第一章-測試技術3振動測量方法課件

1.5振動測量的基本方法1.5.1振幅（位移）的測量方法1.5.1.1讀數顯微鏡法用讀數顯微鏡法測量振幅（位移）的裝置如圖1.72所示。圖中：1電磁振動臺；2支架；3讀數顯微鏡；4目標；5振動體圖1.72讀數顯微鏡測幅裝置示意圖

11.5振動測量的基本方法1.5.1振幅（位移）的測量方法目標的刻劃與測量如圖1.73所示。可測微幅振動的幅值。

常用的讀數顯微鏡的測量范圍有：

圖1.73讀數顯微鏡的目標刻劃與測量如JC2型的測量范圍：，放大倍數：倍；讀數鼓刻度：。

2目標的刻劃與測量如圖1.73所示。21.5.1.2電測法以磁電式速度傳感器和GZ

２型測振儀所組成的振動測試系統(tǒng)框圖如圖1.74所示。圖1.74GZ２型測振儀原理框圖指示電信號有效值的電壓表，測量時存在讀數換算問題。微積分網絡電壓放大器檢波指示穩(wěn)壓電源功率放大器振動體CD１輸出31.5.1.2電測法微積分網絡電壓放大器檢波指示穩(wěn)一計算公式（簡諧振動）1.微積分選擇開關置于“”檔（）該檔對應的是積分網絡。對于簡諧振動，則有（1.132）式中振動體的位移峰值（）；積分網絡對于CD１型傳感器的電路常數（）。積分網絡輸出電壓有效值，表頭指示值（）。2.置于“”檔（）（1.133）式中各項物理量的量綱與前相同。4一計算公式（簡諧振動）43.置于“”檔（）測加速度該檔對應的是微分網絡，則有（1.134）式中振動體的加速度峰值（）；微分網絡對于CD１型傳感器的電路常數（）；微分網絡輸出電壓有效值，表頭指示值（）。二電路常數的確定以“”檔的積分網絡為例由1.3.1.2中可知，于是有積分網絡的輸出電壓為：（1.136）

53.置于“”檔（）測加速度即（1.137）由式（1.4）和（1.12）可解得（1.138）對于磁電式速度傳感器，它的特性為：（1.139）式中靈敏度（）。整理得（1.140）式中積分網絡配用磁電式速度傳感器的電路常數（）。

6即6例配用CD１型速度傳感器。對于“”檔，已知、（積分網絡參數），，則同理，對于“”檔，已知、（積分網絡參數），則而對于“”檔，已知、（微分網絡參數），則

7例配用CD１型速度傳感器。對于“”檔，已知1.5.1.3振幅的其他測量方法

一振動幅尺測量法原理：做一帶有刻度的黑色三角形作為振動幅尺，如圖1.79所示。測量前，將振動幅尺固定在被測振動體上。振動時，此三角形塊將隨振動體一起運動，利用人的視覺暫留的生理作用，可觀察到其中重疊部分變成了一個更黑的不動的三角形，如1.79所示。依幾何關系，則有（1.141）式中振動體的振幅。測量時，只要觀察到值，就可以利用式（1.141）算出振幅。也可利用式（1.141）將直接刻成振幅值。必須保證且，便于用眼觀察。

81.5.1.3振幅的其他測量方法8振動幅尺測量法適用于振幅大于，頻率大于的正弦振動信號，如圖1.79所示。圖1.79振動幅尺測量法示意圖9振動幅尺測量法適用于振幅大于，頻率大于9二百分表（或千分表）法1)直接式測幅儀：百分表（或千分表）外殼固定在不動的參考體上，觸桿頂緊在振動體上，如圖1.80所示。2)慣性式的位移式測幅儀：百分表（或千分表）、慣性塊、框架一起固定在被測振動體上，如圖1.80所示。圖1.80百分表測幅法示意圖

