第七章-機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)-振動(dòng)測(cè)試

第七章振動(dòng)測(cè)試第一節(jié)概述第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器第四節(jié)振動(dòng)測(cè)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(hào)簡(jiǎn)介第七章振動(dòng)測(cè)試第一節(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(jiàn)的現(xiàn)象。很多機(jī)械設(shè)備和裝置內(nèi)部安裝著各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和零部件（都是彈性體），在運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)的剛度各向不等、表面質(zhì)量不夠理想等原因，使得工作時(shí)不可避免地存在著振動(dòng)現(xiàn)象。在許多情況下，這種振動(dòng)是有害的。但在某些情況下，振動(dòng)也有可被利用的一面。機(jī)械振動(dòng)的兩重性有害的一面：許多設(shè)備故障的產(chǎn)生就是由于振動(dòng)過(guò)大，產(chǎn)生有損機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)載荷，而導(dǎo)致系統(tǒng)特性參數(shù)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)可能使部件產(chǎn)生裂紋、機(jī)構(gòu)強(qiáng)度下降或使機(jī)上設(shè)備失靈，其后果嚴(yán)重影響機(jī)器設(shè)備的工作性能和壽命，甚至使機(jī)器破壞。同時(shí)，強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲還對(duì)人的生理健康產(chǎn)生極大的危害。第一節(jié)概述有利的一面：利用振動(dòng)原理研制的振動(dòng)機(jī)械用于運(yùn)輸、夯實(shí)、搗固、清洗、脫水、時(shí)效等方面，只要設(shè)計(jì)合理，它們有著耗能少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。機(jī)械振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體的影響第一節(jié)概述振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)按摩椅振動(dòng)篩選機(jī)第一節(jié)概述機(jī)械振動(dòng)測(cè)試是現(xiàn)代機(jī)械振動(dòng)學(xué)科的重要組成部分，它是研究和解決工程技術(shù)中許多動(dòng)力學(xué)問(wèn)題必不可少的手段。機(jī)械振動(dòng)測(cè)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(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動(dòng)。2）測(cè)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。第一節(jié)概述第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型

第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型在工程振動(dòng)理論中，常用理論分析計(jì)算法來(lái)解決工程振動(dòng)問(wèn)題。利用振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度等物理量描述系統(tǒng)的物理特性，從而構(gòu)成系統(tǒng)的力學(xué)模型。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析某種理想化的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為求出在自由振動(dòng)下的模態(tài)特性數(shù)學(xué)分析單自由度系統(tǒng)多自由度系統(tǒng)基礎(chǔ)固有頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)矢量質(zhì)量m、剛度k、阻尼系數(shù)c不隨時(shí)間變化，線性系統(tǒng)。用二階常系數(shù)微分方程描述。某些工程結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)方程頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性相頻特性第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型一、慣性式測(cè)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)圖7-1單自由度系統(tǒng)在質(zhì)量塊受力時(shí)所引起的受迫振動(dòng)2．基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為z1，質(zhì)量m的絕對(duì)位移為z0，則質(zhì)量塊上所受的力為第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型圖7-2單自由度系統(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。當(dāng)質(zhì)量塊對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)量塊的相對(duì)位移為將其代入上式，則有頻率響應(yīng)幅頻特性第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型相頻特性第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型圖7-3基礎(chǔ)激振時(shí)，以質(zhì)量塊對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)位移為響應(yīng)時(shí)的頻率響應(yīng)特性a)幅頻特性b)相頻特性當(dāng)時(shí)，，質(zhì)量塊幾乎跟隨著基礎(chǔ)一起振動(dòng)，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)極小。當(dāng)時(shí)，，質(zhì)量塊和殼體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（輸出）和基礎(chǔ)的振動(dòng)（輸入）近乎相等。這表明質(zhì)量塊在慣性坐標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。該現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于測(cè)振儀器中。就高頻和低頻兩頻率區(qū)域而言，系統(tǒng)的響應(yīng)特性類似于“高通”濾波器，但在共振頻率附近的頻率區(qū)域，則根本不同于“高通”濾波器，輸出位移對(duì)頻率、阻尼的變化都十分敏感。特性分析：1）在使用時(shí)，一般取，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測(cè)振動(dòng)的下限頻率。此時(shí)其幅值，不產(chǎn)生畸變，。第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型2）選擇適當(dāng)阻尼，可抑制處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限的頻率。例如，當(dāng)取時(shí)，若允許誤差為±2％，下限頻率可為；若允許誤差為±5％，下限頻率則可擴(kuò)展到。增大阻尼，能迅速衰減固有振動(dòng)，對(duì)測(cè)量沖擊和瞬態(tài)過(guò)程較為重要，但不適當(dāng)?shù)剡x擇阻尼會(huì)使相頻特性惡化，引起波形失真。當(dāng)時(shí)，相頻曲線在附近接近直線，稱為最佳阻尼。3）該種傳感器測(cè)量上限頻率在理論上是無(wú)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(guò)小。因此該種傳感器的頻率范圍是有限的。幅頻曲線上幅值比最大處的頻率稱為位移共振頻率。令，得第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型位移共振頻率速度共振頻率加速度共振頻率位移傳感器的工作范圍速度傳感器的工作范圍加速度傳感器的工作范圍二、單自由度振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié)

