機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)-第三版-第七章

第一節(jié)概述第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定第五節(jié)激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號簡介第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型2第一節(jié)概述機(jī)械振動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中極為常見的現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)測試是現(xiàn)代機(jī)械振動(dòng)學(xué)科的重要組成部分。機(jī)械振動(dòng)測試用于不同目的，大致可分為兩類：1）尋找振源，減少或消除振動(dòng)：即消除被測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所在的振動(dòng)。2）測定結(jié)構(gòu)或部件的動(dòng)態(tài)特性以便改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高抗振能力。3第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型單自由度系統(tǒng)是一種最簡單的力學(xué)模型。該系統(tǒng)性的全部質(zhì)量m(kg)集中在一點(diǎn)，并由一個(gè)剛度為k(N/m)的彈簧和一個(gè)粘性阻尼系數(shù)為c(N/ms-1)的阻尼器支持著，在討論中假設(shè)系數(shù)m,k和c不隨時(shí)間而變，系統(tǒng)呈線性。該系統(tǒng)可以用二階常系數(shù)微分方程來表述。單自由度系統(tǒng)振動(dòng)研究是多自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且一些實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)可以簡化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)。4第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析1、質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動(dòng)典型的單自由度系統(tǒng)如圖7-1所示。圖7-15其質(zhì)量塊m在外力f(t)作用下的運(yùn)動(dòng)方程為式中c—粘性阻尼系數(shù)

k—彈簧剛度

f(t)—激振力，為系統(tǒng)的輸入

z—振動(dòng)位移，為系統(tǒng)的輸出第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析6圖7-2自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)激勵(lì)在許多情況下，振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)是由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為z1,質(zhì)量m的絕對位移為z0，作其力的分析。2、基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型7基礎(chǔ)激振時(shí)，以質(zhì)量塊對基礎(chǔ)的相對位移為影響時(shí)的頻率響應(yīng)特性如圖7-3一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型圖7-38特性分析：1）在使用時(shí)，一般取>>(3-5)，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測振動(dòng)的下限頻率。2）若選擇適當(dāng)阻尼，可抑制=1處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限的頻率。3）該種傳感器測量上限頻率在理論上是無限的，但在實(shí)際應(yīng)用中則要受到具體儀器結(jié)構(gòu)和元器件的限制，因此上限不能太高，下限頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和慣性塊尺寸、質(zhì)量的限制，使不能過小第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析9二、單自由度制動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié)由于在不同的場合的輸入量、輸出量是不相同的：從而其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不相同，根據(jù)上述原理，可將其歸納成表格，以備差用。第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型10按所測的振動(dòng)性質(zhì)可將傳感器分為絕對式和相對式。所選用的測振傳感器按是否與被測件接觸可將傳感器分為兩類:接觸式和非接觸式。接觸式傳感器中有磁電式速度傳感器和壓電式加速度計(jì)等，其機(jī)電轉(zhuǎn)換較為方便，因而用得最多。而電容傳感器、渦流傳感器常用于振動(dòng)位移的非接觸測量中。絕對式傳感器的輸出描述被測物的絕對振動(dòng)；絕對式傳感器的殼體固定在被測件上，其內(nèi)部利用其彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)來感受振動(dòng)，其力學(xué)模型如下圖。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器二、單自由度制動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié)11第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器慣性式傳感器的力學(xué)模型二、單自由度制動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié)12渦流式位移傳感器是一種相對式非接觸式傳感器：它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動(dòng)位移和其幅值的。實(shí)驗(yàn)表明，傳感器線圈的厚度愈小，其靈敏度愈高，由于渦流傳感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平線圈組成，結(jié)構(gòu)簡單第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器一、渦流位移傳感器13渦流式位移傳感器如圖7-5所示。1-殼體2：框架3：線圈4：保護(hù)套5：添料6：螺母7：電纜第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器一、渦流位移傳感器圖7-514二、電容傳感器接觸式的電容傳感器常用于振動(dòng)測量，其結(jié)構(gòu)外觀如圖7-6所示。該類型的電容傳感器的信號轉(zhuǎn)換放大電路，主要采用頻率調(diào)制型，目的在于增加電路的靈敏度和可靠性?？蓪?shí)現(xiàn)超低頻振動(dòng)測量。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器電容傳感器外觀圖圖7-615圖7-7為電容式傳感器工作原理圖。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器二、電容傳感器圖7-716圖7-8為電容傳感器輸出信號示意圖。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器二、電容傳感器圖7-817三、磁電式速度計(jì)如果將殼體固定在一試件上，通過壓縮彈簧片，使頂桿以F力頂住另一試件，則線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對速度，速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對速度成正比例。磁電式速度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的傳感器，將傳感器中的線圈作為質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈在磁場中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生的電勢大小與輸入的速度成正比。圖7-9就是按這種原理工作的磁電式相對速度計(jì)的簡圖磁電式速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輸出阻抗低，從外部引入的電噪聲很小，輸出信號較大，靈敏度較大，有時(shí)可不加放大器，適于測量低頻信號。其主要缺點(diǎn)是體積大、笨重、不能測量高頻信號。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器18圖7-9磁電式相對速度計(jì)1：頂桿2、5：彈簧片3：磁鐵4：線圈6：引出線7殼體第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器三、磁電式速度計(jì)19圖7-10a是中央安裝壓縮型。圖中S是彈簧，M是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。1、壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、壓電加速度計(jì)壓電元件---質(zhì)量塊---彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象聯(lián)接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響傳感器輸出。此外測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電片，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器圖7-1020圖7-10b為環(huán)形剪切型。結(jié)構(gòu)簡單，能做極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，不形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-1021圖7-10c為三角剪切型。壓電片由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電片承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-1022

