第9章 振動測試

1、安徽理工大學 第八章機械振動的測試1、機械振動定義、機械振動定義物體在一定位置附近所做的周期性往復運動物體在一定位置附近所做的周期性往復運動。2、機械振動產生的物理原因、機械振動產生的物理原因機械在運動時，由于旋轉件的不平衡、負載的不均勻、間隙、潤滑機械在運動時，由于旋轉件的不平衡、負載的不均勻、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，產生各種振動。不良、支撐松動等因素，產生各種振動。3、振動測試的研究內容、振動測試的研究內容p 測量設備運行時的振動參量，了解被測對象的振動狀態(tài)，尋找測量設備運行時的振動參量，了解被測對象的振動狀態(tài)，尋找振源；振源；p 對設備激振，測試其受迫振動，以求得被測對象的動態(tài)性

2、能，對設備激振，測試其受迫振動，以求得被測對象的動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、機械阻抗等。如固有頻率、阻尼、機械阻抗等。第一節(jié)第一節(jié) 機械振動的概念機械振動的概念2.1 振動的分類（1）從產生振動的方式來分：）從產生振動的方式來分： 自由振動：自由振動：僅受初始條件（初始位移、初始速度）僅受初始條件（初始位移、初始速度）激勵而引起的振動；激勵而引起的振動； 受迫振動：受迫振動：系統(tǒng)在持續(xù)外力激勵下的振動。系統(tǒng)在持續(xù)外力激勵下的振動。第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型（2）從振動的規(guī)律來分：）從振動的規(guī)律來分： 簡諧振動簡諧振動 復合周期振動復合周期振動 瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動 隨機振動隨機振動

3、第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型以以無阻尼自由振動的無阻尼自由振動的彈簧振子為例得出普遍結論：彈簧振子為例得出普遍結論：xok微分方程特征微分方程特征 運動學特征運動學特征由由 Fmakx 0 xdtxd222 xxmka2 mk ( (一）一） 簡諧振動簡諧振動第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型加速度加速度22cos()cos()dvaAtAtdt 速速 度度sin()cos()2dxvAtAtdt 2468101214-1-0.50.51vt xa解解 可得可得222dx+ x = 0d t)tcos(Ax 位位 移移振動方程振動方程第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的

4、類型常數常數A和和 的確定的確定002020 xvtgvxA sincos00AvAx cos()sin( t)xAtdxvAdt 說明：說明：(1) 一般來說一般來說 的取值的取值在在-和和(或或0和和2)之之間；間；由初始條件：由初始條件：結論：結論： （1）單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是以正弦或余弦函數表示的，故稱為簡諧振動。（2）自由振動的角頻率即系統(tǒng)的固有頻率僅由系統(tǒng)本身參數確 定，與外界激勵、初始條件無關。（3）自由振動的振幅A和初相角由初始條件所確定。km（二）（二） 復合周期振動復合周期振動 由兩個或兩個以上由兩個或兩個以上頻率之比為有理數頻率之比為有理數的簡諧振動復合而成。的

5、簡諧振動復合而成。第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型（三）（三） 準周期振動準周期振動 由頻率比不全為有理數的簡諧振動疊加而成。由頻率比不全為有理數的簡諧振動疊加而成。第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型（四）（四） 瞬態(tài)振動、沖擊瞬態(tài)振動、沖擊n瞬態(tài)振動：在極短時間內瞬態(tài)振動：在極短時間內僅持續(xù)幾個周期僅持續(xù)幾個周期的振動。的振動。n沖擊是沖擊是單個脈沖單個脈沖。n特點：特點：過程突然發(fā)生，持續(xù)時間短，能量很大。過程突然發(fā)生，持續(xù)時間短，能量很大。通常由零到無限大的所有頻率的諧波分量構成。通常由零到無限大的所有頻率的諧波分量構成。第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型（五）

6、（五） 隨機振動隨機振動 不能用確定的數學式來描述其運動規(guī)律的振動。與一般不能用確定的數學式來描述其運動規(guī)律的振動。與一般的隨機信號處理方法一樣。的隨機信號處理方法一樣。第二節(jié)第二節(jié) 機械振動的類型機械振動的類型2.2 2.2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動1. 1. 由作用在質量塊上的力所引起的受迫振動由作用在質量塊上的力所引起的受迫振動022202( )sin()2sin()nnnf tFtd ydyyYtdtdt外加作用力：00 ,2YFcmk 00n為質量塊上作用有靜力 時的靜位移Y =F /kk=m y(t)=Ysin( t-穩(wěn)態(tài)振動方程-：)0222020002222

