振動(dòng)測(cè)試技術(shù)學(xué)習(xí)資料全

1、一、 簡(jiǎn)諧振動(dòng)有時(shí)域測(cè)試參數(shù) 簡(jiǎn)諧振動(dòng)中常用的參數(shù)為位移、速度、加速度、激振力、振幅和振動(dòng)頻率，其 中前五個(gè)參數(shù)屬于時(shí)域測(cè)試參數(shù)。、 振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析的任務(wù) 振動(dòng)測(cè)試及信號(hào)分析主要有以下五個(gè)方面的任務(wù)：1）驗(yàn)證振動(dòng)理論和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也被稱為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或工程振動(dòng)測(cè)試中的正問題。2）為改進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3）查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律， 以便采取措施來減少或控制振動(dòng)4）檢測(cè)診斷設(shè)備故障。5）振動(dòng)控制。三、壓電式、渦流式及磁電式傳感器的機(jī)電變化原理。1、壓電式傳感器的機(jī)電變換原理 某些晶體（如人工極化瓷、壓電石英晶體等）在一定的方向的外力 作用下或承受變形時(shí)， 它的晶體面或

2、極化面上將有電荷產(chǎn)生。 這種從機(jī)械 能（力或變形）到電能（電荷或電場(chǎng)）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能 （電場(chǎng)或電壓）到機(jī)械能（變形或力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。因此利用 晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測(cè)力傳感器。在振動(dòng)測(cè)量中，由于 F=ma,所以 壓電式傳感器是加速度傳感器。2、電渦流傳感器的機(jī)電變換原理 電渦流傳感器是一種相對(duì)式的非接觸傳感器， 它是通過傳感器端部與被測(cè)物體 之間的距離變化來測(cè)量物體的振動(dòng)位移或幅值的， 主要應(yīng)用于靜位移的測(cè)量、 振 動(dòng)位移的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量。3、電動(dòng)式（磁電式）傳感器的機(jī)電變換原理 電動(dòng)式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力

3、 線時(shí)，導(dǎo)體兩端就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)， 因此利用這一原理而產(chǎn)生的傳感器稱之為電動(dòng) 式（磁電式）傳感器。它實(shí)際上是速度傳感器。四、選擇振動(dòng)傳感器的原則 選擇拾振器類型時(shí)，要根據(jù)測(cè)試的要求（如要求測(cè)位移、或測(cè)速度、加速度、 力等）及被測(cè)物體的振動(dòng)特性（如待測(cè)的頻率圍，估計(jì)的振幅圍等） ，應(yīng)用環(huán)境 情況（如環(huán)境溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾情況等）結(jié)合各類拾振器本身的各項(xiàng)特性 指標(biāo)來考慮。下列情況可用位移拾振器：（1）位移幅值特別重要時(shí) （例如， 不允許某振動(dòng)部件在振動(dòng)時(shí)碰到別的物體， 即要求振幅時(shí)）。（2）測(cè)量位移幅值的場(chǎng)合，正好就是要分析應(yīng)力的場(chǎng)合。（3）低頻振動(dòng)。此時(shí)速度、 加速度數(shù)值太小不便于采用速度或加

4、速度計(jì)測(cè)量。 下列情況下，可采用速度型拾振器：（1）位移的幅度太小，不便于測(cè)量中頻段。（2）在與聲音有關(guān)的振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用，因?yàn)檎駝?dòng)部件在空氣中產(chǎn)生的聲壓正 比于振動(dòng)的速度。下列情況下，可采用加速度型拾振器：（1）高頻振動(dòng)。（2）量測(cè)那種對(duì)力、載荷或應(yīng)力要做分析的部位時(shí)，因?yàn)榱φ扔诩铀俣?。?）量測(cè)空間受限制，不允許傳感器體積大，重要大的場(chǎng)合，采用壓電加速度 為佳。五、測(cè)振放大器選擇及使用條件1、當(dāng)選用壓電加速度計(jì)做為拾振器時(shí)， 它要求二次儀表的輸入阻抗必須是高 阻抗，才能把壓電加速度計(jì)由于振動(dòng)而產(chǎn)生的電荷量測(cè)量出來， 否則此電荷將通 過測(cè)量電路的低輸入電阻釋放掉， 以至無法測(cè)量， 而一般的指

