06-振動的測量

1、1,第六章、振動的測量,1.掌握單自由度系統(tǒng)受迫振動的基本原理； 2.了解振動激勵和測量的方法和設備； 3.了解測振傳感器的原理和應用。 4.了解振動測量的工作原理和機械振動參數(shù)估計。,本章學習要求（6課時）：,2,第一節(jié)、概 述,從狹義上說，通常把具有時間周期性的運動稱為振動。 從廣義上說，任何一個物理量在某一數(shù)值附近作周期性的變化，都稱為振動。 機械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往復的運動。 機械振動系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復運動的機械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機械振動系統(tǒng)。 構(gòu)成機械振動系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復性和阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當前運動持續(xù)下去的性質(zhì)；恢復性就是

2、能使系統(tǒng)位置恢復到平衡狀態(tài)的性質(zhì)；阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。這三個基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。,3,1、機械振動的危害性：低機器性能 ，縮短使用壽命，事故 2、機械振動被利用的一面：振動篩，夯實，粉碎 3、機械振動測量的目的：設備的監(jiān)測、診斷和控制 在振動測量時，應合理選擇測量參數(shù)。如振動位移是研究強度和變形的重要依據(jù)；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞的重要依據(jù)；振動速度決定了噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由振動速度決定的，振動速度又與能量和功率有關(guān)，并決定了力的動量。 4、現(xiàn)代振動測試多采用電測法,4,5、機械振動的

3、類型,系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的 激勵而引起的振動稱為自由振動；系統(tǒng)在持續(xù)的 外作用力激勵下的振動稱為強迫振動。 自由振動問題雖然比強迫振動問題單純，但自 由振動反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有信息，是研究 強迫振動的基礎。 單自由度系統(tǒng)在簡化模型中，振動體的位置或 形狀只需用一個獨立坐標來描述的系統(tǒng)稱為單自 由度系統(tǒng)。,5,第二節(jié)、單自由度系統(tǒng)的受迫振動,一、質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動,在外力f(t)的作用下，質(zhì)量塊 m 的運動(位移)方程為：,c為粘性阻尼系數(shù)；k為彈簧剛度；位移y(t)為振動系統(tǒng)的輸出。,6,這是一個典型的二階系統(tǒng)，其系統(tǒng)頻率響應函數(shù)H(w)和幅頻特性A(w) 、

4、相頻特性j(w)分別為：,n固有圓頻率,阻尼比,7,幅頻特性曲線和相頻特性曲線,8,振動幅頻特性曲線上幅值極大的頻率稱為共振頻率,對A(w)求一階導數(shù)并令其為零，可以得到共振頻率wr（在wn的偏左）為：,可見，質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動其共振頻率wr總是小于系統(tǒng)的固有頻率wn，阻尼越小，兩者越靠近，因此，在小阻尼情況下可以采用wr作為的wn估計值；而在相頻特性圖上，不管系統(tǒng)的阻尼比為多少，在wr/wn=1時，位移始終落后于激振力90，這是判別共振頻率的一個十分有用的指標。,9,二、由基礎運動所引起的受迫振動,在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基礎的運動引起的。設基礎的絕對位移為y1(t)，質(zhì)量

5、塊m的絕對位移為y0(t)，則質(zhì)量塊 m 的運動方程為:,10,y01(t)=y0(t) -y1(t)為質(zhì)量塊m 對基礎的相對位移，則系統(tǒng)頻率響應函數(shù)H(w)和幅頻特性A(w)、相頻特性j(w)分別為：,11,幅頻特性曲線,12,可見，當激振頻率遠小于系統(tǒng)固有頻率時，質(zhì)量塊相對于基礎的振動幅值(位移)為零，這意味著質(zhì)量塊幾乎跟隨基礎一起振動，兩者相對運動極小。而當激振頻率遠高于固有頻率時，A(w)接近于1，這表明質(zhì)量塊和基礎之間的相對運動(輸出)和基礎的振動(輸入)近于相等。 對于單自由度系統(tǒng)，可以用一元二次微分方程進行描述；而對于多自由度系統(tǒng)，則需要用高階微分方程進行描述。,13,第三節(jié)、

6、振動的激勵,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)的數(shù)學模型，也即動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗方法。 為了獲得振動系統(tǒng)的動態(tài)特性，需要對被測對象施加一定的外力(激振力)，讓其作受迫振動或自由振動，以便獲得相應的激勵及其響應。一般說來測試系統(tǒng)應該包括下述三個主要部分：,14,1)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、功率放大器和激振裝置組成。 2)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)。它主要由測振傳感器、可調(diào)放大器組成。 3)分析記錄部分 將拾振部分傳來的信號記錄

