振動測量綜述

1、摘 要振動的研究與測試在工程應(yīng)用和科學測量中占有非常重要的地位。當代工程中各種機械系統(tǒng),如大型發(fā)電設(shè)備,電動機,重型機械,汽車,船舶,航空航天設(shè)備,等,都不斷向著高速、高準確度方向發(fā)展。為保證其良好的性能以及可靠的壽命,振動問題已成為必須認真研究和解決的重要課題。以壓電式、電磁式以及半導(dǎo)體式為代表的傳統(tǒng)振動測試裝置以其原理簡單、成本低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。振動測量技術(shù)是利用各種方法測量振動信號從而檢測出系統(tǒng)的振動特性，本文主要介紹了基于電測法和光學法對振動的測量，根據(jù)這兩種方法例舉了一些振動測量的實例。 關(guān)鍵字：振動測量；電測法；光學法AbstractVibration research

2、 and testing in the engineering and scientific measurement plays a very important position.Contemporary works of various mechanical systems such as large-scale power generation equipment, motors, heavy machinery, automobiles, ships, aerospace equipment, etc have been toward the high-speed, high accu

3、racy direction.In order to ensure their good performance and reliable service life, vibration has become must seriously study and solve important issues.By piezoelectric, electromagnetic and semiconductor type as the representative of the traditional principle of vibration test equipment for its sim

4、ple, low cost and widely used in various fields.Vibration measurement technology is the use of measured vibration signals to detect the vibration characteristics of the system, this paper introduces the measurement method based on electrical and optical vibration measurement method, according to two

5、 methods of measuring vibration cite some examples.Keywords: Vibration measurement; electric method; optical method目 錄摘 要IAbstractI第1章 緒論- 1 -1.1 什么是振動- 1 -1.2 振動測量目的- 1 -1.3 振動測量技術(shù)簡介- 2 -1.3.1 振動測量分類- 2 -1.3.2 振動參量的測量- 3 -1.3.3 機械阻抗測量- 4 -1.3.4 振動信號的頻譜分析- 4 -1.4 振動測量的意義- 4 -第2章 振動測量技術(shù)- 5 -2.1 電測法振動

6、測量- 5 -2.1.1 壓電式加速度傳感器在振動測量- 5 -2.1.2 基于電磁感應(yīng)的扭轉(zhuǎn)振動測量- 7 -2.1.3 電阻式應(yīng)變傳感器振動測量- 9 -2.1.4 電感式傳感器振動測量- 11 -2.1.5 微變電容式傳感器振動測量- 12 -2.1.6 無源伺服傳感器的振動測量- 13 -2.2 光學法振動測量- 14 -2.2.1 激光干涉原理在振動測量中的應(yīng)用- 14 -2.2.2 PSD在弦振動測量中的應(yīng)用- 16 -2.2.3 全光纖傳感器振動測量- 19 -2.2.4 激光光柵多普勒效應(yīng)微小振動測量- 21 -結(jié) 論- 21 -參考文獻- 22 -第1章 緒論1.1 什么是振

7、動振動是指一個狀態(tài)改變的過程。即物體的往復(fù)運動。從廣義上說振動是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的參量在其基準值上下交替變化的過程。狹義的指機械振動，即力學系統(tǒng)中的振動。電磁振動習慣上稱為振蕩。力學系統(tǒng)能維持振動，必須具有彈性和慣性。由于彈性，系統(tǒng)偏離其平衡位置時，會產(chǎn)生回復(fù)力，促使系統(tǒng)返回原來位置；由于慣性，系統(tǒng)在返回平衡位置的過程中積累了動能，從而使系統(tǒng)越過平衡位置向另一側(cè)運動。正是由于彈性和慣性的相互影響，才造成系統(tǒng)的振動。按系統(tǒng)運動自由度分，有單自由度系統(tǒng)振動和多自由度系統(tǒng)振動。有限多自由度系統(tǒng)與離散系統(tǒng)相對應(yīng)，其振動由常微分方程描述；無限多自由度系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)相對應(yīng)，其振動由偏微分方程描述。方程中不顯

8、含時間的系統(tǒng)稱自治系統(tǒng)；顯含時間的稱非自治系統(tǒng)。按系統(tǒng)受力情況分，有自由振動、衰減振動和受迫振動。按彈性力和阻尼力性質(zhì)分，有線性振動和非線性振動。振動又可分為確定性振動和隨機振動，后者無確定性規(guī)律，如車輛行進中的顛簸。振動是自然界和工程界常見的現(xiàn)象。振動的消極方面是：影響儀器設(shè)備功能，降低機械設(shè)備的工作精度，加劇構(gòu)件磨損，甚至引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞；振動的積極方面是：有許多需利用振動的設(shè)備和工藝。振動分析的基本任務(wù)是討論系統(tǒng)的激勵、響應(yīng)和系統(tǒng)動態(tài)特性三者之間的關(guān)系。20世紀60年代以后，計算機和振動測試技術(shù)的重大進展，為綜合利用分析、實驗和計算方法解決振動問題開拓了廣闊的前景。1.2 振動測量目的振

