第七章 振動測試

第七章振動測試本章主要內(nèi)容振動測試簡介振動測試方法及系統(tǒng)組成振動測試原理振動參量的測試加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成振動測試的意義從狹義上講，把具有時間周期性的運動稱為振動。從廣義上講，任何一個物理量在某一數(shù)值附近所做的周期性變化都稱做振動。機械振動是指物體在平衡位置附近所作的往復(fù)運動。例如：鐘擺的振動琴弦的振動車船的振動機床的振動橋梁的振動等振動的兩重性

有害的一面：降低機械加工的精度和表面粗糙度，危害結(jié)構(gòu)的強度，發(fā)生大變形導(dǎo)致機器或結(jié)構(gòu)的破壞甚至釀成災(zāi)難性的事故。有利的一面：振動給料機、振動篩選機、振動破碎機、振動球磨機、振動打樁、振動測樁、振動拋光、結(jié)構(gòu)的減振、抗震等都是利用振動的特性進(jìn)行工作的。振動測試的意義危害結(jié)構(gòu)強度的振動振動測試的意義振動對人體的影響振動測試的意義實驗表明：振動頻率在4~8Hz之間時，人體將處于垂直方向振動的共振狀態(tài)，胸、心臟不適。振動頻率在10~12Hz之間時，腹部共振。

振動頻率在0.1~0.3Hz之間時，頭暈。振動測試的意義振動給料機振動按摩椅振動測試的意義確定系統(tǒng)的特性（固有頻率、振型等），預(yù)防共振研究動平衡、隔振、減振方法，以消除振動的影響進(jìn)行振動檢測、故障診斷及環(huán)境噪聲控制振動技術(shù)的利用振動測試的意義振動測試的意義振動測試的主要內(nèi)容振動基本參數(shù)的測量：測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位。振動系統(tǒng)特征參數(shù)的測試：固有頻率、阻尼、剛度和振型等動態(tài)參數(shù)。

測量機械設(shè)備或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動。對機械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵，測量其受迫振動，以便求得被測對象的振動力學(xué)參量或動態(tài)性能。

振動測試的兩種方式振動測試的意義機械振動系統(tǒng)基本要素

慣性：是能使系統(tǒng)當(dāng)前運動持續(xù)下去的性質(zhì)，通常由物理參數(shù)質(zhì)量M表征；

恢復(fù)性：是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，通常由物理參數(shù)剛度K表征；

阻尼：是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì),由物理參數(shù)阻尼C表征。振動測試的基本參數(shù)振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)。位移速度

加速度

機械式測量方法振動測試方法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測量、記錄。常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。

特點：抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)式的測量方法振動測試方法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。比如讀數(shù)顯微鏡和激光測振儀等。

特點：不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及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、測振儀標(biāo)定中用得較多。電測法將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進(jìn)行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。

特點：靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾，是目前最廣泛采用的方法。振動測試方法振動測試系統(tǒng)的組成振動測試系統(tǒng)組成振動傳感器對應(yīng)二次儀表振動分析儀顯示、記錄振動傳感器：把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學(xué)的或電的信號，對于電測法是轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測試。二次儀表：專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。振動分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)：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、記錄設(shè)備等。振動測試原理振動傳感器并不是直接將原始要測的機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測的機械量作為振動傳感器的輸入量Mi，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量Mt，最后由機電變換部分再將Mt變換為電量E，因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。電測法測振原理測振傳感器分類振動測試原理

