機械工程測試技術(shù)課件

1、青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量第八章第八章 振動的測量振動的測量 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 機械振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的機械振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。物理現(xiàn)象。 振動測量的方法振動測量的方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為機械法、可分為機械法、光學(xué)法和電測法。光學(xué)法和電測法。 機械振動的利、弊兩面性。如振動的動載荷使機器加快機械振動的利、弊兩面性。如振動的動載荷使機器加快失效、甚至造成事故；由振動直接或間接地產(chǎn)生噪聲，影響環(huán)失效、甚至造成事故；由振動直接或間接地產(chǎn)生噪聲，影響環(huán)境和人的健康。

2、利用振動夯實、搗固、清洗等。境和人的健康。利用振動夯實、搗固、清洗等。 計算機技術(shù)極大地促進了振動理論研究和分析的發(fā)展。計算機技術(shù)極大地促進了振動理論研究和分析的發(fā)展。 1 1）機械法：機械法：利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄。利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄。優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，不需要電源和光源，且不受各種干擾等。結(jié)構(gòu)簡單，不需要電源和光源，且不受各種干擾等。缺點：缺點：體體積大、靈敏度低、使用頻率范圍窄等。已逐漸被電測法取代。積大、靈敏度低、使用頻率范圍窄等。已逐漸被電測法取代。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 2 2）光測法：光測法：將機械

3、振動轉(zhuǎn)換為將機械振動轉(zhuǎn)換為光信息光信息再進行測量。再進行測量。 如：如：讀數(shù)顯微鏡測振、激光干涉測振等。其中，激光干涉測讀數(shù)顯微鏡測振、激光干涉測振等。其中，激光干涉測振有極高的精度和靈敏度（可測微米級以下的微振動振有極高的精度和靈敏度（可測微米級以下的微振動) )。但光測。但光測法比較復(fù)雜，系統(tǒng)嬌貴。法比較復(fù)雜，系統(tǒng)嬌貴。光纖技術(shù)光纖技術(shù)的快速發(fā)展極大促進了光測的快速發(fā)展極大促進了光測法的進步。法的進步。 3 3）電測法：電測法：將機械振動轉(zhuǎn)換為將機械振動轉(zhuǎn)換為電量電量再進行測量。它是一種實再進行測量。它是一種實用的振動與沖擊測量手段。用的振動與沖擊測量手段。 較寬的使用頻率范圍、較高的靈敏

4、度和較大的動態(tài)范圍，較寬的使用頻率范圍、較高的靈敏度和較大的動態(tài)范圍，也可適應(yīng)持續(xù)時間極短的沖擊過程測量。也可適應(yīng)持續(xù)時間極短的沖擊過程測量。 機電轉(zhuǎn)換用的傳感器類型多。機電轉(zhuǎn)換用的傳感器類型多。 易于實現(xiàn)多點同時測量和遠(yuǎn)距離遙測。易于實現(xiàn)多點同時測量和遠(yuǎn)距離遙測。電測法的明顯優(yōu)點：電測法的明顯優(yōu)點：青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量2 2、根據(jù)、根據(jù)參數(shù)變換原理參數(shù)變換原理分類分類一、測振傳感器分類及工作原理一、測振傳感器分類及工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 測振傳感器測振傳感器 測振用傳感器又稱測振用傳感器又稱拾振器拾振器，是感受物體振動并將其轉(zhuǎn)換成電，是感

5、受物體振動并將其轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感元件。信號的一種傳感元件。1 1、根據(jù)被測、根據(jù)被測振動參數(shù)振動參數(shù)分類分類位移位移傳感器傳感器速度速度傳感器傳感器加速度加速度傳感器傳感器三者之間保持簡單的微積分關(guān)系，三者之間保持簡單的微積分關(guān)系，許許多測振儀器中，帶有簡單的多測振儀器中，帶有簡單的微積分微積分電電路，路，可根據(jù)需進行三者間的切換?？筛鶕?jù)需進行三者間的切換。磁電式磁電式壓電式壓電式電感式電感式電容式電容式電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式光學(xué)式光學(xué)式青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量3 3、根據(jù)傳感器與被測物體的關(guān)系分類、根據(jù)傳感器與被測物體的關(guān)系分類對于接觸式

6、，根據(jù)對于接觸式，根據(jù)測量參考坐標(biāo)測量參考坐標(biāo)的不同，測振的不同，測振傳感器又可分為傳感器又可分為相對式相對式和和絕對式。絕對式。非接觸式非接觸式接觸式接觸式電容傳感器、電渦流傳感器常用于振動位移的電容傳感器、電渦流傳感器常用于振動位移的非接觸測量非接觸測量 相對式相對式測振傳感器是選定測振傳感器是選定相對不動點相對不動點為參考點，測量被測物為參考點，測量被測物體相對于該參考點的相對運動，即將傳感器殼體固定在相對靜體相對于該參考點的相對運動，即將傳感器殼體固定在相對靜止的物體上，作為參考點，傳感器活動部分與被測物體連接或止的物體上，作為參考點，傳感器活動部分與被測物體連接或通過彈簧壓緊在被測物