9、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。在長期的科學研究和工程實踐中，已逐步形成了一門較完整的振動工程學科，可供進行理論計算和分析。但這些畢竟還是建立在簡化和近似的數(shù)學模型上，還必須用試驗和測量技術(shù)進行驗證。隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學技術(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。1.3 振動測量技術(shù)簡介1.3.1 振動測

10、量分類1）振動信號分類振動信號按時間歷程的分類可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。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，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用

11、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。2）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、機械法和光學法。電測法：將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進行測量，靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法。機械法：利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來，抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量。光學法：利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進行測量，不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不

12、易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標定中用得較多。根據(jù)測量傳感器類型，可分為發(fā)電型、電參數(shù)變化型、伺服型。其中發(fā)電型可分為壓電式、電動式、電磁式，電參數(shù)變化型可分為電容式、電感式、電阻式。3） 測振傳感器分類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。根據(jù)測量傳感器類型，可分為發(fā)電型、電參數(shù)變化型、伺服型。其中發(fā)電型可分為壓電式、電動式、電磁式，電參數(shù)變化型可分為電容式、電感式、電阻式。1.3.2 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

13、示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰值到負峰值之間的距離。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 = z|平均|= Z= 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關(guān)系為式中，Zf 為振動峰值。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。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，

14、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。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。 李沙育圖測相位法則是根據(jù)被測信號與同頻的標準信號之間的李沙育圖形來判別相位差。4）阻尼比測量阻尼比是導(dǎo)出參數(shù)，可以通過測量振動的某些基

15、本參數(shù)，再用公式算出。常用的方法有振動波形圖法、共振法、半功率點法和李沙育圖法四種。1.3.3 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)。1.3.4 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)

16、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。機器故障診斷學是識別機器或機組運行狀態(tài)的科學，它研究的是機器或機組運行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映。機器故障診斷技術(shù)很復(fù)雜，方法也很多?？捎米髟\斷的信息包括溫度、應(yīng)力、變形、排放氣體和液體以及潤滑油的物理化學參數(shù)等。利用振動和噪聲的響應(yīng)信號，并對其進行頻譜分析則是常采用的主要診斷手段。1.4 振動測量的意義振動的研究與測試在工程應(yīng)用和科學測量中占有非常重要的地位。振動可以傳播到人體的振動車輛，機械，結(jié)構(gòu)件，在

17、與人體，或通過聲音宛如表面接觸輻射領(lǐng)域1。當代工程中各種機械系統(tǒng),如大型發(fā)電設(shè)備,電動機,重型機械,汽車,船舶,航空航天設(shè)備,等,都不斷向著高速、高準確度方向發(fā)展。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,各種機械結(jié)構(gòu)向高速度、高精度、小型化方向發(fā)展,這就對物體的振動特性控制提出了越來越高的要求2。為保證其良好的性能以及可靠的壽命,振動問題已成為必須認真研究和解決的重要課題。第2章 振動測量技術(shù)根據(jù)振動測量方法分類，振動測量按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機械法和光學法。下面重點介紹電測法和光學法振動測量技術(shù)。2.1 電測法振動測量2.1.1 壓電式加速度傳感器在振動測量壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是

18、一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。壓電式加速計的測振原理壓電式傳感器是一種機電換能器,所用

19、的壓電材料(如天然石英、人工極化陶瓷等)在受到一定的機械荷載時,會在壓電材料的極化面上產(chǎn)生電荷,其電荷量與所受的載荷成正比。當壓電晶體片受力時,晶體的兩表面上聚集等量的正、負電荷,由于晶體片的絕緣電阻很高,因此壓電晶體片相當于一只平行板電容器,如圖2-1-1所示。 圖2-1-1 壓電晶體內(nèi)部等效圖其電容量為 晶體片上產(chǎn)生的電壓量與作用力的關(guān)系 (1)式中:為壓電晶體的介電常數(shù);A為晶體片(構(gòu)成極板)的面積;d為晶體片的厚度;d33為壓電系數(shù);F為沿晶軸施加的力。壓電式加速度計的晶體片確定后,d33、d、A都是常數(shù),則晶體片上產(chǎn)生的電壓量與作用力成正比。測量時,將壓電式加速度計基座與試件剛性固定