7、下來供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。,15,見：ZK4VIC型虛擬測試振動與控制實驗裝置,16,一、穩(wěn)態(tài)正弦激振,穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激振設備對被測對象施加一個頻率可控的正弦激振力，并測定振動響應與正弦力的幅值比與相位差。其優(yōu)點是激振功率大，信噪比高，能保證響應測試的精度。 為了測得整個頻率范圍內(nèi)的頻率響應，必須用多個頻率進行試驗以得到系統(tǒng)的響應數(shù)據(jù)，這一過程稱為掃頻或掃描。需要注意的是在每個測試頻率處，只有當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)才能進行測試，這對于小阻尼系統(tǒng)尤為重要，因此測試時間相對較長。,激勵方式通常可以分為穩(wěn)態(tài)正弦激

8、振、 瞬態(tài)激振 和 隨機激振三種。,17,二、隨機激振(略),隨機激振是一種寬帶激振，一般用白噪聲或偽隨機信號為激勵信號。 白噪聲在整個頻譜內(nèi)每個頻點的能量為常數(shù)，并基本恒定。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)是一個單位脈沖函數(shù)，即除t=0 處以外，自相關(guān)函數(shù)等于零，在t=0 時，自相關(guān)函數(shù)為無窮大，而其自功率譜密度函數(shù)幅值恒為1。實際測試中，當白噪聲通過功放并控制激振器時，由于功放和激振器的通頻帶是有限的，所以實際的激振力頻譜不能在整個頻率域中保持恒值（此時就不是白噪聲），但如果在比所關(guān)心的有用頻率范圍寬得多的頻域內(nèi)具有相等的功率密度時，仍可視為白噪聲信號。,18,在工程上，為了能夠重復試驗，常采用偽隨機信

9、號作為測試信號，把它作為測試的輸入激勵信號。偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號，將白噪聲在時間T（單位為s）內(nèi)截斷，然后按周期T重復，即形成偽隨機信號，見圖。偽隨機信號的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲的自相關(guān)函數(shù)相似，但是它有一個重復周期T，即偽隨機信號的自相關(guān)函數(shù) Rx(t)在t=0, T, 2T,.以及-T, - 2T,. 各點取值a2 ，而在其余各點之值均為零。采用偽隨機信號激勵的測試方法，既具有純隨機信號的真實性，又因為有一定的周期性，而在數(shù)據(jù)處理中避免了統(tǒng)計誤差。 許多機械或結(jié)構(gòu)在運行狀態(tài)下所受到的干擾力或動載荷往往都具有隨機的性質(zhì)，因此，振動測試可以在被測對象正常的運行狀態(tài)下進行，如果用傳感器

10、測出這種干擾力及其系統(tǒng)的響應，就可以利用分析儀器對正在運行中的被測對象作“在線”分析。,19,20,三、瞬態(tài)激振,瞬態(tài)激振為對被測對象施加一個瞬態(tài)變化的力，是一種寬帶激勵方法。常用的激勵方式有以下幾種： （一）快速正弦掃描激振 激振信號由信號發(fā)生器供給，其頻率可調(diào)，激振力為正弦力。但信號發(fā)生器能夠作快速掃描，激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持不變，見圖。 快速正弦掃描激振力信號的函數(shù)表達式為：,21,式中：T為信號的周期；a=(fmax-fmin)/T；b=fmin； fmax , fmin為掃描的上下限頻率。掃描頻率的上下限頻率和周期根據(jù)試驗要求可以改變，一般掃描時間為12s，

11、因而可以快速測試出被測對象的頻率特性。,22,（二）脈沖激振 脈沖激振是用一個裝有傳感器的錘子（又稱脈沖錘）敲擊被測對象，對被測對象施加一個力脈沖，同時測量激勵和被測對象。脈沖的形成及有效頻率取決于脈沖的持續(xù)時間 t, t 則取決于錘端的材料，材料越硬 t 越小，則頻率范圍越大。脈沖錘激振簡便高效，因此常被選用。但在著力點位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟練的技巧，否則會產(chǎn)生很大的隨機誤差。 （三）階躍（張弛）激振 階躍激振的激振力來自一根剛度大、重量輕的弦。試驗時，在激振點處，由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，這相當于對被測對象施加一個負的階躍

