傳感器與測試技術(shù)7 振動(dòng)的測量

傳感器與測試技術(shù)7振動(dòng)的測量第1頁/共110頁7.1概述

機(jī)械振動(dòng)是一種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，它是指機(jī)械的零部件、整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)在其平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在大多數(shù)情況下機(jī)械振動(dòng)是有害的，影響機(jī)械的工作性能及其壽命，造成零、部件的過早失效破壞，甚至造成機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故。因此，必須予以控制或消除。利用機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn)來完成各項(xiàng)有益的工作，例如振動(dòng)篩、振動(dòng)攪拌器、振動(dòng)輸送機(jī)，振動(dòng)夯實(shí)機(jī)等，這時(shí)必須正確選擇振動(dòng)參數(shù)，充分發(fā)揮機(jī)械的振動(dòng)性能。第2頁/共110頁7.1.1振動(dòng)測試的內(nèi)容與目的

(1)內(nèi)容

測量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)，如振動(dòng)的位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測對象的振動(dòng)狀態(tài)、評定等級(jí)和尋找振源，以及進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷和預(yù)測；

對機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測量其受迫振動(dòng)，以便求得被測對象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼比、剛度、振型等模態(tài)參數(shù)。

7.1概述第3頁/共110頁

(2)目的分析、判斷振源；按國家規(guī)范和評定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行振動(dòng)測量；分析振動(dòng)的形態(tài)（振型等振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性）；通過測量，以便研究減振、隔振和抗沖擊的理論及材料；確定作用在機(jī)械或結(jié)構(gòu)上的動(dòng)載荷；檢查其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，為設(shè)計(jì)零部件提供依據(jù)；校驗(yàn)動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算方法（如有限元法）；對運(yùn)行中的機(jī)械或結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線監(jiān)測，故障診斷及趨勢預(yù)報(bào)，以避免重大事故的發(fā)生。7.1概述第4頁/共110頁7.1.2振動(dòng)測量系統(tǒng)的基本組成和各部分功能激振設(shè)備被測系統(tǒng)分析設(shè)備記錄顯示儀器測振傳感器測振放大器振動(dòng)測量系統(tǒng)的基本組成

7.1概述第5頁/共110頁

各部分功能：

（1）激振設(shè)備

對被測系統(tǒng)的局部或整體施加某種形式的可調(diào)的激勵(lì)力，使之產(chǎn)生預(yù)期的振動(dòng)。使用的激振設(shè)備通常有激振器（振動(dòng)臺(tái)）和激振錘兩類。

（2）測振傳感器在電測法中，它將被測系統(tǒng)的振動(dòng)參量（如位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。常用的測振傳感器有：磁電式傳感器、壓電式傳感器、應(yīng)變式傳感器、電渦流傳感器等。

7.1概述第6頁/共110頁

（3）測振放大器它將測振傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)加以放大，以便分析設(shè)備的后續(xù)分析、處理以及記錄顯示儀器的記錄、顯示、繪圖等。常用的測振放大器類型有電荷放大器、電壓放大器和調(diào)制型放大器等。

（4）分析設(shè)備主要有頻譜分析儀，可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。

（5）記錄顯示儀器根據(jù)振動(dòng)測量的不同目的，可將振動(dòng)測量結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的形式進(jìn)行記錄或顯示。常用的記錄顯示儀器有示波器、磁帶記錄儀、繪圖儀、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤等。7.1概述第7頁/共110頁7.2測振傳感器7.2.1測振傳感器的分類及原理

⑴傳感器的分類按測振參數(shù)分類：位移、速度、加速度；按參考坐標(biāo)分類：絕對式、相對式；按變換原理分類：磁電式、壓電式、電阻式等；按傳感器與被測物關(guān)系分類：接觸與非接觸式。

第8頁/共110頁⑵慣性式傳感器的力學(xué)原理根據(jù)牛頓第二定律，有7.2測振傳感器第9頁/共110頁

整理后，有頻響函數(shù)