7、體上。測振時，把兩者之間的相對運動通過彈簧壓緊在被測物體上。測振時，把兩者之間的相對運動直接記錄下或轉(zhuǎn)換成電量輸出。直接記錄下或轉(zhuǎn)換成電量輸出。 絕對式絕對式測振傳感器通常是由一個測振傳感器通常是由一個質(zhì)量塊質(zhì)量塊、彈簧彈簧和和阻尼器阻尼器組成組成的的慣性系統(tǒng)慣性系統(tǒng)( (慣性測振傳感器慣性測振傳感器) )。測振時，整個傳感器固定安裝在。測振時，整個傳感器固定安裝在被測物體上，由于慣性力、彈簧力及阻尼力的綜合作用，使質(zhì)量被測物體上，由于慣性力、彈簧力及阻尼力的綜合作用，使質(zhì)量塊對傳感器殼體的相對運動來反映被測物體振動參數(shù)的變化。慣塊對傳感器殼體的相對運動來反映被測物體振動參數(shù)的變化。慣性式傳感

8、器所測的是被測物體相對于地球慣性坐標(biāo)系的絕對振動性式傳感器所測的是被測物體相對于地球慣性坐標(biāo)系的絕對振動青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量二二、慣性式測振傳感器的力學(xué)原理、慣性式測振傳感器的力學(xué)原理 例如，例如，測量發(fā)電機軸承座的絕對振動時，周圍部件包括基礎(chǔ)都測量發(fā)電機軸承座的絕對振動時，周圍部件包括基礎(chǔ)都參與了振動，因此只能用慣性式傳感器測量；測量行駛中汽車的參與了振動，因此只能用慣性式傳感器測量；測量行駛中汽車的振動、樓房的振動及地震等，都必須采用慣性式傳感器來測量。振動、樓房的振動及地震等，都必須采用慣性式傳感器來測量。1、慣性式測振傳感器的力學(xué)模

9、型與特性、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性當(dāng)被測物體以當(dāng)被測物體以y=y0cost振動振動質(zhì)量元件振動質(zhì)量元件振動, ,其受力：其受力：彈簧彈簧恢復(fù)力恢復(fù)力、阻尼力阻尼力、慣性力慣性力質(zhì)量元件的運動方程為：質(zhì)量元件的運動方程為：0kxxc) yxm( 0cosyyttymkxxcxmcos02 二階二階測試測試系統(tǒng)系統(tǒng)y(t)x(t)x(t)+y(t)xm相對傳感器殼體的位移相對傳感器殼體的位移 x+ym的絕對位移的絕對位移 c阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)k彈簧的剛度系數(shù)彈簧的剛度系數(shù)y被測物體絕對位移被測物體絕對位移 青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量可以求出其響

10、應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出為可以求出其響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出為0cos()xxt 可見可見慣性傳感器的質(zhì)量元件相對于外殼的運動與被測物體運慣性傳感器的質(zhì)量元件相對于外殼的運動與被測物體運動規(guī)律一致動規(guī)律一致，其頻率響應(yīng)函數(shù)為，其頻率響應(yīng)函數(shù)為 22()()()12nnnX jH jY jj 2022220( )( )( )14nnnxAy 幅頻特性為幅頻特性為 相頻特性為相頻特性為 22( )arctan1nn 被測物體振動頻率被測物體振動頻率傳感器慣性系統(tǒng)傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率的固有頻率阻尼比阻尼比 對于不同的慣性傳感器（測量位移、速度及加速度），將有對于不同的慣性傳感器（測量位移、速度及加速度），將有不同的動

11、態(tài)特性與應(yīng)用條件。不同的動態(tài)特性與應(yīng)用條件。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量2、慣性式、慣性式位移位移傳感器的響應(yīng)條件傳感器的響應(yīng)條件 要使慣性式位移傳感器的輸出位移要使慣性式位移傳感器的輸出位移x能準(zhǔn)能準(zhǔn)確地反映被測物體振動的確地反映被測物體振動的位移量位移量y，其比值，其比值應(yīng)為一常數(shù)，所以必須滿足下列條件：應(yīng)為一常數(shù)，所以必須滿足下列條件： 1 1）幅值不失真的條件是幅值不失真的條件是 / / n n11，一般取，一般取 / / n n(3(35)5)。只有在。只有在固有頻率遠(yuǎn)低于固有頻率遠(yuǎn)低于被測物被測物體的下限頻率，才有體的下限頻率，才有A(