12、激振力。階躍激振屬于寬帶激振，在建筑結(jié)構(gòu)的振動測試中被普遍應用。,23,第四節(jié)、 激振器,常用的激振器有電動式、電磁式和電液式三種，此外還有用于小型、薄壁結(jié)構(gòu)的壓電晶體激振器、高頻激振的磁致伸縮激振器和高聲強激振器等。,一、電動式激振器,電動式激振器按其磁場的形成方法分有永磁式和勵磁式兩種。前者多用于小型激振器，后者多用于較大型的激振器，即振動臺。,24,線圈正好位于磁極與鐵芯的氣隙中。當線圈通過經(jīng)功率放大后的交變電流i時，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，線圈將受到與電流i成正比的電動力的作用，此力通過頂桿傳到被測對象，即為激振力。,打開演示,25,二、電磁式激振器,電磁式激振器直接利用電磁力作激

13、振力，常用于非接觸激振場合，特別是對回轉(zhuǎn)件的激振。勵磁線圈包括一組直流線圈和一組交流線圈，當交變電流通過勵磁線圈便產(chǎn)生相應的磁通，從而在鐵芯和銜鐵之間產(chǎn)生電磁力，實現(xiàn)兩者之間無接觸的相對激振。電磁激振器的特點是與被激對象不接觸，沒有附加質(zhì)量和剛度的影響，頻率上限約為500800Hz左右。,26,三、電液式激振器,在激振大型結(jié)構(gòu)時，為得到較大的響應，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)過放大后，經(jīng)由電動式激振器、操縱閥和功率閥所組成的電液伺服閥2，來控制油路使活塞3作往復運動，并以頂桿1去激勵被激對象?；钊瞬枯斎胍欢ㄓ蛪旱挠?，形成靜壓力p靜，對被激對象施加預載荷。

14、用力傳感器測量交變激勵力p1和靜壓力p靜。 電液式激振器的優(yōu)點是激振力大，行程亦大 。,27,28,第五節(jié)、 振動測量方法及測振傳感器,機械振動測試方法一般有機械方法、光學方法和電測方法。機械方法（如采用杠桿原理）常用于振動頻率低、振幅大、精度不高的場合。光學方法主要用于精密測量和振動傳感器的標定。而電測法則應用范圍最廣（見表7-2）。 測振傳感器的分類方法很多： 1、按測振參數(shù)分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器 2、 按參考坐標分：相對式傳感器、絕對式傳感器； 3、 按激振原理分：磁電式、壓電式、電阻應變式、電感式、電容式、光學式； 4、按傳感器與被測物關(guān)系分：接觸式傳感器、非接觸式傳

15、感器（用于旋轉(zhuǎn)機械）,29,拾取振動信息的裝置通常稱拾振器(vibration transducer)，傳感器是其核心組成部分。表達振動信號特性的基本參數(shù)是位移(速度、加速度),頻率和相位。拾振器的作用是檢測被測對象的振動參數(shù)，在要求的頻率范圍內(nèi)正確地接受下來，并將此機械量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。,一、慣性式傳感器(機械式),圖中z1(t),z0(t),z01(t)分別表示殼 體絕對位移、質(zhì)塊的絕對位移和 殼體與 質(zhì)塊的相對位移。測試時， 殼體和被測物體聯(lián)接（用膠接或 機械方法），使殼體與被測物體 之間無相對的振動，則被測物體 的振 動也即拾振器的輸入。,30,二、電渦流式位移傳感器,根據(jù)法拉第電磁

16、感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。,金屬板,線圈,鐵心,31,電渦流式位移傳感器是一種非接觸式測振傳感器，其基本原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應，導致線圈阻抗發(fā)生變化，傳感器線圈的厚度越小，其靈敏度越高。,電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，還與線圈與導體間的距離 有關(guān)。因此，傳感器線圈受渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：,原線圈的等效阻抗Z變化：,如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就

17、僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。,32,電渦流式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、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點。渦流傳感器屬于相對式拾振器，能方便地測量運動部件與靜止部件間的間隙變化。,線圈,33,三、磁電式速度傳感器,磁感應電式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妱觿?，是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定。 根據(jù)法拉第電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢e的大小決

18、定于穿過線圈的磁通量的變化率，即 磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。,34,若以線圈相對磁場運動的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應電動勢e為： 式中：l每匝線圈的平均長度； B線圈所在磁場的磁感應強度； S每匝線圈的平均截面積. 在傳感器中當結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應式傳感器只適用于動態(tài)測量。,3