幅頻特性式中傳感器靜態(tài)靈敏度，即7.2測振傳感器第10頁/共110頁

相頻特性

于是有7.2測振傳感器第11頁/共110頁

慣性傳感器的質(zhì)量元件相對于外殼的運(yùn)動(dòng)與被測物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一樣。其振幅比與相位差值由傳感器的固有頻率及阻尼比的大小來確定。

討論：

①位移傳感器，低頻只能保證幅值精度，無法保證相位不失真。7.2測振傳感器第12頁/共110頁慣性式位移傳感器的幅頻特性7.2測振傳感器第13頁/共110頁慣性式位移傳感器的相頻特性7.2測振傳感器第14頁/共110頁

②速度傳感器動(dòng)態(tài)特性與位移傳感器相同

③加速度傳感器

質(zhì)量元件相對殼體的位移與被測振動(dòng)加速度成正比。7.2測振傳感器第15頁/共110頁工作頻段內(nèi)，幅值、相位均不失真。加速度傳感器的幅頻特性7.2測振傳感器第16頁/共110頁7.2.2常用振動(dòng)傳感器

⑴磁電式速度傳感器

①磁電式絕對速度傳感器

絕對（慣性）式速度傳感器安裝在測量對象上。線圈與磁鐵相對運(yùn)動(dòng)，磁通變化，感應(yīng)電動(dòng)勢，電動(dòng)勢與線圈的運(yùn)動(dòng)速度成正比。動(dòng)圈式速度傳感器7.2測振傳感器第17頁/共110頁磁電式相對速度傳感器②磁電式相對速度傳感器頂桿接觸測量對象，輸出與固定殼體的相對運(yùn)動(dòng)速度。7.2測振傳感器第18頁/共110頁⑵電渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器的主要特點(diǎn)之一是非接觸測量。測量裝置包括探頭和適配器（前置放大器）。適配器一般采用直流電源，輸出電壓與探頭前面的間隙成正比。渦流傳感器的探頭和適配器7.2測振傳感器第19頁/共110頁

渦流位移傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點(diǎn)。渦流位移傳感器屬于相對式拾振器，能夠方便地測量運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件間的間隙變化。表面粗糙度對測量幾乎沒有影響，但表面的微裂縫和被測材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率對靈敏度有影響。

7.2測振傳感器第20頁/共110頁渦流位移傳感器測量軸振動(dòng)示意圖渦流位移傳感器廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)、軸向位移及轉(zhuǎn)速等的測量。測量時(shí)，兩個(gè)渦流傳感器互成直角，可以得出轉(zhuǎn)子的軸心軌跡。軸心軌跡是指機(jī)器在給定的轉(zhuǎn)速下，軸心相對于軸承座在其與軸線垂直平面內(nèi)的運(yùn)行軌跡。是一平面曲線。渦流位移傳感器廣泛應(yīng)用7.2測振傳感器第21頁/共110頁機(jī)器運(yùn)行時(shí)若作用于轉(zhuǎn)子的各種約束力在所有徑向都相等，且只有其殘余不平衡力作用于轉(zhuǎn)軸上，這時(shí)軸心軌跡將是一個(gè)圓形。若作用于轉(zhuǎn)軸上的預(yù)載荷有了變化，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸振動(dòng)加劇，并使軸心軌跡形狀發(fā)生改變。因此，通過觀察軸心軌跡形狀的變化，可以確定轉(zhuǎn)軸最大振幅值及其方向，確定轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)及其頻率，測量軸系的振型，診斷機(jī)器不平衡、不對中、油膜渦動(dòng)等故障。7.2測振傳感器第22頁/共110頁

圖中的軸心軌跡變成長橢圓形，表示該機(jī)器已出現(xiàn)不對中的故障征兆，軸系不對中產(chǎn)生的預(yù)載力已作用于轉(zhuǎn)軸上。軸心軌跡和兩個(gè)傳感器的時(shí)域波形圖7.2測振傳感器第23頁/共110頁

⑶應(yīng)變式加速度計(jì)質(zhì)量塊的振動(dòng)作用于應(yīng)變梁，屬于慣性傳感器。用應(yīng)變計(jì)測量應(yīng)變梁表面的應(yīng)變。當(dāng)工作頻率遠(yuǎn)小于固有頻率，并且阻尼比等于0.7左右，應(yīng)變值與殼體的加速度成正比。