12、A( )1)1，此時，此時，- - , ,輸出信號相位滯后約為輸出信號相位滯后約為 。 2 2）適當(dāng)選擇阻尼，抑制適當(dāng)選擇阻尼，抑制/n=1處的共振峰，處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，擴大傳感器可測的使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，擴大傳感器可測的下限頻率。一般取下限頻率。一般取=0.60.7。例如當(dāng)取。例如當(dāng)取=0.7時，若誤差控制在時，若誤差控制在2%，則下限頻率可為，則下限頻率可為2.13n。增大阻尼能迅速衰減自由振動，這對。增大阻尼能迅速衰減自由振動，這對測量沖擊和瞬態(tài)振動較為重要，然而不適當(dāng)?shù)販y量沖擊和瞬態(tài)振動較為重要，然而不適當(dāng)?shù)剡x擇阻尼也會使相頻特性惡化，引起波形失真。選擇阻尼也會使

13、相頻特性惡化，引起波形失真。如在如在=0.60.7情況下，當(dāng)情況下，當(dāng)=1.7n時，其幅值時，其幅值雖能較好地反映被測振幅，但其相位差卻較大，雖能較好地反映被測振幅，但其相位差卻較大，達達128。 3 3）降低傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率，可擴降低傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率，可擴展傳感器可測量振動的下限頻率。展傳感器可測量振動的下限頻率。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 慣性式慣性式速度速度傳感器傳感器與與慣性式慣性式位移位移傳感器傳感器有有相同相同的幅頻特性和的幅頻特性和相頻特性，故對慣性式位移傳感器的分析也適用于慣性式速度相頻特性，故對慣性式位移傳感器的

14、分析也適用于慣性式速度傳感器。傳感器。3、慣性式、慣性式速度速度傳感器的響應(yīng)條件傳感器的響應(yīng)條件2022220( )( )14nnnxy 被測物體振動被測物體振動的速度幅值的速度幅值質(zhì)量元件對其殼體質(zhì)量元件對其殼體的相對速度幅值的相對速度幅值4、慣性式、慣性式加速度加速度傳感器的響應(yīng)條件傳感器的響應(yīng)條件02220222( )1( )14nnnxy 被測物體振動被測物體振動的加速度幅值的加速度幅值質(zhì)量元件對其殼體質(zhì)量元件對其殼體的相對位移幅值的相對位移幅值可用傳感器質(zhì)量元件的相對位移來反映被測振動加速度?？捎脗鞲衅髻|(zhì)量元件的相對位移來反映被測振動加速度。慣性式加速度傳感器的幅頻特性慣性式加速度傳

15、感器的幅頻特性青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量要使慣性式要使慣性式加速度加速度傳感器的輸出位移量能準(zhǔn)確反映被測振動傳感器的輸出位移量能準(zhǔn)確反映被測振動加速度，則必須滿足下列加速度，則必須滿足下列條件條件：加速度傳感器幅頻特性加速度傳感器幅頻特性（其相頻特性參見前面的圖）（其相頻特性參見前面的圖）1 1）幅值不失真的條件是幅值不失真的條件是 / / n n11，一般取，一般取 / / n n(1/3(1/31/5)1/5)。加速度傳感器在加速度傳感器在 n n的情況下，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻的情況下，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)高于被測物體振動的上限頻

16、率，其幅頻特性才近似等于常率遠(yuǎn)高于被測物體振動的上限頻率，其幅頻特性才近似等于常數(shù)。數(shù)。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 ）選擇適當(dāng)?shù)淖枘幔┻x擇適當(dāng)?shù)淖枘?，可改善，可改?n n的共振峰處的幅頻特性的共振峰處的幅頻特性，以擴大傳感器可測的上限頻率。一般取，以擴大傳感器可測的上限頻率。一般取。如當(dāng)取。如當(dāng)取0.650.650.70.7時，若誤差控制在時，若誤差控制在5%5%，則測量上限頻率為，則測量上限頻率為0.580.58 n n ）提高傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率）提高傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率，擴大傳感器可測量振，擴大傳感器可測量振動的上限頻率。一般慣性

17、式加速度傳感器的固有頻率很高，約動的上限頻率。一般慣性式加速度傳感器的固有頻率很高，約在在20kHz20kHz以上，這可以用減小慣性元件質(zhì)量、提高彈簧剛度的以上，這可以用減小慣性元件質(zhì)量、提高彈簧剛度的方法來達到。隨著傳感器的固有頻率的提高，可測的上限頻率方法來達到。隨著傳感器的固有頻率的提高，可測的上限頻率也得到提高，但靈敏度會減小。也得到提高，但靈敏度會減小。慣性式慣性式加速度加速度傳感器傳感器的最大優(yōu)點：的最大優(yōu)點：具有具有零頻率特性零頻率特性，即在，即在理論上它的可測頻率下限為零，但實際上某些傳感器（如壓電理論上它的可測頻率下限為零，但實際上某些傳感器（如壓電式）受儀器和元件的限制，不

