第七章 振動(dòng)測(cè)試

第七章振動(dòng)測(cè)試本章主要內(nèi)容振動(dòng)測(cè)試簡(jiǎn)介振動(dòng)測(cè)試方法及系統(tǒng)組成振動(dòng)測(cè)試原理振動(dòng)參量的測(cè)試加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成振動(dòng)測(cè)試的意義從狹義上講，把具有時(shí)間周期性的運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。從廣義上講，任何一個(gè)物理量在某一數(shù)值附近所做的周期性變化都稱做振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是指物體在平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。例如：鐘擺的振動(dòng)琴弦的振動(dòng)車船的振動(dòng)機(jī)床的振動(dòng)橋梁的振動(dòng)等振動(dòng)的兩重性

有害的一面：降低機(jī)械加工的精度和表面粗糙度，危害結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，發(fā)生大變形導(dǎo)致機(jī)器或結(jié)構(gòu)的破壞甚至釀成災(zāi)難性的事故。有利的一面：振動(dòng)給料機(jī)、振動(dòng)篩選機(jī)、振動(dòng)破碎機(jī)、振動(dòng)球磨機(jī)、振動(dòng)打樁、振動(dòng)測(cè)樁、振動(dòng)拋光、結(jié)構(gòu)的減振、抗震等都是利用振動(dòng)的特性進(jìn)行工作的。振動(dòng)測(cè)試的意義危害結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的振動(dòng)振動(dòng)測(cè)試的意義振動(dòng)對(duì)人體的影響振動(dòng)測(cè)試的意義實(shí)驗(yàn)表明：振動(dòng)頻率在4~8Hz之間時(shí)，人體將處于垂直方向振動(dòng)的共振狀態(tài)，胸、心臟不適。振動(dòng)頻率在10~12Hz之間時(shí)，腹部共振。

振動(dòng)頻率在0.1~0.3Hz之間時(shí)，頭暈。振動(dòng)測(cè)試的意義振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)按摩椅振動(dòng)測(cè)試的意義確定系統(tǒng)的特性（固有頻率、振型等），預(yù)防共振研究動(dòng)平衡、隔振、減振方法，以消除振動(dòng)的影響進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)、故障診斷及環(huán)境噪聲控制振動(dòng)技術(shù)的利用振動(dòng)測(cè)試的意義振動(dòng)測(cè)試的意義振動(dòng)測(cè)試的主要內(nèi)容振動(dòng)基本參數(shù)的測(cè)量：測(cè)量振動(dòng)物體上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位。振動(dòng)系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)試：固有頻率、阻尼、剛度和振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)。

測(cè)量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)。對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)，以便求得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能。

振動(dòng)測(cè)試的兩種方式振動(dòng)測(cè)試的意義機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)基本要素

慣性：是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去的性質(zhì)，通常由物理參數(shù)質(zhì)量M表征；

恢復(fù)性：是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，通常由物理參數(shù)剛度K表征；

阻尼：是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì),由物理參數(shù)阻尼C表征。振動(dòng)測(cè)試的基本參數(shù)振動(dòng)的幅值、頻率和相位是振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù)。位移速度

加速度

機(jī)械式測(cè)量方法振動(dòng)測(cè)試方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄。常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，它能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。

特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動(dòng)態(tài)、線性范圍窄、測(cè)試時(shí)會(huì)給工件加上一定的負(fù)荷，影響測(cè)試結(jié)果，用于低頻大振幅振動(dòng)及扭振的測(cè)量光學(xué)式的測(cè)量方法振動(dòng)測(cè)試方法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。比如讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。

特點(diǎn)：不受電磁場(chǎng)干擾，測(cè)量精度高，適于對(duì)質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測(cè)量。在精密測(cè)量和傳感器、測(cè)振儀標(biāo)定中用得較多。電測(cè)法將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。

特點(diǎn)：靈敏度高，頻率范圍及動(dòng)態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測(cè)，但易受電磁場(chǎng)干擾，是目前最廣泛采用的方法。振動(dòng)測(cè)試方法振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成振動(dòng)傳感器對(duì)應(yīng)二次儀表振動(dòng)分析儀顯示、記錄振動(dòng)傳感器：把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，對(duì)于電測(cè)法是轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)試。二次儀表：專配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。振動(dòng)分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)：從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器、記錄設(shè)備等。振動(dòng)測(cè)試原理振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚菍⒃家獪y(cè)的機(jī)械量作為振動(dòng)傳感器的輸入量Mi，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量Mt，最后由機(jī)電變換部分再將Mt變換為電量E，因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。電測(cè)法測(cè)振原理測(cè)振傳感器分類振動(dòng)測(cè)試原理

相對(duì)式：傳感器測(cè)出的是被測(cè)振動(dòng)相對(duì)某一取做參考相對(duì)靜止坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，又可分為直接式和跟隨式。

