長沙理工大學機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)PPT8振動的測量

第八章、振動的測量工程測試技術(shù)基礎(chǔ)本章學習要求：1.掌握振動的測量方法及測振傳感器2.了解振動的分析方法與儀器8.1概述

第八章、振動的測量在大多數(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。

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)。1.機械的振動是工程技術(shù)和日常生活常見的現(xiàn)象2.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3.振動測量的內(nèi)容

第八章、振動的測量如位移、速度、加速度、頻率和相位等。

1）振動量的測量；

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特性，或?qū)ふ艺裨?，并為采取有效對策提提供依?jù)。第八章、振動的測量我國共有19項有關(guān)振動與沖擊的國家標準，涉及到有關(guān)術(shù)語、測量儀器、測量方法等。

4.振動測量標準

如：固有頻率、阻尼比、剛度和振型等。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)的力學動態(tài)特性。2）結(jié)構(gòu)或部件特征參數(shù)的測量。測量振級尋找振源研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性研究各種減振理論與方法等。

5.振動測量的目的

研究加工精度——測量位移研究振動功率——測量速度研究振動引起的聲輻射——測量速度研究機械損傷——測量加速度。

6.振動強度測量指位移、速度和加速度的測量

由于位移、速度、加速度這三個物理量之間存在著固定的導數(shù)關(guān)系，原則上講，對其中任何一個物理量都可以通過數(shù)學方法獲得其它物理量。

7.具體測量項目位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器8.振動傳感器1振動位移傳感器

電容式傳感器：靈敏度高、頻率范圍寬、受環(huán)境溫度影響；測量范圍0.001～0.1mm。常用振動位移傳感器有電容式、電渦流式及電感式

電渦流式位移傳感器：靈敏度高、頻率范圍寬、非接觸式測量、線性范圍大、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響；測量范圍從±0.5mm到±10mm不等；測量頻率范圍0~5kHz

電感式傳感器：輸出功率大、性能穩(wěn)定、精度高、易受溫度與磁場影響；測量范圍10~20mm。8.2振動傳感器振動速度傳感器為磁電式速度計，分為絕對速度傳感器與相對速度傳感器兩類。

如果將殼體固定在一試件上，通過壓縮彈簧片，使頂桿以力頂住另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件的相對速度，此時的速度計就成為相對速度計。磁電式絕對速度計磁電式相對速度計絕對式速度計的固有頻率應該盡可能低,但不能太低。一般為10～15Hz，其可用頻率范圍一般為15～1000Hz阻尼環(huán)的作用？2振動加速度傳感器

8.2振動傳感器應變式加速度計2－阻尼液；3－懸臂梁；4－應變片；5－質(zhì)量塊優(yōu)點：低頻響應好；可測量直流信號（勻加速度）；液體阻尼可消除高頻受激振動的影響。缺點：固有頻率大大低于壓電式。壓阻式加速度計1－引線電極；2－擴散的電阻；3－質(zhì)量塊優(yōu)點：體積微型化，外形可小于1mm；頻率響應范圍寬（0～1.5MHz）；靈敏度大于應變式加速度計數(shù)倍乃至數(shù)十倍；測量精度一般在0.1%~0.05%之間。缺點：受溫度影響大。2振動加速度傳感器

8.2振動傳感器加速度傳感器有：應變式、壓阻式、壓電式中央壓縮型環(huán)狀剪切型三角剪切型2振動加速度傳感器

目前采用的加速度傳感器大多數(shù)為壓電式加速度計。有壓縮型、剪切型、彎曲型以及它們的組合。各型的主要差別是壓電晶體承受應力的形式不相同。優(yōu)點:尺寸小、重量輕、堅固性好，測量頻率范圍一般可達1Hz～22KHz；測量加速度范圍為0～2000g，溫度范圍為－150～＋260℃,輸出電平為5~72mv/g.缺點:低頻性能差、阻抗高、測量噪聲大。8.2振動傳感器加速度計的安裝(a)將加速度計直接用螺栓安裝在振動表面上;(b)將加速度計與振動面通過絕緣螺栓或者云母片絕緣相連;(c)用臘膜粘附;(d)手持探棒與振動表面接觸;(e)通過磁鐵與具有鐵磁性質(zhì)的振動表面磁性相連;(f~g)用粘結(jié)劑連結(jié).其中:(a)可測量強振動和高頻率振動，是安裝加速度計理想的方法;(e)是常用的方法，方便可靠，但只能測量加速度較小的振動.3振動加速度傳感器安裝