10二百分表（或千分表）法10直接式可測振幅為到幾毫米，可測頻率為慣性式測量時，必須保證，可測范圍如圖1.80所示。其頂桿不能脫離質量塊。圖1.80百分表測幅法示意圖。11直接式可測振幅為到幾毫米，可測頻率為。111.5.2振動頻率的測量方法以簡諧振動的頻率測量為例。1.5.2.1比較法用被測振動體的未知量與已知量（同一類型）進行比較，進而確定未知量的大小。

一李薩如圖形比較法測量時，振動體的振動信號通過CD1型磁電式速度傳感器、GZ2型六線測振儀，輸入到陰極射線示波器的軸，而在示波器的軸，由信號發(fā)生器輸入一個已知的周期信號。當振動體的振動頻率恰好等于已知的輸入周期信號的頻率時，則示波器的屏幕上將出現一個橢圓圖形，稱為李薩如圖形，如圖1.82所示。

121.5.2振動頻率的測量方法12圖1.82李薩如圖形1313當，而是某一分數（包括整數倍）時，則示波器上合成的軌跡不再是橢圓，而是變得更為復雜的圖形，當其比值為２時，則李薩如圖形為一個８字形，如圖1.83所示。1414圖1.83李薩如圖形1515二錄波比較法被測振動體的信號和時標發(fā)生器提供的等間距脈沖時標信號同時輸入到S16型光線振子示波器中，兩者進行比較，測試系統(tǒng)如圖1.84所示。錄波圖如圖1.85所示。由圖可知：

（1.150）

圖1.84錄波比較法測頻系統(tǒng)框圖式中被測信號的周期；時標脈沖信號的周期；振動體的信號頻率；

時標發(fā)生器振動體測振儀光線振子示波器CD１16二錄波比較法時標發(fā)生器振動體測振儀光線振子示波器CD時標脈沖的信號頻率；兩者之比（即脈沖數）。一般取或。

圖1.80SC16記錄的波形圖1被測振動體的振動波形；2零線；3時標脈沖信號

17時標脈沖的信號頻率；171.5.2.2直讀法直讀法直接由專用儀器讀出頻率。直讀法的專用儀器有指針式頻率計（模擬）和數字式頻率計（數字）兩種。圖1.86是直讀法測頻系統(tǒng)框圖。圖1.86直讀法測頻系統(tǒng)框圖前置放大器數字式頻率計振動體加速度計181.5.2.2直讀法前置放大器數字式頻率計振動體加速度計1.5.3同頻簡諧振動相位差的測量方法同頻簡諧振動相位差的測量方法有線性掃描法、橢圓法和相位計法。前兩種方法需要利用作圖計算來求得相位差，而后一種較為方便。這里僅介紹相位計法。相位計法有指針式和數字式兩種，圖1.88是用相位計測相位差的測量系統(tǒng)框圖。圖1.88用相位計測相位差的測量系統(tǒng)框圖ZK2ZK2ABBX21相位計GZ2YD1YD1191.5.3同頻簡諧振動相位差的測量方法ZK2ZK如果是個頻率迭加而成的信號，必須先作濾波處理，再測量相位差。20如果是個頻率迭加而成的信號，必須先作濾波處理，再201.5.4機械系統(tǒng)固有頻率的測量方法1.5.4.1固有頻率和共振頻率的定義對于單自由度系統(tǒng)：無阻尼自由系統(tǒng)固有頻率有阻尼自由系統(tǒng)固有頻率對于有阻尼受迫振動（只討論穩(wěn)態(tài)解），即特解為:（1.154）

211.5.4機械系統(tǒng)固有頻率的測量方法21穩(wěn)態(tài)振動速度為：（1.155）穩(wěn)態(tài)振動加速度為：（1.156）極值條件：⑴位移幅值的極值條件令，則求得（1.157）22穩(wěn)態(tài)振動速度為：22⑵速度幅值的極值條件（1.158）⑶加速度幅值的極值條件（1.159）可見四種頻率不同，但在小阻尼情況下，相差很小。