18、能為零。由于傳感器慣性系統(tǒng)的式）受儀器和元件的限制，不能為零。由于傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)大于被測振動頻率，因此它可用于測量沖擊、瞬態(tài)固有頻率遠(yuǎn)大于被測振動頻率，因此它可用于測量沖擊、瞬態(tài)振動和隨機振動等具有寬帶頻譜的振動，也可以用來測量地震振動和隨機振動等具有寬帶頻譜的振動，也可以用來測量地震等超低頻的振動。等超低頻的振動。尺寸、尺寸、質(zhì)量質(zhì)量可以做得可以做得很小很小(小于小于1g)，對被，對被測對象的附加影響小，故它能適合各種測量場合，是廣泛使用測對象的附加影響小，故它能適合各種測量場合，是廣泛使用的測振傳感器。的測振傳感器。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測

19、量振動的測量三、磁電式速度傳感器（三、磁電式速度傳感器（亦稱感應(yīng)式傳感器）亦稱感應(yīng)式傳感器）1 1、磁電式速度傳感器工作原理、磁電式速度傳感器工作原理2 2、磁電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)、磁電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)磁鋼磁鋼( (永永久磁鐵久磁鐵) )鋁架鋁架殼體殼體芯桿芯桿線圈線圈彈簧彈簧輸出端輸出端阻尼環(huán)阻尼環(huán) 1) 1)磁鋼通過鋁架固定磁鋼通過鋁架固定在殼體內(nèi)，利用外殼形成在殼體內(nèi)，利用外殼形成一個磁回路。磁鋼與外殼一個磁回路。磁鋼與外殼之間形成兩個環(huán)形氣隙。之間形成兩個環(huán)形氣隙。 2) 2)裝在芯桿上的線圈裝在芯桿上的線圈和阻尼環(huán)共同組成慣性系和阻尼環(huán)共同組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量元件。統(tǒng)的質(zhì)量元件。 3

20、) 3)彈簧片徑向剛度很大，軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既可以得到可靠的徑彈簧片徑向剛度很大，軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既可以得到可靠的徑向支承，又能保證有很低的軸向固有頻率。向支承，又能保證有很低的軸向固有頻率。 4) 4)鋼制阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降低固有頻率；另一方面利用鋼制阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降低固有頻率；另一方面利用閉合銅環(huán)在磁場中運動產(chǎn)生的磁阻尼力使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼。閉合銅環(huán)在磁場中運動產(chǎn)生的磁阻尼力使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼。 測振時，傳感器固定在被測物體測振時，傳感器固定在被測物體上，隨同物體一起振動，驅(qū)動質(zhì)量元上，隨同物體一起振動，驅(qū)動質(zhì)量元件相對于殼體運

21、動，處在磁場中的件相對于殼體運動，處在磁場中的線線圈圈以被測速度切割磁力線，使線圈以被測速度切割磁力線，使線圈產(chǎn)生于其產(chǎn)生于其振動速度振動速度成正比的感應(yīng)電動成正比的感應(yīng)電動勢輸出。勢輸出。 導(dǎo)體切割磁力線導(dǎo)體切割磁力線導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢振動振動基于基于電磁電磁感應(yīng)感應(yīng)青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 關(guān)于磁導(dǎo)率：關(guān)于磁導(dǎo)率：物質(zhì)中某點的物質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B B與該點與該點磁場強度磁場強度H H之之比為磁導(dǎo)率比為磁導(dǎo)率 ，即，即 B/HB/H。它是描述物質(zhì)磁性的一個物理量，其。它是描述物質(zhì)磁性的一個物理量，其單位

22、為：亨利單位為：亨利/ /米（米（H/mH/m）。實際應(yīng)用中也常使用相對磁導(dǎo)率）。實際應(yīng)用中也常使用相對磁導(dǎo)率 r r，其定義為物質(zhì)的磁導(dǎo)率其定義為物質(zhì)的磁導(dǎo)率 與真空中磁導(dǎo)率與真空中磁導(dǎo)率 0 0之比，即之比，即 r r/0 0。其其值為值為 0410-7（H/ /m）。）。常用磁性材料的最大相對磁導(dǎo)率常用磁性材料的最大相對磁導(dǎo)率 自然界的所有物質(zhì)可根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材自然界的所有物質(zhì)可根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。料和非磁性材料兩大類。 1 1）非磁性材料的相對磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于）非磁性材料的相對磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1 1 2 2）磁性材料的相

23、對磁導(dǎo)率則很大。）磁性材料的相對磁導(dǎo)率則很大。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 基于材料的基于材料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)制作。傳感器受到振動時，質(zhì)量塊加在制作。傳感器受到振動時，質(zhì)量塊加在壓電元件壓電元件上的力隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固上的力隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，這個力的變化與被測振動的加速度成正比。由于壓有頻率時，這個力的變化與被測振動的加速度成正比。由于壓電效應(yīng)，在壓電元件中便產(chǎn)生與被測加速度成正比的電效應(yīng)，在壓電元件中便產(chǎn)生與被測加速度成正比的電荷量電荷量。. .壓電式加速度傳感器的壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與