5、示， 記錄設(shè)備的輸 入阻抗較低，為此，必須在壓電加速計(jì)與記錄器之間，加入一前置放大器，它的 作用是把加速度計(jì)的高輸出阻抗， 轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗， 以便與一般的測(cè)量?jī)x器的 低輸入阻抗向匹配， 同時(shí)也把加速度計(jì)輸出信號(hào)加以放大。 電荷放大器以及前置 電壓放大器 （又稱阻抗變換器） 就是為壓電加速度計(jì)所配用的前置放大器， 這兩 者的主要差別在與使用前置電壓放大器時(shí)， 整個(gè)系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)和前置放大器的 導(dǎo)線電容的變化非常靈敏，因此，實(shí)際測(cè)量中，導(dǎo)線不能更換，一般其長(zhǎng)度不超 過 2 米，所以前置電壓放大器必須在拾振器附近； 而配用電荷放大器時(shí)， 導(dǎo)線的 影響可以忽略不計(jì)算， 使用導(dǎo)線的長(zhǎng)度甚至可以達(dá)到上千

6、米。 當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)附近不 允許放置儀器時(shí)，最好選用電荷放大器，前置電壓放大器（阻抗變換器）一般的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是起阻抗變換作用，對(duì)訊號(hào)無放大作用，所以在前置放大器后，應(yīng) 在配接一般的測(cè)量放大器，如微積分放大器等。2、采用磁電式速度傳感器做拾振時(shí)， 其輸出電壓與被測(cè)振動(dòng)速度成正比， 經(jīng)積 分可得到被測(cè)振動(dòng)體的位移， 經(jīng)過積分就可以得到加速度。 因此，速度型拾振器 需配積分放大器， 從而可以測(cè)量振動(dòng)物體的位移， 速度和加速度。 由于磁電式速 度拾振器因?yàn)檩斎氲男盘?hào)大， 輸出的阻抗低， 所以不需要做阻抗變換就可以通過 放大器指示儀來讀數(shù)如 CD 1 型的速度傳感器，可以通過 GZI 或 GZ2 型測(cè)振

7、儀 （微積分放大器）由表頭指示出振動(dòng)物體的位移、速度及加速度。被測(cè)的頻率越高， 積分的效果越好； 被測(cè)得頻率越低， 其微分的效果越好、 但積分和微分的效果越好， 則其輸出的信號(hào)也越小， 因此，在高頻小幅度測(cè)量時(shí)， 為了保證振動(dòng)小幅值測(cè)量的精度， 有時(shí)將速度型拾振器的輸出不經(jīng)過微積分網(wǎng)絡(luò) 而直接的線性放大， 這樣先測(cè)出振動(dòng)速度后， 在利用速度和位移及加速度的關(guān)系 來求出振動(dòng)的位移和加速度來，這樣可以提高測(cè)量的精度。3、對(duì)于電阻式（應(yīng)變式）、電感式和電容式拾振器配用的放大器，多數(shù)采 用載波放大的形式。 振動(dòng)測(cè)量常采用的載波放大器有電阻應(yīng)變儀、 差動(dòng)變壓放大 器簽頻放大器等類型。 常見的電阻應(yīng)變儀和

8、差動(dòng)變壓放大器屬于調(diào)幅式、 簽頻放 大器屬于調(diào)頻式，調(diào)相式則較少采用。六、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的原理如圖 1 所示圖 1 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的原理方框圖 由應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，其載波電壓 u1由振蕩器供給。在應(yīng)變片感受應(yīng)變信號(hào) 后，測(cè)量電橋輸出一個(gè)調(diào)幅交流電壓 u ，經(jīng)過交流放大器放大后的電壓為 us ， 由相敏檢波器檢波后的電壓信號(hào)為 u ，在經(jīng)過低通濾波器濾去高次諧波，得到 與原應(yīng)變信號(hào)相似的電壓 u 或是電流波形 i ，再由記錄器記錄下來。直流穩(wěn)壓 電源供給放大器和振蕩器直流工作電壓七、電動(dòng)力式激振器的工作原理及主要性能特點(diǎn)。 電磁式激振器是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并將其傳遞給

