的壓電加速度傳感器可測上限頻率高，靈敏度低。質(zhì)量小的壓電加速度傳感器可測上限頻率高，靈敏度低。5.1.2 相對式傳感器相對式傳感器 殼體殼體2 2固定在相對靜止固定在相對靜止的物體上，作為參考點。的物體上，作為參考點?；顒拥捻敆U活動的頂桿3 3用彈簧以一定用彈簧以一定的初壓力壓緊在振動物體的初壓力壓緊在振動物

12、體上，在被測物體振動力和上，在被測物體振動力和彈簧恢復力的作用下，頂彈簧恢復力的作用下，頂桿跟隨被測振動件一起運桿跟隨被測振動件一起運動，因而和測桿相連的變動，因而和測桿相連的變換器換器l l將此振動量變?yōu)殡娦艑⒋苏駝恿孔優(yōu)殡娦盘?。號?測桿的跟隨條件測桿的跟隨條件 相對式測振傳感器測量要準確，必須滿足測相對式測振傳感器測量要準確，必須滿足測桿的跟隨條件，即：桿的跟隨條件，即： mnmnmxffxxkmx222)()( 如果在使用中彈簧的壓縮量如果在使用中彈簧的壓縮量x x不夠大，或者被不夠大，或者被測物體的振動頻率測物體的振動頻率f f過高，不能滿足上述跟隨條件，過高，不能滿足上述跟隨條件，

13、頂桿與被測物體就會發(fā)生撞擊。因此頂桿與被測物體就會發(fā)生撞擊。因此相對式傳感器只相對式傳感器只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。 磁電式相對速度傳感器磁電式相對速度傳感器p 工作原理工作原理 電磁感應原理電磁感應原理p 磁電式相對速度傳感器結(jié)構(gòu)磁電式相對速度傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)點：不需要外加電源，輸出信優(yōu)點：不需要外加電源，輸出信號可以不經(jīng)放大即可遠距離傳送號可以不經(jīng)放大即可遠距離傳送缺點：頻率范圍有限，壽命不長缺點：頻率范圍有限，壽命不長例題：例題：1、慣性式位移傳感器具有、慣性式位移傳感器具有1HZ的固有頻率，認為是的固有頻率，認為是無阻尼的振動系統(tǒng)，當它受到頻率為無阻

14、尼的振動系統(tǒng)，當它受到頻率為2HZ的振動時，的振動時，儀表指示振幅為儀表指示振幅為1.25mm，求該振動系統(tǒng)的真實振幅，求該振動系統(tǒng)的真實振幅是多少？是多少？22221012)(1 )()(nnnXXA解：已知：mmXHzfHzfn25. 1,2, 0,101342)(1 )(2222101nnnXX2n因為，所以mmX9375. 04325. 11所以振動系統(tǒng)的真實振幅為：所以振動系統(tǒng)的真實振幅為：2 2、圖是用壓電式加速度傳感器與電荷放、圖是用壓電式加速度傳感器與電荷放大器測量某機器的振動。已知，傳感器大器測量某機器的振動。已知，傳感器的靈敏度為的靈敏度為 100100（pC/gpC/g）

15、，電荷放大器），電荷放大器的反饋電容的反饋電容C=0.01(C=0.01( F)F)，測得輸出電壓，測得輸出電壓的峰值的峰值UomUom=0.4(V)=0.4(V)，振動頻率為，振動頻率為100(HZ)100(HZ)。求：。求：(1)(1) 求機器振動加速度的最大值求機器振動加速度的最大值A(m/sA(m/s2 2); ); (2)(2) 假定振動為正弦波，求振動速度假定振動為正弦波，求振動速度v(tv(t); ); (3)(3) 求振動幅度的最大值求振動幅度的最大值X. X. 解：解：（2 2）、已知）、已知)/(6282,sin)(sradftAta5.3 5.3 振動測試系統(tǒng)振動測試系統(tǒng)