19、5,磁電式速度傳感器為慣性式速度傳感器，其工作原理為：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。 在測振時，傳感器固定或緊壓于被測系統(tǒng)，磁鋼4與殼體2一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動，裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場中運動。,36,磁電式振動速度傳感器的優(yōu)點是不需要外加電源，輸出信號可以不經(jīng)調(diào)理放大即可遠距離傳送，這在實際長期監(jiān)測中是十分方便的。另一方面，由于磁電式振動速度傳感器中存在機械運動部件，它與被測系統(tǒng)同頻率振動，不僅限制了傳感器的測量上限，而且其疲勞極限造成傳感器的壽命比較短。在長期連續(xù)測量中必須考慮傳感器的壽命，要求

20、傳感器的壽命大于被測對象的檢修周期。,37,四、壓電式加速度傳感器,壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。,膜片,壓電轉(zhuǎn),換元件,支撐螺桿,本體,電極,38,由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示 儀表或記錄器。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。 由于磁電

21、式速度傳感器存在響應頻率范圍小，機械運動部件容易損壞，傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點，近年發(fā)展了 壓電式速度傳感器，即在壓電式加速度傳感器的基礎上，增加了積分電路，實現(xiàn)了速度輸出。同樣，這種傳感器也全部實現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。,39,五、測振傳感器的合理選擇,40,(1)直接測量參數(shù)的選擇作為拾振器的被測量是位移、速度或加速度。 通過微積分電路來實現(xiàn)它們之間的換算。低頻時加速度的幅值有可小到與測量噪聲相當?shù)某潭?，如用加速度計測量低頻振動，會因低信噪比使測量不穩(wěn)定和增大測量誤差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器測高頻位移有類似的情況發(fā)生。 傳感器選擇時還應力圖使最重

22、要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測得。例如考察慣性力可能導致的破壞或故障時，宜作加速度測量；考察振動環(huán)境（振動烈度以振動速度的均方值來描述）時，宜作振動速度的測量；要監(jiān)測機件的位置變化時，宜選用電渦流或電容傳感器作位移的測量。選擇時還需要注意能在實際機器設備安裝的可行性。,41,42,(2) 傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的范圍，選用時需要根據(jù)被測系統(tǒng)的振動頻率范圍來選用。 對于慣性式拾振器，一般質(zhì)量大的拾振器上限頻率低、靈敏度高；質(zhì)量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計為例，作超低振級測量的都是質(zhì)量超過100g靈敏度很高的加速度計，

23、作高振級（如沖擊）測量的都是小到幾克或零點幾克的加速度計。,43,(3)使用的環(huán)境要求、價格、壽命、可靠性、維修、校準等。 例如激光測振盡管有很高的分辨力和測量精確度，由于對環(huán)境（隔振）要求極嚴、設備又極昂貴，它只適用于實驗室作精密測量或校準。電渦流和電容傳感器均屬非接觸式，但前者對環(huán)境要求低而被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場對機器振動的測量中。如大型汽輪發(fā)電機組、壓縮機組振動監(jiān)測中用的拾振器、要能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下長期可靠地工作，常選用電渦流傳感器。 對相位有嚴格要求的振動測試項目（如作虛實頻譜，幅相圖、振型等測量），除了應注意拾振器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡放大器的相

24、頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因為測得的激勵和響應之間的相位差包括了測試系統(tǒng)中所有儀器的相移。,44,第六節(jié)、 振動的分析方法與儀器,振動位移、振動速度和振動加速度三者的幅值之間的關(guān)系與頻率有關(guān)，所以，在低頻振動場合，加速度的幅值不大；在高頻振動場合，加速度幅值較大。,一、正弦測量系統(tǒng)(略),正弦測量系統(tǒng)適用于按簡諧振動規(guī)律的系統(tǒng)。對機電產(chǎn)品進行動態(tài)性能測試及環(huán)境考驗時，也都是用正弦測量系統(tǒng)測量其響應。正弦測量系統(tǒng)的優(yōu)點在于測量比較精確，因而也最為常用。 應用正弦測量系統(tǒng)，除了測量振幅外，有時還要求測量振幅對于激勵力的相位差，以及觀察振動波形的畸變情況。,45,46,二、動態(tài)應變測