相對式：傳感器測出的是被測振動相對某一取做參考相對靜止坐標(biāo)的運動，又可分為直接式和跟隨式。

絕對式（慣性式）：這種傳感器不需要依賴外界，而是利用本身慣性在慣性空間建立坐標(biāo)，測定的是被測振動相對大地或慣性空間的絕對運動，因此稱為慣性式或絕對式。相對式測振傳感器原理振動測試原理在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸桿與被測物體的振動方向一致，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當(dāng)物體振動時，觸桿就跟隨它一起運動，并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體的位移隨時間的變化曲線，根據(jù)這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數(shù)。絕對式測振傳感器原理振動測試原理將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當(dāng)傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊m將與外殼發(fā)生相對運動。慣性式測振傳感器是由與傳感器殼體之間用彈簧和阻尼器聯(lián)系著的慣性質(zhì)量塊組成的單自由度振蕩系統(tǒng)。振動測試原理傳感器的力學(xué)數(shù)學(xué)模型殼體相對于慣性塊的振動與被測振動之間的關(guān)系可由振動理論推出：

y質(zhì)量塊的絕對位移，x表示被測物體的絕對位移，Z表示質(zhì)量塊相對于被測物體的位移。則有Z=y-x振動測試原理若被測物體的振動為諧振動，則有根據(jù)二階系統(tǒng)響應(yīng)特性得到傳感器輸出位移量應(yīng)為同時因此有由于振動測試原理由上式可以得到傳感器的輸出z與被測振動x以及傳感器參數(shù)之間的關(guān)系。z與x的波形完全一致，而靈敏度和相位差是傳感器參數(shù)與被測振動頻率之比的函數(shù)，上兩式統(tǒng)稱為傳感器的頻率特性。由傳感器的輸出z和φ可以求出振動的位移x和頻率ω

。振動測試原理振動參量的測試根據(jù)慣性式測振傳感器的特點，按其結(jié)構(gòu)參數(shù)不同可構(gòu)成振幅計，加速度計，速度計。振動參量的測量就是測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位等參量。位移：更多采用非接觸方法測量。速度：常采用慣性式、跟隨式測試方法。頻率:采用直接法和比較法測量諧振動的頻率是單一頻率。相位：測定同頻兩個振動之間的相位差。

振動參量的測試振幅計根據(jù)振幅（位移）計的工作狀態(tài)，要求傳感器輸出能正確反映被測振動的位移量。幅頻特性相頻特性振動參量的測試當(dāng)無量綱頻率比ω/ωn顯著大于1時，振幅比就幾乎與頻率無關(guān)，而趨近于1。當(dāng)無量綱頻率比ω/ωn顯著大于1時，無量綱衰減系數(shù)ζ顯著小于1時，相位差也幾乎與頻率無關(guān)，而趨于180o，

因此，作為一個位移傳感器它應(yīng)該滿足的條件特性分析振動參量的測試1）一般取ω/ωn

>>(3~5),即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測振動的下限頻率。2）若選擇適當(dāng)阻尼，可以抑制ω/ωn=1處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴大下限頻率。增大阻尼，能迅速衰減固有振動，對測量沖擊和瞬態(tài)過程較為重要，但是不適當(dāng)?shù)倪x擇阻尼會使相頻特性惡化，引起波形失真。當(dāng)ζ=0.6~0.7時，相頻曲線ω/ωn=1附近接近直線，稱為最佳阻尼。3）振幅計的上限頻率理論上是無限的，但是實際應(yīng)用中則要受到具體一起結(jié)構(gòu)和元器件的限制，因此上限不能太高，下限頻率則受到彈性元件的強度和慣性快尺寸、質(zhì)量的限制，使ωn不能過小。傳感器相對振動的位移表達(dá)式和被測物體的加速度函數(shù)表達(dá)式非常相似。傳感器的相對振幅是被測加速度幅值的1/ω2n倍，在相位上相對振動位移的時間歷程落后于被測加速度的時間歷程的相位差為π，即只差180o相角。時，振動參量的測試加速度計的幅頻特性曲線加速度計振動參量的測試可實現(xiàn)加速度測試，靈敏度為加速度計要求傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測振動的頻率，一般應(yīng)大于5倍。為使ωn遠(yuǎn)大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸，質(zhì)量可以做的很小振動參量的測試進(jìn)行加速度測試要求傳感器的輸出z能正確反映加速度a=ωn

