信號檢測理論與技術(shù)-第二章

1、第第2 2章章 振動測量技術(shù)振動測量技術(shù)2.2 振動測量原理振動測量原理2.1 振動測量的基礎(chǔ)知識振動測量的基礎(chǔ)知識 2.3 振動測量傳感器振動測量傳感器2.1 振動測量的基礎(chǔ)知識振動測量的基礎(chǔ)知識振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象。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)生不利影響；對人體也會產(chǎn)生有害的影響。振動也有可以被利用的一面，如清洗、磨削。振動：振動：物體在一定位置附近所做的周期性往復(fù)物體在一定位置附近所做的周期性往復(fù)運(yùn)動。運(yùn)動。 2.1.1 振動的分類振動的分類1、按產(chǎn)生振動的方式分類、按產(chǎn)生振動的方式分類 分為兩種：分為兩種： 自由振動：自由振動：

2、 僅受初始條件（初始位移、初始速度）激僅受初始條件（初始位移、初始速度）激勵而引起的振動；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。 2、 按振動的規(guī)律分類按振動的規(guī)律分類機(jī)械振動非 周 期的隨機(jī)的確定性的周期的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧振動復(fù)雜周期振動準(zhǔn)周期振動瞬態(tài)和沖擊各態(tài)歷經(jīng)的非各態(tài)歷經(jīng)（1）簡諧振動簡諧振動振動以正弦或余弦函數(shù)表示。振動以正弦或余弦函數(shù)表示。自由振動的角頻率（固有頻率）自由振動的角頻率（固有頻率） 僅由系統(tǒng)本身參數(shù)確定，與外界激勵、初始條件無關(guān)。0kmo ok km0(2-1)（2）復(fù)雜（合）周期振動）復(fù)雜（合）周期振動 由

3、兩個或兩個以上由兩個或兩個以上頻率之比為有理數(shù)頻率之比為有理數(shù)的簡諧的簡諧振動復(fù)合而成。振動復(fù)合而成。（3）準(zhǔn)周期振動）準(zhǔn)周期振動n由頻率比由頻率比不全為有理數(shù)不全為有理數(shù)的簡諧振動疊加而成。的簡諧振動疊加而成。（4）瞬態(tài)振動、沖擊）瞬態(tài)振動、沖擊u瞬態(tài)振動：在極短時間內(nèi)瞬態(tài)振動：在極短時間內(nèi)僅持續(xù)幾個周期僅持續(xù)幾個周期的振動。的振動。u沖擊是沖擊是單個脈沖單個脈沖。u特點(diǎn)：特點(diǎn)：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(gòu)成。通常由零到無限大的所有頻率的諧波分量構(gòu)成。（5）隨機(jī)振動）隨機(jī)振動n不能用確定的數(shù)學(xué)式來描述其運(yùn)動規(guī)律

4、的振動。服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性。一般來說，振動信號中既包含有確定性的振動確定性的振動，又包含有隨機(jī)振動隨機(jī)振動. 對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術(shù)分解為許多簡諧振動的疊加。簡諧振動是最基本的振動。2.1.2 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng)1、振動測試的目的、振動測試的目的測量設(shè)備運(yùn)行時的振動參量，了解被測對象的振動狀態(tài)；對設(shè)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(jī)械阻抗等。 振動測量系統(tǒng)組成2、振動測量系統(tǒng)組成、振動測量系統(tǒng)組成振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、振動分析儀及顯示記錄儀等部分組成。（1 1）激勵部分）激勵部分 對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試

5、件按 預(yù)定要求振動。 主要由激勵信號源、功率放大器和激振器組成。 （2 2）拾振部分）拾振部分 將振動量轉(zhuǎn)換為電信號，并對信號進(jìn)行放大。 主要由傳感器、放大器組成。 （3 3）分析部分）分析部分 對拾振部分傳來的信號進(jìn)行處理，獲取各種振動參量，并進(jìn)行頻譜分析。（4 4）顯示記錄部分）顯示記錄部分 顯示記錄分析處理結(jié)果。2.2 振動測量原理振動測量原理 分類：按殼體的固定方式可分為兩類分類：按殼體的固定方式可分為兩類相對式：相對式： 殼體固定在基座上，測桿和被測對象相聯(lián)，殼體固定在基座上，測桿和被測對象相聯(lián)，敏感被測對象相對于基座的振動；敏感被測對象相對于基座的振動；絕對式：絕對式： 殼體固定在

6、被測對象上，彈簧支撐一個慣性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。體感受振動，又稱為慣性式測振傳感器。慣性式測振傳感器的力學(xué)模型慣性式測振傳感器的力學(xué)模型設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移z0， 則質(zhì)量塊的運(yùn)動方程為: 0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdm質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:1001zzz(2-2) 考慮以下三種情況下的頻率響應(yīng)特性：(1)z01相對于載體的振動位移z1 ，此時測振儀處于位移計工作狀態(tài)。(2)z01相對于載體振動速度 ，此時測振儀處于速度計工作狀態(tài)。(3) z01相對于載體的振動加速度 ，此時測振儀處于加速