24、特點結(jié)構(gòu)與特點四、壓電式加速度傳感器四、壓電式加速度傳感器PP壓電元件壓電元件 MM質(zhì)量塊質(zhì)量塊 SS壓緊彈簧壓緊彈簧 BB基座基座外緣固定型外緣固定型中間固定型中間固定型倒置中間固定型倒置中間固定型剪切型剪切型青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 1 1）外緣固定型）外緣固定型 其彈簧外緣固定其彈簧外緣固定在殼體上，此結(jié)構(gòu)因底座與殼體構(gòu)在殼體上，此結(jié)構(gòu)因底座與殼體構(gòu)成了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的一部分，故易成了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的一部分，故易受到外界溫度與噪聲的影響，以及受到外界溫度與噪聲的影響，以及安裝緊固時底座變形引起的影響，安裝緊固時底座變形引起的影響，這些都直接影

25、響加速度的輸出。這些都直接影響加速度的輸出。 2 2）中間固定型）中間固定型 壓電元件、質(zhì)量塊壓電元件、質(zhì)量塊和壓緊彈簧固定在一個中心桿上，壓和壓緊彈簧固定在一個中心桿上，壓電元件的預(yù)緊力由中心桿上部的碟形電元件的預(yù)緊力由中心桿上部的碟形彈簧調(diào)整，殼體僅起屏蔽作用，消除彈簧調(diào)整，殼體僅起屏蔽作用，消除了殼體變形帶來的影響。了殼體變形帶來的影響。 青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 3 3）倒置中間固定型）倒置中間固定型 這種結(jié)構(gòu)的中這種結(jié)構(gòu)的中心桿不直接與基座相連接，可避免基座心桿不直接與基座相連接，可避免基座變形帶來的影響，但其殼體壁部分也容變形帶來的

26、影響，但其殼體壁部分也容易產(chǎn)生彈簧變形，故其共振頻率較低。易產(chǎn)生彈簧變形，故其共振頻率較低。 4 4）剪切型）剪切型 它是將一個圓筒狀壓它是將一個圓筒狀壓電元件粘結(jié)在中心架上，并在壓電元電元件粘結(jié)在中心架上，并在壓電元件的外圓又粘結(jié)一個圓筒狀質(zhì)量塊，件的外圓又粘結(jié)一個圓筒狀質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器受到沿軸向的振動時，壓電當(dāng)傳感器受到沿軸向的振動時，壓電元件受到剪切應(yīng)力而產(chǎn)生電荷，這種元件受到剪切應(yīng)力而產(chǎn)生電荷，這種結(jié)構(gòu)有利于降低基座變形及外界溫度結(jié)構(gòu)有利于降低基座變形及外界溫度變化與噪聲的影響，有很高的共振頻變化與噪聲的影響，有很高的共振頻率和靈敏度，且橫向靈敏度小。率和靈敏度，且橫向靈敏度小。 青島

27、大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 （）靈敏度（）靈敏度壓電式加速度傳感器既可看成一個電荷源，壓電式加速度傳感器既可看成一個電荷源，又可以看成一個電壓源，故其靈敏度可分別用又可以看成一個電壓源，故其靈敏度可分別用電荷靈敏度電荷靈敏度和和電電壓靈敏度壓靈敏度來表示。來表示。qqSa. .壓電式加速度傳感器主要性能參數(shù)壓電式加速度傳感器主要性能參數(shù) 電荷靈敏度：電荷靈敏度：單位加速度所產(chǎn)生的單位加速度所產(chǎn)生的電荷量電荷量，即，即電荷靈敏度電荷靈敏度(pC/g(pC/g) )傳感器輸出電荷傳感器輸出電荷(pC(pC) )傳感器所受加速度傳感器所受加速度(g)(g)

28、uUSa 電壓靈敏度：電壓靈敏度：單位加速度所產(chǎn)生的單位加速度所產(chǎn)生的電壓值電壓值，即，即電壓靈敏度電壓靈敏度(mV/g)(mV/g)傳感器輸出電壓傳感器輸出電壓(mV)(mV)傳感器所受加速度傳感器所受加速度(g)(g) 對于某一給定壓電材料的壓電式加速度傳感器，其靈敏度隨質(zhì)對于某一給定壓電材料的壓電式加速度傳感器，其靈敏度隨質(zhì)量塊增大而增大。一般說來，加速度傳感器尺寸越大，靈敏度量塊增大而增大。一般說來，加速度傳感器尺寸越大，靈敏度越高，其固有頻率越低。越高，其固有頻率越低。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量（）頻率響應(yīng)范圍（）頻率響應(yīng)范圍 壓電式加

