基礎學科06振動測試技術

1、振動測試技術振動測試技術 李富才（）上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室1Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng)振動介紹常見的振動測試系統(tǒng)振動的激勵與激振器測振傳感器振動分析儀器測振裝置的校準振動參量的測量機械阻抗測量振動信號的頻譜分析 2Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動 振動是工程技術和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。振動的危害： 在大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設備的精度，壽命和可靠性都會產(chǎn)生影響。振動常常破壞機械的正常工作，振動的動載荷使機械加快失效，降低機械設備的使用壽命甚至導致?lián)p壞造成事故。振

2、動的利用： 振動的利用主要體現(xiàn)在振動機械上；通過合理設計，達到能耗少、效率高的特點，如運輸、夯實、搗固、清洗、脫水、時效、破碎等。3Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動測試實例 4Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動測試實例 5Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動測試實例 車身模態(tài)分析（多輸入多輸出）6Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動測試實例 在意大利AIENIA測試的機身結(jié)構（8個激振器和896個傳感器）7

3、Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動信號分類 按時間歷程分類，分為確定性振動和隨機振動兩大類。8機械振動機械振動非周期的非周期的隨機的隨機的 確定的確定的周期的周期的非平穩(wěn)的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧簡諧振動振動復雜周期復雜周期振動振動準周期準周期振動振動瞬態(tài)和瞬態(tài)和沖擊沖擊各態(tài)歷各態(tài)歷經(jīng)的經(jīng)的非各態(tài)非各態(tài)歷經(jīng)歷經(jīng)Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 單自由度系統(tǒng)的受迫振動 簡諧振動是最基本的周期運動，各種不同的周期運動都可以用無窮個不同頻率的簡諧運動的組合來表示。9Shanghai Jiao Tong Uni

4、versity振動和振動測試系統(tǒng) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 如圖所示為單自由度系統(tǒng)在質(zhì)量塊受力所產(chǎn)生的受迫振動示意圖。在外力f(t)的作用下，質(zhì)量塊m的運動方程為：)()()()(22tftkydttdycdttydmc 阻尼系數(shù)；阻尼系數(shù)；k 彈簧剛度；彈簧剛度；y(t) 振動系統(tǒng)振動系統(tǒng)位移位移輸出輸出10Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 這是一個典型的二階系統(tǒng)，當f( (t) )為正弦激勵力， f(t)=F0sint其系統(tǒng)頻率響應函數(shù)H( () )和幅頻特性函數(shù)A( () )以及相頻特性函數(shù)( () )分別為：21(

5、)12nnHj22221( )14nnA212arctan)(nn式中：式中： 系統(tǒng)的阻尼比：系統(tǒng)的阻尼比： n 系統(tǒng)的固有頻率：系統(tǒng)的固有頻率：2ckmnkm11Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 幅頻和相頻曲線如圖所示。根據(jù)振動理論定義，振動幅頻特性曲線上幅值極大的頻率稱為共振頻率。對幅頻特性函數(shù)A()一階導數(shù)并令其為零，可得到共振頻率 r為： 212rn12Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 在幅頻特性圖上，質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動其共振頻率 r總是小于

6、系統(tǒng)的固有頻率 n ，阻尼越小兩者越靠近，因此，在小阻尼情況下可以采用 r作為的 n估計值：212rn13Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動 在相頻特性圖上，不管系統(tǒng)的阻尼比為多少，在r/ / n=1=1時位移始終落后于激振力位移始終落后于激振力9090，這是判別共振頻率的一個十分有用的指標。 當系統(tǒng)有一定的阻尼后，幅頻曲線變得較為平坦，這時從幅頻曲線上不易測準幅值最高點。從相頻曲線看，在固有頻率處相在固有頻率處相位過位過9090，而且這段曲線比較陡峭，容易測定系統(tǒng)的固有頻率。14Shanghai Jiao Tong Univ