8.2振動傳感器常見壓電加速度計8.2振動傳感器校準原因：壓電材料老化使靈敏度變化儀器維修后性能變化絕對法：激光干涉儀絕對校準法

方法：將被校準的傳感器固定在校準振動臺上，用激光干涉測振儀直接測量振動臺的振幅，再和被校準傳感器的輸出比較，以確定被校準傳感器的靈敏度。優(yōu)點：精度高缺點:

設(shè)備復雜，操作和環(huán)境要求高，只適合計量單位和測振儀器制造廠使用。4振動傳感器的校準

8.2振動傳感器相對法(背靠背比較校準法)

將待校準的傳感器和經(jīng)過國家計量等部門嚴格校準過的傳感器(參考傳器)背靠背地（或并排地）安裝在振動臺上承受相同的振動。將兩個傳感器的輸出進行比較，就可以計算出在該頻率點待校準傳感器的靈敏度；

Sa＝Sr

Va/Vr

其中,Sr是參考傳感器的靈敏度;4振動傳感器的校準

8.2振動傳感器作用:測振儀是測量振動加速度、速度或位移信號的峰值、平均值及有效值的儀器。測振儀配有積分微分電路進行被測量的轉(zhuǎn)換，其輸出通過面板表頭，因而可以直接讀出位移、速度、加速度等振動量的峰值、峰-峰值、平均值或均方根值。類型:在工程中常采用各種臺式、袖珍式、數(shù)字式和單通道、多通道等各種規(guī)格測振儀。8.3常用的振動測量儀器

1測振儀

2前置放大器

壓電式加速度計后面常用電壓放大器和電荷放大器。

振動測量中常用電荷放大器8.3常用的振動測量儀器3頻譜分析儀

工程中的振動問題十分復雜，經(jīng)常遇到多種頻率疊加的振動波。頻譜分析儀是專門對信號頻率分布作分析處理的儀器。

頻率分析儀類型:

模擬式、數(shù)字式

信號的時域與頻域描述8.3常用的振動測量儀器振動測量分為兩類：在線測量：對機械運行狀態(tài)進行檢測；實驗室測量：了解機械動態(tài)特性。動態(tài)特性測量的原因：在現(xiàn)場或在正常工作狀況下測得的振動信號有時很難全面反映出被測系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此需要人為地給系統(tǒng)施加一定的振動激勵。動態(tài)特性測量方法：

激勵系統(tǒng)測量激勵和響應分析兩信號關(guān)系系統(tǒng)的動態(tài)特性系統(tǒng)信號發(fā)生器激振器放大器加速度計力傳感器放大器放大器測振儀或頻譜分析儀輸入環(huán)節(jié)輸出環(huán)節(jié)系統(tǒng)特性8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)

激勵方式:（1）穩(wěn)態(tài)正弦激勵

需要信號發(fā)生器發(fā)出穩(wěn)態(tài)正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后推動專用的激振器產(chǎn)生力信號。（2）隨機激勵

需要信號發(fā)生器發(fā)出隨機信號，經(jīng)過功率放大器放大后推動專用的激振器產(chǎn)生力信號。（3）瞬態(tài)激勵

利用專用的脈沖錘產(chǎn)生激勵力。此時，人們必須通過激勵與響應信號了解系統(tǒng)動態(tài)特性。問題：動態(tài)精度超差的原因是什么？機械噪聲過大的原因是什么？8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)