20、在一起(安裝基面粗糙度不超過041m)。當加速度計受振動時,由于壓電片具有的壓電效應(yīng),它的2個表面上就會產(chǎn)生交變電荷(電壓)。而此交變電荷(電壓)又與作用力成正比,因此交變電荷(電壓)與試件的加速度成正比。這就是壓電式加速度計能夠?qū)⒄駝蛹铀俣绒D(zhuǎn)變成為電量進行測振的原理。3系統(tǒng)組成(1) 壓電式加速度計測試系統(tǒng)中,壓電式加速度計的作用是把振動量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。(2)電荷放大器壓電加速度計產(chǎn)生的電荷量很小,輸出阻抗很高,因此與它相連的儀器輸入阻抗的大小將對測量系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。高輸入阻抗的前置放大器就是以此為目的而設(shè)置的。壓電加速度計與電荷放大器相連后的等效電路如圖2-1-2所示。其中,

21、q為傳感器產(chǎn)生的電荷;A為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù);Ra為傳感器內(nèi)部電阻;Ri為電荷放大器的輸入電阻;Ca為傳感器內(nèi)部固有電容;Cc為連接電纜的分布電容;Ci為放大器的等效電容;Cf為電荷轉(zhuǎn)換級的反饋電容; Ui與Uo分別為電荷放大器的輸入與輸出電壓。 圖2-1-2電荷放大器等效電路電荷放大器實際上是具有負反饋電容、輸入阻抗極高的高增益運算放大器。它將壓電加速度計看成電荷源,并輸出與之成正比的低輸入阻抗的電信號。其作用是:變壓電加速度計的高輸出阻抗為前置放大器的低輸出阻抗,以便同測儀相匹配;放大從傳感器輸出的微弱信號,或者把它的電荷變成電壓信號;輸出電壓歸一化。即它與不同靈敏度的傳感器相配合時,

22、在相同的信號輸入下,達到相同的輸出電壓。(3) 動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀是振動測試系統(tǒng)最重要的一環(huán)。其實質(zhì)是一種帶通訊接口和程序控制的多功能智能儀表,具有內(nèi)置調(diào)理功能,可直接對加速度信號進行測量,也可以通過相應(yīng)的控制模塊對外控制輸出,通過其自帶的RS-232、RS-485/422、GPIB或Ethernet等通訊接口,能與加速度傳感器、前置處理器、計算機等設(shè)備組成適用于各種領(lǐng)域的振動測量數(shù)據(jù)測試分析系統(tǒng)。3壓電式傳感器應(yīng)用特點：（1）靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性好，壽命長；（2）體積小重量輕，剛度強度、承載能力和測量范圍大，頻帶寬，動態(tài)誤差??；（3）易于大量

23、生產(chǎn)，便于選用，使用和校準方便，并適用于近測、遙測。2.1.2 基于電磁感應(yīng)的扭轉(zhuǎn)振動測量在回轉(zhuǎn)機械中,軸的扭轉(zhuǎn)振動是一種振動形式,它是由于作用在軸上的扭矩隨時間變化而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)振動。對于大型回轉(zhuǎn)機械,這種振動的破壞性很強,極易引起機械結(jié)構(gòu)疲勞破壞,尤其是當振動頻率接近機械結(jié)構(gòu)的固有頻率時,破壞性將會更嚴重。因此對扭轉(zhuǎn)振動進行測量具有重大意義。本文研究基于電磁感應(yīng)的扭轉(zhuǎn)振動測量及相應(yīng)的信號提取方法,基本思路是使線圈與永磁體做相對運動,根據(jù)線圈切割磁感應(yīng)線的速度與感應(yīng)電動勢正相關(guān)的原理,由線圈兩端的電壓變化量計算各點的瞬時速度變化量,再由瞬時速度變化量積分求出扭振信息。與其他方法相比,該方法有以

24、下優(yōu)點:a)對硬件性能要求不高;b)利用信號的幅值提取扭振,算法較簡單;c)能較好地消除軸向振動和部分橫振的影響。There are two methods commonly used in torsional vibration measurement.One is to fit sensitive strain gauges to the shaft journal.The torsional deformation will beestimated by analysing the shear strain.4測量原理電磁感應(yīng)現(xiàn)象即閉合導(dǎo)體的一部分在磁場中做切割磁感線的運動時,導(dǎo)體中就會

25、產(chǎn)生電流,如果不是閉合回路,則導(dǎo)體中自由電子的定向移動使斷開處兩端積累正、負電荷而產(chǎn)生電勢差感應(yīng)電動勢。當導(dǎo)體L在磁場中運動時,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到的洛侖茲力為 （1）其中,-e為電子所帶電量; 為洛侖茲力; 是線元 處導(dǎo)體的速度; 是線元處的磁場強度。由(1)式可得作用在單位正電荷上的洛侖茲力為: （2）于是得動生電動勢: （3）不論導(dǎo)體是否閉合,只要作切割磁感應(yīng)線的運動,導(dǎo)體中都會產(chǎn)生動生電動勢?？梢钥闯?若在每一時刻, 和是定值,且 與 垂直的話,則感應(yīng)電動勢的大小與線圈在磁場中的相對運動速度成正比。由此可以設(shè)計感應(yīng)電路,使隨軸轉(zhuǎn)動的磁體不斷通過固定的線圈,當軸平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時,感應(yīng)電動勢是穩(wěn)