16、 一般的振動測試系統(tǒng)通常由激振、拾振、一般的振動測試系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。置等環(huán)節(jié)所組成。 激振器是對試件施加某種預定要求的激振力，激振器是對試件施加某種預定要求的激振力，使試件受到可控的、按預定要求振動的裝置。為使試件受到可控的、按預定要求振動的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應盡量使了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應盡量使激振器體積小、重量輕。激振器體積小、重量輕。（1 1）激振）激振 拾振部分是振動測試系統(tǒng)的最基本部分，它拾振部分是振動測試系統(tǒng)的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或

17、系統(tǒng)的性能。最常的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。最常用的是壓電加速度傳感器和磁電式速度傳感器。用的是壓電加速度傳感器和磁電式速度傳感器。（2 2）拾振）拾振 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需經(jīng)過適當?shù)姆治鎏幚?，以提取出各到的力信號需?jīng)過適當?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、儀、頻率分析儀、FFTFFT分析儀和虛似頻譜分析儀分析儀和虛似頻譜分析儀等。等。（3 3）振動分析儀器）振動分析儀器5.3.1 5.3.1 振動參量的測量振動參量的測量1 1、

18、振幅的測量、振幅的測量 機械振動測量中，有時不需要測量振動信號的機械振動測量中，有時不需要測量振動信號的時間歷程曲線，而只需要測量振動信號的幅值，即時間歷程曲線，而只需要測量振動信號的幅值，即振動位移、速度和加速度信號的有效值，有時也包振動位移、速度和加速度信號的有效值，有時也包括峰值的測量。括峰值的測量。 機械工程中最常采用機械工程中最常采用壓電式加速度計壓電式加速度計和和磁電磁電式速度計式速度計作為測振傳感器來測量機械振動。作為測振傳感器來測量機械振動。 2 2、振動頻率和相位的測量、振動頻率和相位的測量p 簡諧振動頻率的測量簡諧振動頻率的測量 簡諧振動頻率的測量方法有李薩如圖形比較法、錄

19、波簡諧振動頻率的測量方法有李薩如圖形比較法、錄波比較法、直讀法、比較法、直讀法、頻譜分析法頻譜分析法等。等。 用快速傅里葉變換（用快速傅里葉變換（FFTFFT）的方法，將振動的時域信）的方法，將振動的時域信號變換為頻域中的頻譜，從而從頻譜的譜線測得振動頻率。號變換為頻域中的頻譜，從而從頻譜的譜線測得振動頻率。 p 同頻簡諧振動相位差的測量同頻簡諧振動相位差的測量 同頻簡諧振動相位差的測量方法也有多種，如線性掃同頻簡諧振動相位差的測量方法也有多種，如線性掃描法、橢圓法、相位計直接測量法、描法、橢圓法、相位計直接測量法、頻譜分析法頻譜分析法等等 3 3、機械系統(tǒng)固有頻率的測量、機械系統(tǒng)固有頻率的測

20、量 p 固有頻率固有頻率p 共振頻率共振頻率 機械系統(tǒng)作自由振動時的振動頻率，與系機械系統(tǒng)作自由振動時的振動頻率，與系統(tǒng)本身的質(zhì)量統(tǒng)本身的質(zhì)量( (或轉(zhuǎn)動慣量或轉(zhuǎn)動慣量) )、剛度有關。、剛度有關。 在系統(tǒng)作受迫激勵振動過程中，當激振頻率在系統(tǒng)作受迫激勵振動過程中，當激振頻率達到某一特定值時，振動量的振幅值達到極大值達到某一特定值時，振動量的振幅值達到極大值的現(xiàn)象稱為共振。共振時的激勵頻率就稱為共振的現(xiàn)象稱為共振。共振時的激勵頻率就稱為共振頻率。頻率。 p 自由振動衰減法自由振動衰減法MiMi+nty(t)ddT221dnniinMM ln22224nnnn n是兩個超調(diào)量相隔的峰值個數(shù)。是兩

