第7章-振動的測試

第七章機械振動的測試概述單自由度系統(tǒng)的受迫振動振動的激勵激振器振動測量方法和常用傳感器振動量的測量機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計7.1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的應用

振動的危害

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，降低機械設備的使用壽命甚至導致?lián)p壞造成事故。精密量儀與精密機床設備應隔絕通過基礎傳來的振動機械振動的利用

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。振動的測試概述(2)振動測試在生產(chǎn)和科研的許多方面都占有重要地位振動測試的目的，歸納起來主要有以下幾個方面：(1)檢查機器運轉(zhuǎn)時的振動特性，以檢驗產(chǎn)品質(zhì)量；(2)測定機械系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，以便確定機器設備承受振動和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進設計提供依據(jù)；(3)分析振動產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；(4)對運動中的機器進行故障監(jiān)控，以避免重大事故。

振動研究就是對“機械系統(tǒng)”、“激勵”和“響應”三者已知其中兩個，再求另一個的問題。振動研究可分為以下三類：(1)振動分析，即已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，欲求系統(tǒng)的響應；(2)系統(tǒng)識別，即已知系統(tǒng)的激勵條件和系統(tǒng)的響應，要確定系統(tǒng)的特性，這是系統(tǒng)動態(tài)響應特性測試問題；(3)環(huán)境預測，即已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應，欲確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài)，這是尋求振源的問題。振動的測試概述(3)振動測試大致可分為兩類

1.測量設備運行時的振動參量。其目的是了解被測對象的振動狀態(tài)、評定振動等級和尋找振源，以及進行監(jiān)測、識別、診斷和預估;

2.對設備或結構施加某種激勵，使其產(chǎn)生振動，然后測量其振動；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。按照振動產(chǎn)生的原因

自由振動受迫振動自激振動振動頻率和固有頻率之間的關系為

其中，ωn為系統(tǒng)的固有頻率，ζ為阻尼率系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。振動的分類按系統(tǒng)的輸出（振動規(guī)律）分簡諧振動周期振動瞬態(tài)振動隨機振動按系統(tǒng)自由度分單自由度系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動連續(xù)彈性體振動按系統(tǒng)結構參數(shù)的特性分線性振動非線性振動振動的測試概述單自由度系統(tǒng)的受迫振動振動的激勵激振器振動測量方法和常用傳感器振動量的測量機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計一、單自由度系統(tǒng)質(zhì)量塊受力引起的的受迫振動運動方程頻率響應、幅頻特性、相頻特性7.2單自由度系統(tǒng)的受迫振動在幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為位移共振頻率

隨著的阻尼的增加，共振峰向原點移動；當無阻尼時，位移共振頻率ωr即為固有頻率ωn當系統(tǒng)的阻尼ζ很小時，位移共振頻率ωr接近系統(tǒng)的固有頻率ωn，可用作為的估計值。幅頻曲線

不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在ω/ωn=1時位移始終落后于激振力90o，此現(xiàn)象稱為相位共振。相頻曲線利用相頻特性來確定固有頻率比較準確幅頻曲線

小結：⑴在激振頻率遠小于固有頻率時,輸出位移隨激振頻率的變化非常小；⑵當激振頻率遠大于固有頻率時，輸出位移為零,質(zhì)量塊近于靜止；⑶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)阻尼,并隨頻率的變化而劇烈的變化。二、單自由度系統(tǒng)由基礎運動引起的受迫振動質(zhì)量塊絕對運動方程質(zhì)量塊相對運動方程頻率響應幅頻特性相頻特性小結當激振頻率遠小于系統(tǒng)固有頻率時質(zhì)量塊相對基礎的振動為0，也就是質(zhì)量塊幾乎隨著基礎一起振動；當激振頻率遠遠高于固有頻率時，A(ω)接近1，說明質(zhì)量塊和殼體的相對運動（輸出）和基礎的振動（輸入）近似相等。從而表明質(zhì)量塊在慣性坐標系中幾乎處于靜止狀態(tài)。

這種現(xiàn)象被廣泛用于測振儀器中

根據(jù)第二節(jié)的討論，如果知道了系統(tǒng)的輸入（激勵）和輸出（響應），就可以求出系統(tǒng)的動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)動態(tài)特性的一種試驗方法。為了完成上述測試任務，一般說來測試系統(tǒng)應該包括下述三個主要部分：

為了完成上述測試任務，測試系統(tǒng)包括下述三個主要部分：激勵部分

實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振器組成。拾振部分

檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式（通常為電信號）。它主要由傳感器、放大器組成。

分析記錄部分

將拾振部分傳來的信號記錄下來供分析處理并記下處理結果。它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。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：測試周期長。隨機激振是寬帶激振方法，一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。優(yōu)點：可以實現(xiàn)快速甚至“實時”測試；缺點：所需設備復雜而且價格昂貴。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7.3振動的激勵和激振器偽隨機激勵偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機的，但各個周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點在于試驗的可重復性。將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反復重復，即形成偽隨機信號。正弦激勵信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描（數(shù)秒內(nèi)完成），激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達到寬頻帶激勵的目的。脈沖錘結構與激振力頻譜