絕對(duì)式（慣性式）：這種傳感器不需要依賴外界，而是利用本身慣性在慣性空間建立坐標(biāo)，測(cè)定的是被測(cè)振動(dòng)相對(duì)大地或慣性空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此稱為慣性式或絕對(duì)式。相對(duì)式測(cè)振傳感器原理振動(dòng)測(cè)試原理在測(cè)量時(shí)，把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)記錄筆桿在移動(dòng)的紙帶上描繪出振動(dòng)物體的位移隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)這個(gè)記錄曲線可以計(jì)算出位移的大小及頻率等參數(shù)。絕對(duì)式測(cè)振傳感器原理振動(dòng)測(cè)試原理將測(cè)振儀直接固定在被測(cè)振動(dòng)物體的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)傳感器外殼隨被測(cè)振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊m將與外殼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。慣性式測(cè)振傳感器是由與傳感器殼體之間用彈簧和阻尼器聯(lián)系著的慣性質(zhì)量塊組成的單自由度振蕩系統(tǒng)。振動(dòng)測(cè)試原理傳感器的力學(xué)數(shù)學(xué)模型殼體相對(duì)于慣性塊的振動(dòng)與被測(cè)振動(dòng)之間的關(guān)系可由振動(dòng)理論推出：

y質(zhì)量塊的絕對(duì)位移，x表示被測(cè)物體的絕對(duì)位移，Z表示質(zhì)量塊相對(duì)于被測(cè)物體的位移。則有Z=y-x振動(dòng)測(cè)試原理若被測(cè)物體的振動(dòng)為諧振動(dòng)，則有根據(jù)二階系統(tǒng)響應(yīng)特性得到傳感器輸出位移量應(yīng)為同時(shí)因此有由于振動(dòng)測(cè)試原理由上式可以得到傳感器的輸出z與被測(cè)振動(dòng)x以及傳感器參數(shù)之間的關(guān)系。z與x的波形完全一致，而靈敏度和相位差是傳感器參數(shù)與被測(cè)振動(dòng)頻率之比的函數(shù)，上兩式統(tǒng)稱為傳感器的頻率特性。由傳感器的輸出z和φ可以求出振動(dòng)的位移x和頻率ω

。振動(dòng)測(cè)試原理振動(dòng)參量的測(cè)試根據(jù)慣性式測(cè)振傳感器的特點(diǎn)，按其結(jié)構(gòu)參數(shù)不同可構(gòu)成振幅計(jì)，加速度計(jì)，速度計(jì)。振動(dòng)參量的測(cè)量就是測(cè)量振動(dòng)物體上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位等參量。位移：更多采用非接觸方法測(cè)量。速度：常采用慣性式、跟隨式測(cè)試方法。頻率:采用直接法和比較法測(cè)量諧振動(dòng)的頻率是單一頻率。相位：測(cè)定同頻兩個(gè)振動(dòng)之間的相位差。

振動(dòng)參量的測(cè)試振幅計(jì)根據(jù)振幅（位移）計(jì)的工作狀態(tài)，要求傳感器輸出能正確反映被測(cè)振動(dòng)的位移量。幅頻特性相頻特性振動(dòng)參量的測(cè)試當(dāng)無(wú)量綱頻率比ω/ωn顯著大于1時(shí)，振幅比就幾乎與頻率無(wú)關(guān)，而趨近于1。當(dāng)無(wú)量綱頻率比ω/ωn顯著大于1時(shí)，無(wú)量綱衰減系數(shù)ζ顯著小于1時(shí)，相位差也幾乎與頻率無(wú)關(guān)，而趨于180o，

因此，作為一個(gè)位移傳感器它應(yīng)該滿足的條件特性分析振動(dòng)參量的測(cè)試1）一般取ω/ωn

>>(3~5),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。2）若選擇適當(dāng)阻尼，可以抑制ω/ωn=1處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限頻率。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)過程較為重要，但是不適當(dāng)?shù)倪x擇阻尼會(huì)使相頻特性惡化，引起波形失真。當(dāng)ζ=0.6~0.7時(shí)，相頻曲線ω/ωn=1附近接近直線，稱為最佳阻尼。3）振幅計(jì)的上限頻率理論上是無(wú)限的，但是實(shí)際應(yīng)用中則要受到具體一起結(jié)構(gòu)和元器件的限制，因此上限不能太高，下限頻率則受到彈性元件的強(qiáng)度和慣性快尺寸、質(zhì)量的限制，使ωn不能過小。傳感器相對(duì)振動(dòng)的位移表達(dá)式和被測(cè)物體的加速度函數(shù)表達(dá)式非常相似。傳感器的相對(duì)振幅是被測(cè)加速度幅值的1/ω2n倍，在相位上相對(duì)振動(dòng)位移的時(shí)間歷程落后于被測(cè)加速度的時(shí)間歷程的相位差為π，即只差180o相角。時(shí)，振動(dòng)參量的測(cè)試加速度計(jì)的幅頻特性曲線加速度計(jì)振動(dòng)參量的測(cè)試可實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)試，靈敏度為加速度計(jì)要求傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)振動(dòng)的頻率，一般應(yīng)大于5倍。為使ωn遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)頻率，加速度傳感器的尺寸，質(zhì)量可以做的很小振動(dòng)參量的測(cè)試進(jìn)行加速度測(cè)試要求傳感器的輸出z能正確反映加速度a=ωn