29、速度傳感器的使用壓電式加速度傳感器的使用頻率上限頻率上限取決于其取決于其固有頻率固有頻率。由。由于壓電式加速度傳感器的阻尼系數(shù)甚小（一般于壓電式加速度傳感器的阻尼系數(shù)甚?。ㄒ话?.10.1），上限），上限頻率約為共振頻率的頻率約為共振頻率的30%30%時，幅值誤差可小于時，幅值誤差可小于10%10%；上限頻率約；上限頻率約為共振頻率的為共振頻率的20%20%時，幅值誤差可小于時，幅值誤差可小于5%5%；所以，壓電式加速度；所以，壓電式加速度傳感器的傳感器的固有頻率越高，則其可用的頻率范圍越寬固有頻率越高，則其可用的頻率范圍越寬。 壓電式加速度傳感器可測量的壓電式加速度傳感器可測量的下限頻率下限

30、頻率不取決于傳感器本身，不取決于傳感器本身，而取決于所采用測量系統(tǒng)低頻特性。由于壓電元件產(chǎn)生的電荷而取決于所采用測量系統(tǒng)低頻特性。由于壓電元件產(chǎn)生的電荷量極其微弱，而測量系統(tǒng)不可避免地要產(chǎn)生電荷泄漏，從而造量極其微弱，而測量系統(tǒng)不可避免地要產(chǎn)生電荷泄漏，從而造成測量誤差。關(guān)鍵是如何把電荷泄漏減小到測量準(zhǔn)確度所要求成測量誤差。關(guān)鍵是如何把電荷泄漏減小到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。壓電式傳感器的兩類前置放大器：電壓放大器和的限度以內(nèi)。壓電式傳感器的兩類前置放大器：電壓放大器和電荷放大器。電荷放大器。電壓放大器電壓放大器實際就是一個高輸入阻抗的比例放大實際就是一個高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡

31、單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適器，其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。用于一般振動測量。電荷放大器電荷放大器以電容作負(fù)反饋，基本上不受以電容作負(fù)反饋，基本上不受電纜電容的影響，輸入阻抗更高，下限截止頻率更低，一般可電纜電容的影響，輸入阻抗更高，下限截止頻率更低，一般可達達0.01Hz0.01Hz量級，最低的可達到準(zhǔn)靜態(tài)程度（量級，最低的可達到準(zhǔn)靜態(tài)程度（0.003Hz0.003Hz）。）。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量 下圖是某壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線，其可用的頻率下圖是某壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲

32、線，其可用的頻率范圍在特性曲線平直段。有時，不僅要求滿足幅值測量精度，范圍在特性曲線平直段。有時，不僅要求滿足幅值測量精度，而且要求相移也在許可范圍內(nèi)。考慮相移后，使用頻率范圍要而且要求相移也在許可范圍內(nèi)?？紤]相移后，使用頻率范圍要比只考慮幅值時比只考慮幅值時更窄些更窄些。 （）橫向靈敏度（）橫向靈敏度由于壓電材料本身的不均勻性與不規(guī)則由于壓電材料本身的不均勻性與不規(guī)則性，當(dāng)壓電式加速度傳感器橫向受振時，也會產(chǎn)生一定的輸出，性，當(dāng)壓電式加速度傳感器橫向受振時，也會產(chǎn)生一定的輸出，其大小用橫向靈敏度表示。一般規(guī)定，橫向靈敏度不得大于主其大小用橫向靈敏度表示。一般規(guī)定，橫向靈敏度不得大于主靈敏度的

33、。靈敏度的。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量3.3.壓電式加速度傳感器的安裝壓電式加速度傳感器的安裝上上限頻率限頻率受受共振頻率共振頻率限制，所以出廠時均給出頻率響應(yīng)曲線限制，所以出廠時均給出頻率響應(yīng)曲線 頻率響應(yīng)曲線與安裝方法關(guān)系很大。若安裝方法不當(dāng)，如頻率響應(yīng)曲線與安裝方法關(guān)系很大。若安裝方法不當(dāng)，如結(jié)合力不夠，結(jié)合面粗糙，安裝螺釘孔與安裝面不垂直等，都結(jié)合力不夠，結(jié)合面粗糙，安裝螺釘孔與安裝面不垂直等，都會使會使共振頻率共振頻率下降，從而降低了傳感器的使用上限頻率。下降，從而降低了傳感器的使用上限頻率。常用安裝方法常用安裝方法鋼制雙鋼制雙頭螺栓頭

34、螺栓絕緣絕緣螺栓螺栓低溫條件下低溫條件下薄蠟層粘附薄蠟層粘附手持探針手持探針法只適于法只適于1kHz1kHz以下以下近似測量近似測量永久磁鐵永久磁鐵法多用于法多用于低頻情況低頻情況粘接螺栓和粘接劑固定法粘接螺栓和粘接劑固定法可測的上限頻率可測的上限頻率5kHz 5kHz 青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量五、應(yīng)變式加速度傳感器五、應(yīng)變式加速度傳感器等強等強度梁度梁質(zhì)量塊質(zhì)量塊殼體殼體應(yīng)變片應(yīng)變片 應(yīng)變式加速度傳感器屬于應(yīng)變式加速度傳感器屬于慣性傳感器慣性傳感器 垂直方向振動垂直方向振動質(zhì)量塊慣性作用質(zhì)量塊慣性作用梁彎曲變形梁彎曲變形應(yīng)變片阻應(yīng)變片阻值變化