用脈沖錘對被測系統(tǒng)進行敲擊，施加一個脈沖力，使之發(fā)生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵方法。階躍松馳激勵

1、階躍松弛激勵定義:用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預加載，然后突然切斷張力弦。

2、特點：由于階躍函數(shù)的導數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應的導數(shù)是脈沖響應函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。

3、實現(xiàn)：在實際應用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預加載，然后突然切斷張力弦。激振器定義將所需的激振信號變?yōu)榧ふ窳κ┘拥奖粶y對象上的裝置稱為激振器。常用的激振器

電動式、電磁式、電液式。

滿足條件：在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結構受到一定的預加載荷電動式激振器工作原理：帶電的導體在磁場中受到電動力的作用而產(chǎn)生運動，帶動被測對象作受迫振動。

電動式激振器按其磁場的形成又分為永磁式（小型激振器）和勵磁式（大型激振器）。注意由頂桿施加到試件上的激振力不等于線圈受到的電動力,而是等于電動力和激振器運動部件的彈簧力、阻尼力和慣性力的矢量差。一般最好使頂桿通過一只力傳感器去激勵試件，以便精確測出激振力的大小和相位。1)剛性固定式安裝方式電動式激振器用于低頻激振時，要將激振器剛性地固定在不動的支架或地面上，稱其為剛性固定式安裝方式。這種安裝方式要求激振器、支架、夾具等組成的振動系統(tǒng)的共振頻率(稱安裝共振頻率)高于激振器的工作頻率的3～4倍。采用這種安裝方式時，電動式激振器傳遞給被測對象的激振力等于驅(qū)動線圈產(chǎn)生的電動力。2)彈性懸吊式安裝方式在進行較低頻率的激振時，電動式激振器采用彈性懸吊式安裝方式。彈性懸吊式安裝方式是用彈簧或橡膠繩將激振器吊在支架上。由彈簧或橡膠繩和激振器組成的系統(tǒng)固有頻率要遠低于激振器的工作頻率。激振器工作時，相對于周圍空間幾乎處于靜止狀態(tài)，此時，施加于被測對象的激振力近似地等于驅(qū)動線圈產(chǎn)生的電動力。3)彈性固定式安裝方式在被測對象的質(zhì)量遠大于激振器的質(zhì)量，激振器的工作頻率遠高于安裝共振頻率的情況下，可以將電動式激振器彈性地安裝在被測對象上，稱其為彈性固定式安裝方式。

激振器都是通過激振連桿和被測對象剛性地連接在一起，或者通過預壓力和被測對象連接起來。這樣，被測對象就等于在激振點附近加了一定的質(zhì)量、剛度和阻尼，就會對被測對象的動態(tài)參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。通常激振器的選擇原則是易小不易大。以激起被測對象振動為前提，盡量選用功率小的激振器。2、電磁式激振器當直流激勵線圈電流為I0，交流激勵線圈電流為I1，鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁感應強度為B=B0+B1cosωt

式中，B0為I0產(chǎn)生的不變的磁感應強度；B1為I1產(chǎn)生的交變磁感應強度的峰值.鐵芯對被測對象產(chǎn)生的電磁吸力為式中，A為鐵芯的截面積，μ0為真空的導磁率

優(yōu)點：體積、重量較小，與被測對象不接觸，因此可以對旋轉(zhuǎn)著的被測對象進行激振。它沒有附加質(zhì)量和剛度的影響，其頻率上限約為500～800Hz。

缺點：由于激振力產(chǎn)生在磁隙上，因此位移振幅太大時會影響激振力的線性，且激振力的精確測定較為困難。3．電液式激振器

在激振大型結構時，為了得到較大的響應，有時需要很大的激振力，這時可采用電液式激振器。信號發(fā)生器的信號經(jīng)放大后，經(jīng)由電動激振器、操縱閥和功率閥所組成的電液伺服閥，控制油路使活塞往復運動，并以頂桿去激振被測對象?；钊瞬枯斎胍欢ㄓ蛪旱挠停纬深A壓力p2，對被測對象施加預載。用力傳感器測量交變壓力p1(推動頂桿的力)和預壓力p2。電液式激振器激振力大，行程大，單位力的體積小。但由于油液的可壓縮性和高速流動的摩擦，使激振器的高頻特性較差，只適用于較低頻率范圍(一般為0～100Hz，最高可達800Hz)，其頻域特性比電動式激振器差。此類激振器結構復雜，制造精度要求高，需要一套液壓系統(tǒng)，成本較高。名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動力驅(qū)動固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體相連，線圈通電產(chǎn)生電動力使振動臺體作機械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設備結構較復雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產(chǎn)生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動臺面產(chǎn)生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負載大，易于自控和多臺激振，設備復雜部分常用的激振設備振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換后的形式可分為：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、和線性范圍寬。便于分析和遙測。易受電磁干擾。目前應用最廣。機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍、動態(tài)范圍、和線形范圍窄。測試時會給試件產(chǎn)生一定的負載效應，影響測試結果。主要用于低頻大振幅振動及扭振的測量。光學法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多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(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、定度中用的較多。7.4振動的測量方法及測振傳感器