7、ersity振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵與激振器振動的激勵 激振方式的分類穩(wěn)態(tài)正弦激振隨機激振瞬態(tài)激振穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法，主要優(yōu)點：激振功率大、信噪比高能保證測試的精確度；缺點：測試周期長。隨機激振是寬帶激振方法，一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。優(yōu)點：可以實現(xiàn)快速甚至“實時”測試；缺點：所需設備復雜而且價格昂貴。瞬態(tài)激振也是寬帶激振方法.按照激振方式的不同又可以分為:快速正快速正快速正弦激振弦激振弦激振脈沖激振脈沖激振脈沖激振階躍激振Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵偽隨機信號 16Shanghai Jiao Ton

8、g University振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵快速正弦激勵 17Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵脈沖激勵 18Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵脈沖錘結(jié)構與激振力頻譜 19Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動的激勵與激振器激振器 目的目的：在測量機械設備或結(jié)構的振動力學參量或動態(tài)性能，：在測量機械設備或結(jié)構的振動力學參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、響應和模態(tài)等時，需要對被測如固有頻率、阻尼、剛度、響應和模態(tài)等時，需要對被測對

9、象施加一定的外力，讓其作受迫振動或自由振動，以便對象施加一定的外力，讓其作受迫振動或自由振動，以便獲得相應的激勵及其響應。獲得相應的激勵及其響應。 常用的激振器有常用的激振器有電動式電動式和和機械式機械式等幾種。等幾種。20Shanghai Jiao Tong University21振動和振動測試系統(tǒng) 電動式激振器 21Shanghai Jiao Tong University22振動和振動測試系統(tǒng) 電動式激振器 22 按其磁場的形成又分為永磁式（小型激振器）和勵磁式（大型激振器）。注意： 由頂桿施加到試件上的激振力不等于線圈受到的電動力； 一般最好使頂桿通過一只力傳感器去激勵試件，以便精確

10、測出激振力的大小和相位。Shanghai Jiao Tong University23振動和振動測試系統(tǒng) 電動式激振器的安裝 23注意： 高頻激振時，應使系統(tǒng)固有頻率低于激振頻率的1/31/3以下； 低頻激振時，應使系統(tǒng)固有頻率高于激振頻率的3 3倍以上。Shanghai Jiao Tong University24振動和振動測試系統(tǒng) 機械式激振器 由兩個偏心質(zhì)量的，反向等速轉(zhuǎn)動的齒輪組成。當兩齒輪旋轉(zhuǎn)時候，由于偏心質(zhì)量的緣故會產(chǎn)生一個周期性的離心力，從而產(chǎn)生激振作用。 2424優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構簡單，激振力范：結(jié)構簡單，激振力范 圍大；圍大；缺點缺點：工作頻率范圍小，且：工作頻率范圍小，且 體積

11、質(zhì)量較大。體積質(zhì)量較大。Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 振動測試系統(tǒng)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：機械法：利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來；光學法：利用光杠桿原理，讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理以及激光多普勒效應進行測量；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；25Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 機械法 利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來，主要用于低頻大振幅振動及扭振的測量。測振物體的振動由測振物體的振動由探測桿接收并直接探測桿接收并直接或經(jīng)杠桿放

12、大后用或經(jīng)杠桿放大后用記錄筆在移動膠片記錄筆在移動膠片上刻出信號上刻出信號。26Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 光學法 利用光杠桿原理，讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理以及激光多普勒效應進行測量。在精密測量和傳感器、測振儀的校準、定度中用的較多。 光學法測振裝置調(diào)整復雜，對測量環(huán)境要求嚴格，光學法測振裝置調(diào)整復雜，對測量環(huán)境要求嚴格，一般僅適用于實驗室環(huán)境下作標準振動儀器的標準計量一般僅適用于實驗室環(huán)境下作標準振動儀器的標準計量裝置裝置。27Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 電測法 被測的振動量轉(zhuǎn)換成電量，再用電