適用于低頻測量慣性應(yīng)變式加速度計(jì)7.2測振傳感器第24頁/共110頁

⑷壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)，屬于慣性式傳感器。

被測振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，力的變化與被測加速度成正比。

1)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)壓電加速度計(jì)主要由三部分組成：壓電元件Ｐ、質(zhì)量塊Ｍ和附加件（附加件包括壓緊彈簧Ｓ和機(jī)座Ｂ）。7.2測振傳感器第25頁/共110頁壓電加速度計(jì)的常見結(jié)構(gòu)：壓電加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)7.2測振傳感器第26頁/共110頁

中間固定型中間固定型共振頻率高?；冃沃苯佑绊戄敵?。溫度變化影響壓電元件，并使預(yù)緊力變化，易引起溫度漂移。外緣固定型外緣固定型彈簧沿外緣與殼體緊固在一起。易受外界溫度與噪聲的影響。7.2測振傳感器第27頁/共110頁倒置中間固定型倒置中間固定型中心軸不直接固于基座，可避免安裝時(shí)基座的影響，但由于殼體成為彈簧的一部分，故固有頻率低。7.2測振傳感器第28頁/共110頁環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。三角剪切型三角剪切型夾持環(huán)，三角形中心柱。感受軸向振動(dòng)時(shí)，承受剪切應(yīng)力。對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，高共振頻率和良好的線性。7.2測振傳感器第29頁/共110頁

2)主要特性①靈敏度

可看成電壓源或電荷源，電壓靈敏度

電荷靈敏度

用作為加速度單位。

對給定的壓電材料，其靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。尺寸越大，固有頻率越低。7.2測振傳感器第30頁/共110頁

②橫向靈敏度橫向靈敏度表示對橫向（垂直于加速度計(jì)軸線）振動(dòng)的敏感程度。常以主靈敏度（即加速度計(jì)的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3％。7.2測振傳感器第31頁/共110頁③頻率響應(yīng)特性靈敏度隨頻率的變化特性。固有頻率越高，頻率范圍越寬，下限受到一定限制。各種加速度計(jì)的典型頻率特性7.2測振傳感器第32頁/共110頁3)安裝方法加速度計(jì)的安裝方式安裝方法影響工作頻率范圍。

例如螺栓固定法，31kHz，加云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz；手持法，2kHz；永久磁鐵，7kHz。7.2測振傳感器第33頁/共110頁粘結(jié)法可測頻率不超過5KHz手持探針法只能用于1kHz以下的近似探測螺栓固定法最好的方法，尤其對沖擊波及測高頻振動(dòng)。但使用時(shí)應(yīng)防止螺栓過分?jǐn)Q緊，以免引起機(jī)座的變形，影響加速度計(jì)的輸出。磁吸法可測頻率比粘結(jié)方法稍差，但使用方便，可以隨時(shí)移動(dòng)加速度計(jì)的位置，便于多點(diǎn)測量。在加速度計(jì)與被測物之間涂一層硅膠，可改善沖擊狀態(tài)，有利于高頻響應(yīng)。常用的安裝方法7.2測振傳感器第34頁/共110頁7.2.3接觸式測振傳感器的校準(zhǔn)

⑴絕對法

拾振器固定在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，由正弦信號(hào)發(fā)生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大，推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，用激光干涉振動(dòng)儀直接測量振動(dòng)臺(tái)的振幅，在與被校準(zhǔn)拾振器的輸出進(jìn)行比較，從而確定拾振器的靈敏度。可以同時(shí)測量頻率響應(yīng)。這種方法只適合計(jì)量單位和測振儀器制造廠家使用。7.2測振傳感器第35頁/共110頁激光干涉儀的絕對校準(zhǔn)法7.2測振傳感器第36頁/共110頁

⑵相對法又稱背靠背法。將待校準(zhǔn)的傳感器和嚴(yán)格校準(zhǔn)過的傳感器背靠背地（或仔細(xì)地并排地）安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上。嚴(yán)格校準(zhǔn)過的傳感器起著“振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞”的作用，通常稱為參考傳感器，也稱標(biāo)準(zhǔn)傳感器。背靠背比較校準(zhǔn)法7.2測振傳感器第37頁/共110頁7.3常用測振放大器