第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型在測(cè)試工作中，經(jīng)常遇到實(shí)際的工程問(wèn)題，往往可簡(jiǎn)化成彈簧-阻尼-質(zhì)量塊構(gòu)成的單自由度振動(dòng)模型系統(tǒng)來(lái)描述。在不同的場(chǎng)合下，輸入量、輸出量不同，其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不相同。第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)振傳感器的分類：

▲按是否與被測(cè)件接觸：接觸式和非接觸式。接觸式傳感器：磁電式速度傳感器、壓電式加速度計(jì)非接觸式傳感器：而電容傳感器、渦流傳感器▲按所測(cè)的振動(dòng)性質(zhì)：絕對(duì)式和相對(duì)式。絕對(duì)式傳感器：測(cè)振時(shí)，其殼體和被測(cè)物固接，殼體的振動(dòng)視等于被測(cè)物的振動(dòng)，也即傳感器的輸入，其力學(xué)模型如圖7-4所示。殼體對(duì)傳感器內(nèi)的質(zhì)量塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量用來(lái)描述被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)量并作為力學(xué)模型的輸出，供有關(guān)的機(jī)—電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電量，成為傳感器的輸出。相對(duì)式傳感器：其殼體和測(cè)量體分別與不同被測(cè)件聯(lián)系，其輸出是描述此兩試件間的相對(duì)振動(dòng)。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器慣性式傳感器的力學(xué)模型對(duì)于測(cè)振傳感器的要求：1）有較高的靈敏度；2）在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)有平坦的幅頻特性曲線以及與頻率成線性關(guān)系的相頻特性曲線；3）傳感器的質(zhì)量小。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-4慣性式傳感器的力學(xué)模型固定在被測(cè)對(duì)象上的慣性式傳感器將作為附加質(zhì)量使整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生變化，這些變化可近似地用下列兩式表示只有當(dāng)時(shí)，的影響才可忽略。在對(duì)輕小結(jié)構(gòu)測(cè)振或作模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于占的相當(dāng)比例，需要對(duì)附加質(zhì)量加以特別考慮。振動(dòng)的位移、速度、加速度之間保持簡(jiǎn)單的微積分關(guān)系，所以在許多測(cè)振儀器中往往帶有簡(jiǎn)單的微積分網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要可作位移、速度、加速度之間的切換。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器一、渦流位移傳感器