13、量測試設備進行測量的方法。目前應用最廣。 與機械法和光學法相比，電測法具有與機械法和光學法相比，電測法具有使用頻率范圍使用頻率范圍寬，動態(tài)范圍廣，測量靈敏度高寬，動態(tài)范圍廣，測量靈敏度高等特點。而且電測法能等特點。而且電測法能夠廣泛使用各種不同的測振傳感器，而電信號也易于被夠廣泛使用各種不同的測振傳感器，而電信號也易于被記錄，處理和傳送。因此電測法是最為廣泛使用的振動記錄，處理和傳送。因此電測法是最為廣泛使用的振動測量方法。測量方法。28Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 電測法振動測量系統(tǒng)框圖 一般的振動測量系統(tǒng)通常由一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振激振

14、、拾振拾振、中間變換電中間變換電路路、振動分析儀器振動分析儀器及及顯示記錄裝置顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。等環(huán)節(jié)所組成。 激振激振系統(tǒng)系統(tǒng)測振測振傳感器傳感器中間變換中間變換電路電路功放功放振動分析振動分析儀器儀器顯示顯示記錄記錄反饋反饋控制控制干擾干擾信號發(fā)生器信號發(fā)生器29Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 常見的振動測試系統(tǒng)（一）30Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 常見的振動測試系統(tǒng)（二）31Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 常見的振動測試系統(tǒng)（三）32Sha

15、nghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 常見的振動測試系統(tǒng)（四）33Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 測振傳感器 拾取振動信息的裝置通常稱拾振器，振動傳感器是其核拾取振動信息的裝置通常稱拾振器，振動傳感器是其核心組成部分。拾振器的作用是檢測被測對象的振動參數(shù)（心組成部分。拾振器的作用是檢測被測對象的振動參數(shù)（位位移移、速度速度、加速度加速度、頻率頻率、相位相位），在要求的頻率范圍內(nèi)正），在要求的頻率范圍內(nèi)正確地記錄，并將此機械量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。確地記錄，并將此機械量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 34Shanghai Jiao

16、Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 測振傳感器按測振參數(shù)分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器；按參考坐標分：相對式傳感器、絕對式傳感器；按變分原理分：磁電式、壓電式、電阻應變式、電感式、電容式、電渦流式、光學式；按傳感器與被測物關系分：接觸式傳感器、非接觸式傳感器 35Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 慣性式測振傳感器 當當 n時時，質(zhì)塊和殼體的相對運動（輸，質(zhì)塊和殼體的相對運動（輸 出）和基礎的振動（輸出）和基礎的振動（輸入）近乎相等，質(zhì)塊在慣性坐標系中幾乎靜止。入）近乎相等，質(zhì)塊在慣性坐標系中幾乎靜止。 慣性式拾振動器的力學模型

17、慣性式拾振動器的力學模型 基礎基礎運動運動產(chǎn)生產(chǎn)生的受的受迫振迫振動動36Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 慣性式測振傳感器 對于接觸式傳感器，測振時拾振器將固定在被測物上對于接觸式傳感器，測振時拾振器將固定在被測物上，其質(zhì)量將成為被測振動系統(tǒng)的附加質(zhì)量，使該系統(tǒng)振動，其質(zhì)量將成為被測振動系統(tǒng)的附加質(zhì)量，使該系統(tǒng)振動特性產(chǎn)生變化。則拾振器的質(zhì)量特性產(chǎn)生變化。則拾振器的質(zhì)量mt造成被測系統(tǒng)加速度和造成被測系統(tǒng)加速度和固有頻率的變化可用下式來估計：固有頻率的變化可用下式來估計： 慣性式拾振動器的力學模型慣性式拾振動器的力學模型 有當有當mtn時，質(zhì)塊和殼