23⑵速度幅值的極值條件231.5.4.2“速度共振”相位判別法用簡諧力激振，造成系統(tǒng)共振，再確定系統(tǒng)固有頻率。用相位判別法來判定“速度共振”是一種較敏感的方法。并排除了阻尼的影響。相位判別法根據速度共振時的特殊相位值及共振點前后的相位變化規(guī)律所提出來的一種共振判別法。其測量系統(tǒng)框圖如圖1.90所示。圖1.90“速度共振”相位判別法測量系統(tǒng)框圖功率放大器信號發(fā)生器激振器XYGZ2CD1懸臂梁241.5.4.2“速度共振”相位判別法功率放大器信號發(fā)生器一速度傳感器判別共振示波器的軸為激振力信號：示波器的軸為振動體的速度信號：相位差為：發(fā)生速度共振時、，則軸與軸的信號相位差為，屏幕為一直線，而略大于或略小于，則直線變?yōu)闄E圓，記下為直線時的頻率，即為振動體的速度共振頻率，即為振動體的固有頻率。其變化過程如圖1.91所示。傳感器的振動體的。

25一速度傳感器判別共振25圖1.91李薩如圖形2626二加速度傳感器判別共振使用加速度傳感器拾振時，則有發(fā)生加速度共振時，，則軸與軸的信號相位差為。應為一個正橢圓。當略大于或略小于時，為斜橢圓。記下正橢圓時的頻率，即為振動體的固有頻率。其變化過程如圖1.91所示。傳感器的振動體的。27二加速度傳感器判別共振27

圖1.91李薩如圖形

28281.5.5衰減系數的測量方法1.5.5.1用自由振動波形圖來測量衰減系數有阻尼單自由度系統(tǒng)的自由振動波形如圖1.92所示。圖1.92有阻尼自由振動波形圖

291.5.5衰減系數的測量方法29設阻力系數為，衰減系數（阻尼系數）為。對數衰減比（對數減幅系數）為（1.160）

進而得（1.161）式中衰減振動周期，且，當很?。ǎr，有（1.162）30設阻力系數為，衰減系數（阻尼系數）為。30具體計算方法：從波形圖中得與和，由式（1.160）和（1.161）算出或，進而可求得。對于機械系統(tǒng)（如懸臂梁、簡支梁等），若想測量高階振型的衰減系數，則必須激出該階振型，然后以同樣的方法求出該階振型的衰減系數。31具體計算方法：從波形圖中得與和，由式（1.160）1.5.5.2通過頻響函數測定衰減系數由振動理論可知：單自由度有阻尼受迫振動的動力放大系數為：（1.165）頻響曲線如圖1.93所示。當時，，下降到處，作一水平線交曲線上、兩點，且、兩點的距離為，則衰減系數可由下式確定：（1.166）

321.5.5.2通過頻響函數測定衰減系數圖1.93頻率響應曲線

3333測量中，繪制頻響曲線，找到與值，就可以求得衰減系數。證明：（半功率點）當時，略去的高次項，則有

34測量中，繪制頻響曲線，找到與值，就可以求得衰減即即∵∴最后得（證畢）35351.5.5.3通過共振頻率來測定衰減系數若測得則可求得或當阻尼較小時，、、相差很小，故用此法時，必須使用精密儀器，位數應高一些。2009.03.25周三講到此361.5.5.3通過共振頻率來測定衰減系數2009.03.1.5.6振型節(jié)點、節(jié)線的測量方法振型振動系統(tǒng)在振動時的各質點的振幅比。如簡支梁在振動時，其位移表達式為：（1.167）振型函數為：（1.168）前三階振型如圖1.94所示。