26、定且規(guī)則的波形;當有扭振發(fā)生時,速度的變化就會以與之成正比的量在電動勢上體現(xiàn)出來,而速度的變化表征了扭振信息,通過一定的算法,即可得出扭振。5結(jié)論通過設(shè)計的扭振測量裝置,可將微弱的轉(zhuǎn)子扭振信號轉(zhuǎn)化為較大幅值的電磁感應(yīng)信號來進行提取和分析,方法本身方便易行，和其他方法相比主要的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：(1)采用調(diào)幅波的方式減少了數(shù)據(jù)采集量和處理難度；(2)采用半周期細分以及對應(yīng)點比較的算法在準確提取瞬時速度變化量的同時很好地消除了裝置制造和安裝過程中磁體分布不均等系統(tǒng)精度問題的影響；(3)使用相對安裝的方法較好地消除了軸向振動和部分橫振的影響；(4)整個裝置結(jié)構(gòu)簡單,搭建容易,成本低廉。缺點：(1)測

27、量裝置可能會改變被測對象的扭振特性；(2)由于采用電磁感應(yīng)的方式,信號容易受周圍電磁環(huán)境的影響?？梢园惭b相應(yīng)的電磁屏蔽設(shè)備,但這樣會使測量裝置復(fù)雜化,應(yīng)用場合受到限制?？傮w來說,理論分析和實驗結(jié)果都表明,該方法是一種行之有效的轉(zhuǎn)子扭振測量方法。2.1.3 電阻式應(yīng)變傳感器振動測量將被測非電量（如位移、應(yīng)變、振動、溫度、濕度、氣體濃度等）的變化轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電材料的電阻變化的裝置，稱為電阻式傳感器。它是將非電量的變化量，利用電阻元件，變換成有一定關(guān)系的電阻值的變化，再通過電子測量技術(shù)對電阻值進行測量，從而達到對上述非電量測量的目的。電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器, 傳感器

28、由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當被測物理量作用在彈性元件上時, 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。各種機械的運轉(zhuǎn)過程總是伴隨著各種各樣的振動。在機械工業(yè)中，進行機械結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的動力分析和動力設(shè)計離不開固有頻率和阻尼系數(shù)這兩個基本參數(shù)。在工程實踐中，常用試驗的方法測定動這些參數(shù)，主要有電阻應(yīng)變計法、加速度計法以及近年的一些新技術(shù)如光纖傳感器等。這其中，加速度計法的頻率響應(yīng)范圍較窄，而光纖技術(shù)等還不成熟，相比之下，電阻應(yīng)變測

29、量技術(shù)有其獨特的優(yōu)點，如應(yīng)變片的質(zhì)量輕，不影響梁的固有特性；頻率響應(yīng)范圍寬，可以從0Hz到幾千赫茲；精度高，可以得到2的精度；價格低廉、經(jīng)久耐用、不易損壞、且易粘貼，因而應(yīng)用較為廣泛6。參數(shù)計算原理實驗中所需要的參數(shù)主要包括：固有頻率f0、減縮系數(shù)、對數(shù)減縮系數(shù)、阻尼系數(shù)n、以及阻尼比等等。對于懸臂梁系統(tǒng)的力學模型，由于振動系統(tǒng)中不可避免地要出現(xiàn)阻尼，整個實驗系統(tǒng)可以簡化為一個單自由度阻尼自由振動系統(tǒng)，根據(jù)等效剛度的原則，可以將梁看作一個彈簧。如跨中受集中荷載P作用的簡支梁，其撓度f為：f=PL3/48EI其中，L梁的長度；E材料彈性模量；I截面貫性矩。則有：P=(48EIf/L3)，所以可看

30、作彈簧常數(shù)k為48EI/L3的彈簧。這樣，整個系統(tǒng)可以用圖2-1-3所示簡圖來表示。圖2-1-3 帶阻尼的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)質(zhì)量為m的物體壓縮彈簧，當物體速度不是很大時，介質(zhì)的阻力近似與速度成正比，這種線性阻尼也成粘性阻尼。粘性阻尼力Fd沿物體速度的反方向。則物體的運動方程為：令各項除以m，化作：或無阻尼系統(tǒng)的固有頻率，；阻尼系數(shù)，；阻尼比，；當1時,為欠阻尼狀態(tài)，此時系統(tǒng)做下圖所示的衰減振動，令為阻尼振動的固有圓頻率，Td為阻尼振動周期，則： 圖2-1-4 欠阻尼系統(tǒng)的衰減振動 實際上，因為阻尼比的值很小，甚至可以忽略，所以一般可以認為=。由于阻尼引起能量耗散，系統(tǒng)不能保持等幅的簡諧振動，而轉(zhuǎn)變