18、體的相對運動和基時，質(zhì)塊和殼體的相對運動和基礎的振動近乎相等。礎的振動近乎相等。 根據(jù)上述原理，被測物（它和殼體固接）與質(zhì)量塊的相對速度就近似其根據(jù)上述原理，被測物（它和殼體固接）與質(zhì)量塊的相對速度就近似其絕對速度。這樣絕對式速度計實際上是先由慣性系統(tǒng)將被測物體的振動速度絕對速度。這樣絕對式速度計實際上是先由慣性系統(tǒng)將被測物體的振動速度轉(zhuǎn)換成質(zhì)塊轉(zhuǎn)換成質(zhì)塊殼體的相對速度，而后用磁電變換原理，將轉(zhuǎn)換成輸出電壓。殼體的相對速度，而后用磁電變換原理，將轉(zhuǎn)換成輸出電壓。1 1彈簧彈簧 2 2殼體殼體 3 3阻尼環(huán)阻尼環(huán) 4 4磁鋼磁鋼 5 5線圈線圈 6 6芯軸芯軸44Shanghai Jiao To

19、ng University振動和振動測試系統(tǒng) 磁電式相對速度計 磁電式傳感器還可以做成相對式的，用來測量振動系統(tǒng)中兩磁電式傳感器還可以做成相對式的，用來測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速度，殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件之間的相對振動速度，殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接。從而使傳感器內(nèi)部的線圈與磁鋼產(chǎn)生相對運動，發(fā)部件相連接。從而使傳感器內(nèi)部的線圈與磁鋼產(chǎn)生相對運動，發(fā)出相應的電動勢來。出相應的電動勢來。451 1頂桿頂桿 2 2彈簧片彈簧片 3 3磁鋼磁鋼 4 4線圈線圈 5 5引出線引出線 6 6殼體殼體Shanghai Jiao Tong University振動和振

20、動測試系統(tǒng) 測振傳感器的合理選擇在振動測量時，傳感器選擇時應合理選擇測量參數(shù)，力圖使最在振動測量時，傳感器選擇時應合理選擇測量參數(shù)，力圖使最重要的參數(shù)能以重要的參數(shù)能以最直接最直接、最合理最合理的方式測得：的方式測得： 振動位移振動位移是研究強度和變形的重要依據(jù)；是研究強度和變形的重要依據(jù)； 振動加速度振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞的重要依據(jù)；的重要依據(jù)； 振動速度振動速度決定了噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很決定了噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由振動速度決定的，振動速度又與能量和功大頻率范圍內(nèi)是由振動

21、速度決定的，振動速度又與能量和功率有關，并決定了力的動量。率有關，并決定了力的動量。 46Shanghai Jiao Tong University振動和振動測試系統(tǒng) 測振傳感器的合理選擇直接測量參數(shù)的選擇直接測量參數(shù)的選擇 低頻時加速度信噪比差低頻時加速度信噪比差 高頻時位移信噪比差高頻時位移信噪比差綜合考慮傳感器的各個指標綜合考慮傳感器的各個指標 靈敏度、測量范圍、頻率范圍靈敏度、測量范圍、頻率范圍考慮到具體的使用環(huán)境考慮到具體的使用環(huán)境47Shanghai Jiao Tong University48振動和振動測試系統(tǒng) 振動分析儀器 從拾振器（振動傳感器）檢測到的振動信號和從激振從拾振器

22、（振動傳感器）檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需要經(jīng)過適當?shù)姆治鎏幚恚蕴崛〕龈鼽c檢測到的力信號需要經(jīng)過適當?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。種有用的信息。 測振儀測振儀 頻率分析儀頻率分析儀 FFTFFT分析儀分析儀 虛擬頻譜分析儀虛擬頻譜分析儀 4848Shanghai Jiao Tong University49振動和振動測試系統(tǒng) 測振儀 4949 測振儀是用來直接指測振儀是用來直接指示位移、速度、加速度等示位移、速度、加速度等振動量的峰值、峰一峰值振動量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的儀器、平均值或均方值的儀器。這一類儀器一般包括微。這一類儀器一般包括微積分電路、放大器、檢