7、22022()s i n ()2s i n ()1()4()1()11()4(nnnnnnnnftFtdyd yyYtd td tYFYYMY 00n外 加 干 擾 力 ：為 質 量 塊 上 作 用 有 靜 力時 的 靜 位 移Y= F / k式 中 ：振 幅 Y =2(相 位 差 ： = a r c ty ( t ) = Y s i n (t -a n振 幅 放：-大)因 子2)M的極大值 max21021M21 2arctan此時的稱為位移共振頻率0211()nMM的極大值產生在 ，M與的值為：2/1 20n 相位差21 2n 設基礎的絕對位移為設基礎的絕對位移為x(t)x(t)，質量塊，

8、質量塊m m的絕對位移為的絕對位移為y(t)y(t)，質量塊，質量塊M M對對基礎的相對運動為基礎的相對運動為(y-x)(y-x)。其運動方程為：。其運動方程為：2.2.由基礎運動所引起的受迫振動由基礎運動所引起的受迫振動2.2 2.2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動2222 2232 22()()0()1 () ()()1 () ()nnnnnnd yd yxmck yxdtdt222假設基礎運動x(t)=Xsin t, 則穩(wěn)態(tài)振動的解：y(t)=Ysin( t- )1+4Y振幅放大因子： =X4相位：2arctan4第三節(jié)第三節(jié) 振動的激勵和激振器振動的激勵和激振器 根據第二

9、章的討論，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)的動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)動態(tài)特性的一種試驗方法。 為了完成上述測試任務，測試系統(tǒng)包括下述三個主要部分：v 激勵部分激勵部分 實現對被測系統(tǒng)的激勵（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振器組成。v 拾振部分拾振部分 檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉換成一定的形式（通常為電信號）。它主要由傳感器、放大器組成。v 分析記錄部分分析記錄部分 將拾振部分傳來的信號記錄下來供分析處理并記下處理結果。它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。3.1 3.1 振動的激勵振動的激勵一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方

10、法一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法 激勵信號激勵信號是一個具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號，測是一個具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號，測出激勵大?。ふ窳Υ笮。┖晚憫笮?，便可求出系統(tǒng)在出激勵大小（激振力大小）和響應大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點處的頻率響應的大小。該頻率點處的頻率響應的大小。 激勵系統(tǒng)激勵系統(tǒng)一般由正弦信號發(fā)生器、功率放大器（恒流一般由正弦信號發(fā)生器、功率放大器（恒流輸出）和激振器組成；輸出）和激振器組成； 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計組成。由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計組成。二、瞬態(tài)激勵方法二、瞬態(tài)激勵方法p 激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，激勵信號是一種瞬態(tài)

11、信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內各個頻率成份的能量，一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內各個頻率成份的能量，使系統(tǒng)產生相應頻帶內的頻率響應使系統(tǒng)產生相應頻帶內的頻率響應。p 一種一種快速測試快速測試方法。常在生產現場使用。方法。常在生產現場使用。p 常用的瞬態(tài)激勵方法有常用的瞬態(tài)激勵方法有 快速正弦掃描快速正弦掃描 脈沖錘擊脈沖錘擊 階躍松弛激勵階躍松弛激勵( (一一) )快速正弦掃描快速正弦掃描 正弦激勵信號在所需的頻率范圍內作快速掃描（數秒內完成），即激振信號頻率在掃描周期激振信號頻率在掃描周期T內成線內成線性增加，而幅值保持恒定性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是

12、一根掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達到寬頻帶平坦的曲線，從而能達到寬頻帶激勵的目的。激勵的目的。minmaxmin( )sin2 ()f tFtftffT T：掃描周期 ( (二二) )脈沖錘擊激勵脈沖錘擊激勵 用脈沖錘對被測系統(tǒng)進行敲擊，施加一個脈沖力脈沖力，使之發(fā)生振動。由于脈沖錘擊力在一定頻率范圍內具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵方法。2,T 是所感興趣的頻率上限。三、隨機激勵方法三、隨機激勵方法n純隨機激勵純隨機激勵 理想的純隨機信號是具有高斯分布的白噪聲，理想的純隨機信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個時間歷程上是隨機的，不具有周期性，在頻率域上是一條