31、為振幅不斷衰減的衰減振動。相鄰兩個振幅之比稱作減縮系數(shù)，記作 72.1.4 電感式傳感器振動測量電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器工作原理電感式傳感器即差動變壓器,由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵,相當于變壓器的原邊，次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器是開磁路,工作建立在互感基礎(chǔ)上。電感式傳感器振動測量方法測量選用CSY10A型傳感器系統(tǒng)實驗儀。實驗部件:電感式傳感器

32、、音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、示波器。測量時按圖2-1-5接線,調(diào)節(jié)好系統(tǒng)各部分。 圖2-1-5 電感式傳感器振動測量電路圖低頻振蕩器接入“激振I”,使振動圓盤保持適當振幅。維持低頻振蕩器輸出幅度不變,用示波器觀察低通濾波器的輸出,電壓/頻率表2kHz檔接低頻輸出端,改變振蕩頻率從530Hz,讀出Vop-p值。根據(jù)實驗結(jié)果做出振動臺的振幅頻率特性曲線。8結(jié)論該方法通過電感式傳感器對振動進行測量，原理簡單，簡便易行，電感式傳感器有以下特點：（1） 結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點，工作可靠壽命長；（2） 靈敏度和分辨力高，傳感器的輸出信號強；（3） 線性度和

33、重復(fù)性都比較好，同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。2.1.5 微變電容式傳感器振動測量電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，這是它的獨特優(yōu)點。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,電容式MEMS傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高等優(yōu)點,它廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等物理量的測量,而且,還逐步擴大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、成分含量的測量。在振動、角度等測量領(lǐng)域,采用差動式結(jié)構(gòu)的MEMS電容傳感器可進

34、一步提高靈敏度,減小非線性誤差,然而,受結(jié)構(gòu)微型化的影響,這種傳感器的電容量一般只有幾個pF,而由外界引起的差分電容變化量就更小。因此,提出了一種將差分電容的變化量檢測出來,并將其轉(zhuǎn)換為角度振動信號方法?；驹砣鐖D2-1-6所示,電容器中央是一塊被懸置的敏感質(zhì)量塊,可左右移動,兩側(cè)為固定電極,圖中標示的方向為敏感質(zhì)量塊的移動方向。當左、右電極與中央質(zhì)量塊的間隙相等時,結(jié)構(gòu)電容C1=C2=C0。如果芯片有位移時,質(zhì)量塊偏離平衡位置,使得2個結(jié)構(gòu)電容的電容量發(fā)生相反的變化,通過檢測兩電容信號即可得到位移量的大小。9 圖2-1-6 微變電容式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖當電容式傳感器在敏感方向上受到外力作用產(chǎn)

35、生加速度時,質(zhì)量塊偏離平衡位置,導(dǎo)致2個結(jié)構(gòu)電容大小不同。應(yīng)用方波電壓信號激勵差分電容, 2個結(jié)構(gòu)電容充電至穩(wěn)態(tài)的時間有所不同,通過檢測充電峰峰值的差別,得出原始信號。然后,經(jīng)過低通濾波去除原始信號中的尖峰脈沖干擾,再進一步通過均值濾波等方法分析處理得出振動和角度變化信號。這里,選取單片機作為整個電路的基礎(chǔ),該電路具有良好的擴展性能。電容式傳感器有以下特點：優(yōu)點：（1） 溫度穩(wěn)定性好；（2） 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度；（3） 動態(tài)響應(yīng)好，系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)；（4） 可以非接觸測量，具有平均效應(yīng)。缺點：（1） 輸出阻抗高，負載能力差；（2） 寄生電

36、容影響大。2.1.6 無源伺服傳感器的振動測量振動測量系統(tǒng)的組成如圖2-1-7所示,一個振動測量系統(tǒng)通常由傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及其相應(yīng)的傳輸線組成。傳感器是其中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),用于拾取測量信號;由傳感器輸出的信號很微弱,一般只有幾個毫伏,在測量小信號時甚至只有幾個微伏,而且該信號一般還混雜有各種噪聲,所以傳感器的后面通常會連接一個放大器對信號進行放大濾波處理。信號經(jīng)放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)具體需要可以進行各種分析處理。 圖2-1-7 振動測量系統(tǒng)的組成無源伺服傳感器的基本原理無源伺服傳感器屬動圈換能傳感器,結(jié)構(gòu)可用圖2-1-8所示的模型描述?；緶y量原理為:測量時,將傳感器