2x,則靈敏度為速度計(jì)振動(dòng)參量的測(cè)試傳感器輸出正確反映速度，即速度計(jì)的幅頻特性曲線實(shí)現(xiàn)速度測(cè)試；靈敏度為振動(dòng)參量的測(cè)試

（1）當(dāng)用測(cè)振儀測(cè)量被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)時(shí)，位移計(jì)總是被用來(lái)測(cè)量低頻大振幅的振動(dòng)，其固有頻率必須設(shè)計(jì)得很低，加速度計(jì)適合測(cè)量高頻振動(dòng)，其固有頻率則要設(shè)計(jì)得很高。因此，通常位移計(jì)的尺寸和重量較大，而加速度計(jì)的尺寸和重量很小。（2）阻尼比的取值對(duì)測(cè)振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響，對(duì)位移計(jì)和加速度計(jì)而言，當(dāng)取值在0.6～0.8范圍內(nèi)時(shí)，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時(shí)，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。對(duì)于速度計(jì)而言，則是阻尼比越大，可測(cè)量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)速度的響應(yīng)時(shí)，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。測(cè)試過程中注意的問題振動(dòng)參量的測(cè)試測(cè)振傳感器的選擇位移傳感器（測(cè)振）：渦流傳感器，電容傳感器振動(dòng)參量的測(cè)試振動(dòng)參量的測(cè)試速度傳感器（測(cè)振）：磁電式速度傳感器測(cè)量頻率范圍：幾赫茲到１千赫茲之間。測(cè)量的是絕對(duì)振動(dòng)速度。相對(duì)式電動(dòng)速度傳感器1、頂桿2、限幅塊3、拱形簧片4、連接桿5、磁鋼6、線圈7、引出線8、外殼相對(duì)式電動(dòng)傳感器適用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的振動(dòng)量。測(cè)量頻率范圍：0~1000HZ振動(dòng)參量的測(cè)試振動(dòng)參量的測(cè)試加速度傳感器（測(cè)振）1、上蓋2、彈簧3、質(zhì)量塊４、基座５、插座6、壓電晶體片7、導(dǎo)電片8、螺栓中心壓縮式剪切式加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成加速度測(cè)試系統(tǒng)加速度傳感器加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)加速度傳感器通常是質(zhì)量－彈簧－阻尼二階慣性系統(tǒng)。由質(zhì)量塊m、彈簧k和阻尼器c所組成的慣性型二階測(cè)量系統(tǒng)。質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移。加速度傳感器的類型加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓阻式加速度傳感器壓電式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁在其根部擴(kuò)散出四個(gè)電阻，當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受有加速度作用時(shí)，懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力，使四個(gè)電阻阻值發(fā)生變化。正確地選擇這種加速度傳感器的尺寸與阻尼系數(shù)，則可用來(lái)測(cè)量低頻加速度與直線加速度?！逃蓄l率加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓電式加速度傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。F=maq=dF=dma測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。應(yīng)變式加速度傳感器加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器測(cè)量加速度時(shí)，將傳感器殼體和被測(cè)對(duì)象剛性連接。當(dāng)有加速度作用在殼體上時(shí)，由于梁的剛度很大，慣性質(zhì)量塊也以同樣的加速度運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生的慣性力正比于加速度a的大小，慣性力作用在梁的端部使梁產(chǎn)生變形。應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合一般適用頻率為10～60Hz范圍。放大電路加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成壓電式加速度傳感器前置放大器的作用將壓電加速度傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗，以便同后續(xù)儀器相匹配。放大加速度傳感器輸出的微弱信號(hào)，使電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。實(shí)現(xiàn)輸出電壓歸一化，在相同的加速度值時(shí)，與不同靈敏度的加速度傳感器相配合，實(shí)現(xiàn)相同的輸出電壓。前置放大器的類型加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成

電壓放大器：輸出電壓正比于輸入電壓。作用是放大加速度傳感器的微弱輸出信號(hào)，把傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗。

電荷放大器：輸出電壓正比于加速度傳感器的輸出電荷。電壓放大器加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成等效電容為：C=Ca+Cc+Ci

等效電阻為：輸出電壓：電纜電容對(duì)電壓放大線路的影響也是一個(gè)主要因素。電纜電容Cc是隨導(dǎo)線長(zhǎng)度和種類而變化的，所以，隨著電纜種類和長(zhǎng)度的改變，將引起輸入電壓的改變，從而使電壓靈敏度、頻率下限也發(fā)生變化。加速度測(cè)試及其系統(tǒng)構(gòu)成當(dāng)測(cè)量靜態(tài)參數(shù)時(shí)（ω=0），則um

=0，即壓電式加速度傳感器沒有輸出，所以它不能測(cè)量靜態(tài)參數(shù)。當(dāng)測(cè)量頻率