特點(diǎn)：線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測(cè)量等。應(yīng)用：汽輪機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組等回轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障診斷等。1—?dú)んw2—框架3—線圈4—保護(hù)套5—添料6—螺母7—電纜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。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-5渦流式位移傳感器二、電容傳感器非接觸式電容傳感器常用于位移測(cè)量中，其測(cè)量?jī)?nèi)容與渦流位移傳感器相近。接觸式電容傳感器常用于振動(dòng)測(cè)量。K-Beam電容式加速度計(jì)由硅敏感元件、模擬專用集成電路（ASIC）、調(diào)節(jié)器、放大器，濾波器，供電系統(tǒng)，信號(hào)調(diào)節(jié)電路及外殼、插頭電纜等組成。硅敏感元件與上，下極板構(gòu)成兩個(gè)電容器，傳感器內(nèi)部封裝的氣體（氮?dú)猓┢鹱枘嶙饔谩Ｙ|(zhì)量-彈簧系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)取決于它相對(duì)兩個(gè)電極的位置。測(cè)量信號(hào)經(jīng)解調(diào)后，輸出對(duì)應(yīng)正比于加速度的電壓信號(hào)。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-6電容傳感器外觀圖電容傳感器工作原理這種電容加速度傳感器量程至50g，其頻響范圍0～300Hz(±50％)，屬于真正的DC響應(yīng)。傳感器重量輕（小于8.0g）并與地絕緣。連接方式為螺栓或粘接。其性能為低噪聲，分辨率達(dá)0.1mg。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-7電容傳感器工作原理圖電容傳感器輸出信號(hào)示意圖第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-8電容傳感器輸出信號(hào)示意圖三、磁電式速度計(jì)

傳感器由固定部分、可動(dòng)部分以及三組拱形彈簧片組成。三組拱形彈簧片的安裝方向是一致的。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，必須先將頂桿壓在被測(cè)物體上，并且應(yīng)注意滿足傳感器的跟隨條件。M>>m；K>>k圖7-9磁電式相對(duì)速度計(jì)1—頂桿2、5—彈簧片3—磁鐵4—線圈6—引出線7—?dú)んw感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器該傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)同被測(cè)振動(dòng)速度成正比，所以它實(shí)際上是一個(gè)速度傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)較大，靈敏度大，適于低頻信號(hào)。缺點(diǎn)：體積大、笨重、不能測(cè)量高頻信號(hào)。四、壓電加速度計(jì)

1．壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖7-10壓電式加速度計(jì)a）中心安裝壓縮型b）環(huán)形剪切型c）三角剪切型S—彈簧M—質(zhì)量塊B—基座壓電式加速度計(jì)由絕對(duì)加速度輸入，到壓電片的電荷輸出，實(shí)際上經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換。首先將加速度輸入轉(zhuǎn)換成質(zhì)量對(duì)殼體的相對(duì)位移。其次將與相對(duì)位移成正比的彈簧力轉(zhuǎn)換成電荷輸出。P—壓電元件R—夾持環(huán)第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖1。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖7-10(a)是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖7-10(b)為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計(jì)，環(huán)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(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高溫度受到限制。圖7-10(c)為三角剪切型，壓電元件由夾持環(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)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(cè)量傳感器2．壓電式加速度傳感器的靈敏度電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度與電壓靈敏度的關(guān)系：

第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-11加速度傳感器工作原理示意圖及等效電路a）工作原理示意圖b）等效電路圖3．壓電加速度傳感器的頻率特性加速度傳感器的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率ωn。一般小阻尼（ζ≤0.1）的加速度傳感器，上限頻率若取為共振頻率ωn的1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12％）；若取為共振頻率ωn的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB(即6％)，相移小于3°。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-12壓電加速度傳感器的頻率特性4．加速度傳感器的安裝方法a)鋼螺栓固定b)絕緣螺栓和云母墊片固定c)薄蠟粘貼固定d)手持探針e)專用永久磁鐵固定f)硬性粘接螺栓固定g)粘接劑固定第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器圖7-13固定加速度傳感器的方法5．壓電加速度傳感器的前置放大器壓電加速度傳感器所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把電荷泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。前置放大器電壓放大器電荷放大器{電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測(cè)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)格也比較昂貴。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器五、阻抗頭