37、與被測物體剛性連接,傳感器與被測物體一起振動。傳感器振動時,帶動內(nèi)部的擺體運動,擺體處在磁場中,擺體運動時,繞在擺體上的線圈(稱為動圈)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,通過合理控制可以使該電動勢與被測振動形成確定的函數(shù)關(guān)系,這樣就能檢測出外界振動,通過不同的控制,傳感器可以測量速度和加速度,經(jīng)放大器積分變換后還可測位移。 圖2-1-8 動圈換能無源伺服反饋傳感器原理圖在圖2-1-8中,主線圈用于輸出傳感器信號,標定線圈用于標定傳感器參數(shù),m為擺體的質(zhì)量, k為彈性元件的剛度, b為包括空氣阻尼在內(nèi)的機械阻尼力系數(shù), G為動圈的機電耦合系數(shù),X為被測振動的運動位移,x為擺體相對于被測振動的運動位移。R

38、s為主線圈內(nèi)阻, e為傳感器的輸出電壓。10無源伺服傳感器低頻特性良好,動態(tài)范圍大、分辨率高、可以測量多個參量,因此廣泛用于低頻超低頻振動測量。2.2 光學法振動測量2.2.1 激光干涉原理在振動測量中的應(yīng)用振動量值的計量是計量科學中一個非常重要的方面。在現(xiàn)實中,描述振動特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的測振技術(shù)是接觸式測量。在測量物體上安裝加速度傳感器,利用加速度傳感器的電荷輸出信號實現(xiàn)加速度-速度-位移的相關(guān)測量。如果測量較小物體的振動,附加的傳感器質(zhì)量往往影響被測物體的振動,從而產(chǎn)生測量誤差;而且一些工作場合因被測物體表面影響或是測量條件的限制往往不允許在被測物體表面安裝測振

39、傳感器。因此設(shè)計和開發(fā)新型的非接觸式、高精度、實時性的測振技術(shù)一直是工程科學和技術(shù)領(lǐng)域中的重要任務(wù)。激光振動檢測是激光測量技術(shù)的重要應(yīng)用之一11。由于激光的方向性、單色性和相干性好等特性,使激光測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種軍事目標的測量和精密民用測量中,尤其是在測量各種微弱振動、目標運動的速度及其微小的變化等方面。激光干涉測振原理激光干涉測振技術(shù)是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進行測試的一門技術(shù),測試靈敏度和準確度高,絕大部分都是非接觸式的。激光干涉原理如圖2-2-1所示。 圖2-2-1 激光干涉原理光源S處發(fā)出的頻率為f、波長為的激光束一部分投射到記錄介質(zhì)H(比如全息干板)上,光波的復(fù)振幅記為E1,另一部分

40、經(jīng)物體O表面反射后投射到記錄介質(zhì)H上,光波的復(fù)振幅記為E2。其中: （1） （2）式中:A1和A2分別為光波的振幅;1和2分別是光波的位相;當E1和E2滿足相干條件時,其光波的合成復(fù)振幅E為: （3）光強分布I為:（4）式(4)的四項中前三項均為高頻分量,只有第四項為低頻分量,且與物體表面的狀態(tài)有關(guān)。第四項的含義是2代表的物體表面與1代表的參考面之間的相對變化量。因此通過處理和分析物體表面與參考在變形前后的位相變化、光強變化等,從而得到被測物體振動速度、位移等關(guān)系式。12激光干涉測振方法分析激光干涉測振主要的方法有:時間平均全息方法、激光散斑干涉技術(shù)、激光多普勒測振技術(shù)等。時間平均全息方法：對

41、于在某一穩(wěn)定頻率下作簡諧振動的物體,用連續(xù)激光照射,并在比振動周期長得多的時間內(nèi)在全息干板上曝光,可將物體表面所反射的光與未作位相調(diào)制的參考光相疊加,將兩束光的干涉圖記錄在全息干板上。其重現(xiàn)象由反映節(jié)線和等振幅線組成的干涉條紋來表示振幅分布。這就是時間平均全息方法的測振原理。如果物體振動的規(guī)律不同,條紋的強度分布規(guī)律也不同,但計算方法是類似的。時間平均全息方法的實驗過程簡單,節(jié)線清晰,可以檢測形狀復(fù)雜的透光物體或反射物體以及漫散射體,因此在振動分析中廣泛使用。不足之處是測量范圍小(僅幾十微米左右),對記錄信息過多,對記錄介質(zhì)的分辨率要求過高,故限制了應(yīng)用范圍。激光散斑干涉技術(shù)：激光散斑干涉是指

42、被測物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉,當物體表面發(fā)生變化時,如位移或變形等,干涉條紋也發(fā)生變化。通過對這些干涉條紋的處理,可以得到物體表面的振動情況。散斑法光路簡單,不但可以非接觸測量,無損檢測,而且可以遙感測量。不僅用來研究物體的狀態(tài),而且可對物體作振動分析。激光多普勒測振技術(shù):如果一定頻率的聲波、無線電波或光波在傳播過程中,對于接收器有相對運動時,接收器接收到的反射波的頻率會隨相對運動的速度變化,這種現(xiàn)象叫做多普勒頻移效應(yīng)。激光多普勒測振原理就是基于測量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻移fD,進而確定該測點的振動速度V。利用激光多普勒效應(yīng),不僅能測量固體的振動速