35、值變化電橋輸出正比于加速度電橋輸出正比于加速度 為改善阻尼，傳感器內(nèi)充以硅油，使阻尼比達到為改善阻尼，傳感器內(nèi)充以硅油，使阻尼比達到0.70.7 突出特點：突出特點：低頻響應(yīng)好，可測量常值加速度低頻響應(yīng)好，可測量常值加速度青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量第三節(jié)機械振動測試系統(tǒng)第三節(jié)機械振動測試系統(tǒng)一、機械振動測試分類一、機械振動測試分類（）結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試（）結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試 對結(jié)構(gòu)或部件進行某種激對結(jié)構(gòu)或部件進行某種激勵，對其受迫振動進行測試，以求得被測對象的振動力學(xué)參量勵，對其受迫振動進行測試，以求得被測對象的振動力學(xué)參量和動態(tài)性能

36、，如固有頻率、阻尼、剛度、阻抗、響應(yīng)和模態(tài)等和動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、阻抗、響應(yīng)和模態(tài)等（）振動基本參數(shù)的測量（）振動基本參數(shù)的測量如測量振動物體上某點的位移、如測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位等參數(shù)。速度、加速度、頻率和相位等參數(shù)。二、振動基本參數(shù)的測量系統(tǒng)二、振動基本參數(shù)的測量系統(tǒng)發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器前置放大器前置放大器微積分放大器微積分放大器分分析析儀儀器器指示指示記錄記錄儀器儀器參數(shù)型傳感器參數(shù)型傳感器調(diào)制器調(diào)制器測量電橋測量電橋放大器調(diào)制器放大器調(diào)制器載波發(fā)生器載波發(fā)生器放大、阻抗匹配放大、阻抗匹配受振后直接有受振后直接有電荷電荷/ /電壓輸出電壓輸出

37、如壓電式傳感器如壓電式傳感器如電阻應(yīng)變式、電如電阻應(yīng)變式、電容式或電感式等容式或電感式等直接記錄放大后的振動時間歷程直接記錄放大后的振動時間歷程或進行參數(shù)統(tǒng)計分析，如頻譜分或進行參數(shù)統(tǒng)計分析，如頻譜分析、相關(guān)分析等析、相關(guān)分析等1 1、測振系統(tǒng)的組成、測振系統(tǒng)的組成青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量2 2、測試系統(tǒng)與測試儀器的選擇、測試系統(tǒng)與測試儀器的選擇選擇時主要考慮以下幾方面：選擇時主要考慮以下幾方面： 1 1）測試參數(shù)）測試參數(shù)（位移、速度、加速度或阻抗等）（位移、速度、加速度或阻抗等） 以此確定傳以此確定傳感器的類型及其相關(guān)儀器。感器的類型及其相

38、關(guān)儀器。 2 2）頻率范圍）頻率范圍 根據(jù)被測對象振動的頻率范圍確定各測試環(huán)節(jié)根據(jù)被測對象振動的頻率范圍確定各測試環(huán)節(jié)（振動傳感器、前置放大器、主放大器及指示記錄儀器等）的（振動傳感器、前置放大器、主放大器及指示記錄儀器等）的頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)特性。3 3）振級大小和測試精度要求）振級大小和測試精度要求4 4）試件質(zhì)量與剛度大小）試件質(zhì)量與剛度大小5 5）測試環(huán)境）測試環(huán)境（如溫度、適度等）（如溫度、適度等） 此外，還應(yīng)考慮測試系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)之間的配合關(guān)系，此外，還應(yīng)考慮測試系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)之間的配合關(guān)系，如阻如阻抗匹配、靈敏度匹配、測試精度匹配等?？蛊ヅ洹㈧`敏度匹配、測試精度匹配等。三、結(jié)

39、構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試三、結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試 結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試系統(tǒng)一般由結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測試系統(tǒng)一般由激振激振、測振測振、信號分信號分析析與與記錄顯示記錄顯示四部分組成。后三部分同振動基本參數(shù)測量系統(tǒng)四部分組成。后三部分同振動基本參數(shù)測量系統(tǒng)青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量四、激振方式四、激振方式 振動激勵的方式通常分為振動激勵的方式通常分為三類三類，即，即穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨隨機激振機激振與與瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振。1 1、穩(wěn)態(tài)正弦激振、穩(wěn)態(tài)正弦激振 原理原理：用激振器對被測對象施加一個穩(wěn)定的單一頻：用激振器對被測對象施加一個穩(wěn)定