壓電式傳感器（一般為壓電式加速度計(jì)）的前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種。電壓放大器，高輸入阻抗、低輸出阻抗。電路較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，基本不受電纜電容的影響。通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，價(jià)格較貴。第38頁/共110頁壓電加速度計(jì)電纜電壓放大器輸入端7.3.1電壓放大器電壓放大器（又稱阻抗變換器）把傳感器產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)變成電壓，再測量其電壓值（將壓電加速度計(jì)的高輸出阻抗變成較低阻抗，并將微弱信號(hào)進(jìn)行放大）。7.3常用測振放大器第39頁/共110頁

又稱為阻抗變換器，起阻抗匹配作用（高阻抗輸入變成低阻抗輸出），輸出電壓給主放大器進(jìn)行放大。

等效電路等效電容

等效電阻等效電路7.3常用測振放大器第40頁/共110頁

傳感器產(chǎn)生的總電荷量為：式中使電容充電到電壓的電荷；經(jīng)電阻漏掉的電荷，在電阻上產(chǎn)生壓降，其值相當(dāng)于；

壓電晶體的壓電系數(shù)；作用于壓電晶體上的周期力7.3常用測振放大器第41頁/共110頁

對上式進(jìn)行微分，則有

整理得：

解此微分方程，得一階系統(tǒng)7.3常用測振放大器第42頁/共110頁其中或

電導(dǎo)

即電壓放大器的輸入電壓與壓電傳感器、電纜的參數(shù)有關(guān)，還與、有關(guān)。7.3常用測振放大器第43頁/共110頁

討論：⑴時(shí)，，即不能測量靜態(tài)參數(shù)，只能測動(dòng)態(tài)參數(shù)；

⑵時(shí)，，即振動(dòng)體的頻率足夠大時(shí)，輸入電壓與所測頻率無關(guān)；

⑶時(shí)，，即放大器的輸入電壓是振動(dòng)頻率的函數(shù)，隨的降低而降低。

一般下限截止頻率規(guī)定為電壓放大器的輸入電壓比高頻時(shí)的輸入電壓下降到（即）處的頻率，也稱下降半功率點(diǎn)。7.3常用測振放大器第44頁/共110頁

因?yàn)椤⒑艽螅姾刹豢赡軓倪@兩個(gè)電阻漏掉，故可略去不計(jì)，則電壓放大器的輸入電壓為：

當(dāng)傳感器、放大器選定后，與是一定的，所以只取決于（電纜的電容）。

電纜越長，分布電容越大，則輸入電壓就越小，測量信號(hào)可能被干擾信號(hào)淹沒。連接電纜不能太長，一般有專用的短的低噪音電纜。7.3常用測振放大器第45頁/共110頁優(yōu)點(diǎn)線路簡單；線性度好；穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)電壓靈敏度是阻抗的函數(shù)，且隨電纜的長度而變化。7.3常用測振放大器第46頁/共110頁7.3.2電荷放大器電荷放大器是基于適當(dāng)增加總電容量，使很低，并不受電纜分布電容的影響而設(shè)計(jì)的。壓電加速度計(jì)電纜電荷放大器輸入端7.3常用測振放大器第47頁/共110頁

因?yàn)椤⒍己艽?，可略去不?jì)，則電荷放大器的輸入電壓為：

負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的電容上的電荷量為：

電荷放大器的輸出電壓為：7.3常用測振放大器第48頁/共110頁

因，并，則電荷放大器的輸出電壓改為：

電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷量成正比。且與負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的電容有關(guān)，與電纜的分布電容無關(guān)。故可以采用長導(dǎo)線（上千米）測量。下限截止頻率：

（證明略）

7.3常用測振放大器第49頁/共110頁電荷放大器的頻率下限取決于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)與，一般頻率下限可達(dá)，甚至達(dá)量級(jí)。7.3常用測振放大器第50頁/共110頁優(yōu)點(diǎn)低頻性能好，＜；與電纜長度無關(guān)（但也不宜過長）；有上限可調(diào)的低通濾波，可去掉無用的高次諧波；信噪比好于電壓放大器。有適調(diào)開關(guān)，有歸一化輸出，用于隨機(jī)振動(dòng)測量及信號(hào)處理非常方便；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格貴、使用要求高。7.3常用測振放大器第51頁/共110頁