43、度,而且也能測量流體的流動速度。激光多普勒技術(shù)具有測量精度高,空間分辨力高,動態(tài)響應(yīng)快,非接觸測量的特點,適用于高溫、高壓、高速、放射等特殊環(huán)境中,應(yīng)用范圍廣泛。但也存在一定的缺陷,受被測體表面情況影響較大,另外光學測量頭的性能也會影響測量精度。11一般的干涉測量需要極為嚴格的實驗環(huán)境,因為系統(tǒng)對環(huán)境的變化十分敏感,給測量帶來了極其不利的影響13,因此要建立恒溫系統(tǒng)來減小測量誤差。2.2.2 PSD在弦振動測量中的應(yīng)用位置敏感器件PSD (Position Sensitive Device)。PSD 屬于半導(dǎo)體器件, 一般做成P+IN結(jié)構(gòu),具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡單等優(yōu)點

44、, 其弱點主要是非線性。其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。作為新型器件, PSD 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在位置坐標的精確測量上, 如: 兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動控制、或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域上。PSD光電器件是一種光能/位置轉(zhuǎn)換器件，由于位置量為模擬量輸出，系統(tǒng)響應(yīng)快，分辨率高，成本低，因此具有廣泛應(yīng)用的價值。同時可對目標信號進行調(diào)制，因而可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以用來實現(xiàn)高速、高精度、抗干擾能力強的位置檢測系統(tǒng)。因而近年來采用PSD作為位置檢測實現(xiàn)技術(shù)一直受到重視，并不斷研究開發(fā)出新的應(yīng)用技術(shù)。研究表明，PSD與CCD器件的最大不同之處是光電位置信號與照射強度相關(guān)，以及PSD信號的非線性影響，因而P

45、SD傳感裝置主要用于一維和二維位置量檢測，直接用于D3定位和位置測量還有許多問題需要解決。PSD傳感器的結(jié)構(gòu)原理及工作原理 圖2-2-2 一維PSD的剖面圖當PSD表面受到光照射時,在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電子-空穴對流過P層電阻,分別從設(shè)置在P層相對的兩個電極上輸出光電流I1和I2,由于P層電阻是均勻的,電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到各自電極之間的距離,光電流I1和I2可以用下面兩種方式表示:(1)坐標原點選在PSD光敏面的中心時: (1) (2)由式(1)和式(2)可以得到XA的表達式: (3)(2)坐標原點選在PSD光敏面的一端時: (4) (5)由式(4)和式(5)可以得到

46、: (6)式中:XA為PSD光敏面上的中心到入射光點之間的距離;XB為選取一端的PSD的光敏面的邊緣到入射光點的距離;L為PSD光敏感面的有效長度的1/2;I1,I2為兩個光電極的輸出電流;I0為基極的輸入電流,在數(shù)值上等于I1和I2兩者數(shù)量之和。由式(3)和式(6)就可以把所測得兩個電極的輸出光電流I1,I2代入到公式中即可解得光點距中心的距離大小XA,距另一端的距離XB,即入射光在PSD感光表面的位置。PSD弦振動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及原理為了使振源的振動能夠通過PSD傳感器的輸出信號真實的反映出來,通過實驗找到一種可行的方法,振動測試平臺如圖2-2-3所示,PSD弦振動測試系統(tǒng)原理如圖2-

47、2-4所示。系統(tǒng)組成所用的器件主要有半導(dǎo)體激光發(fā)生器、短距聚焦透鏡、吉它弦、鏡片、PSD傳感器、電源、放大電路、示波器、計算機等。把激光發(fā)生器固定在振動測試平臺上,使得激光發(fā)生器發(fā)出的激光和鏡片處在同一水平面上,由于所采用的激光光源為半導(dǎo)體激光發(fā)生器,其光斑模式比較大,能量分散,為了提高PSD的測量精度,在半導(dǎo)體激光發(fā)生器和鏡片中間要用一個透鏡進行聚焦,使得激光入射到PSD的感光表面時能量能夠聚到一個最小的面積上。其原理為:半導(dǎo)體激光發(fā)生器發(fā)出的水平方向上的激光經(jīng)過透鏡聚焦照射到反光鏡片上,垂直反射到PSD傳感器的感光表面上,經(jīng)過PSD傳感器傳換成電信號送入前置放大器,放大后的模擬信號再送入貯