25、量系統(tǒng),動態(tài)應變測量系統(tǒng)將電阻應變片貼在結(jié)構(gòu)的測振點處，或直接制成應變片式位移計或加速度計，安裝在測振點處(demo)，將應 變片接入電橋，電橋由動態(tài)應變儀的振蕩器供給穩(wěn)定的載波電壓。測振時由于振動位移引起電橋失衡而輸出一電壓，經(jīng)放大并轉(zhuǎn) 換成電流，由表頭指示，或由光學示波器、計算機記錄。,47,48,三、頻譜分析系統(tǒng),頻譜分析系統(tǒng)可以分成模擬量頻譜分析系統(tǒng)和數(shù)字頻譜分析系統(tǒng)。 a）模擬量頻譜分析系統(tǒng) 傳感器經(jīng)微/積分放大器后，進入模擬量頻譜分析儀。系統(tǒng)的核心是模擬式頻譜分析儀，它由跟蹤濾波器或一系列窄帶帶通濾波器構(gòu)成，隨著濾波器中心頻率的變化，信號中的相應頻率的諧波分量得以通過，從而可以得到

26、不同頻率的諧波分量的幅值或功率的值，由儀表顯示或記錄； b）數(shù)字頻譜分析系統(tǒng) 現(xiàn)代振動分析系統(tǒng)大都是數(shù)字式分析系統(tǒng)。將來自傳感器的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列信號，然后通過快速傅里葉(FFT)的運算，獲得被測系統(tǒng)的頻譜。,49,某外圓磨床在空運轉(zhuǎn)時工作臺的橫向振動記錄曲線，它是用磁電式速度傳感器測得的。圖a為振動信號的時域曲線 ，表明振動信號中含有復雜的頻率成分，但很難對其頻率和振源作出判斷。圖b為該信號的頻譜圖，經(jīng)過頻譜分析可以估計振動的根源和干擾。結(jié)合磨床的實際結(jié)構(gòu)，可判明27.5Hz頻率成分為砂輪不平衡所引起的振動；329Hz頻率成分為油泵脈動引起的振 動；50Hz、

27、100Hz和150Hz的頻率成分都和工頻（電網(wǎng)的頻率，即發(fā)電機的工作頻率）和電機的振動有關(guān)；500Hz以上的高頻振動原因比較復雜，有軸承噪聲及其它振源。,50,第七節(jié)、 機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計,機械振動參數(shù)估計的目的是用以確定被測結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型等振動模態(tài)參數(shù)。 實際的一個機械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)大都是多自由度振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在其頻率響應曲線上會出現(xiàn)多個峰值，在奈魁斯特曲線中表現(xiàn)為多個圓環(huán)， 根據(jù)線性振動理論，對于多自由度線性系統(tǒng)，在它任何一點的振動響應可以認為是反映系統(tǒng)特性的多個單自由度響應的疊加。對于小阻尼的系統(tǒng)，在某個固有頻率附近，與其相應階的振動響應就非常突出。 本節(jié)將著

28、重討論單自由度振動系統(tǒng)的固有頻率和阻尼的測試，這些方法可以用來近似估計多自由度的這兩個參數(shù)。,51,一、自由振動法,52,一個單自由度振動系統(tǒng)，若給以初始沖擊（其初速度為dy(0)/dt）或初始位移y0，則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動，其表達式為：,式中，wd為阻尼自由振動的圓頻率。,53,根據(jù)阻尼自由振動的記錄曲線，通過時標可以確定震蕩周 期T，從而可得wd=2/T。在系統(tǒng)阻尼小的時候，由 知，可以用阻尼自由振動圓頻率wd代替固有頻率wn。當=0.3時， wd和wn相差不到5%。 阻尼比可以根據(jù)阻尼自由振動的記錄曲線的相鄰峰值的衰減比來確定，,式中，Mi和Mi+1分別為阻尼自由振動記錄曲

29、線的相鄰超調(diào)量。,54,二、共振法,單自由度系統(tǒng)在受迫振動過程中，當激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時，其振動幅值會急劇增大。 根據(jù)所用的測試手段和所得記錄，可以用下述方法求出系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。 （1）總幅值法 對單自由度系統(tǒng)進行正弦掃描激勵，振幅可以用位移、速度或加速度計中的任何一種測量，改變掃描激勵頻率可以得到響應曲線圖。在小阻尼時，可以直接用共振峰對應的頻率r來近似地估計固有頻率n。 系統(tǒng)的阻尼較小時，可以從幅頻曲線估計阻尼比。在=n時，A(n)=1/2 。當甚小時，A(n)非常接近峰值，且幅頻曲線在n的兩側(cè)可以認為是對稱的。,55,56,在幅頻曲線峰值的70.7處作一根水平線，交幅頻