電荷放大器的使用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）電荷放大器的輸入端不能直接接入像磁電式傳感器、信號(hào)發(fā)生器或直流電壓等類的電壓信號(hào)；（2）電荷放大器的輸入端絕緣電阻要求很高，因此要保持輸入插座及電纜插頭的清潔與干燥，甚至不允許用手觸摸；（3）電荷放大器的輸入阻抗極高，因此不能在儀器接通電源后再裝卸輸入插頭，以免損壞儀器，儀器的輸出端也不能短接；

7.3常用測振放大器第52頁/共110頁（4）電荷放大器不受連接電纜的限制，但這只是在理想的情況下，因此輸入端的連接電纜也不宜過長；（5）要合適地選擇上下限頻率范圍（根據(jù)被測振動(dòng)體的振動(dòng)頻率范圍），這樣有助于減少噪聲和干擾。7.3常用測振放大器第53頁/共110頁7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器7.4.1振動(dòng)的激勵(lì)

⑴穩(wěn)態(tài)正弦激振借助激振設(shè)備施加頻率可控制的簡諧激振力。穩(wěn)態(tài)正弦激振要求在穩(wěn)態(tài)下測定響應(yīng)和激振力的幅值比和相位差。測試時(shí)間相對較長。

⑵隨機(jī)激勵(lì)

寬帶激振，白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)。快速測試，設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格高第54頁/共110頁

⑶瞬態(tài)激振

①快速正弦掃描激振

激振信號(hào)頻率在掃描周期中呈線性增大變化。一般掃描時(shí)間為

1～2s，因而可以快速測試出被測對象的頻率特性?？焖僬覓呙韬瘮?shù)及其頻譜7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第55頁/共110頁激振函數(shù)式中

激振信號(hào)的上、下限頻率與掃描周期視試驗(yàn)要求而定。7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第56頁/共110頁

②脈沖激振用脈沖錘敲擊被測對象。脈沖的持續(xù)時(shí)間取決于錘端的材料，材料越硬，值越小，則頻率范圍越大。用脈沖錘激振簡便高效。但是在敲擊點(diǎn)的位置、敲擊力的大小、方向的控制等方面，需要有熟練的技巧。7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第57頁/共110頁各種材料的錘頭的頻響曲線1鋼；2鋁；3尼龍；4橡膠錘頭越硬，頻譜越寬，但是，其單位頻率的能量卻越小。所以在滿足最大頻率要求的前提下，盡可能選軟一些的材料。7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第58頁/共110頁400018001510820750頻率上限（Hz）鋼鋼鋁鋼鋁試件鋼鋁鋁尼龍尼龍錘頭單點(diǎn)激振，多點(diǎn)測量；多點(diǎn)激振，單點(diǎn)測量。

特點(diǎn)：

①可重復(fù)試驗(yàn)，多次平均，以減少隨機(jī)誤差；②可移動(dòng)激振點(diǎn)，而固定加速度計(jì)；③激振點(diǎn)可移動(dòng)，以避免激振點(diǎn)處于節(jié)點(diǎn)位置；④磁帶記錄儀記錄，便于頻譜分析。頻率范圍上限表●●7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第59頁/共110頁電荷放大器電荷放大器磁帶記錄儀加速度計(jì)被測件脈沖錘（激振錘）脈沖激振測試框圖7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第60頁/共110頁

③階躍激振階躍激振的激振力來自一根剛度大、重量輕的弦。試驗(yàn)時(shí)，在激振點(diǎn)處，力傳感器將弦的張力施加于被測對象上，使之產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦，相當(dāng)于施加一個(gè)負(fù)的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振，在建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試中被普遍應(yīng)用。7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第61頁/共110頁電動(dòng)式激振器7.4.2激振器⑴電動(dòng)式激振器按照其磁場的形成方法分有永磁式和勵(lì)磁式。前者用于小型激振器，后者用于較大型的激振器，即振動(dòng)臺(tái)。7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第62頁/共110頁電動(dòng)激振器的安裝方式