13、幾乎平坦的直線。( )( )( )xyxSfH f Sf輸入輸出的互譜與頻率響應輸入輸出的互譜與頻率響應函數成正比。函數成正比。只要測得互譜就可代表頻率只要測得互譜就可代表頻率響應函數。響應函數。n 偽隨機激勵偽隨機激勵v 偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號，它在一個周期內的信偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號，它在一個周期內的信號是純隨機的，但各個周期內的信號是完全相同的。這種方法號是純隨機的，但各個周期內的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點在于的優(yōu)點在于試驗的可重復性試驗的可重復性。v 將白噪聲在將白噪聲在T內截斷，然后按周期內截斷，然后按周期T反復重復，即形成偽隨機信反復重復，即形成偽隨機

14、信號。號。三、隨機激勵方法三、隨機激勵方法3.2 3.2 激振器激振器（一）電動式激振器（一）電動式激振器當當F Fi i以簡諧規(guī)律變化時，則以簡諧規(guī)律變化時，則作用在激振對象上的力作用在激振對象上的力F F也也為同頻率的簡諧力。為同頻率的簡諧力。使用時在頂桿與激振對象之使用時在頂桿與激振對象之間加一個力傳感器，以精確間加一個力傳感器，以精確地測出激振力地測出激振力F(t)F(t)。00( )siniiFnlBI tFnlBIt3.2 3.2 激振器激振器 激振器安裝原則：激振器安裝原則：高頻激振高頻激振低頻激振低頻激振3.2 3.2 激振器激振器（二）電磁式激振器（二）電磁式激振器電磁激振器

15、是非接觸式的，沒有附加質量和剛度的影響，頻率上限約電磁激振器是非接觸式的，沒有附加質量和剛度的影響，頻率上限約為為500-800Hz500-800Hz。激振器是由通入線激振器是由通入線圈中的交變電流產圈中的交變電流產生交變磁場，而被生交變磁場，而被測對象作為銜鐵，測對象作為銜鐵，在交變磁場作用下在交變磁場作用下產生振動產生振動。3.2 3.2 激振器激振器 由于在電磁鐵與銜鐵之間的作用力F(t)只會是吸力，而無斥力，為了形成往復的正弦激勵，應該在其間施加一恒定的吸力F0，然后才能疊加上一個交變的諧波力F(t)，即:3.2 3.2 激振器激振器0( )sinI tIAt0( )( )F tFF

16、t（二）電磁式激振器（二）電磁式激振器2070012410/sinB AFAH mBBBt為導磁體截面積，3.2 3.2 激振器激振器（二）電磁式激振器（二）電磁式激振器（三）（三） 脈沖錘脈沖錘p脈沖錘由錘體、手柄和可以調換的錘頭和配重組成，產生瞬態(tài)激勵力；p錘擊力的大小錘擊力的大小由錘擊質量和錘擊被測系統(tǒng)時的運動速度決定。p激勵的頻率范圍激勵的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限頻率越高。為了能調整激勵頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。2,T 是所感興趣的頻率上限。3.2 3.2 激振器激振器3.2 3.2 激振器激振器第四節(jié)第四節(jié) 測振傳感器測振傳

17、感器p分類：接觸式和非接觸式分類：接觸式和非接觸式p接觸式：按殼體的固定方式分為接觸式：按殼體的固定方式分為p 相對式：相對式：殼體固定在基礎上，測桿和被測對象相聯(lián)，敏感被測對象相對殼體固定在基礎上，測桿和被測對象相聯(lián)，敏感被測對象相對于基座的振動；于基座的振動；p 絕對式：絕對式：殼體固定在被測對象上，彈簧支撐一個慣性體感受振動，又稱殼體固定在被測對象上，彈簧支撐一個慣性體感受振動，又稱為慣性式測振傳感器；為慣性式測振傳感器；p振動測試：對振動測試：對振動位移振動位移、振動速度振動速度、振動加速度振動加速度這些振動量的檢測，這些振動量的檢測，它們反映了振動的強弱程度。它們反映了振動的強弱程度