30、曲線于a、b兩點，如圖，它們對應的頻率為1，2，其阻尼比可以估計為：,a、b兩點稱為“半功率點”，因此這種估計方法又稱為半功率點法。,57,（2）分量法 受迫振動的頻率響應函數(shù)為:,其中，=/n，將其虛、實部分開寫:,58,59,由實、虛部的表達式和曲線圖可知： 在=1 處，即=n 處，實部為零,虛部為-1/2，接近極小值。因此，可以依此來確定系統(tǒng)的固有頻率n 實頻曲線在 處有最大值，而在 處有最小值。因而不難從曲線的兩個峰值間隔距離來確定系統(tǒng)的阻尼比，即: 虛頻曲線在對應1和2點的值十分接近1/4 。因此，在虛頻曲線上峰值1/2的一半處作水平線，截得曲線橫坐標間距約為2,可近似估計系統(tǒng)的阻尼

31、比。 從上述討論看，實、虛部曲線都包含有幅頻、相頻信息。但虛部曲線具有窄尖、陡峭的特點，在研究多自由度系統(tǒng)時，虛部曲線可以提供較精確的結(jié)果。,60,第八節(jié)、測振裝置的校準,在傳感器出廠前及使用一定年限后，為了保證振動測試的可靠性和精確度，必須對傳感器及其測試系統(tǒng)進行校準。傳感器生產(chǎn)廠對于每只拾振器在出廠前都進行了檢測，并給出其靈敏度等參數(shù)和頻率響應特性曲線；拾振器使用一定時間后，其靈敏度會發(fā)生變化，如壓電材料的老化會使靈敏度每年降低2%5%。同樣，測試儀器在使用一定時間或檢修后也必須進行校準。 對于拾振器來說，主要關(guān)心的是靈敏度和頻率響應特性，對于常見的接觸式傳感器（速度計、加速度計）和非接觸

32、式（渦流位移傳感器）應采用不同的校準方法。,61,一、絕對法,絕對法將拾振器固定在校準振動臺上，由正弦信號發(fā)生器經(jīng)功率放大器推動振動臺，用激光干涉振動儀直接測量振動臺的振幅，再和被校準拾振器的輸出比較，以確定被校準拾振器的靈敏度，這便是用激光干涉儀的絕對校準法，某種校準儀的校準誤差在20Hz2000Hz范圍內(nèi)為1.5%，在2000Hz10000Hz范圍內(nèi)為2.5%，在10000Hz20000Hz范圍內(nèi)為5%。此方法可以同時測量拾 振器的頻率響應。 采用激光干涉儀的絕對校準法設備復雜，操作和環(huán)境要求高，只適合計量單位和測振儀器制造廠使用。,62,二、相對法,相對法此法又稱為背靠背比較校準法。此法

33、是將待校準的傳感器和經(jīng)過國家計量等部門嚴格校準過的傳感器背靠背地（或仔細地并排地）安裝在振動試驗臺上承受相同的振動。將兩個傳感器的輸出進行比較，就可以計算出在該頻率點待校準傳感器 的靈敏度。這時，嚴格校準過的傳感器起著“振動標準傳遞”的作用。通常稱為參考傳感器。,63,第九節(jié)、抑制振動,激發(fā)振動的力源或運動源稱為振源，抑制振源是消除或減小振動的最積極、最徹底的“治本”措施. 1旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡 廣義而言，機械設備中旋轉(zhuǎn)的部件都可稱為“轉(zhuǎn)子”當轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心與其回轉(zhuǎn)軸線不重合，即出現(xiàn)偏心時，就會產(chǎn)生慣性離心力，離心力對設備構(gòu)成諧波激振。如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m(kg)，偏心距為e(mm)，轉(zhuǎn)動的角速度為(rads)那么產(chǎn)生的激振力可表示為：,64,2. 傳動系統(tǒng)的缺陷或誤差 制造不良或安裝不正確的傳動機構(gòu)，如齒輪、蝸輪、絲桿等傳動機構(gòu)，會產(chǎn)生周期性的激振力傳動皮帶的接縫通過皮帶輪或張緊輪時，也會引起周期性的沖擊此外，鏈輪等傳動裝置其工作原理本身就包含傳動的不均勻性，從而會引起周期性的激振力,65,3工作載菏的波動 機器工作載荷的波動會引起各種類型的激振力象沖床、鍛錘一類的設備，其工作載荷是“陡起陡落”的，因而會產(chǎn)生一種“沖擊”激勵；我們知道，每一次沖擊之后會激起一種衰減的自由振動,66,4.