圖7-14阻抗頭1、4—壓電片2—激振平臺(tái)3—橡膠5—質(zhì)量塊6—鈦質(zhì)殼體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，其作用是在力傳遞點(diǎn)同時(shí)測(cè)量激振力和該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭（測(cè)力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號(hào)輸出端”測(cè)量激振力的信號(hào)，從“加速度信號(hào)輸出端”測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)。注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。無(wú)論是力傳感器還是阻抗頭，其信號(hào)轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測(cè)量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。六、現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)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(cè)量傳感器。近年來(lái)在壓電材料、結(jié)構(gòu)和性能上均有很大的改善。近年來(lái)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(lái)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)。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(jiǎn)化了后續(xù)設(shè)備；嵌入存儲(chǔ)有傳感器的序列號(hào)、靈敏度等信息的數(shù)字芯片，與相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器連接，儀器開(kāi)機(jī)后可自動(dòng)讀入這些信息。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器32近年來(lái)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。圖7-16新型的三軸傳感器中心部分結(jié)構(gòu)圖。圖7-15剪切設(shè)計(jì)的加速度計(jì)機(jī)構(gòu)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(cè)量傳感器33圖7-17新興三軸傳感器X、Y、Z三個(gè)方向的主振型圖。圖7-18新型三軸傳感器照片。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器34

2、激光多普勒振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)利用激光多普勒效應(yīng)不僅能測(cè)量固體的振動(dòng)速度，還可以測(cè)量流體的流動(dòng)速度激光多普勒速度計(jì)有單點(diǎn)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率會(huì)降低。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器35圖7-19單點(diǎn)激光多普勒速度計(jì)圖7-20掃描型激光多普勒測(cè)速計(jì)。第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器36使用激光多普勒測(cè)速計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車車身多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量或模態(tài)試驗(yàn)。圖7-21車身和車輪的多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量與模態(tài)試驗(yàn)第三節(jié)振動(dòng)測(cè)量傳感器第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

一、振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的組成機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量主要是指測(cè)定振動(dòng)體（或振動(dòng)體上某一點(diǎn)）的位移、速度、加速度大小以及振動(dòng)頻率、周期、相位、振型、頻譜等。在工程實(shí)踐中有時(shí)還要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如固有頻率、阻尼、動(dòng)剛度、動(dòng)質(zhì)量等。振動(dòng)測(cè)量廣泛采用電測(cè)法。測(cè)量時(shí)，用傳感器將被測(cè)振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，而后再通過(guò)對(duì)電量的處理獲取對(duì)應(yīng)的振動(dòng)量。振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)就是按這個(gè)原理，針對(duì)不同的測(cè)量類型組成的。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定這類測(cè)試主要發(fā)生在兩種情況之下。第一種情況是系統(tǒng)在一定的初始條件下發(fā)生自由振動(dòng)，此時(shí)只要測(cè)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)特性；第二種情況是系統(tǒng)在自然激勵(lì)（例如環(huán)境激勵(lì)或工作激勵(lì)）作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，系統(tǒng)的輸入一般難以測(cè)量或不可測(cè)量，此時(shí)主要通過(guò)測(cè)出系統(tǒng)的輸出，求出其相關(guān)函數(shù)或功率譜密度函數(shù)來(lái)確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或找出引起振動(dòng)的原因。2．同時(shí)測(cè)量輸入和輸出這類測(cè)試是典型的實(shí)驗(yàn)室方法，被測(cè)系統(tǒng)通常在人為激勵(lì)（例如脈沖錘擊激勵(lì)）作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，同時(shí)測(cè)出系統(tǒng)的輸入和輸出，求取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。1．僅測(cè)量系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）

第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定根據(jù)測(cè)試的對(duì)象和任務(wù)不同，一般可將其分為兩種類型：圖7-22最簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-22所示系統(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，它用于第一類測(cè)試。加速度計(jì)將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，從振動(dòng)計(jì)上可以直接讀出振動(dòng)量的位移、速度和加速度的量值，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量很方便。圖7-24加濾波器的測(cè)量系統(tǒng)第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-23測(cè)量記錄系統(tǒng)圖7-23所示系統(tǒng)能把現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)記錄下來(lái)，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(chǎng)讀出振動(dòng)的量級(jí)，還可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)作頻率分析。圖7-25頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)圖7-25所示為頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)中若采用低阻加速度計(jì)則不用電荷放大器，而使用前置放大器（即電壓放大器）。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定二、測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定

