工程振動測試技術02-第2章-工程振動測試系統(tǒng)概述課件

1、工程振動測試技術劉習軍 教授天津大學 機械工程學院力學系第2章 工程振動測試系統(tǒng)概述振動測試技術作為解決工程振動問題的一種有效手段，工程振動測試方法有許多種，根據(jù)不同的測試目的、不同的測試參數(shù)、不同的測試功能和不同的測試方法，就有不同的測試系統(tǒng)的組成，它的組成結(jié)果直接影響工程振動的測試結(jié)果，必須引起高度重視。學習目的：理論與實驗相結(jié)合，掌握工程技術中常見的解決機械振動的基本原則和方法。學習動態(tài)數(shù)據(jù)采集原理和軟硬件使用方法，振動數(shù)字信號在時域、頻域的分析方法。振動測試技術是振動力學的逆向思維物理特性模態(tài)特性響應特性正過程響應模型位移、速度加速度 時間歷程力學模型質(zhì) 量阻 尼剛 度模態(tài)模型固有頻率

2、模態(tài)阻尼、模態(tài)矢量模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量逆過程2.1 工程振動測試原理 振動測試技術（逆過程） 由響應求物理特性 由于計算機的發(fā)展、快速傅里葉變換的應用，各種基于數(shù)字信號處理原理的頻率分析儀、以計算機為核心的多功能信號分析軟件涌現(xiàn)（虛擬儀器），使工程振動信號的時域及頻域分析功能更加完善。 現(xiàn)已發(fā)展成為科學研究、解決工程問題的重要手段之一。2.2 工程振動測試方法按各種參數(shù)的測量方法及物理性質(zhì)可分成三類。1、機械式的測量方法 將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，頻率較低，精度也較差。但簡單方便。2 光學式的測量方法 將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學信號，經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如激光測振儀等。3 電測方法

3、將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，目前應用得最廣泛的測量方法。高精確度、高靈敏度、高響應速度，可以連續(xù)測量、自動控制。電測法和激光測試的優(yōu)點：(1)可以將許多不同的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號加以測量，從而可以使用相同的測量和記錄顯示儀器。(2)輸出的電信號可以做遠距離傳輸，利于遠距離操作和自動控制。(3) 可以對變化中的參數(shù)進行動態(tài)測量，因此可以測量和記錄瞬時值及變化過程。(4)易于使用許多后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析儀器，特別是與計算機通信，從而能對復雜的測量結(jié)果進行快速的運算和分析處理以及提供反饋控制。2.3 測試系統(tǒng)的組成及配置測量系統(tǒng)是指由有關器件、儀器和裝置有機組合而成的，一般包含激勵設備，傳感器，測量

4、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)分析處理裝置四部分。測試系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。圖2.2 測試系統(tǒng)原理框圖1激勵設備激勵設備的作用是人為地模擬某種條件，把被測系統(tǒng)中的某種信息激發(fā)出來，以便檢測，如用激勵裝置作用在機械裝置上，然后把機械結(jié)構產(chǎn)生的振動頻率、幅值、應力變化等信息激發(fā)出來，由后續(xù)裝置檢測后對它的性能進行分析研究。2傳感器把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學的或電的信號，完成這項轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。傳感器的作用是把被測的機械振動量接收下來并轉(zhuǎn)換為后續(xù)設備能夠接收的信號。它是獲得信息的主要手段，在整個測試系統(tǒng)中占有重要地位。3測量線路及放大器振動傳感器輸出的信號一般都很微弱，需經(jīng)放大后才能推

5、動后續(xù)設備。并且由于各類振動傳感器的特性各不相同，所以要求的測量系統(tǒng)也各不相同。為此，就需要有各種不同的測量系統(tǒng)。4數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理裝置有時為了與計算機通信方便，需將模擬信號變換成數(shù)字信號或其他形式。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設備（如磁盤、磁帶記錄儀、XY記錄儀等）等。然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。1電動式測振系統(tǒng)2壓電式測振系統(tǒng)3應變式測振系統(tǒng)4電渦流式測振系統(tǒng)5激光測振系統(tǒng)6綜合測振系統(tǒng)2.4 工程測試系統(tǒng)的技術性能測試系統(tǒng)不同，則相應的技術性能不同，一般來說，工程測振儀