48、存式示波器,示波器一方面可以顯示PSD輸出信號的波形,另一方面還可以進行振動信號數(shù)據(jù)采樣,把模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機,最后在計算機中作進一步的數(shù)據(jù)分析和處理,并最終得到振動信號的振動曲線。 圖2-2-3 振動測試平臺實物圖 圖2-2-4 振動測試系統(tǒng)的原理圖經(jīng)過計算機處理后,可將所采集到的數(shù)據(jù)作進一步的處理,畫出光點在PSD的感光表面的振動波形,再作進一步的分析就可以得出光點的振動頻率、幅值。14結(jié)論位置敏感器PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置傳感器,不僅能夠?qū)φ丈湓谄涓泄獗砻娴墓恻c的位置進行精確的定位,而且對連續(xù)快速移動的光點位置能夠快速的響應(yīng)。利用“半導(dǎo)體激光光源-振源-位置傳

49、感器PSD”組建一個簡易的振動測試系統(tǒng),外加PSD振動信號處理電路和計算機處理系統(tǒng)。對PSD傳感器在不同的振源、振動頻率的情況下進行實驗分析,驗證了PSD傳感器不僅在位置測量領(lǐng)域有著自身的長處,而且在振動測量也有著獨特的優(yōu)勢。2.2.3 全光纖傳感器振動測量光纖傳感技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門新型科學。與傳統(tǒng)的各類傳感器相比,光纖傳感器具有一系列獨特的優(yōu)點,靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高壓、防爆阻燃、光路可繞曲性好、幾何形狀具有多方面適應(yīng)性等,使其成為在諸多環(huán)境下的有效測量手段。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的

50、光學性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。光纖傳感器具有以下優(yōu)點：一、靈敏度較高； 二、幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器； 三、可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件； 四、可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境； 五、而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。To perform non-invasive vibration measurements in industrial environments, and/or on large structure

51、s found in aerospace engineering, and/or in very small devices used in micro-manipulation, optical methods are a preferable choice.15光學干涉使無接觸表面振動分析，提供多位移靈敏度比光的波長的分析和更小的頻率范圍非常廣泛。16全光纖傳感器的設(shè)計與工作原理全光纖傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-2-5所示 圖2-2-5 全光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖由于振動源介入全光纖系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu),不同時間的振動信息使得干涉系統(tǒng)相干光束的光程差不同,干涉信號的相位變化表現(xiàn)為光強度的不同,通過反演干涉信號的相

52、位,得到振動信號的速度隨時間的變化剖面曲線,再通過微分和積分運算得到加速度和位移。圖2-2-6中全光纖干涉系統(tǒng)利用兩只光纖耦合器構(gòu)造干涉光路,由于光源相干長度小,從耦合器1出發(fā)的光路中只有經(jīng)延遲臂耦合器2振動表面反射耦合器2直通臂和經(jīng)直通臂耦合器2振動表面反射耦合器2延遲臂的兩束光因延遲臂的存在到達振動表面時間相差最終能在耦合器1能形成穩(wěn)定的干涉。系統(tǒng)由于干涉光路的對稱性,對溫度變化等外界干擾具有明顯的消除,從原理上確保了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。 圖2-2-6 全光纖干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖未經(jīng)延遲到達振動反射表面的光束x1(t)和經(jīng)延遲時間到達振動反射表面的光x2(t-)干涉,得 (1)x(t)

53、通過PIN光電探測器、放大器后的交流干涉項為 (2)經(jīng)反正弦變換后得 (3)其中,A、B為比例系數(shù)。 (4)上式中,為激光的中心波長,為光纖延遲線對應(yīng)的光波傳輸時間,與延遲線長度成正比。當0時,可近似認為 (5)即兩束光t時刻的相位差與振動表面速度成正比,也可以認為是系統(tǒng)得到的干涉條紋數(shù)N(t)與速度V(t)成正比,可表示為: (6) (7)式(2)中,C為真空中的光速,neff為光纖纖芯的等效折射率,L為光纖延遲線長度。從式(7)得出全光纖傳感器的靈敏度與光纖延遲線長度成正比,對于小信號,可以采用增加延遲線長度的方法提高測量精度;對于大信號,可減小光纖延遲線,以保障系統(tǒng)具有足夠的帶寬,滿足測試的需要。通過調(diào)整光纖延遲線,實現(xiàn)對不同振動信號(振動頻率不同、幅度不同)的測試。而一般機械式傳感器,對振動頻率的要求較嚴格,不同的振動頻率只能采用不同的傳感器;全光纖傳感器對振動頻率不敏感,能夠?qū)崿F(xiàn)超低頻(零點一赫茲以下)和超高頻(數(shù)十仟赫茲以上)振動信號的測試。因此,它具有廣闊的應(yīng)用范圍,它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)振動測試儀器的功能,還能彌補常規(guī)振動測試儀器的不足。172.2.4 激光光柵多普勒效應(yīng)微小振動測量此外還有