8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)脈沖錘錘頭墊材料剛度越高，激勵的脈寬就越窄，頻帶也就越寬，能量分布在較寬的頻域上。錘體質(zhì)量與力的大小有關(guān)。優(yōu)點:脈沖激勵的激勵力只需要一個脈沖錘，激勵系統(tǒng)簡單，使用方便缺點:激勵能量相對較小，激勵力信噪比低，對于大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的測量有一定的局限性

1脈沖激勵

8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)正弦激振：對被測對象施加一個幅值穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力優(yōu)點：激振功率大，信噪比高，能保證測試精確度；

缺點：需要很長的測試周期。隨機激勵：寬帶激勵的方法，一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。由于功放和激振器通頻帶有限，實際激振力頻譜只在一定頻率范圍內(nèi)保持常數(shù)。優(yōu)點：可實現(xiàn)快速甚至“實時”測試；缺點：設(shè)備復雜，價格昂貴。

正弦激勵與隨機激勵可否用同一種激振器？2穩(wěn)態(tài)正弦激勵與隨機激勵

8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)激振器：電動式、電磁式和電液式。最常用的是電動式。使用時注意：（1）最好使頂桿通過一只力傳感器去激勵試件，以便精確測量出激振力大?。唬?）電動激振器主要用來對試件作絕對激振，因而在激振時最好讓激振器殼體在空間中基本保持靜止，使激振器的能量盡量用于試件上。即：（a）高頻激勵時：激振器用軟彈簧或橡皮繩懸掛起來，應有足夠的懸掛長度,并可加上必要的配重，使懸掛系統(tǒng)固有頻率低于激振頻率1/3以下。對于水平激勵，為了產(chǎn)生一定的預加載荷，需要斜掛一定角度；（b）低頻激振時：將激振器剛性地安裝在地面或剛性很好的架子上，讓安裝的固有頻率比激振頻率高3倍以上。電動式激振器安裝方法2穩(wěn)態(tài)正弦激勵與隨機激勵

8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)如果感興趣的是兩個設(shè)備之間的相對振動，需要將激振器安裝于兩個設(shè)備之間，此時要求：（1）重量輕：以免影響原有系統(tǒng)動特性；（2）激振力大。

由于電動式自重過大，常采用電磁激振器。

對于低頻激振,常采用電液激振器.電磁式激振器電液式激振器2穩(wěn)態(tài)正弦激勵與隨機激勵

8.4動態(tài)特性測量系統(tǒng)

為了對旋轉(zhuǎn)機械進行預測性維修，必須能夠隨時地、準確地了解機組的運行狀態(tài)，常用狀態(tài)監(jiān)測方法之一是振動監(jiān)測。對振動測量包括振幅、頻率、相角、振動形式和振型:

振幅：振動強度的標志。頻率：一般認為不同的頻率對應不同的故障，頻率幅值高低表明故障嚴重程度。但是，頻率和故障不完全一一對應。

相角：描述某一特定時刻機器轉(zhuǎn)子的位置，在動平衡或分析機器特殊故障時非常重要。

振動形式：有時域波形和軸心軌跡兩種。時域波形：確定基本的振幅、頻率和相角；軸心軌跡：能夠反映軸的實際運動情況。

振型：系統(tǒng)固有的振動形態(tài)，與固有頻率一一對應。

8.5振動測量在機械監(jiān)測中的應用

簡支梁的前三階固有振型軸心軌跡

按振動原因分類1)轉(zhuǎn)子不平衡：產(chǎn)生的原因有：制造、運輸存放、安裝、葉輪結(jié)垢、機組結(jié)構(gòu)等原因。2)不對中：包括聯(lián)軸節(jié)或軸承的不對中以及主軸彎曲引起的振動。3)

偏心：滑動軸承與軸頸偏心。4)

松動：機器零件松動，基礎(chǔ)不牢固、地腳螺栓松動。5)摩擦：包括密封件的摩擦，轉(zhuǎn)子的軸向和徑向摩擦。6)聯(lián)軸器損壞。7)油膜渦動和油膜振動。8)電氣原因