⑴高頻激振，加配重降低固有頻率，低于激振頻率1/3以上。

⑵

低頻激振，固定在剛性基礎(chǔ)上。

⑶水平激振，懸掛成單擺，固有頻率與擺長有關(guān)。電動(dòng)激振器的安裝⑴⑵⑶7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第63頁/共110頁

⑵電磁式激振器直接利用電磁力，非接觸激振，特別對回轉(zhuǎn)件激振。因?yàn)椴慌c被激對象接觸，故無附加質(zhì)量和剛度，頻率上限約為500～800Hz。

電磁激振器7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第64頁/共110頁勵(lì)磁線圈由一組直流線圈和一組交流線圈組成。直流勵(lì)磁線圈使工作點(diǎn)移到B0，即F－B曲線的線性區(qū)。交流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生交變磁感應(yīng)強(qiáng)度，激振力。電磁力與磁感應(yīng)強(qiáng)度7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第65頁/共110頁

⑶電液式激振器用于激振大型結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：激振力大，行程長，結(jié)構(gòu)緊湊。

缺點(diǎn)：高頻特性差，用于低頻500～1000Hz以下的激振。

電液激振器的工作原理頂桿頂桿電液伺服閥●●●7.4振動(dòng)的激勵(lì)與激振器第66頁/共110頁7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例7.5.1振幅的測量方法(1)讀數(shù)顯微鏡法1-振動(dòng)臺(tái)；2-支架；3-顯微鏡；4-目標(biāo)；5-振動(dòng)體讀數(shù)顯微鏡測幅裝置示意圖

第67頁/共110頁讀數(shù)顯微鏡的目標(biāo)刻劃與測量

光通過讀數(shù)顯微鏡，就可以測量出振動(dòng)體的位移峰值。讀數(shù)顯微鏡可以測量的振幅范圍，主要是由讀數(shù)顯微鏡的放大倍數(shù)來確定。常用的有0.5μm～

1mm；1μm～1mm；50μm～50mm等幾種類型。

測量時(shí)，讀數(shù)顯微鏡必須嚴(yán)格固定在不動(dòng)的支架上。在振動(dòng)體上安裝一個(gè)能被照亮的目標(biāo)，在此目標(biāo)上劃一細(xì)痕，或粘上一個(gè)貼有人造彩色蛛絲的微小反射鏡，也可貼上一小塊金剛砂紙，在燈光照射下，反射光通過讀數(shù)顯微鏡，反射7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第68頁/共110頁GZ型測振儀原理方框圖

(2)電測法

CD-1型磁電式速度傳感器的輸出電勢正比于被測振動(dòng)體的振動(dòng)速度，而且能提供比較大的測量功率。因此，針對配用磁電式速度傳感器的GZ型測振儀就不用設(shè)置阻抗變換器。使用積分網(wǎng)絡(luò)即可測得振動(dòng)體的位移；使用微分網(wǎng)絡(luò)則可測得振動(dòng)體的加速度。

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第69頁/共110頁7.5.2振動(dòng)頻率的測量方法（1）比較法①李薩如圖形法

李薩如圖形法振動(dòng)測量頻率的框圖

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第70頁/共110頁②錄波比較法錄波比較法測量頻率的測量系統(tǒng)框圖

把被測振動(dòng)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)（信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)等間距的脈沖信號(hào)，稱為時(shí)標(biāo)信號(hào)）一起輸入到記錄和分析儀器（如計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡）的兩路，再對該兩路信號(hào)的周期（周期的倒數(shù)是頻率）進(jìn)行比較，從而確定被測信號(hào)的頻率。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第71頁/共110頁

(2)直讀法直讀儀器有兩種：指針式頻率計(jì)和是數(shù)字式頻率計(jì)。原理：用傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成交變的電壓信號(hào)，再將這一電壓信號(hào)輸入到頻率計(jì)，便可測出其頻率。直讀法測頻系統(tǒng)框圖7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第72頁/共110頁7.5.3同頻簡諧振動(dòng)相位差的測量方法