9、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種儀器。其 結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 2 示。圖 2 電磁式激振器原理電磁式激振器由磁電路系統(tǒng) （包括勵(lì)磁線圈、 中心磁極、 磁極板）與動(dòng)圈、彈簧、 頂桿、外殼等組成。電磁式激振器工作原理如下。在勵(lì)磁線圈中輸入直流電流，使中心磁極在磁極板的空氣氣隙中形成一個(gè)強(qiáng) 大的磁場(chǎng)；同時(shí)再給動(dòng)圈輸入一個(gè)交變電流 I e ，電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁 感應(yīng)力 F。力 F使頂桿做上下運(yùn)動(dòng)， 由頂桿傳給試件的激振力是電磁感應(yīng)力 F 和 可動(dòng)部分的慣性力、 彈性力、 阻尼力等的合力。 但由于激振器的可動(dòng)部分質(zhì)量很 小，彈簧較軟，所以在一般情況下，其慣性力、彈性力和阻尼力可以忽略。當(dāng)輸 入動(dòng)圈的電流 I e

10、以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化時(shí)，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以簡(jiǎn) 諧規(guī)律變化。與電磁式激振器配套使用的儀器還有信號(hào)放大器、 功率放大器和直流穩(wěn)壓電 源。電磁式激振器的優(yōu)點(diǎn)是能獲得較寬頻帶（從零赫茲到一萬赫茲）的激振力， 即產(chǎn)生激振力的頻率圍較寬。 而可動(dòng)部分質(zhì)量較小， 從而對(duì)被測(cè)量物體的附加質(zhì) 量和附加剛度較小，使用也很方便。因此，應(yīng)用比較廣泛，但這種激振器的缺點(diǎn) 是不能產(chǎn)生太大的激振力。 電磁式激振器主要有三種安裝的方式： （ 1）激振器固 定安裝式（ 2）彈簧懸掛安裝方式（ 3）彈性安裝方式八、簡(jiǎn)諧振動(dòng)基本參數(shù)（頻率、固有頻率、振幅、相位、阻尼）的幾種測(cè)量方 法及原理。1、簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量（1）薩

11、如圖形比較法。利用示波器、信號(hào)發(fā)生器以及常用的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試設(shè)備所組成的測(cè)試系 統(tǒng)，來測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)頻率，稱之為薩如圖形比較法。運(yùn)動(dòng)方向相互垂 直的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，稱之為薩如（ Lissajous）圖形。使用薩 如圖形法測(cè)量振動(dòng)頻率的測(cè)量系統(tǒng)如圖 3 所示，它是把被測(cè)信號(hào)送入陰極射線示波器的垂直偏轉(zhuǎn)軸 Y ，而把已知頻率的比較電壓信號(hào)（由信號(hào)發(fā)生器 提供）送入水平偏轉(zhuǎn)軸 X ，這時(shí)在電子示波器的顯示屏上將形成薩如圖形。圖3 薩如圖形測(cè)頻的實(shí)驗(yàn)框圖（2）錄波比較法。 這種方法是將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)標(biāo)信號(hào)（一般為等間距的時(shí)間脈沖信號(hào)）一 起送入光線示波器中，然后根據(jù)記錄紙上的振動(dòng)波形和

12、時(shí)標(biāo)信號(hào)兩 者之間的周期比測(cè)定被測(cè)振動(dòng)波形的頻率。如圖 4 所示為這種記錄圖像，若 測(cè)出 被測(cè)信號(hào) 在周 期 T 長(zhǎng)度中的 時(shí)標(biāo)脈動(dòng) 數(shù) n，則 被測(cè) 信號(hào) 頻率1 11 1f 1 11 f 0 式 中， f 0 1 為 時(shí)標(biāo) 信號(hào)的頻率， 一般 選取T nT 0 n 0 0 T0n=510，便可得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。此法順便還可以利用振動(dòng)信號(hào)的波形，直 接讀出振動(dòng)的振幅值 A 。圖 4 錄波比較測(cè)頻方法（3）直接測(cè)量法。它是使用頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)定簡(jiǎn)諧波形電壓信號(hào)的頻率或周期的一種方法。 頻 率計(jì)數(shù)器有指針式和數(shù)字式兩種， 其中數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度較高， 它是 目前普遍采用的測(cè)頻儀器。一般來

