振動(dòng)信號的測試課件

振動(dòng)信號的測試

在工程實(shí)際中,特別是將振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)的故障診斷時(shí),經(jīng)常采用的則是通過對實(shí)測振動(dòng)信號的分析處理,借助一定的診斷策略,以此來判斷所測對象的運(yùn)行狀態(tài).

振動(dòng)實(shí)測是一種不可缺少的振動(dòng)分析手段,更是機(jī)械故障振動(dòng)診斷的關(guān)鍵步驟之一以下幾個(gè)振動(dòng)測試

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。

信息轉(zhuǎn)換信息提取機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動(dòng)，往往是一種周期性運(yùn)動(dòng)。例如，下圖是某鋼廠減速機(jī)上測得的振動(dòng)信號波形(測點(diǎn)3)，可以近似地看作為周期信號。信號的時(shí)域描述只能反映信號的幅值隨時(shí)間的變化情況，除只有一個(gè)頻率分量的簡諧波外,一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小。信號中不同頻率成分通過測量系統(tǒng)后的輸出振動(dòng)測量方法分類振動(dòng)測量方法按振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機(jī)械法和光學(xué)法。其簡單原理和優(yōu)缺點(diǎn)見表名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動(dòng)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機(jī)械法利用杠桿原理將振動(dòng)量放大后直接記錄下來抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動(dòng)態(tài)、線性范圍窄、測試時(shí)會(huì)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(dòng)及扭振的測量光學(xué)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(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，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振動(dòng)測量系統(tǒng)圖所示為用電測法測振時(shí)系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個(gè)一般的振動(dòng)測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動(dòng)分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。激振系統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功放振動(dòng)分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器(1)測振傳感器:將機(jī)械或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參數(shù)

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。拾振部分是振動(dòng)測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個(gè)儀器或系統(tǒng)的性能。根據(jù)所測振動(dòng)參量和頻響范圍的不同,習(xí)慣上常將測振傳感器分為振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器、振動(dòng)加速度傳感器三大類。典型的頻響范圍：0-10khz電渦流位移傳感器、10-2khz磁電式速度傳感器、0-50khz壓電加速度傳感器振動(dòng)傳感的選擇原則測量范圍（量程）

它是保證傳感器有用的首要指標(biāo)，超量程不僅意味著測量結(jié)果的不可靠，而且有時(shí)會(huì)造成傳感器的永久損壞。對于振動(dòng)加速度傳感器，這個(gè)問題顯得不那么重要，一個(gè)好的加速度傳感，可承受10000g的沖擊，一般性能的傳感也能承受50g左右的振動(dòng)頻響范圍振動(dòng)參量的最顯著特征就是其頻率構(gòu)成特性，一個(gè)振動(dòng)信號往往是由許多頻率不同的信號疊加而成。要求用于振動(dòng)測試的傳感器的頻響特性要好，即其幅頻特性的水平范圍盡可能寬，相頻特性盡可能線性。同時(shí)要求傳感器的頻率下限盡可能低，以檢測緩變的機(jī)械振動(dòng)信號，頻率上限盡可能高，以檢測高頻沖擊信號。實(shí)際中結(jié)合測試目的和費(fèi)用，傳感器的工作頻響范圍應(yīng)覆蓋需要測試的信號頻段。靈敏度一般， 總是希望傳感器的靈敏度盡量高，以便檢測微小信號。須注意的幾個(gè)問題：外界噪聲的混入會(huì)因?yàn)閭鞲衅黛`敏度提高而變得容易，故要求傳感器的信噪比要高，以便在充分放大被測信號的同時(shí)，有效地抑制噪聲信號；應(yīng)同時(shí)考慮測量范圍，使傳感器工作在線性區(qū)；對于多維向量的測量，交叉靈敏度越小越好。精度精度是影響測試結(jié)果真實(shí)性的主要指標(biāo)。傳感器的精度與價(jià)格對應(yīng)，精度提高一級，價(jià)格成倍增長；定性分析可選擇低精度，而定量分析選擇相對高精度的傳感器；應(yīng)考慮同一測試系統(tǒng)中的設(shè)備，盡量使它們屬同一精度等級，以優(yōu)化測試成本；穩(wěn)定性環(huán)境穩(wěn)定性：溫度、濕度、灰塵、電磁場等環(huán)境因素是任何傳感器都要考慮的問題，以避免降低傳感器的性能；時(shí)間穩(wěn)定性：這時(shí)長期工況監(jiān)測的傳感器所要重點(diǎn)考慮的問題；此外，傳感器`的工作方式、外形尺寸、重量等也是選用傳感器時(shí)需要考慮的因素。產(chǎn)品