2、壓電式加速度傳感器的靈敏度壓電式加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法：一個(gè)是電壓靈敏度SV；另一個(gè)是電荷靈敏度Sq。電荷靈敏度：已知壓電片上承受的壓力為F=ma，在壓電片的工作表面上產(chǎn)生的電荷qa與被測振動(dòng)的加速度a成正比，即qa=Sqa，式中比例系數(shù)Sq就是壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度，量綱是[pC/(m.s-2)]電壓靈敏度:傳感器的開路電壓ua也與被測加速度a成正比，比例系數(shù)SV就是壓電式加速度傳感器的聲壓靈敏度，量綱是[mV/(m.s-2)]第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)23加速度傳感器的工作原理示意圖及等效電路如圖所示。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器a工作原理示意圖b等效電路四、壓電加速度計(jì)24

3、壓電加速度傳感器的頻率特性實(shí)際的壓電式加速度傳感器，由于電荷泄漏，其幅頻特性如圖7-12所示。從圖中可以看出壓電式加速度傳感器工作頻率范圍很寬，只有在加速度傳感器固有的頻率附近靈敏度才發(fā)生急劇變化。加速度傳感器的使用限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-12254、加速度傳感器的安裝方法加速度傳感器與試件的各種固定方法如圖7-13所示。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-1326圖7-13a采用綱螺栓固定；是使用共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座變形，影響加速度計(jì)的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的聯(lián)接可靠性。需要絕緣時(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片來固定加速度傳感器（圖7-13b)，但墊圈應(yīng)盡量薄。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-1327用一層薄蠟把加速度傳感器粘在試件平整表面上，變可用于低溫的場合。手持探針測振方法（7-13d），用專用永久磁鐵固定加速度傳感器（圖7-13e），使用方便，多在低頻測量中使用。用硬性粘接螺栓（圖7-13f）或粘接劑（圖7-13g）的固定方法也常用。軟性粘接劑會顯著降低共振頻率。不宜采用。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)圖7-1328

5、壓電加速度傳感器的前置放大器用于壓電式傳感器的前置放大器有兩類：電壓放大器和電荷放大器所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。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(dòng)測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗更高，但價(jià)格比較昂貴。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器四、壓電加速度計(jì)29五、阻抗頭阻抗頭作用是在力傳遞點(diǎn)同進(jìn)測量激振力和該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，如圖7-14所示。1、4：壓電片2：激振平臺3：橡膠5：質(zhì)量塊6-鈦質(zhì)殼體第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器圖7-1430六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展1、壓電加速度計(jì)壓電加速度計(jì)是應(yīng)用最廣泛的振動(dòng)測量傳感器。近年來在壓電材料、結(jié)構(gòu)和性能上均有很大的改善。近年來培植的人工晶體應(yīng)用于加速度計(jì)，使其性能得到大幅度提高。近年來慣性加速度計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有很大的改進(jìn)。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器中嵌入阻抗轉(zhuǎn)換電路，得到電壓輸出，簡化了后續(xù)設(shè)備；嵌入存儲有傳感器的序列號、靈敏度等信息的數(shù)字芯片，與相應(yīng)的測量儀器連接，儀器開機(jī)后可自動(dòng)讀入這些信息。31近年來慣性加速度計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很大的改進(jìn)。如圖所示。新型的三軸傳感器中心部分結(jié)構(gòu)圖。1：阻抗變換器2：質(zhì)量塊3：敏感元件4：底座5：外殼第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展32新興三軸傳感器X、Y、Z三個(gè)方向的主振型圖。新型三軸傳感器照片。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展33