6、的技術性能包括靈敏度、分辨率、線性度、通頻帶、精確度、最大量程等。1.靈敏度單位輸入量變化所引起的輸出量的變化稱為靈敏度，通常用輸出量y(t)與輸入量x(t)的變化量的比值來表示，即(a)線性系統(tǒng)靈敏度 (b)非線性系統(tǒng)靈敏度圖2-9 靈敏度的定義 值得注意的是，測量系統(tǒng)的靈敏度并非越高越好，通常情況下，靈敏度越高，測量范圍越窄，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越差。加速度靈敏度速度靈敏度位移靈敏度應注意，不同類型的儀器，靈敏度的表達方式不同，另外有些測量系統(tǒng)的靈敏度不是固定不變的，而是可以根據(jù)測試的要求進行設置。2.分辨率分辨率是指測量系統(tǒng)所能檢測出來的輸入量的最小變化量，通常是以最小單位輸出量所對應的輸入

7、量來表示。一個測量系統(tǒng)的分辨率越高，表示它所能檢測出的輸入量的最小變化量越小。丹麥B&K儀器公司規(guī)定，最低可測信號電平與噪聲電平比值的分貝值為式中：S為被測信號電平；N為噪聲電平。這時被測信號電壓約為噪聲電壓的1.77倍。3 線性度定標曲線與擬合直線的偏離程度稱為線性度。定標曲線與擬合直線 的最大偏差；滿量程輸出。4通頻帶通頻帶一般是指儀器靈敏度的變化不超過某一規(guī)定百分比的條件下，儀器的使用頻率范圍。一臺儀器的頻率范圍可能取決于傳感器本身的電氣性能或機械性能，也可能取決于附加線路或配合儀表的性能。5精確度精確度是指測量儀器的測量值和被測量實際值的接近程度。精確度受諸如靈敏度、分辨率等一系列因素

8、的影響，反映測量中各類誤差的綜合。2.5 工程振動測量中參量和儀器的選擇工程振動測量中參量和儀器的選擇是測試過程中的重要環(huán)節(jié)，必須充分了解工程振動的特點，選擇測試的頻率范圍和振動幅值的區(qū)間，才能正確地進行測試工作。例如對于低頻振動的物體測量以位移為宜；對于沖擊振動以速度參量為宜；模型振動試驗可根據(jù)需要選取參量。也可根據(jù)現(xiàn)有的分析手段、所關心的物理量與振動參量之間的關系選擇參量。在測振儀器的選擇方面，不能片面的迫求某項高指標，應根據(jù)所研究對象的頻率范圍、幅值范圍和振動狀態(tài)選擇儀器。1工程振動的特點在諸如機械及橋梁等工程振動測量中，由于頻率成份的差異、振動幅值的不同，振動狀態(tài)的多樣性，參量和儀器的

9、選擇十分重要，否則將不能獲得理想的結(jié)果。一般來說機械振動的頻率較高、幅值較小，建筑工程結(jié)構的振動頻率較低(頻率范圍大約在0.5100Hz)，振動幅值的變化范圍大。振動測量應根據(jù)最關心的振動參量、分析手段、研究對象的固有頻率和幅值范圍選擇儀器，否則可能誤差很大，甚至得到錯誤的結(jié)果。對于沖擊振動等體系的振動測量，更應慎重。2測量參量的選擇原則：被測物體固有頻率低、加速度值很小的情況下選擇位移參量；被測物體固有頻率高，位移幅值很小的情況下選擇速度參量或加速度參量；根據(jù)現(xiàn)有分析手段選擇參量。(1)機械振動實驗中的振動測量由于振動狀態(tài)基本是簡諧振動，參量的換算關系非常方便，故可根據(jù)需要和現(xiàn)有條件選取參量