13、說，此類儀器由三部分組成：計(jì)數(shù)部分、時(shí)基 信號(hào)發(fā)生器和顯示部分。其測(cè)頻原理如圖 5 所示。圖 5 數(shù)字式計(jì)數(shù)器的測(cè)頻原理方框圖2、簡(jiǎn)諧振動(dòng)固有頻率頻率的測(cè)量（1）自由振動(dòng)法。用自由振動(dòng)法測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，一般都是測(cè)量此系 統(tǒng)的最低階固有頻率， 因?yàn)檩^高階自由振動(dòng)衰減較快， 幾乎在振動(dòng)波形圖中無法 看到。通常為了讓機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)，一般采取兩個(gè)途徑：初位移法（如圖6）和敲擊法（如圖 7 示）。圖 6 初位移法示意圖 圖 7 敲擊法示意圖 （2）強(qiáng)迫振動(dòng)法。它實(shí)質(zhì)上就是利用共振的特點(diǎn)（共振時(shí)振幅最大）來測(cè)量機(jī) 械系統(tǒng)的固有頻率， 因此這種方法也叫共振法。 在振動(dòng)測(cè)量中， 產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的

14、方法很多，主要有以下幾種：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法（如圖 8 示）。調(diào)節(jié)干擾頻率的方法。 包括用電磁激振器激振和將整個(gè)機(jī)械系統(tǒng) （實(shí)物或模 型）安裝在在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上（如圖 9 示）。圖8 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法示意圖 圖9 調(diào)節(jié)干擾力頻率法示意圖3、簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值的測(cè)量對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)來說， 只要能夠測(cè)出位移、 速度和加速度的幅值中的任何一個(gè)， 就能 夠很容易的計(jì)算出其他兩個(gè)。 因此， 可以分別用壓電加速度傳感器、 磁電式傳感 器等測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量， 只要選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋?從電壓表或在示波器中就可以讀出其 振動(dòng)的幅值。下面是幾種常用的方法：（1） 指針式電壓表直讀法。（ 2） 數(shù)字式電壓表直讀法。（3）光學(xué)法。包括用讀數(shù)顯微鏡

15、觀察法（如圖 10 示）和楔形觀察法（如圖11 示）。圖 10 讀數(shù)顯微鏡觀察法4、同頻率簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量（1）示波器測(cè)量法。用電子示波器測(cè)量相位差，常用的是線性掃描法和橢圓 法。（2）相位直接測(cè)量法。 相位計(jì)的基本原理與雙線示波器直接比較法是相同的， 他根據(jù)通道 A的信號(hào)正向過零時(shí)與通道 B的信號(hào)正向過零時(shí)的時(shí)間差及信號(hào)周期來計(jì)算相位差。5、簡(jiǎn)諧振動(dòng)阻尼的測(cè)量由簡(jiǎn)諧振動(dòng)系數(shù)的阻尼系數(shù)或阻尼比可以導(dǎo)出衰減系數(shù)， 因此，可根據(jù)衰減系數(shù) 求得系統(tǒng)阻尼。 根據(jù)衰減系數(shù)和機(jī)械振動(dòng)基本參量的不同關(guān)系， 大致可分為三種 測(cè)量方法：振動(dòng)波形如圖 12 所示。由 n（1） 用振動(dòng)波形圖測(cè)定機(jī)械系數(shù)的衰減系

16、數(shù)。d ln x1 ，測(cè)量衰減系數(shù) n 的問題可以轉(zhuǎn)化為測(cè)量振動(dòng)頻率 f d 和振幅 x1、 xi 1的問題2） 用共振頻率測(cè)定機(jī)械系數(shù)的衰減系數(shù)。2 2 2 f 2 2 其基本公式是 n 2 (f v2 f 2x) 和n ff v ( f 2a f v2) a九、應(yīng)用窗函數(shù)和采樣定理的作用1、數(shù)字信號(hào)分析對(duì)有限時(shí)間長(zhǎng)度 T 的離散時(shí)間序列進(jìn)行離散傅里葉變換 （DFT）運(yùn)算，這意味著首先要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行截?cái)唷＿@種截?cái)鄬?dǎo)致頻率分析 出現(xiàn)誤差，其效果是使得本來集中于某一頻率的功率（或能量） ，部分被分散到 該頻率的臨近的頻率，這種現(xiàn)象稱為“泄露”效應(yīng)。以余弦信號(hào) x（t） Acos2 f 0t