2、激光多普勒振動(dòng)測量系統(tǒng)利用激光多普勒效應(yīng)不僅能測量固體的振動(dòng)速度：還可以測量流體的流動(dòng)速度。激光多普勒速度計(jì)有單點(diǎn)測量型和掃描型兩種。激光多普勒效應(yīng)是當(dāng)波源向著接收器之間傳遞的波將發(fā)生變化，波長縮短，頻率升高；反之，當(dāng)波源背接收器移動(dòng)時(shí)，波源和接收器之間傳遞的波長變長，頻率會降低。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展34圖為使用單點(diǎn)激光多普勒速度計(jì)測量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展35圖為掃描型激光多普勒測速計(jì)。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展36使用激光多普勒測速計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車車身多點(diǎn)振動(dòng)測量或模態(tài)試驗(yàn)。第三節(jié)振動(dòng)測量傳感器六、現(xiàn)代振動(dòng)測量與振動(dòng)傳感器的發(fā)展37第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定一、振動(dòng)測量系統(tǒng)的組成機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測量主要是指測定振動(dòng)體的位移、速度、加速度大小以及振動(dòng)頻度、周期、相位、振型、頻譜等，在工程實(shí)踐中有時(shí)還要通過試驗(yàn)來測定振動(dòng)系統(tǒng)性的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。振動(dòng)測量廣泛采用電測法，這種方法靈敏度高，頻率范圍及線性范圍寬，便于遙測和運(yùn)用電子儀器，還可以用計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)。根據(jù)測試的對象和任務(wù)不同，一般可將其分為兩種類型。下面分別介紹38

1、僅測量系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）這類測試主要發(fā)生在兩種情況之下：第一種情況是系統(tǒng)在一定的條件下發(fā)生自由振動(dòng)，此時(shí)只要測得其自由振動(dòng)的時(shí)間歷程即可求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征；第二種情況是系統(tǒng)在自然激勵(lì)作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，系統(tǒng)的輸入一般難以測量或不可測量，此時(shí)主要通過測出系統(tǒng)的輸出，求出其相關(guān)的函數(shù)或功率譜密度函數(shù)來確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或找出引起振動(dòng)的原因。第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定一、振動(dòng)測量系統(tǒng)的組成39

2、同時(shí)測量輸入和輸出所示系統(tǒng)是一種最簡單的振動(dòng)測試系統(tǒng)，它用于第一類測試。這類測試是典型的實(shí)驗(yàn)室方法，被測系統(tǒng)通常在人為激勵(lì)作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，同時(shí)測出系統(tǒng)的輸入和輸出，求取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定一、振動(dòng)測量系統(tǒng)的組成40圖7-23所示系統(tǒng)能把現(xiàn)場的振動(dòng)信號記錄下來，供分析時(shí)反復(fù)使用。若配上適當(dāng)?shù)臑V波器組成圖7-24所示系統(tǒng)，不僅在現(xiàn)場讀出振動(dòng)的量級，還可以對振動(dòng)信號作頻率分析。7-23測量記錄系統(tǒng)7-24加濾波器的測量系統(tǒng)第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定一、振動(dòng)測量系統(tǒng)的組成41二、測試系統(tǒng)的標(biāo)定標(biāo)定的過程一般分為三級精度：國家計(jì)量院進(jìn)行的標(biāo)定是一級精度的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。在此處標(biāo)定出的傳感器叫標(biāo)準(zhǔn)傳感器，它具有二級精度。用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以對出廠的傳感器和其他方式使用的傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到的傳感器具有三級精度，也就是我們在試驗(yàn)現(xiàn)場所用的傳感器。常用的靈敏度標(biāo)定方法有：絕對法、相對法和校準(zhǔn)器法第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定421、絕對法這一般是由國家計(jì)量院實(shí)行一級標(biāo)定所用的方法，用來標(biāo)定二級精度的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。將被標(biāo)定的傳感器固定在標(biāo)定振動(dòng)臺上，用激光干涉測振儀直接測量振動(dòng)臺的振幅，再和被標(biāo)定的傳感器的輸出比較，以確定被標(biāo)定傳感器的靈敏度。其原理如圖。1：電源2：興電倍增管3：放大器4：頻率測量儀5：參考反射鏡6參考光束7：測量光束8：分束器9：氦氖激光器10：數(shù)字電壓表11：電荷放大器12拾振器13振動(dòng)臺14測量反射鏡15功率放大器16正弦信號發(fā)生器第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定二、測試系統(tǒng)的標(biāo)定432、相對法相對法又稱背靠背比較法。圖7-27是這種相對校準(zhǔn)加速度計(jì)的一個(gè)簡圖。第四節(jié)振動(dòng)測量系統(tǒng)及其標(biāo)定二、測試系統(tǒng)的標(biāo)定圖7-2744第五節(jié)激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號簡介一、振動(dòng)臺振動(dòng)臺有機(jī)械式振動(dòng)臺、電磁式振動(dòng)臺和電—液伺服振動(dòng)臺三種。電—液伺服振動(dòng)臺是將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)臺臺面往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種設(shè)備。工作時(shí)，電—液伺服振動(dòng)臺的閥控液壓缸系統(tǒng)帶著質(zhì)量負(fù)載，其原理如下圖。其中臺體由電液控制閥、液壓缸、高壓油路（供油管路）、低壓油路（回油管路）等主要部件組成。電液控制閥的驅(qū)動(dòng)線圈由信號發(fā)生器、功率放大器供給驅(qū)動(dòng)電