10、。(2)橋梁、工民建等結(jié)構工程的振動測量這些結(jié)構的自振頻率一般較低，約在0.510 Hz頻率范圍內(nèi)，并且振幅較大。因此應采用位移參量或速度參量。3振動測量儀器的選擇(1)合理選擇儀器的通頻帶若結(jié)構的自振頻率較低，或頻率高達10kHz的情況，應特殊考慮超低頻、超高頻的測試情況。(2)合理選擇儀器量程若工程振動的幅值變化范圍很大，則在工程振動測量中，需要大量程的測振儀，應盡可能的選用動態(tài)范圍大的測振儀。 (3)根據(jù)振動狀態(tài)選用儀器對于周期振動，隨機振動，可根據(jù)頻率范圍、振動幅值大小選擇測量儀器。對于沖擊振動等振動，還應十分注意考慮儀器的瞬態(tài)響應特性。2.6 工程振動測試技術的任務線性振動系統(tǒng)的運動

11、方程：為此，解決振動問題有以下幾個方面的任務： 1、已知F、M、K、C，通過實驗測出x、 、 ，通過測試及數(shù)字信號分析可求出振動系統(tǒng)的固有頻率和振型以及在實際工作時的振動水平。因此，它也被稱為實驗驗證，這是工程振動測試中的正問題。 2、已知F，通過實驗測出x、 、 。最終通過模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、振型、阻尼等）求出M、K、C。稱為“參數(shù)識別”和“系統(tǒng)識別”。也稱為第一類反問題。這類反問題對振動測試的要求，除了要精確測量外，還要應用模態(tài)分析的方法來識別參數(shù)，以便正確地建立系統(tǒng)的力學模型，并完成從模態(tài)參數(shù)到物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣就能弄清結(jié)構的薄弱環(huán)節(jié)，為改進結(jié)構優(yōu)化設計提供充分地實驗依據(jù)。 3、已知M

12、、C、K，通過實驗測出x、 、 ，求出F。這是“載荷識別”問題，這是結(jié)構動力學的第二類反問題。 這類問題對振動測試的要求，除了精確測出系統(tǒng)振動位移列陣，速度列陣，加速度列陣外，還要先在已知激振力列陣F0 的情況下進行第一類反問題的計算與測試，以求得振動結(jié)構的系統(tǒng)參數(shù)，然后再進行載荷識別。通過這類反問題的研究，可以查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律，以便采取措施來控制振動。4.建立振動方程。對于比較復雜的振動系統(tǒng)，可以利用實驗結(jié)果建立振動方程。由于結(jié)構的振動模態(tài)參數(shù)是決定結(jié)構動力特性的主要參數(shù)。利用振動測試技術直接得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即可直接建立一個模態(tài)動力學方程，并在此基礎上計算振動系統(tǒng)在實際載荷

13、作用下的響應，以及進行振動校核和必要的結(jié)構修改。5.為理論計算(有限元法)提供技術參數(shù)。在工程實際的理論計算中，有限元法是一種極為有力的計算工具，它適用于計算各種類型結(jié)構的模態(tài)參數(shù)，且易于修改有關物理參數(shù)，為結(jié)構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。由于實際結(jié)構的復雜性，很難直接建立一個符合實際的有限元計算模型。模態(tài)試驗的必要性不僅提供了一組可靠的模態(tài)參數(shù)，而且還提供了某些只有通過試驗手段才能獲得的重要數(shù)據(jù)，比如有關結(jié)構的阻尼參數(shù)等。將理論計算(有限元法)和試驗測試結(jié)果(模態(tài)分析試驗)進行相互校核和修正，最后才可得到一組比較真實可靠的模態(tài)參數(shù)。6. 故障診斷與監(jiān)測。監(jiān)測機器設備工作狀況是否穩(wěn)定、正常及診斷設備故障等。機器、設備在工作過程中發(fā)生不正常的運轉(zhuǎn)或故障，往往會使系統(tǒng)的振動水平發(fā)生變化，因此，對機器進行實測分析可得到機器是否正常工作的重要信息，進一步可對機器可能存在的潛在故障做出預測。在一些大型關鍵性機器設備上，比如發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機