振動測量原理課件

1、振動測量原理,第5章 振動測量技術(shù),5.1 振動和振動測量系統(tǒng) 5.2 振動參量的測量 5.3 機械阻抗測量 5.4 振動信號的頻譜分析,振動測量原理,振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設(shè)備的精度，壽命和可靠性都會產(chǎn)生影響。當然，振動也有可以被利用的一面，如輸送、清洗、磨削、監(jiān)測等。 無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值。 隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種儀器設(shè)備提出了低振級和低噪聲的要求，以及對主要生產(chǎn)過程或重要設(shè)備進行監(jiān)測、診斷，對工作環(huán)境進行控制等等。這些都離不開振動的測量。,振動測量原理,5.1 振動和振動測量系統(tǒng) 5.1.

2、1 振動信號分類 振動信號按時間歷程的分類如圖5.1所示，即將振動分為確定性振動和隨機振動兩大類。 確定性振動可分為周期性振動和非周期性振動。周期性振動包括簡諧振動和復(fù)雜周期振動。非周期性振動包括準周期振動和瞬態(tài)振動。準周期振動由一些不同頻率的簡諧振動合成，在這些不同頻率的簡諧分量中，總會有一個分量與另一個分量的頻率之比值為無理數(shù)，因而是非周期振動。,振動測量原理,隨機振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性。可分為平穩(wěn)隨機振動和非平穩(wěn)隨機振動。平穩(wěn)隨機振動又包括各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機振動和非各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機振動。 一般來說，儀器設(shè)備的振動信號中既包含有確定性的振動，又包含有隨機振動，但

3、對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術(shù)化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。,振動測量原理,圖5.1 振動信號的分類,振動測量原理,5.1.2 振動測量系統(tǒng) 1.振動測量方法分類 振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機械法和光學(xué)法。 其簡單原理和優(yōu)缺點見表5.1。,振動測量原理,表5.1 振動測量方法分類,振動測量原理,2. 電測法振動測量系統(tǒng) 圖5.2 振動測量系統(tǒng)的一般組成框圖,振動測量原理,由于振動的復(fù)雜性，加上測量現(xiàn)場復(fù)雜，在用電測法進行振動量測量時，其測量系統(tǒng)是多種多樣的。圖5.2所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振

4、動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。 下面分別就這些組成環(huán)節(jié)作一簡單介紹。 (1) 測振傳感器 拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。,振動測量原理,根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運動所引起的。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)量塊的運動方程為: （5.1）,振動測量原理,圖5.3 由載體運動引起的振動響應(yīng),振動測量原理,質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為: （5.2） 則上

5、式可改寫成: （5.3） 設(shè)載體的運作為諧振動，即: 則式（5.3）可寫成: （5.4）,振動測量原理,考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性： (1)z01相對于載體的振動位移z1 ，此時相當于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.5） （5.6） 其幅頻特性曲線曲線如圖5.4所示。,振動測量原理,圖5.4 由載體運動引起的位移響應(yīng),振動測量原理,(2)z01相對于載體振動速度 ，此時相當于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.7） (5.8) 其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5-6和圖 5-5所示。,振動測量原理,圖 5.6由載體運動引起

6、的速度響應(yīng)圖 5.7由載體運動引起的加速度響應(yīng),振動測量原理,(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.9） (5.10) 其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5.7和 圖5.5所示。,振動測量原理,從圖5.4圖5.7可以看出： 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)。 對于加速度計來說，其工作條件為1，即工作在亞諧振區(qū)。 對于速度計來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。,振動測量原理,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

7、計而言，當取值在0.60.8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。,振動測量原理,(2) 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。表5.3列舉了部分常用的激振器。,振動測量原理,表5.3 部分常用的激振設(shè)備,振動測量原理,(3) 振動分析儀器 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需經(jīng)過適當

8、的分析處理，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、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測量較常用的分析設(shè)備。振動信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動掃描就可完成所需頻帶的頻譜分析。,振動測量原理,3.FFT分析儀 隨著計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)學(xué)技術(shù)處理振動測量信號的方式已廣泛被采用。以微處理器為核心和以快速傅里葉變換（FFT）算法為基礎(chǔ)的數(shù)字分析儀，精度高、動態(tài)范圍大、功能多、性能穩(wěn)定

9、、抗干擾能力強。 4.虛擬頻譜分析儀 虛擬儀器的核心是具備各種功能的軟件系統(tǒng)，通常包括計算機圖形軟件，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測量結(jié)果的測試系統(tǒng)軟件等。當然也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計算機與儀器硬件相連的總線結(jié)構(gòu)等。和傳統(tǒng)的FFT分析儀相比，具有頻譜分析功能的虛擬儀器可以更加靈活地選擇窗口，采樣速率和頻譜二進制數(shù)，且價格低，技術(shù)更新快，具有靈活的開放功能等。,振動測量原理,5.2 振動參量的測量 振動參量是指振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。 1. 振幅的測量 振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、峰峰值、有效值和平均絕對值來表示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是

10、正峰值到負峰值之間的距離。,振動測量原理,在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。有效值和平均絕對值分別定義為: Z有效 = Zrms = （5.11） Z平均 = Z = （5.12） 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關(guān)系為: (5.13) 式中，Zf 為振動峰值。,振動測量原理,2. 諧振動頻率的測量 諧振動的頻率是單一頻率，測量方法分直接法和比較法兩種。 直接法是將拾振器的輸出信號送到各種頻率計或頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。,振動測量原理,在缺少直接測量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測得頻率。常用的比較法有錄波比較法和李沙育圖形法。 錄波比較法是