為了保證振動(dòng)測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果的可靠性與精確度，國(guó)家建立了振動(dòng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)振傳感器的檢定標(biāo)準(zhǔn)并設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振裝置和儀器作為量值傳遞基準(zhǔn)。▲對(duì)于新生產(chǎn)的測(cè)振傳感器都需要對(duì)其靈敏度、頻率響應(yīng)、線性度等進(jìn)行校準(zhǔn)；以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性?！捎跍y(cè)振傳感器使用一段時(shí)間后，其某些電氣、機(jī)械性能及靈敏度都可能發(fā)生變化，所以測(cè)試儀器必須定期按它的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)；▲使用中還經(jīng)常碰到各類型的拾振器和放大器、記錄設(shè)備配套問(wèn)題，進(jìn)行重大測(cè)試工作之前常常需要作現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)或某些特性校準(zhǔn)。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定標(biāo)定的過(guò)程一般分為三級(jí)精度：國(guó)家計(jì)量院進(jìn)行的標(biāo)定是一級(jí)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(jí)精度。用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以對(duì)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(jí)精度，也就是我們?cè)谠囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)所用的傳感器。傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，應(yīng)有一個(gè)對(duì)傳感器產(chǎn)生激振信號(hào)，并知其振源輸出大小的標(biāo)準(zhǔn)激振設(shè)備（振動(dòng)臺(tái)和激振器）。

激振器可安裝在被測(cè)物體上直接產(chǎn)生一個(gè)激振力作用于被測(cè)物上。

振動(dòng)臺(tái)則是把被測(cè)物裝在振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)變化的位移而對(duì)被測(cè)物體施加激振。激振設(shè)備可以產(chǎn)生振幅和頻率可調(diào)的振動(dòng)，是測(cè)振傳感器校準(zhǔn)不可缺少的工具。常用的靈敏度標(biāo)定方法有：絕對(duì)法、相對(duì)法和校準(zhǔn)器法。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定1．絕對(duì)法

將被標(biāo)定的傳感器固定在標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)上，用激光干涉測(cè)振儀直接測(cè)量振動(dòng)臺(tái)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。這一般是由國(guó)家計(jì)量院實(shí)行一級(jí)標(biāo)定所用的方法，用來(lái)標(biāo)定二級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。在進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試時(shí)，使信號(hào)發(fā)生器作慢速的頻率掃描，同時(shí)用反饋電路使振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)速度或加速度幅值保持不變，并測(cè)量傳感器的輸出，便可給出被校速度或加速度傳感器的頻響曲線。其原理如圖所示，正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出，一路經(jīng)功率放大后去推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，另一路送頻率測(cè)量?jī)x作頻率測(cè)量的參考信號(hào)，被校準(zhǔn)的壓電加速度計(jì)的輸出經(jīng)電荷放大器后用高精確度數(shù)字電壓表讀出。干涉儀的工作臺(tái)臺(tái)體移動(dòng)λ/2（常用的氦-氖激光波長(zhǎng)λ=0.6328μm），光程差變化一個(gè)波長(zhǎng)λ，干涉條紋移動(dòng)一條。所以根據(jù)移動(dòng)條紋的計(jì)數(shù)可以測(cè)出臺(tái)面振幅。再根據(jù)實(shí)測(cè)的頻率可以算出傳感器所經(jīng)受的速度或加速度。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-26利用振動(dòng)臺(tái)和激光干涉儀的絕對(duì)校準(zhǔn)法1—電源2—光電倍增管3—放大器4—頻率測(cè)量?jī)x5—參考反射鏡6—參考光束7—測(cè)量光束8—分束器9—氦氖激光器10—電壓表11—電荷放大器12—拾振器13—振動(dòng)臺(tái)14—測(cè)量反射鏡15—功率放大器16—正弦信號(hào)發(fā)生器第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定2．相對(duì)法

將待標(biāo)定的傳感器和經(jīng)過(guò)國(guó)家計(jì)量等部門嚴(yán)格標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器背靠背地（或仔細(xì)地并排地）安裝在振動(dòng)臺(tái)上承受相同的振動(dòng)。將兩個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行比較，就可以計(jì)算出在該頻率點(diǎn)被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度。這時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的傳感器起著傳遞“振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)”的作用。通常稱為參考傳感器。被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-27用相對(duì)法標(biāo)定加速度計(jì)第五節(jié)激振試驗(yàn)設(shè)備及振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)介

