機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第六章

1、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)課件第六章第1頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四一、機械的振動是工程技術(shù)和日常生活常見的現(xiàn)象。 在大多數(shù)的情況下，機械振動是有害的。振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(shè)備的使用壽命身甚至導(dǎo)致?lián)p壞造成事故。振動也有可以被利用的一方面，如運輸、夯實、搗固、清洗、脫水、時效等。 二、機械運轉(zhuǎn)中的振動及其產(chǎn)生的噪聲，一般都具有相同的頻率組成。 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，但它們的頻譜都在某中程度上反映機器運行狀況，均可作為監(jiān)測工況、評價運轉(zhuǎn)質(zhì)量時的測試參數(shù)。三、振動測試在生產(chǎn)和科研的許多方面都占有重要

2、地位。四、振動測試大致可分為兩類： 一類是測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動。另一類是對設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵，使其產(chǎn)生振動，然后測量其振動；此類振動的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài)特性。 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 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(guān)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)。求出被測對象的頻率響應(yīng)特性，或?qū)ふ艺裨?，并為采取有效對策提提供依?jù)。第一節(jié) 概述第2頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四(其中c為粘性阻尼系數(shù)，k為 彈性剛度，激 振力f(t)為系 統(tǒng)的輸入，振 動位移

3、z為系統(tǒng) 的輸出)一、質(zhì)量塊受力引起的受迫振動 如圖所示的單自由度系統(tǒng)，其質(zhì)量塊m在外力 f(t)作用下的運動方程為： 求系統(tǒng)頻率響應(yīng)H()和幅頻特性A()、相 頻特性 如下：第二節(jié) 單由度系統(tǒng)的受迫振動第3頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四位移共振頻率、速度共振頻率和相位共振的定義 通常把頻幅曲線上幅值比最大處的頻率稱為位移共振頻率。 當(dāng) ，故 常作為 的估計值。 若輸入為力,輸出為振動速度時,則系統(tǒng)幅頻特性最大處的 頻率稱為速度共振頻率.(速度共振頻率始終和固有頻率相等) 從相頻曲線上可看到,不管系統(tǒng)的阻尼比是多少,在(/ n)=1 時位移始終落后于激振力90度,這被

4、稱為相位共振*小結(jié)：在激振頻率遠(yuǎn)小于固有頻率時,輸出位移隨激振 頻率的變化非常小;當(dāng)激振頻率大于固有頻率時 輸出位移為零,質(zhì)量塊近于靜止;當(dāng)激振頻率接近 固有頻率時,系統(tǒng)的響應(yīng)特性取決于系統(tǒng)阻尼,并隨 頻率的變化而劇烈的變化. 小結(jié)第4頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四二、由基礎(chǔ)運動引起的受迫振動 設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移Z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為Z0如圖示： 若考察m的相對運動而上式可寫為： 可以求出頻率響應(yīng)函數(shù)H()幅頻特性A()和 相頻特性()。 小結(jié)：當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)的振動為0，也就是質(zhì)量塊幾乎隨著基礎(chǔ)一起振動；而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固有頻率時，

5、A()接近1，說明質(zhì)量塊和殼體的相對運動（輸出）和基礎(chǔ)的振動（輸入）近似相等。從而表明質(zhì)量塊再慣性坐標(biāo)系中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。由基礎(chǔ)運動引起的受迫振動第5頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四三、單自由度振動系統(tǒng)受迫振動小結(jié) 測試工作中的許多工程問題，往往可以用彈簧-阻尼器-質(zhì)量塊構(gòu)成的單自 由度模型來描述，但是在不同的場合下所處理的輸入、輸出量往往是不同的，從而其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不同。由此，歸納如下表：*其中各參數(shù)如下： * * *單自由度振動系統(tǒng)受迫振動小節(jié)第6頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四輸入頻率響應(yīng)表7-1輸出頻率響應(yīng) 幅頻特性

6、相頻特性 絕對速度相對速度位移速度加速度位移速度加速度基礎(chǔ)運動位移頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性 速度頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性加速度頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性力f(t)表7-1 單自由度振動系統(tǒng) 的頻率響應(yīng)第7頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四第三節(jié) 振動的激勵激振方式的分類穩(wěn)態(tài)正弦激振隨機激振瞬態(tài)激振穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法，主要優(yōu)點：激振功率大、信噪比高能保證測試的精確度；缺點是：測試周期長。隨機激振是寬帶激振方法.優(yōu)點可以實現(xiàn)快速甚“實時”測試.缺點：所需設(shè)備復(fù)雜而且價格昂貴。瞬態(tài)激振也是寬帶激振方法.按照激振方式的不同又可以分為:快速正弦激振脈沖激振階躍激振第8頁，

7、共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四 激振器是對試件施加某中預(yù)定要求的激振力，激起試件振動的裝置。 通常的激振器有：電動式、電磁式、電液式。 一、電動式激振器 按起磁場的形成又分為永磁和勵磁。 二、電磁式激振器 三、電液式激振器 第四節(jié) 激振器第9頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換后的形式可分為：電測法、機械法、 光學(xué)法。原理見上表：第五節(jié) 振動的測量方法及測振傳感器名稱原理優(yōu)缺點電測法將被測件的振動量轉(zhuǎn)化成電量,而后用電量測試儀測量靈敏度高，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線形范圍寬。便于分析。易受電磁干擾。目前應(yīng)用最廣。機械法利用光杠桿