11、將被測振動信號和時標信號一起送入示波器或記錄儀中同時顯示，根據(jù)它們在波形圖上的周期或頻率比，算出振動信號的周期或頻率。 李沙育圖形法則是將被測信號和由信號發(fā)生器發(fā)出的標準頻率正弦波信號分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據(jù)熒火屏上呈現(xiàn)出的李沙育圖形來判斷被測信號的頻率。,振動測量原理,3. 相位角的測量 相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意義。測定同頻兩個振動之間的相位差也常用直讀法和比較法。 直讀法是利用各種相位計直接測定。 比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。錄波比較法利用記錄在同一坐標紙上的被測信號與參考信號之間的時間差求出相位差； （5.14） 李沙育圖測相位法則是根據(jù)被測信號與同

12、頻的標準信號之間的李沙育圖形來判別相位差。,振動測量原理,5.3 機械阻抗測量 振動測量從本質(zhì)上說屬動態(tài)測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應(yīng)信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激勵和響應(yīng)信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動測量是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。,振動測量原理,(1)機械阻抗與機械導(dǎo)納 機械阻抗與機械導(dǎo)納的一般定義為: (Z)= （5.23） (M)= = (5.24),振動測量原理,機械系統(tǒng)的激勵一般是力，系統(tǒng)的響應(yīng)可用位移、速度和加速度來表達，故機械阻抗和機械導(dǎo)納又各有三種形式。位移阻

13、抗又稱為動剛度，位移導(dǎo)納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速度導(dǎo)納簡稱導(dǎo)納，加速度阻抗又稱為視在質(zhì)量，加速度導(dǎo)納又稱為機械慣性。 機械阻抗是復(fù)量，可寫成幅值、相角、或?qū)嵅?、虛部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。,振動測量原理,在評價結(jié)構(gòu)抗振能力時常用動剛度，在共振區(qū)動剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動對人體感受影響時，常用速度阻抗；在分析振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷時，常用機械慣性；在分析車廂等振動、噪聲時則常用速度導(dǎo)納。 機械阻抗測試是在結(jié)構(gòu)上施加激振力，同時測量力和響應(yīng)，所得機械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質(zhì)無關(guān)。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨

14、機激勵測試和瞬態(tài)激勵測試三種。,振動測量原理,(2)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 穩(wěn)態(tài)正弦激勵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方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激勵。 單點激勵就是采用一個激振器，對結(jié)構(gòu)上某一點進行激勵。 多點激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進行激勵。,振動測量原理,圖5.11是對某被測試件進行單點穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試的原理框圖。被測試件按實際工作條件固定。在其上選擇激勵點和測量點，激勵點和測量點應(yīng)避開各階模態(tài)的節(jié)點或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個柔性桿連接（以減小激振器對試件非激勵方向的附加剛度約束）。信號器輸出單一頻

15、率的正弦信號經(jīng)功率放大器推動激振器，使試件產(chǎn)生受迫振動。振動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進行分析運算，結(jié)果由記錄儀或打印機輸出。,振動測量原理,圖5.11 穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖,振動測量原理,阻抗頭是一個高精度、由力傳感器和加速度計同軸安裝構(gòu)成的傳感器，如圖5.12所示。它裝在激振器頂桿和試件之間，前端是力傳感器，后面為測量激振點響應(yīng)的加速度計。在構(gòu)造上應(yīng)使兩者盡量接近，質(zhì)量塊為鎢合金制成，殼體用鈦制造。為了使力傳感器的激振平臺具有剛度大、質(zhì)量小的性能，采用鈹來制造。 分析儀器的作用是對激勵及響應(yīng)信號進行采樣、變換、運算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?/p>

16、、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵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。,振動測量原理,圖5.12阻抗頭 1力敏壓電片；2加速度信號輸出； 3安裝面；4外殼；5質(zhì)量塊；6-加速度敏壓電片；7力信號輸出； 8硅橡膠密封圈；9驅(qū)動端面,振動測量原理,(3)瞬態(tài)激勵測試,圖5.13 脈沖錘擊法測試原理框圖,振動測量原理,目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，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或位移傳感器測量響應(yīng)，將力及響應(yīng)信號同時送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測試原理如圖5.13所示。 脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如

17、圖5.14所示。它由錘頭、測力計、附加質(zhì)量和錘柄四部分組成。錘頭裝在測力計上，敲擊時直接與試件接觸。 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5.4。,振動測量原理,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大小。,圖5.14脈沖錘結(jié)構(gòu),振動測量原理,表5.4 常用錘頭材料及使用范圍,振動測量原理,(4)隨機激振 隨機激振一般

18、用白噪聲或偽隨機信號發(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)的隨機信號，其自相關(guān)函數(shù)也是在=0處形成陡峭的峰，只要稍偏離零，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。當白噪聲信號通過功率放大器控制激振器時，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)的隨機振動。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)。,振動測量原理,5.4 振動信號的頻譜分析 在振動測量中，由測振傳感器接收的信號通常是復(fù)雜的時間函數(shù)。利用信號處理技術(shù)，通過傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號加以分析的方法就稱為頻譜分析。頻譜分析技術(shù)包括幅值譜分析、自功率譜密度函數(shù)分析、互功率譜密度函數(shù)分析、相干函數(shù)分析、倒頻譜分析等。振動信號經(jīng)過頻譜分析，可以求得信號的頻率成分和結(jié)構(gòu)，并進而分析系統(tǒng)的傳遞特性；通過頻譜分析，還可以對被測對象進行振動監(jiān)測和故障診斷。,振動測量原理,圖5.15