7、度計工作狀態(tài)。 1z 1z (1)(1)測振儀處于位移計工作狀態(tài)測振儀處于位移計工作狀態(tài) 此時幅頻特性和相頻特性分別為: 阻尼比 固有角頻率20102 22100( /)1 ( /) (2/)dzAz d0202 ( /)arctg1 ( /) 2cmk0km(2-3)(2-4) 載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)頻率特性曲線如圖所示。0 (2)(2)測振儀處于速度計工作狀態(tài)測振儀處于速度計工作狀態(tài) 此時幅頻特性和相頻特性分別為: 其幅頻特性曲線如圖所示。012210001(/)4zAz 0202 (/)1(/)2Varctg (2-5)(2-6) 載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖0 (3) 測振儀處于加速度計的

8、工作狀態(tài)下測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下 此時幅頻特性和相頻特性分別為: 其幅頻特性曲線如圖所示。20102 221001/1 ( /) (2/)azAz 0202/1 ( /)aarctg (2-7)(2-8) 載體運(yùn)動引起的加速度響應(yīng)0 n 幾點(diǎn)結(jié)論幾點(diǎn)結(jié)論位移計工作在過諧振區(qū)；加速度計工作在亞諧振區(qū)；速度計工作在諧振區(qū)附近。對位移計和加速度計，當(dāng)阻尼比 在0.60.8范圍時，幅頻特性曲線有更寬廣平坦的曲線段。對速度計而言，阻尼比 越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，速度計往往在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。位移計敏感被測物的振幅z1m，加速度計敏感被測物的振動加速度振幅w2 z1m ，位移計常用

9、來測量低頻大振幅的振動，而高頻振動則選用加速度計較為合適。2.3 振動測量傳感器振動測量傳感器1、磁電式振動傳感器、磁電式振動傳感器n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由永久磁鐵、線圈、彈簧、阻尼器和殼體等組成。永久磁鐵相當(dāng)于二階系統(tǒng)中的質(zhì)量塊m，阻尼大多是由電磁阻尼提供的，也有的傳感器還兼有空氣阻尼器。 n工作原理工作原理測量時，傳感器殼體剛性地固定在振動體上，隨振動體一起振動。傳感器的質(zhì)量塊的質(zhì)量m較大，彈簧較軟(彈性系數(shù)k較小)，當(dāng)振動頻率足夠高時，質(zhì)量塊的慣性相對很大，來不及跟隨振動體振動，以至接近靜止不動。 線圈與永久磁鐵之間有相對運(yùn) 動，線圈切割磁力線，在線圈 兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢。n頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性0

10、102100/1 ( /)2/zjzj 20102 22100( /)1 ( /) (2/)dzAz 0202 ( /)arctg1 ( /) d(2-9)(2-10)(2-11)由幅頻特性曲線可以看出，當(dāng) 遠(yuǎn)大于( )，質(zhì)量塊與振動體之間相對位移與振動體絕對位移之比接近于1。質(zhì)量塊與振動體之間的相對位移接近接近振動體的絕對位移。003 其相對運(yùn)動速度相對運(yùn)動速度就接近就接近 振動體的振動速度。振動體的振動速度。0 n傳感器輸出與振動速度關(guān)系傳感器輸出與振動速度關(guān)系 由電磁感應(yīng)原理可知，線圈繞組中的感應(yīng)電勢 為式中：W：繞組的匝數(shù)B：磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)，l ：每匝線圈的平均長度(m)；v: :

11、振動體的振動速度振動體的振動速度(m/s)eWBlve(2-12)n特點(diǎn)特點(diǎn)輸出阻抗低。 體積、重量大；存在活動部件，不如壓電傳感器堅固可靠，需要定期檢修。頻率響應(yīng)不好，頻率范圍：102000Hz。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：靈敏度：靈敏度：2050mV/mm/S頻率響應(yīng)：頻率響應(yīng)：101000 Hz最大加速度：最大加速度：10g溫度范圍：溫度范圍： -30120外形尺寸：外形尺寸：3578mm 重重 量量: 約約350g2、壓電式振動（加速度）傳感器、壓電式振動（加速度）傳感器 n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)壓電片，在壓電片上放置一個質(zhì)量塊。質(zhì)量塊一般采用比重較大的金屬鎢或高比重合金制成，以使體積盡可能小。 裝配時應(yīng)對

12、壓電元件施加預(yù)緊 力，以消除質(zhì)量塊與壓電元件 之間，以及壓電元件本身之間 因加工粗糙造成的接觸不良而 引起的非線性誤差。n工作原理工作原理測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。當(dāng)傳感器承受振動時，質(zhì)量塊感受與試件相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。 質(zhì)量塊就有一正比于加速度的 力作用在壓電元件上。由于壓 電元件具有壓電效應(yīng)，因此在 它的兩個表面上產(chǎn)生電荷。n頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性201020001/1 (/)(2/)zjaj 0 20102 220001/1 ( /) (2/)azAa 0202/1 ( /)aarctg n輸出電荷與加速度的關(guān)系：輸出電荷與加速度的關(guān)系：因為質(zhì)量塊與傳感器殼體之間的相對位移 等于壓電元件的變形量。因此，作用在壓電元件上的力F 可表示為，01z01yFk z式中； 壓電元件的彈性系數(shù)。 yk壓電元件產(chǎn)生的電荷3301yqd k z壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系式當(dāng)試件的振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