8、原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多普效應(yīng)和光纖等測量抗干擾能力強，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線形范圍窄。測試時會給試件產(chǎn)生一定的負(fù)載效應(yīng)，影響測試結(jié)果。主要用于低頻大振幅振動及扭振的測量。光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多普效應(yīng)和光纖等測量不受電磁干擾，測量精度高，適用于對質(zhì)量和體積小、不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀的校準(zhǔn)、定度中用的較多。第10頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四拾振器 按測振時拾振器是否與被測件接觸可將拾振器分為：接觸式和非接觸式 按所測的振動性質(zhì)可將拾振器分為：絕對式和相對式拾振器絕對式拾振器的輸出描述

9、被測物體的絕對振動相對式拾振器的輸出描述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(nèi)部利用彈簧量系統(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)系第11頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四幾種常用的傳感器一、渦流位移傳感器二、磁電式速度計三、壓電式加速度計四、伺服式加速度計五、壓阻式加速度計六、阻抗頭七、測振傳感器的合理選用 直接測量參數(shù)的選擇 綜合考慮傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度 考慮具體使用的環(huán)境要求、價格、壽命、可靠性等因素。第12頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四信號發(fā)生器功放激振器測試對象拾振器拾振器中間轉(zhuǎn)換電路振

10、動分析儀記錄儀器參考信號第六節(jié) 振動的分析方法與儀器一、基于帶通濾波技術(shù)的頻譜分析儀 對模擬信號作譜分析的實質(zhì)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(nèi)的信號。二、跟蹤濾波技術(shù) 跟蹤濾波是指濾波器中心頻率能自動的跟隨參考信號，從而達到在強噪聲干 擾下提取有用信息的濾波方法。 第13頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四相關(guān)濾波器一、相關(guān)濾波技術(shù)測試信號參考信號或光電脈沖正交信號發(fā)生（變換）裝置低通濾波器低通濾波器坐標(biāo)變換頻率測量（相乘）（積分平均）7-24 利用相關(guān)原理進行濾波的振動分析儀原理圖從式中可以看出相關(guān)濾波提取了信號x(t)中頻率與參考信號一致的成分的幅值

11、和相位.其中T 的條件表明,只有相關(guān)處理的時長足夠長,才有可能獲得無誤的幅相信息. 第14頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四變頻式(外差)跟蹤濾波器二、變頻式(外差)跟蹤濾波器100kHz晶體濾波器CCCC比相頻率測量比相晶體振蕩器參考信號量測信號相乘相乘相減C100kHz變頻式(外差)跟蹤濾波器原理圖第15頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四振動信號的處理和分析三、振動信號的處理和分析 運用數(shù)字方法處理振動測量的信號日益廣泛地被采用。振動信號的處理是通過A/D接口和軟件在通用計算機上進行的，也可以把振動信號送如數(shù)字信號處理機進行各種譜分析和估計。一般

12、譜分析 在采樣前應(yīng)經(jīng)抗混疊濾波，并根據(jù)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(jù)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最終可以得到信號頻譜結(jié)構(gòu)的全貌。與激振頻率同頻成分的提取 用相關(guān)濾波或FFT算法都可以實現(xiàn)這種要求。對于FFT，為了防止泄露誤差和柵欄效應(yīng)，應(yīng)使FFT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。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(yīng)該是同時發(fā)生的，不允許有時差；兩通道應(yīng)該使用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，將其進行平均，以提高測試的精度。

13、第16頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四在阻尼較小時可以認(rèn)為 由此可知 阻尼比可以根據(jù)振動曲線相鄰 峰值的衰減比確定。第七節(jié) 機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計一、自由振動法如圖所示單自由度系統(tǒng)自由振動的曲線：Z(t)由阻尼振動曲線，通過時標(biāo)確定周期T，可得： 。 圖7-26阻尼衰減振動曲線a)力學(xué)模型 b)衰減振動曲線a)b)T0MiMi-1第17頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四二、共振法從幅頻特性曲線進行估計 在系統(tǒng)阻尼小的情況下，有 所以阻尼比的估 值可為： 其中二、共振法利用相頻曲線特性進行估計當(dāng)激振頻率等于固有頻率時，位移的相位角總是滯后90度。而從

14、所測相頻曲線求得 處的斜率就可以估算阻尼比第18頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四由虛、實部的表達式和圖象可知：在 處，實部為零；虛部為 因此可以確定系統(tǒng)的固有頻率實頻曲線在 處有最大值，而在 處有最小值。由此可 以近似估計系統(tǒng)的阻尼比。（ 共振法）根據(jù)位移響應(yīng)的虛、實部頻率特性進行估計 單自由度振動系統(tǒng)的頻率響應(yīng) ：則虛、實部可寫為：圖7-28 虛頻曲線圖7-27 實頻曲線第19頁，共20頁，2022年，5月20日，2點57分，星期四第八節(jié) 測振裝置的校準(zhǔn)因為拾振器在生產(chǎn)工廠進行校準(zhǔn)或使用一段時間后靈敏度會改變，所以在進行測量工作之前要校準(zhǔn)。常用的校準(zhǔn)方法有：絕對法、相對法和校準(zhǔn)器法。一、絕對法將被校準(zhǔn)拾振器固定在校準(zhǔn)工作臺上，用激光干涉測振儀直接測得振動臺的振幅，在和被校準(zhǔn)