18、。4.14.1慣性式測振傳感器的力學模型和特性分析（絕對式）（一）力學模型和運動方程式（一）力學模型和運動方程式（二）慣性式位移傳感器的響應條件（二）慣性式位移傳感器的響應條件慣性式位移傳感器的慣性式位移傳感器的輸出位移輸出位移zm反映反映被測振動被測振動的位移量的位移量xm。/3( )1( )180nxA n位移傳感器的上限測量頻率上限測量頻率在理論上是無限的，但實際上受具體儀器結構和元器件特性、后繼放大電路頻響等條件的限制，不能太高。n下限測量頻率下限測量頻率則受彈性元件的強度和質量塊尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。n因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。 （三）慣性式加速度傳感器的響應

19、條件（三）慣性式加速度傳感器的響應條件慣性式加速度傳感器的質量塊慣性式加速度傳感器的質量塊相對位移相對位移Zm與被與被測振動的測振動的加速度加速度成正比，因而可用質量塊的位成正比，因而可用質量塊的位移來反映被測振動的加速度大小。移來反映被測振動的加速度大小。加速度傳感器幅頻特性的表達式加速度傳感器幅頻特性的表達式 :21/31( )20nnnAkHz 常數，很高，可達1. 慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它具有慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它具有零頻零頻率率持性持性, 理論下限測量頻率為零，實際下限測量理論下限測量頻率為零，實際下限測量頻率極低。頻率極低。為使為使 n遠大于被測振動頻率，加速度傳

20、感器的遠大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸、質量可做得很?。ㄐ∮诔叽?、質量可做得很?。ㄐ∮?g），從而對被），從而對被測對象的附加影響也小。測對象的附加影響也小。2. 3. 傳感器的影響：傳感器的影響：tnttmaammmffmmm為傳感器質量固定在被測對象上的慣性式傳感器將作為附加質量使整個系統(tǒng)的振動特性發(fā)生變化。4.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器n當殼體連同基座和被測對象一起運動時，慣性質量塊相對于殼體或基座產生位移，由此位移產生的彈性力加于壓電元件上，在壓電元件的兩個端面上就產生了極性相反的電荷。n 屬于慣性式傳感器屬于慣性式傳感器 其中k1為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；

21、其中ms為慣性質量，mb為殼體或其座的質量。 K為等效剛度，為等效剛度，M為折算質為折算質量量。222212121() ()() /()()nnnsbsbsbsbd xdtzxK Mkkmmm mKkkMm mmm2為被測振動位移壓電式傳感器通常不用阻尼元件，且其元件的內部阻尼也很?。?C+Cf)fyCqeK為放大器的開環(huán)放大倍數靈敏度：質量塊靈敏度：質量塊質量越大，靈敏度越高；質量越大，靈敏度越高； 頻率響應范圍：頻率響應范圍：傳感器的固有頻率越高，則其可測頻率范圍越寬，目前可測的最低頻率達0.1Hz。壓電式加速度計常用的安裝方法：壓電式加速度計常用的安裝方法：安裝狀態(tài)直接影響可測的頻率范圍

22、安裝狀態(tài)直接影響可測的頻率范圍 。一般用粘結法固定的可測頻率不超過5kHz。手持探針法只能用于1Hz以下的近似測量。壓電式加速度傳感器的主要特性壓電式加速度傳感器的主要特性4.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器用螺栓固定是最好的方法，尤其適用于測沖擊波及高頻振動。 4.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式阻抗頭的結構和安裝安裝表面激振平臺4.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器4.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。 對恒磁通磁電式傳感器恒磁通磁電式傳感器而言，工作氣隙中的磁通恒定，感應電勢是由于永久