沒有位移的點稱為節(jié)點（除邊界條件外）。

371.5.6振型節(jié)點、節(jié)線的測量方法37圖1.94簡支梁的振型圖二階一階三階38二階一階三階381.5.6.1細砂顆粒跳動法適用于板類的被測振動體。如懸臂方板，振動時的振型如圖1.94所示。圖1.94懸臂方板的振型圖板上沒有位移的點形成的線稱為節(jié)線。當懸臂方板振動時，懸臂方板表面上的細砂就會跳動，并會集中移動到節(jié)線附近。二階三階四階五階391.5.6.1細砂顆粒跳動法二階三階四階五階391.5.6.2示波器測量法原理：節(jié)點上的位移、速度為零，節(jié)點兩邊的位移、速度、加速度必反相。用示波器測量振型的測試系統(tǒng)框圖如圖1.95所示。圖1.95用示波器測振型節(jié)點的測量系統(tǒng)框圖功率放大器信號發(fā)生器GZ２測振儀加速度計激振器懸臂梁示波器YX401.5.6.2示波器測量法功率放大器信號發(fā)生器GZ２測振當激振力的頻率等于某一階固有頻率時，則振動體以該階振型振動，此時為橢圓。當傳感器放置在節(jié)點時，則為一水平直線，其變化如圖1.96所示。圖1.96圖象隨位置變化圖形此外，還可利用全息攝影法來測振型。41當激振力的頻率等于某一階固有頻率時，則振動體以該411.5.7扭轉振動的測量旋轉件的振動類型可分為：橫向振動、軸向振動和扭轉振動。1.5.7.1測量的參數和方法設平均角速度為（沒有振動），交變角速度為（引起振動），則任一瞬時的角速度為，有振動。測量的參數：角振幅、應力、頻率等。測量傳感器大多數是慣性式傳感器，但也有其自己的特點：⑴慣性質量是均勻旋轉的飛輪，；⑵扭轉振動的測量，主要對角位移與應力感興趣，一般為位移傳感器，（固有頻率旋轉），；⑶彈簧的作用：①帶動慣性飛輪；②使，有扭

421.5.7扭轉振動的測量42簧和拉簧兩種形式。測量的方法有兩類：⑴機械式利用相對運動得到；⑵電測法機電轉換。電阻應變式、電渦流式、電感式、電容式等拾振。兩種方法的優(yōu)缺點：

機械式：結構簡單、可靠、放大倍數穩(wěn)定、使用方便，但是頻率范圍窄、高頻性能差，如蓋格爾機械扭振儀的測量頻率高限。

電測法：頻率范圍寬，、頻率響應好、靈敏度高、增益大；但測量環(huán)節(jié)多，需系統(tǒng)標定。43簧和拉簧兩種形式。431.5.7.2扭轉振動參數的電測法扭轉振動電測法的測量系統(tǒng)框圖如圖1.98所示。圖1.98扭振電測法測量系統(tǒng)框圖一應變片的選擇、粘貼和接橋方式電阻值一致，一般選，靈敏度應相同（即同一批產品），粘貼應牢固（常用粘接計為膠），絕緣應保證在以上，相鄰橋臂阻值相差以內，并加以密封，以防惡劣環(huán)境。被測旋轉件應變片傳感器電橋盒動態(tài)應變儀磁帶記錄儀光線示波器441.5.7.2扭轉振動參數的電測法被測旋轉件應變片傳感器電貼片位置與接橋方式動態(tài)應變測量時的貼片位置和接橋方式如圖1.99所示。

圖1.99扭振動態(tài)應變的接橋方法

45貼片位置與接橋方式45引電裝置由滑環(huán)、銅編線或碳刷等構成，如圖1.100所示。圖1.100滑環(huán)引電裝置示意圖支架絕緣彈簧銅編線旋轉軸滑環(huán)46引電裝置由滑環(huán)、銅編線或碳刷等構成，如圖1.100所示。

⑴振幅標定用動態(tài)應變儀的標定開關，輸出一定的標準應變信號，用光線示波器或磁帶記錄儀記錄，得到一個標準的方波圖，稱為參考波，如圖1.101所示。圖1.101電標法示意圖

曲線標定法：①電標法；②機械標定法標定電標法振幅與頻率標定47曲線標定法：①電標法；②機械標定法標定電標法振幅與頻用實測波形的應變幅值標高與參考波的應變幅值標高進行比較，即可得到實測波形的應變值大小。⑵頻率標定頻率標定時，將光線示波器的時標開關打開，得到如圖1.101中下部示意的時標，再將實測波形與之比較，就可得到實測波形的應變頻率。