激振設(shè)備在振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的作用是對(duì)被測(cè)系統(tǒng)（試件）施加某種預(yù)定要求的激振力，以激起被測(cè)系統(tǒng)（試件）的振動(dòng)。一般要求激振設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠在所要求的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力，在某些情況下還需施加穩(wěn)定力。穩(wěn)定力能使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷，以便消除間隙或模擬某種穩(wěn)定力。常用的激振設(shè)備是振動(dòng)臺(tái)、激振器和力錘。一、振動(dòng)臺(tái)

機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)電磁式振動(dòng)臺(tái)電-液伺服振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)臺(tái){第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-28電-液伺服振動(dòng)臺(tái)a)原理圖b)閥芯向上移動(dòng)c)閥芯向下移動(dòng)電-液伺服振動(dòng)臺(tái)第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定電—液伺服振動(dòng)臺(tái)是將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)臺(tái)臺(tái)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(tái)的閥控液壓缸系統(tǒng)帶著質(zhì)量負(fù)載，其原理如圖7-28。二、激振器

激振器電動(dòng)式激振器電磁式激振器{

永磁式激振器多用于小型激振器，勵(lì)磁式激振器多用于較大型的激振器，也即激振臺(tái)中。永磁式激振器勵(lì)磁式激振器{

電動(dòng)式激振器的結(jié)構(gòu)如圖7-29所示。驅(qū)動(dòng)線圈6固裝在頂桿12上，由支承彈簧11支承在殼體8中，線圈6正好位于磁極板7與鐵心9的氣隙中，線圈6通入經(jīng)功率放大后的交變電流時(shí)，根據(jù)磁場(chǎng)中載流體受力的原理，線圈將受到與電流成正比的電動(dòng)力的作用，此力通過(guò)頂桿傳到試件上便是所需的激振力。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定

1—保護(hù)罩

2—連接桿

3—螺母

4—連接骨架

5—上罩

6—線圈

7—磁極板

8—?dú)んw

9—鐵心10—磁鋼11—支承彈簧12—頂桿13—底腳14—下罩15—手柄

電動(dòng)式激振器的結(jié)構(gòu)第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-29電動(dòng)式激振器激振器安裝方法1—激振器2—試件3—彈簧圖7-30絕對(duì)激振時(shí)激振器的安裝a)垂直懸掛式b)水平懸掛式c)剛性安裝第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定電動(dòng)式激振器主要用于使試驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生絕對(duì)振動(dòng)（以大地為參考坐標(biāo)），因而激振時(shí)應(yīng)使激振器殼體在空中保持靜止，使激振器產(chǎn)生的能量盡量用于試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)。圖7-30所示的安裝方法能滿足這一要求。三、力錘

1—錘頭墊2—力傳感器3—錘體4—配重脈沖激振是指在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一作用力使其產(chǎn)生振動(dòng)的激振方式。工程測(cè)試中常用力錘敲擊被測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)脈沖激振。力錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力的激振器，它也是目前試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中經(jīng)常采用的一種激勵(lì)設(shè)備。第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定圖7-31力錘敲擊激振力及其頻譜圖7-32敲擊激振力及其頻譜a)激振力b)激振力頻譜第四節(jié)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定它對(duì)被測(cè)對(duì)象的作用力的變化近似半正弦波，激振力的頻譜在一定頻率范圍內(nèi)接近平直譜。錘擊激振力頻譜與錘頭質(zhì)量、材料的關(guān)系

序號(hào)型號(hào)錘頭質(zhì)量／kg額率范圍／kHz備注19722A5000.1≈8.2Kistler振動(dòng)傳感器29722A20000.1≈9.3Kisfier振動(dòng)傳感器39724A20000.25≈6.6Kistler振動(dòng)傳感器49724A50000.25≈6.9Kistler振動(dòng)傳感器59726A50000.5≈5.0Kist