加速度計(jì)力傳感器壓電式傳感器

（2）振動(dòng)測量原理

根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動(dòng)的響應(yīng)是振動(dòng)系統(tǒng)拾振部分對各個(gè)諧振動(dòng)響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)是由載體的運(yùn)動(dòng)所引起的。如圖5.3所示。設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0則質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程為:

mz。kc由載體運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)響應(yīng)

質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:

則上式可改寫成:

設(shè)載體的運(yùn)作為諧振動(dòng)，即:寫成:

考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：

(1)z01相對于載體的振動(dòng)位移z1，此時(shí)相當(dāng)于測振儀處于位移計(jì)工作狀態(tài)下。此時(shí)幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線曲線如圖所示。圖由載體運(yùn)動(dòng)引起的位移響應(yīng)(2)z01相對于載體振動(dòng)速度

，此時(shí)相當(dāng)于測振儀處于速度計(jì)的工作狀態(tài)下。此時(shí)幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖-所示。由載體運(yùn)動(dòng)引起的速度響應(yīng)圖由載體運(yùn)動(dòng)引起的加速度響應(yīng)(3)z01相對于載體的振動(dòng)加速度，此時(shí)相當(dāng)于測振儀處于加速度計(jì)的工作狀態(tài)下。此時(shí)幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖所示。從可以看出：① 測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。在位移計(jì)狀態(tài)下，其工作條件為>>1，即工作在過諧振區(qū)。對于加速度計(jì)來說，其工作條件為<<1，即工作在亞諧振區(qū)。對于速度計(jì)來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。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(jì)和加速度計(jì)而言，當(dāng)取值在0.6~0.8范圍內(nèi)時(shí)，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時(shí)，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(jì)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(jì)測量振動(dòng)速度的響應(yīng)時(shí)，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。(3)激振器

激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動(dòng)的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。下表列舉了部分常用的激振器。

名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電動(dòng)激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動(dòng)線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動(dòng)頻率范圍寬，振動(dòng)波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵(lì)磁式電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)利用直流勵(lì)磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動(dòng)臺(tái)體相連，線圈通電產(chǎn)生電動(dòng)力使振動(dòng)臺(tái)體作機(jī)械振動(dòng)頻率范圍寬、激振力大、振動(dòng)波形好，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)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(shè)備簡單，振動(dòng)波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動(dòng)式激振器帶動(dòng)液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動(dòng)臺(tái)面產(chǎn)生周期性正弦波振動(dòng)激振力大，頻率較低，臺(tái)面負(fù)載大，易于自控和多臺(tái)激振，設(shè)備復(fù)雜表部分常用的激振設(shè)備

為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵(lì)上,在激振時(shí)最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時(shí)，往往用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時(shí)，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則：高頻激振低頻激振。 按激勵(lì)方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測試、隨機(jī)激勵(lì)測試和瞬態(tài)激勵(lì)測試三種。穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測試

穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的一種激勵(lì)方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可分為單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)。

單點(diǎn)激勵(lì)就是采用一個(gè)激振器，對結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)。

多點(diǎn)激勵(lì)是用兩個(gè)或兩個(gè)以上的激振器對被測物同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)。

下圖是對某被測試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測試的原理框圖。被測試件按實(shí)際工作條件固定。在其上選擇激勵(lì)點(diǎn)和測量點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)和測量點(diǎn)應(yīng)避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個(gè)柔性桿連接（以減小激振器對試件非激勵(lì)方向的附加剛度約束）。信號器輸出單一頻率的正弦信號經(jīng)功率放大器推動(dòng)激振器，使試件產(chǎn)生受迫振動(dòng)。振動(dòng)信號與力信號分別通過電荷放大器放大，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎敕治鰞x進(jìn)行分析運(yùn)算，結(jié)果由記錄儀或打印機(jī)輸出。圖穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器機(jī)械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機(jī)電荷放大器加速度計(jì)柔性桿力傳感器被測試件 。