機械標定法只能進行應變振幅的標定，并且需要系統(tǒng)標定，其標定機構如圖1.102所示。加載后，對標定軸施加了一定的扭矩，標定軸產生一定的應變值，并在光線記錄紙上記下參考波。若以橫坐標為扭矩值，縱坐標為應變值，由此可得到一條標定曲線，在線性范圍內，此曲線為一條直線，如圖1.103所示。機械標定法48用實測波形的應變幅值標高與參考波的應變幅值標高進機械標定圖1.102機械標定法示意圖1標定軸；2杠桿；3砝碼4949應變與扭矩的關系：被測軸（1.169）標定軸（1.170）當經過儀器的電流相同時，則有于是有（1.171）圖1.103波高扭矩標定曲線50應變與扭矩的關系：圖1.103波高扭矩標定曲線50設為波形圖中的標高，則單位標高的扭矩為，即故有（1.172）而、、，在實際測量前都是已知的，所以是一固定的數值。于是由式（1.172）即可求得實際被測軸的扭矩值。（應是同一衰減檔）51設為波形圖中的標高，則單位標高的扭矩為，即511.5.8脈沖激勵測量法

當機械或結構在無動力環(huán)境下，要了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，則必須施加一動力源，稱為激振設備。試驗方法：①機械阻抗法；②快速正弦掃描法；③脈沖激勵法；④隨機激勵法。脈沖激勵測量：使用激振錘（含力傳感器）進行激勵，激振錘的示意圖如圖1.104所示。測量要求：頻率范圍要廣，激振時間要短，比高階模態(tài)的周期要短，能量要夠，便于激起高階模態(tài)。521.5.8脈沖激勵測量法52錘頭有不同材料，其頻率響應相應不同。一般說，鋼→鋁→尼龍→橡膠。各種材料的頻響曲線如圖1.105所示。圖1.104激振錘示意圖1錘體；2配重；3測力計；4錘頭；5錘把53錘頭有不同材料，其頻率響應相應不同。一般說，鋼→鋁53錘頭越硬，頻譜越寬，但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。對于敲擊不同的被測試件，其頻率范圍的上限（國產錘頭）參見表1.19。圖1.105各種材料的錘頭的頻響曲線

1鋼；2鋁；3尼龍；4橡膠表1.19頻率范圍上限表錘頭尼龍尼龍鋁鋁鋼試件鋁鋼鋁鋼鋼頻率上限（Hz）75082015101800400054錘頭越硬，頻譜越寬，錘頭尼龍尼龍鋁鋁鋼試件鋁鋼鋁錘子有四種類型：⑴輕小結構（葉片、金屬薄板等高頻軟結構）重⑵中型結構（小汽車架、小型發(fā)動機等中高頻結構）重⑶大中型結構（機床、小型坦克等中頻結構）重⑷重型結構（建筑物、大型發(fā)動機、艦船、小型基礎等低頻結構）重脈沖激振測試方法簡單易行，測試框圖如圖1.106所示。55錘子有四種類型：55圖1.106脈沖激振測試框圖單點激振，多點測量；多點激振，單點測量。特點：①可重復試驗，多次平均，以減少隨機誤差；②可移動激振點，而固定加速度計；③激振點可移動，以避免激振點處于節(jié)點位置；④磁帶記錄儀記錄，便于頻譜分析。電荷放大器電荷放大器磁帶記錄儀加速度計被測件激振錘56電荷放大器電荷放大器磁帶記錄儀加速度計被測件激振錘561.5.9測試系統(tǒng)的抗干擾技術1.5.9.1信號的傳輸與噪聲源一信號傳輸信號傳輸的幾種形式：①有線傳輸；②無線傳輸；③超聲波傳輸。在有線傳輸中，可采用調制式和基帶式傳輸。傳輸信號所占有的頻帶稱為基帶（基本頻帶）常用的方法?；鶐接挚煞譃橹苯邮诫妷汉烷g接式電流和平衡式三種。平衡式傳輸信號輸入電橋或自動平衡電橋，引起電量變化信號接收端。直接式傳輸分為直流和交流兩種。直流直接式應注意傳輸導線電阻變化的影響（電阻隨溫度變化、接觸電阻）。571.5.9測試系統(tǒng)的抗干擾技術57