23、波積分電路、放大器、檢波器和表頭。它能使人們獲器和表頭。它能使人們獲得振動的總強度（振級）得振動的總強度（振級）的信息，而不能獲得振動的信息，而不能獲得振動頻率等其它方面的信息。頻率等其它方面的信息。 Shanghai Jiao Tong University50振動和振動測試系統(tǒng) 頻率分析 5050 模擬量頻率分析儀目模擬量頻率分析儀目前仍是振動測量較常用的前仍是振動測量較常用的分析設備。它主要由模擬分析設備。它主要由模擬帶通濾波器組成。振動信帶通濾波器組成。振動信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中間變換電路輸入頻率分析間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動掃描就可儀，手控或自動掃描

24、就可完成所需頻帶的頻譜分析完成所需頻帶的頻譜分析。Shanghai Jiao Tong University51振動和振動測試系統(tǒng) 5151 FFTFFT分析儀是以微處分析儀是以微處理器為核心和以快速傅里理器為核心和以快速傅里葉變換（葉變換（FFTFFT）算法為基礎）算法為基礎的數(shù)字分析儀，精度高、的數(shù)字分析儀，精度高、動態(tài)范圍大、功能多、性動態(tài)范圍大、功能多、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強。能穩(wěn)定、抗干擾能力強。手提式雙通道手提式雙通道FFTFFT分析儀分析儀 51振動和振動測試系統(tǒng) FFT分析儀 5151Shanghai Jiao Tong University52振動和振動測試系統(tǒng) 虛擬頻譜分析

25、儀分析儀 525252虛擬頻譜分析儀 5252 虛擬儀器的核心是具虛擬儀器的核心是具備各種功能的軟件系統(tǒng)，備各種功能的軟件系統(tǒng)，通常包括計算機圖形軟件通常包括計算機圖形軟件，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測量結(jié)果的測試系統(tǒng)軟件等量結(jié)果的測試系統(tǒng)軟件等。也包括少量的儀器硬件。也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計算機與儀器硬件相及將計算機與儀器硬件相連的總線結(jié)構等。連的總線結(jié)構等。Shanghai Jiao Tong University53振動和振動測試系統(tǒng) 測振裝置的校準 把測振傳感器、放大器和記錄儀器放在全套儀器測量系把測振傳感器、放大器和記錄儀器

26、放在全套儀器測量系統(tǒng)中，求得測振儀最初輸入量和最終輸出量的關系統(tǒng)中，求得測振儀最初輸入量和最終輸出量的關系-校準校準值。值。 分部校準分部校準 傳感器校準、放大器校準、記錄儀校準傳感器校準、放大器校準、記錄儀校準 系統(tǒng)校準系統(tǒng)校準 對整個系統(tǒng)進行校準對整個系統(tǒng)進行校準 5353Shanghai Jiao Tong University54振動和振動測試系統(tǒng) 傳感器的校準靜態(tài)校準法 僅能用于校準具有零頻率響應的傳感器及測量儀器，僅能用于校準具有零頻率響應的傳感器及測量儀器，如：電渦流式、電感式及電容式等相對式位移傳感器。如：電渦流式、電感式及電容式等相對式位移傳感器。 5454Shanghai

27、Jiao Tong University55振動和振動測試系統(tǒng) 傳感器的校準絕對法 將被校準拾振器固定將被校準拾振器固定在校準工作臺上，用激光在校準工作臺上，用激光干涉測振儀直接測得振動干涉測振儀直接測得振動臺的振幅，在和被校準拾臺的振幅，在和被校準拾振器的輸出比較，以確定振器的輸出比較，以確定被校準拾振器的靈敏度絕被校準拾振器的靈敏度絕對校準法精度較高，但因?qū)π史ň容^高，但因設備和技術比較復雜，故設備和技術比較復雜，故適合計量部門采用。適合計量部門采用。 5555Shanghai Jiao Tong University56振動和振動測試系統(tǒng) 傳感器的校準相對法 將待校準的傳感器和經(jīng)過國