分析儀器的作用是對激勵(lì)及響應(yīng)信號進(jìn)行采樣、變換、運(yùn)算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關(guān)積分式分析儀，也可用FFT分析儀。

瞬態(tài)激勵(lì)測試

磁帶記錄儀電荷放大器器傳遞函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計(jì)微型計(jì)算機(jī)X-Y繪圖儀打印機(jī)去計(jì)算機(jī)中心圖脈沖錘擊法測試原理框圖瞬態(tài)激勵(lì)方法瞬態(tài)激勵(lì)方法給被測系統(tǒng)提供的激勵(lì)信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，即一次同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時(shí)由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵(lì)等方法，下面分別討論和介紹?？焖僬覓呙柽@種測試方法是使正弦激勵(lì)信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(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(dá)到寬頻帶激勵(lì)的目的。階躍松馳激勵(lì)

1、階躍松弛激勵(lì)定義

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

3、實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)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(yù)加載，然后突然切斷張力弦。

目前常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳感器的手錘敲擊試件，給試件一脈沖力。用裝在試件上的加速度計(jì)或位移傳感器測量響應(yīng)，將力及響應(yīng)信號同時(shí)送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測試原理如圖所示。 脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它由錘頭、測力計(jì)、附加質(zhì)量和錘柄四部分組成。錘頭裝在測力計(jì)上，敲擊時(shí)直接與試件接觸。 為了得到不同的脈沖寬度，錘頭可用不同的材料制成，根據(jù)測試頻響要求，進(jìn)行更換。錘頭的材料越軟，其脈沖頻譜越窄；反之錘頭材料越硬，則脈沖頻帶越寬。幾種常用錘頭材料及使用頻率范圍見表。

脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與脈沖力的大小及激勵(lì)頻帶寬度有關(guān)。若力錘太小，能量不夠；力錘太大，靈敏度低。所以應(yīng)根據(jù)試件剛度和質(zhì)量大小、頻率范圍等選擇力錘的適當(dāng)大小。

錘頭力傳感器錘柄附加配重圖脈沖錘結(jié)構(gòu)

表常用錘頭材料及使用范圍

材料橡皮尼龍66有機(jī)玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500以下5001000以下1k~3k2k~5k當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵(lì)時(shí)，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一個(gè)半正弦波的力脈沖，如圖(a)所示。該類脈沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)，脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般來說，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，上限額率fe越高。隨機(jī)激振 隨機(jī)激振一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為信號源，也是一種寬帶激振方法。白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號，其自相關(guān)函數(shù)也是在τ=0處形成陡峭的峰，只要τ稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就很快衰減，其自功率譜密度函數(shù)也接近為常值。當(dāng)白噪聲信號通過功率放大器控制激振器時(shí)，由于功放和激振器的通頻帶不是無限寬的，所得激振力頻譜不再是在整個(gè)頻域中保持常數(shù)，但它仍然是一種寬帶激振，能夠激起被測對象在一定的頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)。配合頻譜分析儀，利用Sxy(f)=H(f)Sx(f)式可以得到被測對象的頻率響應(yīng)。隨機(jī)激勵(lì)方法純隨機(jī)激勵(lì)

理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個(gè)時(shí)間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。偽隨機(jī)激勵(lì)偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個(gè)周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截?cái)?，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。(4)振動(dòng)分析儀器 從拾振器檢測到的振動(dòng)信號和從激振點(diǎn)檢測到的力信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動(dòng)分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT分析儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀 測振儀是用來直接指示位移、速度、加速度等振動(dòng)量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的儀器。2.頻率分析儀 模擬量頻譜分析儀目前仍是振動(dòng)測量較常用的分析設(shè)備。振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動(dòng)掃描就可完成所需頻帶的頻譜分析。3.FFT分析儀