2x,則靈敏度為速度計振動參量的測試傳感器輸出正確反映速度，即速度計的幅頻特性曲線實現(xiàn)速度測試；靈敏度為振動參量的測試

（1）當(dāng)用測振儀測量被測對象的振動時，位移計總是被用來測量低頻大振幅的振動，其固有頻率必須設(shè)計得很低，加速度計適合測量高頻振動，其固有頻率則要設(shè)計得很高。因此，通常位移計的尺寸和重量較大，而加速度計的尺寸和重量很小。（2）阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響，對位移計和加速度計而言，當(dāng)取值在0.6～0.8范圍內(nèi)時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。對于速度計而言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計測量振動速度的響應(yīng)時，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。測試過程中注意的問題振動參量的測試測振傳感器的選擇位移傳感器（測振）：渦流傳感器，電容傳感器振動參量的測試振動參量的測試速度傳感器（測振）：磁電式速度傳感器測量頻率范圍：幾赫茲到１千赫茲之間。測量的是絕對振動速度。相對式電動速度傳感器1、頂桿2、限幅塊3、拱形簧片4、連接桿5、磁鋼6、線圈7、引出線8、外殼相對式電動傳感器適用于測量兩個相對運動物體的振動量。測量頻率范圍：0~1000HZ振動參量的測試振動參量的測試加速度傳感器（測振）1、上蓋2、彈簧3、質(zhì)量塊４、基座５、插座6、壓電晶體片7、導(dǎo)電片8、螺栓中心壓縮式剪切式加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成加速度測試系統(tǒng)加速度傳感器加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)加速度傳感器通常是質(zhì)量－彈簧－阻尼二階慣性系統(tǒng)。由質(zhì)量塊m、彈簧k和阻尼器c所組成的慣性型二階測量系統(tǒng)。質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對于傳感器基座的位移。加速度傳感器的類型加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓阻式加速度傳感器壓電式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁在其根部擴散出四個電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力，使四個電阻阻值發(fā)生變化。正確地選擇這種加速度傳感器的尺寸與阻尼系數(shù)，則可用來測量低頻加速度與直線加速度?！逃蓄l率加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓電式加速度傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。F=maq=dF=dma測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。應(yīng)變式加速度傳感器加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器測量加速度時，將傳感器殼體和被測對象剛性連接。當(dāng)有加速度作用在殼體上時，由于梁的剛度很大，慣性質(zhì)量塊也以同樣的加速度運動，其產(chǎn)生的慣性力正比于加速度a的大小，慣性力作用在梁的端部使梁產(chǎn)生變形。應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊場合一般適用頻率為10～60Hz范圍。放大電路加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓電式加速度傳感器前置放大器的作用將壓電加速度傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗，以便同后續(xù)儀器相匹配。放大加速度傳感器輸出的微弱信號，使電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。實現(xiàn)輸出電壓歸一化，在相同的加速度值時，與不同靈敏度的加速度傳感器相配合，實現(xiàn)相同的輸出電壓。前置放大器的類型加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成

電壓放大器：輸出電壓正比于輸入電壓。作用是放大加速度傳感器的微弱輸出信號，把傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗。

電荷放大器：輸出電壓正比于加速度傳感器的輸出電荷。電壓放大器加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成等效電容為：C=Ca+Cc+Ci

等效電阻為：輸出電壓：電纜電容對電壓放大線路的影響也是一個主要因素。電纜電容Cc是隨導(dǎo)線長度和種類而變化的，所以，隨著電纜種類和長度的改變，將引起輸入電壓的改變，從而使電壓靈敏度、頻率下限也發(fā)生變化。加速度測試及其系統(tǒng)構(gòu)成當(dāng)測量靜態(tài)參數(shù)時（ω=0），則um

=0，即壓電式加速度傳感器沒有輸出，所以它不能測量靜態(tài)參數(shù)。當(dāng)測量頻率