28、家計量部門嚴格校準過的將待校準的傳感器和經(jīng)過國家計量部門嚴格校準過的傳感器背靠背地安裝在振動臺上承受相同的振動。將兩個傳感器背靠背地安裝在振動臺上承受相同的振動。將兩個傳感器的輸出比較，就可以計算出該頻率點待校準的靈敏傳感器的輸出比較，就可以計算出該頻率點待校準的靈敏度。度。 5656Shanghai Jiao Tong University57振動和振動測試系統(tǒng) 傳感器的校準 被校準傳感器的靈敏度為：被校準傳感器的靈敏度為： 5757rarauuSS Shanghai Jiao Tong University58振動和振動測試系統(tǒng) 傳感器的校準 5858Shanghai Jiao Tong

29、University59振動參量的測量振幅的測量 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。值和平均絕對值來表示。 峰值峰值從振動波形的基線位置到波峰的距離。從振動波形的基線位置到波峰的距離。 峰峰- -峰值峰值正峰值到負峰值之間的距離。正峰值到負峰值之間的距離。 5959595959振動參量是指振動參量是指振幅、頻率、相位角振幅、頻率、相位角和和阻尼比阻尼比等物理量等物理量Shanghai Jiao Tong University60振動參量的測量振幅的測量 在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值在考慮時間

30、過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。表示。有效值有效值和和平均絕對值平均絕對值分別定義為：分別定義為： 606060606060Z有效有效 = Zrms =TdttzT02)(1Z| |平均平均| | = Z =TdttzT0| )(|1諧振動中，峰值、有效值和平均絕對值的關系：諧振動中，峰值、有效值和平均絕對值的關系：frmszzz2122Zf為振動峰值為振動峰值Shanghai Jiao Tong University61振動參量的測量諧振動頻率的測量 測定諧振動頻率常用測定諧振動頻率常用直讀法直讀法和和比較法比較法: :直讀法：直讀法： 直接法是將拾振器的輸出信號送到各種頻率計或

31、頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。比較法：比較法： 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，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。 616161616161Shanghai Jiao Tong University62振動參量的測量相位角的測量 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

32、間的相位差也常用直讀法和比較法頻兩個振動之間的相位差也常用直讀法和比較法直讀法：直讀法： 直讀法是利用各種相位計直接測定。比較法：比較法： 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； 李沙育圖形法則是根據(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。 626262626262Shanghai Jiao Tong University63振動參量的測量阻尼比的測量 阻尼比是導出參數(shù)，可以通過測量振動的某些阻尼比是導出參數(shù)，可以通過測量振動的某些基本參數(shù)，再用公式算出。常用的方法有基本參數(shù)，再用公式算出。常用的方

33、法有振動波形振動波形圖法、共振法、半功率點法圖法、共振法、半功率點法和和李沙育圖法李沙育圖法四種。四種。 636363636363Shanghai Jiao Tong University64振動參量的測量阻尼比的測量振動波形圖法振動波形圖法 646464646464 一個單自由度振動系統(tǒng)，若給以初始沖擊或初始位移，則一個單自由度振動系統(tǒng)，若給以初始沖擊或初始位移，則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動。系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動。由振動理論得知阻尼自由振動理論得知阻尼自由振動的曲線方程為：由振動的曲線方程為：)cos()exp(ttOCZn式中：式中： 為衰減振動的圓頻率，為衰減振動的圓頻

34、率， 與衰減振動周期與衰減振動周期T的關系為：的關系為：n2nT振動波形圖法測阻尼比振動波形圖法測阻尼比 Shanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量振動波形圖法振動波形圖法 65任意相鄰兩振幅任意相鄰兩振幅Zi與與Zi+1的比值滿足：的比值滿足：式中：式中：)exp(1TZZii1ln1TzzTiiiiiiizzzzzzzlnln1Shanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量共振法共振法 一個單自由度的阻尼線性振動系統(tǒng)的位移、速度和加一個單自由度的阻尼線性振動系統(tǒng)的位移、速度和加速度的幅頻特性的共振頻率速度的幅頻