40、的單一頻率的穩(wěn)態(tài)正弦激振力。率的穩(wěn)態(tài)正弦激振力。 優(yōu)點優(yōu)點：激振功率大、信噪比高、能保證響應(yīng)對象的：激振功率大、信噪比高、能保證響應(yīng)對象的測試精確度。缺點：需要很長的測試周期才能得到足測試精確度。缺點：需要很長的測試周期才能得到足夠精確度的測試數(shù)據(jù)，尤其對小阻尼對象。夠精確度的測試數(shù)據(jù)，尤其對小阻尼對象。 掃頻激振（掃描式的正弦激振）掃頻激振（掃描式的正弦激振）：激振的頻率隨時：激振的頻率隨時間而變化。嚴(yán)格地說任何掃描激振都屬于瞬態(tài)激振，間而變化。嚴(yán)格地說任何掃描激振都屬于瞬態(tài)激振，但若掃頻速度足夠慢，所畫的但若掃頻速度足夠慢，所畫的NyquistNyquist圖可以和逐點穩(wěn)圖可以和逐點穩(wěn)態(tài)正

41、弦激振所得的近似。態(tài)正弦激振所得的近似。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量2 2、隨機激振、隨機激振 一般用一般用白噪聲白噪聲或或偽隨機信號偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。發(fā)生器作為信號源。白白噪聲噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機信號，其自相關(guān)函數(shù)在發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機信號，其自相關(guān)函數(shù)在 0 0處形成陡峭的峰，只要處形成陡峭的峰，只要 稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就快速下降?？焖傧陆怠０自肼暟自肼暿菍拵Ъふ?，能激起被測對象在一是寬帶激振，能激起被測對象在一定頻率范圍內(nèi)的隨機振動。定頻率范圍內(nèi)的隨機振動。 白噪聲白噪聲發(fā)生器所提供的信號是完全隨機的

42、。工程上發(fā)生器所提供的信號是完全隨機的。工程上有時希望能有時希望能重復(fù)測試重復(fù)測試，就用偽隨機信號發(fā)生器或用計，就用偽隨機信號發(fā)生器或用計算機產(chǎn)生算機產(chǎn)生偽隨機激振信號偽隨機激振信號。3 3、瞬態(tài)激振、瞬態(tài)激振 瞬態(tài)激振也是一種瞬態(tài)激振也是一種寬帶寬帶激振法，故可由激振力和響應(yīng)激振法，故可由激振力和響應(yīng)的自譜密度函數(shù)和互譜密度函數(shù)求得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的自譜密度函數(shù)和互譜密度函數(shù)求得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。常用的瞬態(tài)激振方式有函數(shù)。常用的瞬態(tài)激振方式有快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振、脈脈沖激振沖激振和和階躍激振階躍激振。 青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量1

43、1）快速正弦掃描激振）快速正弦掃描激振激振信號函數(shù)激振信號函數(shù)f(tf(t) )為：為：( )sin2 ()(0)f tFatbtT maxminmin()/ affTbf，式中式中激振信號激振信號上限頻率上限頻率激振信號激振信號下限頻率下限頻率掃描周期掃描周期激振力激振力2 2）脈沖激振（錘激法）脈沖激振（錘激法） 用用脈沖錘脈沖錘（裝有力傳感器的錘子）裝有力傳感器的錘子）敲擊試敲擊試件件試件因此作自由振動試件因此作自由振動同時測出其振同時測出其振動和響應(yīng)。動和響應(yīng)。這種敲擊力并非理想的脈沖函數(shù)，而是這種敲擊力并非理想的脈沖函數(shù)，而是半半正弦波正弦波，其有效頻率范圍取決于脈沖持續(xù)，其有效頻率

44、范圍取決于脈沖持續(xù)時間時間愈小則頻率范圍愈大，使用適當(dāng)?shù)腻N愈小則頻率范圍愈大，使用適當(dāng)?shù)腻N頭墊材料可以得到要求的頻帶寬度。頭墊材料可以得到要求的頻帶寬度。x(t)|X(f)|5/( /() )tf青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量3 3）階躍（張馳）激振）階躍（張馳）激振激振錘結(jié)構(gòu)：激振錘結(jié)構(gòu)：在擬定的激振點處，用一根剛度大、質(zhì)量小的在擬定的激振點處，用一根剛度大、質(zhì)量小的張力弦張力弦經(jīng)過力傳經(jīng)過力傳感器對待測對象施加張力，使它產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷感器對待測對象施加張力，使它產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦，這相當(dāng)于對該結(jié)構(gòu)施加一個負(fù)的階躍激振力。張力弦，這相當(dāng)于對該結(jié)構(gòu)施加一個負(fù)的階躍激振力。階躍激階躍激振屬寬帶激振振屬寬帶激振，在建筑結(jié)構(gòu)的振動測試中該方法應(yīng)用廣泛。，在建筑結(jié)構(gòu)的振動測試中該方法應(yīng)用廣泛。青島大學(xué)機電工程學(xué)院青島大學(xué)機電工程學(xué)院第八章第八章 振動的測量振動的測量五、常用激振器五、常用激振器常用激振器有常用激振器有電動式電動式、電磁式電磁式和和電液式電液式三種。三種。 激振器激振器 對被測對象施加預(yù)定要求的激振力，激起其振