23、磁鐵與線圈之間有相對運動線圈切割磁力線而產生。這類結構有兩種： （a）動圈式；）動圈式； （b）動鐵式）動鐵式 常用的是動圈式。1彈簧彈簧 2殼體殼體 3阻尼環(huán)阻尼環(huán) 4磁鋼磁鋼 5線圈線圈 6芯軸芯軸要盡量降低n，采用薄片式彈性元件，并配以阻尼環(huán)3加大阻尼，使阻尼比達0.6-0.7，以增加低頻段的測量范圍。810eBNlv1n屬于的受迫振動磁電式絕對速度傳感器4.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器1頂桿頂桿 2彈簧片彈簧片 3磁鋼磁鋼 4線圈線圈 5引出線引出線 6殼體殼體磁電式相對速度傳感器磁電式相對速度傳感器 測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速度；測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速

24、度； 殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接，使傳感器殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接，使傳感器內部線圈與磁鋼產生相對運動，發(fā)出相應的電動勢。內部線圈與磁鋼產生相對運動，發(fā)出相應的電動勢。 4.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器靈敏度：靈敏度：頻率范圍：頻率范圍：下限：下限：10-15Hz，上限：，上限：1000Hz非線性度：非線性度：速度越大，失真越嚴重速度越大，失真越嚴重溫度誤差：溫度誤差：溫度變化引起溫度變化引起B(yǎng)、L、R都會變化，使靈敏都會變化，使靈敏度下降。度下降。810eSBNlv4.3 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器性能指標：4.4 電渦流測振傳感器電渦流測振傳

25、感器4.5 激光測振儀激光測振儀當光程差每變化半個光波波長時，明暗條紋變化一次。設一個振動周當光程差每變化半個光波波長時，明暗條紋變化一次。設一個振動周期內，計得干涉條紋變化數為期內，計得干涉條紋變化數為N，則：，則：428mmNXNX邁邁克克爾爾遜遜干干涉涉儀儀第五節(jié)第五節(jié) 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng) 5.1 振動量的測量振動量的測量 振動量：振動量：通常指反映振動的強弱程度的量，亦即指振動振動位移位移，振動速度振動速度和振動加速度振動加速度的大小。這三者之間存在著確定的微分或積分關系。 究竟測量哪個振動量是振動測量中必須考慮的問題之一。加速度加速度22cos()cos()dvaAtAtdt

26、速速 度度sin()cos()2dxvAtAtdt )cos(tAx位位 移移振動位移、振動速度和振動加速度三者的幅值之間的關系與頻率有關。在低頻振動場合，加速度的幅值不大，宜選用振動位移測量；在中頻振動場合，宜選擇振動速度測量，在高頻振動場合，加速度幅值較大，宜選擇加速度測量。第五節(jié)第五節(jié) 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng)（1）正弦測量系統(tǒng)）正弦測量系統(tǒng)振動量測量通常有以下幾種系統(tǒng)：振動量測量通常有以下幾種系統(tǒng)： 正弦測量系統(tǒng)圖正弦測量系統(tǒng)圖 n 正弦測量系統(tǒng)適用于按簡諧振動規(guī)律的系統(tǒng)。正弦測量系統(tǒng)適用于按簡諧振動規(guī)律的系統(tǒng)。n 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應用正弦測量

27、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。勵力的相位差，以及觀察振動波形的畸變情況。 第五節(jié)第五節(jié) 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng)（2）動態(tài)應變測量系統(tǒng)）動態(tài)應變測量系統(tǒng)動態(tài)應變測量系統(tǒng)將電阻應變片貼在結構的測振點處，或直接制成應變片式動態(tài)應變測量系統(tǒng)將電阻應變片貼在結構的測振點處，或直接制成應變片式位移計或加速度計，安裝在測振點處，將應位移計或加速度計，安裝在測振點處，將應 變片接入電橋，電橋由動態(tài)應變變片接入電橋，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，經放大并轉一電壓，經放大并轉 換成電流，由表頭指示，或由光學示波器、計算機記錄。換成電流，由表頭指示，或由光學示波器、計算機記錄。 圖圖8.23 動態(tài)應變測量系統(tǒng)的組成動態(tài)應變測量系統(tǒng)的組成第五節(jié)第五節(jié) 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng) 模擬量頻譜分析系統(tǒng)模擬量頻譜分析系統(tǒng) 傳感器經微/積分放大器后，進入模擬量頻譜分析儀。模擬式頻譜分析儀，由跟蹤濾波器或一系列窄帶帶通濾波器構成，隨著濾波器中心頻率的變化，信號中