測量同頻簡諧振動(dòng)相位差的方法：線性掃描法、橢圓法和利用相位計(jì)直接測量法（相位計(jì)法）等。目前通用的相位計(jì)有指針式和數(shù)字式兩種。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第73頁/共110頁用相位計(jì)測相位差的測量系統(tǒng)框圖7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第74頁/共110頁測量時(shí)，必須采用兩個(gè)相同型號(hào)的壓電式加速度計(jì)和阻抗變換器，并用同一臺(tái)測振儀的兩路來放大信號(hào)，最后將測振儀輸出的兩個(gè)信號(hào)分別接到相位計(jì)的和通道。此時(shí)，在相位計(jì)上顯示出一個(gè)相位角數(shù)值，這就是通道信號(hào)超前通道信號(hào)的相位角。如果振動(dòng)信號(hào)是由幾個(gè)頻率疊加而成時(shí)，就必須作濾波處理后再進(jìn)行相位測量。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第75頁/共110頁7.5.4機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測量方法

(1)固有頻率和共振頻率的定義無阻尼單自由度振動(dòng)系統(tǒng)有阻尼單自由度振動(dòng)系統(tǒng)有阻尼單自由度受迫振動(dòng)（激振力為）7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第76頁/共110頁穩(wěn)態(tài)振動(dòng)速度穩(wěn)態(tài)振動(dòng)加速度位移幅值可以推斷，在它的極值時(shí)取得最大值，則可求的極值。于是解此式得7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第77頁/共110頁同理得，速度幅值的極值條件加速度幅值的極值條件7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第78頁/共110頁

共振：指當(dāng)激振頻率達(dá)到某一頻率時(shí)，振動(dòng)的幅值達(dá)到最大的現(xiàn)象。振動(dòng)的位移幅值、速度幅值和加速度幅值其各自達(dá)到極值（對單自由度系統(tǒng)來說，這里的極值就是最大值）時(shí)的頻率是互不相同的，只有“速度共振頻率”等于無阻尼固有頻率。由此可見，在簡諧激振力激振的條件下，可以有三種“共振”頻率，分別稱之為“位移共振頻率”、“速度共振頻率”、“加速度共振頻率”。但是，在小阻尼情況下，上述四種頻率相差極小。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第79頁/共110頁(2)“速度共振”相位判別法“速度共振”相位判別法測量系統(tǒng)框圖

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第80頁/共110頁根據(jù)圖像來判別共振的方法可分以下兩種情況：

①磁電式速度傳感器判別共振示波器的軸與軸上的信號(hào)分別為：示波器上顯示圖像變化過程如右圖所示。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第81頁/共110頁

②壓電式加速度傳感器判別共振

示波器的軸與軸上的信號(hào)分別為：示波器上顯示圖像變化過程如右圖所示。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第82頁/共110頁7.5.5阻尼的測量方法系統(tǒng)的阻尼是很難直接測量的，人們往往是通過測量衰減系數(shù)再來推算阻尼。

(1)用自由振動(dòng)波形圖來測量衰減系數(shù)有阻尼自由振動(dòng)波形圖7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第83頁/共110頁

由波形可知其對數(shù)衰減比為——衰減振動(dòng)周期

振動(dòng)波形圖上量得、、三值，即可算出衰減系數(shù)比若令，則當(dāng)阻尼比較小時(shí)

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第84頁/共110頁

單自由度直線振動(dòng)系統(tǒng)，阻力系數(shù)為：有阻尼單自由度扭振系統(tǒng)，阻力系數(shù)為

——扭振系統(tǒng)對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第85頁/共110頁

(2)通過頻率響應(yīng)曲線來測定衰減系數(shù)有阻尼單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)的放大系數(shù)為：有阻尼單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第86頁/共110頁由圖可以看出：如在處作一水平線交于曲線上兩點(diǎn)與，這兩點(diǎn)間的距離為，則衰減系數(shù)（阻尼系數(shù)）可由下式確定：上式表明了、兩點(diǎn)間的距離等于，這一方法又稱為半功率點(diǎn)法。