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(nèi)部利用彈簧—質(zhì)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)系慣性式測振傳感器的力學模型和特性分析（一）力學模型和運動方程式（二）慣性式位移傳感器的響應條件慣性式位移傳感器的輸出位移z01m反映被測振動的位移量z1m。位移傳感器的上限測量頻率在理論上是無限的，但實際上受具體儀器結構和元器件特性、后繼放大電路頻響等條件的限制，不能太高。下限測量頻率則受彈性元件的強度和質(zhì)量塊尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。

（三）慣性式加速度傳感器的響應條件慣性式加速度傳感器的質(zhì)量塊相對位移Z01與被測振動的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移來反映被測振動的加速度大小。加速度傳感器幅頻特性的表達式:1.

慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它具有零頻率特性,理論下限測量頻率為零，實際下限測量頻率極低。為使n遠大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸、質(zhì)量可做得很小(小于1g)，從而對被測對象的附加影響也小。常用傳感器渦流位移傳感器電容傳感器磁電式速度計壓電式加速度計阻抗頭電渦流測振傳感器電容傳感器

非接觸式電容傳感器常用于位移測量中。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(zhuǎn)換放大電路主要采用頻率調(diào)制型（增大電路的靈敏度和可靠性）。工作頻率范圍0Hz—300Hz,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，分辨率達0.1mg。

1—彈簧

2—殼體

3—阻尼環(huán)

4—磁鋼

5—線圈

6—芯軸要盡量降低ωn，采用薄片式彈性元件，并配以阻尼環(huán)3加大阻尼，使阻尼比達0.6-0.7，以增加低頻段的測量范圍。屬于的受迫振動磁電式絕對速度傳感器磁電式速度傳感器磁電式絕對速度傳感器為慣性式速度傳感器工作原理：當有一線圈在穿過其磁通發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應電動勢，電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比。

1—頂桿

2—彈簧片

3—磁鋼

4—線圈

5—引出線

6—殼體磁電式相對速度傳感器

測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速度；殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接，使傳感器內(nèi)部線圈與磁鋼產(chǎn)生相對運動，發(fā)出相應的電動勢。磁電式速度傳感器靈敏度：頻率范圍：下限：10-15Hz，上限：1000Hz非線性度：速度越大，失真越嚴重溫度誤差：溫度變化引起B(yǎng)、L、R都會變化，使靈敏度下降。磁電式速度傳感器性能指標：常用壓電傳感器1壓電式加速度計中心壓縮型

高的共振頻率，基座變形影響輸出，測試對象和環(huán)境溫度變化易引起溫度飄逸三角剪切型有高的共振頻率和良好的線性，對底座變形和溫度變化有良好的隔離作用環(huán)形剪切型

極小型的，高的共振頻率，最高工作溫度受限制使用時注意：共振頻率與加速度計的固定狀況有關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共振頻率

壓電傳感器的主要特性靈敏度：質(zhì)量越大，靈敏度越高；頻率響應范圍：傳感器的固有頻率越高，則其可測頻率范圍越寬，目前可測的最低頻率達0.1Hz。壓電式加速度計常用的安裝方法：安裝狀態(tài)直接影響可測的頻率范圍。一般用粘結法固定的可測頻率不超過5kHz。手持探針法只能用于1Hz以下的近似測量。用螺栓固定是最好的方法，尤其適用于測沖擊波及高頻振動。

壓電式加速度傳感器壓電加速度計的靈敏度和前置放大器靈敏度電荷靈敏度與電壓靈敏度前置放大器電壓放大器：受連接電纜對地電容的影響電荷放大器：不受電纜電容的影響測振傳感器的合理選擇直接測量參數(shù)的選擇低頻時加速度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靈敏度、測量范圍、頻率范圍考慮到具體的使用環(huán)境振動量：通常指反映振動的強弱程度的量，亦即指振動位移，振動速度和振動加速度的大小。這三者之間存在著確定的微分或積分關系。究竟測量哪個振動量是振動測量中必須考慮的問題之一。加速度速度位移振動位移、振動速度和振動加速度三者的幅值之間的關系與頻率有關。7.5振動量的測量在低頻振動場合，加速度的幅值不大,宜選擇振動位移的測量；在高頻振動場合，加速度幅值較大，宜選擇振動加速度的測量；在中頻振動場合，則宜選擇振動速度的測量。電壓測量系統(tǒng)（1）、壓電式加速度傳感器測量系統(tǒng)

壓電式加速度傳感器阻抗變換器積分放大器測振儀電荷放大器毫伏表記錄儀表電荷測量系統(tǒng)（2）、電動式速度傳感器測量系統(tǒng)

電動式速度傳感器微積分放大器電壓表測振儀（3）、渦流式位移傳感器測量系統(tǒng)

渦流式位移傳感器振蕩器高頻放大器鑒頻器功率放大器

輸出位移指示交流放大器