35、特性的共振頻率fd、fV、和、和fa是不相同的，它們是不相同的，它們與系統(tǒng)無阻尼振動固有頻率與系統(tǒng)無阻尼振動固有頻率fn之間的之間的關系關系如下：如下： 66位移幅頻特性圖位移幅頻特性圖221ndffnvff 2211naffShanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量共振法共振法 一個單自由度的阻尼線性振動系統(tǒng)的位移、速度和加一個單自由度的阻尼線性振動系統(tǒng)的位移、速度和加速度的幅頻特性的共振頻率速度的幅頻特性的共振頻率fd、fV、和、和fa是不相同的，它們是不相同的，它們與系統(tǒng)無阻尼振動固有頻率與系統(tǒng)無阻尼振動固有頻率fn之間的之間的關系關系如下：如下

36、： 67位移幅頻特性圖位移幅頻特性圖221ndffnvff 2211naff計算得計算得：2)/(12vdff2)/(12avff或或Shanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量半功率點法半功率點法 一個一個振動系統(tǒng)的能量是與其振幅的平方成正比振動系統(tǒng)的能量是與其振幅的平方成正比。系統(tǒng)。系統(tǒng)強迫振動的能量在共振點前后能量為共振時能量的強迫振動的能量在共振點前后能量為共振時能量的1/21/2處的處的兩個頻率兩個頻率f1、f2稱為稱為半功率點頻率半功率點頻率，則此兩半功率點頻率之，則此兩半功率點頻率之差值與系統(tǒng)的阻尼比之間有如下關系：差值與系統(tǒng)的阻尼比之間有

37、如下關系： 68nfff212Shanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量李沙育圖法李沙育圖法 振動物體傳感器測量放大器示波器Y軸輸入X軸輸入信號發(fā)生器Shanghai Jiao Tong University振動參量的測量阻尼比的測量李沙育圖法李沙育圖法 70cos21)(cos1)cos(2sin2mmmmmmmmyxyxyxxyShanghai Jiao Tong University機械阻抗測量7171 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信號。振動測量

38、的一號是被測對象在某種激勵下的輸出響應信號。振動測量的一個主要目的就是個主要目的就是通過對激勵和響應信號的測試分析，找出系通過對激勵和響應信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括，包括固有頻率固有頻率、固有振型固有振型、模態(tài)質(zhì)量模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比模態(tài)阻尼比等。振動測量是結(jié)構模態(tài)分析和設備等。振動測量是結(jié)構模態(tài)分析和設備故障診斷的基礎。故障診斷的基礎。Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量機械阻抗與機械導納 72機械機械阻阻抗抗( (Z) =) =)()(RF響應激勵機械導納機械導納( (M) =) =)()(FR激勵響應=

39、 =Z1機械阻抗是復量，可寫成幅值、相角、或?qū)嵅俊⑻摬啃螜C械阻抗是復量，可寫成幅值、相角、或?qū)嵅俊⑻摬啃问?，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示 機械阻抗與機械導納的一般機械阻抗與機械導納的一般定義定義為：為：Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量機械阻抗與機械導納 73激勵激勵 力力響應響應 位移、速度和加速度位移、速度和加速度機械阻抗和機械導納三種形式：機械阻抗和機械導納三種形式：位移阻抗位移阻抗 動剛度；動剛度；位移導納位移導納 動柔度動柔度速度阻抗速度阻抗 機械阻抗；機械阻抗；速度導納速度導納 導納導納加速度阻抗加速度阻抗

40、 視在質(zhì)量；視在質(zhì)量；加速度導納加速度導納 機械慣性機械慣性Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量機械阻抗與機械導納不同的應用分析場合，常采用不同的參數(shù)：不同的應用分析場合，常采用不同的參數(shù)： 評價評價結(jié)構抗振能力結(jié)構抗振能力 位移阻抗（動剛度）位移阻抗（動剛度） 振動振動對人體感受影響對人體感受影響 速度阻抗（機械阻抗）速度阻抗（機械阻抗） 振動引起的振動引起的結(jié)構疲勞損傷結(jié)構疲勞損傷 加速度導納加速度導納 （機械慣性）（機械慣性） 分析分析車廂等振動、噪聲車廂等振動、噪聲 速度導納（導納）速度導納（導納） 74Shanghai Jiao Tong Unive