21、個超調(diào)量相隔的峰值個數(shù)。p 共振法共振法 當激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時，振動當激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時，振動響應就急劇增大響應就急劇增大221nr2121)0()(AArn位移共位移共振頻率振頻率p 半功率法半功率法n212適合阻尼比較小。適合阻尼比較小。4 4、衰減系數(shù)及相對阻尼系數(shù)的測定、衰減系數(shù)及相對阻尼系數(shù)的測定 衰減系數(shù)及相對阻尼系數(shù)是通過振動系統(tǒng)的某衰減系數(shù)及相對阻尼系數(shù)是通過振動系統(tǒng)的某些其它參數(shù)進行間接測量的。通常，可用些其它參數(shù)進行間接測量的。通常，可用自由振動自由振動衰減法衰減法，半功率點法和共振法進行測定。，半功率點法和共振法進行測定。 自由振動法通常只能用來測

22、量第一階固有振型自由振動法通常只能用來測量第一階固有振型的衰減系數(shù)。如果要測量高階固有振型的衰減系數(shù)，的衰減系數(shù)。如果要測量高階固有振型的衰減系數(shù)，必須確知能激出高階振型，并確知要測的某階固有必須確知能激出高階振型，并確知要測的某階固有頻率。利用帶通濾波器阻斷其他各階自由振動信號，頻率。利用帶通濾波器阻斷其他各階自由振動信號，只容待測得那一階通過，然后可用以上方法來求得只容待測得那一階通過，然后可用以上方法來求得待測階數(shù)的衰減系數(shù)。待測階數(shù)的衰減系數(shù)。5.3.2 5.3.2 測振系統(tǒng)的定度和校準測振系統(tǒng)的定度和校準 由許多測試儀器組成的一套測試裝置，可由許多測試儀器組成的一套測試裝置，可用兩種

23、方法來確定整個裝置的靈敏度用兩種方法來確定整個裝置的靈敏度：（1 1）根據(jù)各個組成部分靈敏度計算總靈敏度）根據(jù)各個組成部分靈敏度計算總靈敏度（2 2）直接校準總靈敏度）直接校準總靈敏度進行重要試驗時，采用后一種方法較好。進行重要試驗時，采用后一種方法較好。p 絕對校準法絕對校準法 絕對校準法是將被校準的傳感器置于精密的振絕對校準法是將被校準的傳感器置于精密的振動臺上承受振動，通過直接測量振動的振幅、頻率動臺上承受振動，通過直接測量振動的振幅、頻率和傳感器的輸出電量來確定傳感器的特性參數(shù)。和傳感器的輸出電量來確定傳感器的特性參數(shù)。 絕對校絕對校準法準法振動校準法振動校準法互易法互易法激光干涉校準

24、法激光干涉校準法重力加速度法重力加速度法共振梁法共振梁法 激光干涉校準法激光干涉校準法的原理是將被校準的測的原理是將被校準的測振裝置安裝在一個能產(chǎn)生正弦振動的標準振振裝置安裝在一個能產(chǎn)生正弦振動的標準振動臺上，用激光干涉儀等手段測出振動臺的動臺上，用激光干涉儀等手段測出振動臺的振動頻率和振幅，此法用于校準測振裝置的振動頻率和振幅，此法用于校準測振裝置的機械輸入量。被校測振裝置的輸出量可通過機械輸入量。被校測振裝置的輸出量可通過相應的電氣測量系統(tǒng)獲得，從而可計算出其相應的電氣測量系統(tǒng)獲得，從而可計算出其靈敏度或其它特性參數(shù)。靈敏度或其它特性參數(shù)。 例：校準一只加速度傳感器的靈敏度例：校準一只加速度傳感器的靈敏度 機械輸入量是加速度：機械輸入量是加速度：)2sin()2(2ftAfa傳感囂的電壓輸出量為：傳感囂的電壓輸出量為：)2sin(fte加速度傳感器的靈敏度為：加速度傳感器的靈敏度為：AfeSa2)2(Afe2)2(9800(mV/mm/s2) = (mV/g) p 比較校準法比較校準法 比較校準法，是將被校準的傳感器與標準傳比較校準法，是將被校準的傳感器與標準傳感器相比較。校準時，將被校準傳感器和標準傳感器相比較。校準時，將被校準傳感器和標準傳感器一起安裝在標準振動臺上，使它們承受相同感器一起安裝在標