17、為例說明截?cái)嗲昂蟮念l譜變化的泄露效應(yīng)。 設(shè)有限時(shí)間長(zhǎng)度 T 的離散時(shí)間序列信號(hào)被截?cái)啵?相當(dāng)于原來的余弦信號(hào)乘以矩形 函數(shù)，如圖 14 所示。無限長(zhǎng)度的余弦信號(hào)具有一個(gè)單一的頻率成分，其單邊譜 是在 f 處的單根分布的離散的譜線，而矩形函數(shù)的頻率是包含一個(gè)主瓣和許多 0旁瓣的連續(xù)譜。 時(shí)域中余弦信號(hào)乘以矩形窗函數(shù)， 在頻域中的頻譜就等于原信號(hào) 的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積， 卷積的結(jié)果將導(dǎo)致截?cái)嗟男盘?hào)頻譜由原來的離散譜 變?yōu)樵?f 處有一主瓣，兩旁各有許多旁瓣的連續(xù)譜。這就是說，原來集中在頻0譜 f 的功率，泄露到了 f 鄰近的很寬的頻帶上。 00為了抑制“泄露”，需要采用特種窗函數(shù)來代替矩形窗函

18、數(shù)。這一過程，稱 為窗函數(shù)處理， 或者叫加窗。 加窗的目的， 是使在時(shí)域上截?cái)嘈盘?hào)兩端的波形有 突變變?yōu)槠交?，在頻域上盡量壓低旁瓣的高度。圖 14 余弦信號(hào)被矩形窗截?cái)嘈纬傻男孤?在數(shù)字信號(hào)處理中常用的窗函數(shù)有四種：矩形( Rectangular )窗、漢寧( Hanning)窗、凱塞 - 貝塞爾( kaiser-bessel )窗、平頂( Rectangular )窗。2、采樣就是將連續(xù)模擬信號(hào)變換成離散數(shù)字信號(hào)的過程。離散后的信號(hào)能 唯一的確定原連續(xù)信號(hào)，并要求離散信號(hào)通過 D/A 裝換后能恢復(fù)成原連續(xù)信號(hào)。 由于離散信號(hào)是從連續(xù)信號(hào)上取出的一部分值， 于連續(xù)信號(hào)的關(guān)系是局部和整體 的關(guān)系

19、，一般來說是不可能唯一確定連續(xù)信號(hào)的。 只有在滿足一定的條件下， 離 散信號(hào)才可按一定的方式恢復(fù)出原來的連續(xù)信號(hào)。 這個(gè)條件就是采樣定理： 采樣 頻率 f 必須 大于 被分析 信號(hào)成分中最 高頻率 f 值的 兩倍 以上 ，即 sm2 f m 離散信號(hào)才能在一定程度上代表原信號(hào)。其中t 是采樣時(shí)間間mf s 1t隔。否則將產(chǎn)生如圖 15 所示的高、低頻混淆現(xiàn)象，即高頻信號(hào)經(jīng)采樣后只出現(xiàn) 低頻信號(hào)，采樣信號(hào)無法還原為原信。圖 15 高、低頻混淆現(xiàn)象十、振動(dòng)數(shù)字信號(hào)采集處理系統(tǒng)。一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介信號(hào)采集和處理系統(tǒng)是由微型計(jì)算機(jī)(臺(tái)式、便攜式) 、數(shù)據(jù)采集器和較 大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和分析軟件以及抗混濾波器組成，如圖 16 所示。圖 16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖1、硬件的一般性能： （1）最高采用的頻率可達(dá)到 1MHZ；（ 2）并行無時(shí)差的 采樣通道一般為 16路或32路；（3）采樣精度為 12位和 16位；（4）量程 一般為 -5V-+5V。2、軟件的一般性能：（1）數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、程控放大和示波； （ 2）數(shù)據(jù)的時(shí) 域分析；（3）數(shù)據(jù)的頻域分析；（4）數(shù)據(jù)的相關(guān)分析；（5）振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模 態(tài)分析。二、數(shù)據(jù)采集處理軟件的介紹 以某一數(shù)據(jù)采集處理軟件