41、rsity機械阻抗測量激勵測試方法穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試方法穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試方法瞬態(tài)激勵測試方法瞬態(tài)激勵測試方法隨機激勵測試方法隨機激勵測試方法 75Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 76激勵方式激勵方式：在被測對象上施加的力是穩(wěn)態(tài)正弦力：在被測對象上施加的力是穩(wěn)態(tài)正弦力兩種分類兩種分類：單點激勵單點激勵和和多點激勵多點激勵。 單點激勵：單點激勵：一個激振器，對結(jié)構某一點進行激勵。一個激振器，對結(jié)構某一點進行激勵。 多點激勵：多點激勵：兩個或兩個以上激振器同時進行激勵。兩個或兩個以上激振器同時進行激勵。Shanghai Jiao Tong Uni

42、versity機械阻抗測量穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 77激振器功放信號發(fā)生器機械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機電荷放大器加速度計柔性桿力傳感器被測試件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 Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 78阻抗頭：阻抗頭： 力傳感器和加速度計同軸安裝構成的力傳感器和加速度計同軸安裝構成的傳感器傳感器。分析儀器：分析儀器： 對激勵及響應信號進行對激勵及響應信號進行采樣采樣、變換變換、運算運算，從而求出傳遞，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。函?shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部?/p>

43、穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器：穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器： 模擬量跟蹤濾波器式分析儀；模擬量跟蹤濾波器式分析儀； 數(shù)字相關積分式分析儀。數(shù)字相關積分式分析儀。Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 79791 1力敏壓電片；力敏壓電片；2 2加速度信號輸出；加速度信號輸出； 3 3安裝面；安裝面；4 4外殼；外殼；5 5質(zhì)量塊；質(zhì)量塊；6-6-加速度敏壓電片；加速度敏壓電片；7 7力信號輸出；力信號輸出； 8 8硅橡膠密封圈；硅橡膠密封圈；9 9驅(qū)動端面驅(qū)動端面Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量瞬態(tài)激勵測

44、試 80激勵方式激勵方式：在被測對象上施加瞬態(tài)變化的力（脈沖錘）：在被測對象上施加瞬態(tài)變化的力（脈沖錘）快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 脈沖激振脈沖激振 Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量錘擊法測試原理 81磁帶記錄儀電荷放 大 器器傳遞函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計微型計算機X-Y繪圖儀打印機去計算機中心Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量錘擊法的主要激振設備-脈沖錘的結(jié)構圖 82錘頭力傳感器錘柄附加配重錘頭的材料越軟，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

45、越寬 Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量隨機激勵測試 激勵方式激勵方式：用白噪聲或偽隨機信號作為信號源：用白噪聲或偽隨機信號作為信號源83自相關函數(shù)自相關函數(shù)功率譜密度功率譜密度白噪聲白噪聲Shanghai Jiao Tong University機械阻抗測量隨機激勵測試 84優(yōu)點優(yōu)點：既具有純隨機信號的真實性，又因為有一定的周期：既具有純隨機信號的真實性，又因為有一定的周期性，而在數(shù)據(jù)處理中避免了統(tǒng)計誤差。性，而在數(shù)據(jù)處理中避免了統(tǒng)計誤差。自相關函數(shù)自相關函數(shù)自功率譜密度自功率譜密度偽隨機信號偽隨機信號Shanghai Jiao Tong University振動信號的頻譜分析8585 在振動測量中，由測振傳感器接收的信號通常在振動測量中，由測振傳感器接收的信號通常是復雜的時間函數(shù)。是復雜的時間函數(shù)。利用信號處理技術，通過傅里利用信號處理技術，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。法就稱為頻譜分析。軸承水平振動信號（加速度計測量振動）軸承水平振動信號（加速度計測量振動）Shanghai Jiao Tong University振動信號的頻譜分析