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第87頁/共110頁

(3)通過共振頻率來測定衰減系數(shù)用簡諧力激振系統(tǒng)時(shí)，位移、速度、加速度信號(hào)的共振頻率與系統(tǒng)的無阻尼固有頻率之間的關(guān)系分別為：則有7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第88頁/共110頁7.5.6振型的測量方法

所謂振型就是振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中各質(zhì)點(diǎn)的振幅比。

簡支梁與懸臂方板的振型圖

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第89頁/共110頁

下面介紹兩種測量（或?qū)ふ遥┕?jié)點(diǎn)、節(jié)線的方法。

(1)細(xì)砂顆粒跳動(dòng)法這種方法只能找到處于水平面上的節(jié)線，故適用于板類被測振動(dòng)體的振型測定。即將振動(dòng)體激振，使其達(dá)到某階共振，在物體表面撒上細(xì)砂粒，只要振動(dòng)加速度超過重力加速度g，表面上的砂粒就會(huì)跳動(dòng)，集中移動(dòng)到節(jié)線附近。從而顯示出節(jié)線的位置和形狀來。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第90頁/共110頁(2)示波器測量法

用示波器測振型節(jié)點(diǎn)的測量系統(tǒng)框圖

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第91頁/共110頁

測量原理是：節(jié)點(diǎn)（節(jié)線）上的位移、速度始終為零，節(jié)線兩邊的位移、速度、加速度必反相。當(dāng)激振力的頻率等于梁的某一階固有頻率時(shí)，梁便以該階振型振動(dòng)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的同一頻率信號(hào)輸入示波器的軸，將加速度傳感器拾振信號(hào)通過測振儀輸入到示波器的軸，此時(shí)示波器的屏幕上出現(xiàn)橢圓圖象。當(dāng)傳感器放在梁上不同位置時(shí)，示波器的橢圓圖象將發(fā)生變化，如圖所示。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第92頁/共110頁

當(dāng)傳感器放在節(jié)點(diǎn)上時(shí)，橢圓變成了軸上的一條橫線，當(dāng)傳感器放在節(jié)點(diǎn)左側(cè)或右側(cè)時(shí)，橢圓長軸的方位發(fā)生變化。根據(jù)上述現(xiàn)象，只要將傳感器在梁的長度方向逐點(diǎn)移動(dòng)，便可找到節(jié)點(diǎn)的位置。圖像隨位置變化圖形

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第93頁/共110頁7.5.7脈沖激振測量方法脈沖激振測試框圖

脈沖激振的時(shí)間短，只需幾秒鐘的數(shù)據(jù)記錄就可以了。因此，可以多次重復(fù)進(jìn)行，將輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行多次平均以減少隨機(jī)誤差。為了避免激振點(diǎn)正好處于某階振型的節(jié)點(diǎn)附近，可移動(dòng)激振點(diǎn)位置，再比較其結(jié)果。7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第94頁/共110頁7.5.8振動(dòng)檢測實(shí)例

(1)軸的徑向振動(dòng)測量探頭安裝示意圖

在每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)安裝兩個(gè)傳感器探頭，兩個(gè)探頭分別安裝在軸承兩邊的同一平面上，相隔90°（±5°）。通常將兩個(gè)探頭分別安裝在垂直中心線每一側(cè)45°，定義為探頭（水平方向）和探頭（垂直方向）。通常從原動(dòng)機(jī)端看，探頭應(yīng)該在垂直中心線的右側(cè)，探頭應(yīng)該在垂直中心線的左側(cè)。

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第95頁/共110頁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

7.5振動(dòng)檢測方法及實(shí)例第96頁/共110頁

(2)小轎車乘坐舒適性試驗(yàn)原理：小轎車乘坐舒適性試驗(yàn)是通過液壓激振臺(tái)給汽車一個(gè)模擬道路狀況(也稱道路譜)的激勵(lì)信號(hào)，使汽車處于道路行駛狀態(tài)。汽車駕駛座椅處的振動(dòng)加速度可以通過一個(gè)加速度傳感器來拾取，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路和振動(dòng)分析儀的分析，就可以得到汽車的振動(dòng)量值與道路譜的關(guān)系，為研究汽車乘坐的舒適性提供參考數(shù)據(jù)