振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

第五章、振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.1振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)5.2測(cè)振傳感器5.3振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5/8/20241振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.1振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)振動(dòng)類(lèi)型穩(wěn)態(tài)振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)是指機(jī)械設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)上某觀測(cè)點(diǎn)的位移量圍繞其均值或相對(duì)基準(zhǔn)隨時(shí)間不斷變化的過(guò)程。機(jī)械振動(dòng)具有雙面性，有益也有害。5/8/20242振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)的基本參數(shù)振動(dòng)三要素（信號(hào)三要素）：幅值、頻率、相位

幅值振動(dòng)強(qiáng)度大小的標(biāo)志。表示方法：?jiǎn)畏逯怠⒂行е?、平均值等?/p>

頻率周期的倒數(shù)。通過(guò)頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而可以尋找振源，采取措施。

相位振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要。5/8/20243振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)獲得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、響應(yīng)和模態(tài)等。振動(dòng)測(cè)試包括：測(cè)量工作機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動(dòng)，如振動(dòng)的位移、速度、加速度、頻率和相位等。了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)評(píng)定等級(jí)尋找根源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè)對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)上加某種激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)。5/8/20244振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.2測(cè)振傳感器機(jī)械振動(dòng)測(cè)試方法一般有機(jī)械法、光學(xué)法和電測(cè)法，目前最為廣泛應(yīng)用的是電測(cè)法，即將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)振傳感器也稱為拾振器，它是感受物體振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。5/8/20245振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)振傳感器測(cè)振參數(shù)分類(lèi)：位移、速度、加速度傳感器參考坐標(biāo)系分類(lèi)變換原理分類(lèi)：磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、光學(xué)式傳感器與被測(cè)物關(guān)系分類(lèi)：接觸式、非接觸式相對(duì)式傳感器：只有活動(dòng)件與被測(cè)對(duì)象接觸，其余固定在基礎(chǔ)上絕對(duì)式傳感器：完全置于被測(cè)對(duì)象上，利用彈簧支撐一個(gè)慣性體來(lái)感受振動(dòng)，故又為慣性式測(cè)振傳感器在振動(dòng)測(cè)試中，最常用的是壓電式加速度傳感器和磁電式絕對(duì)速度傳感器，都屬于慣性式測(cè)振傳感器。5/8/20246振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.1.1慣性式傳感器力學(xué)原理——單自由度的受迫振動(dòng)1、慣性式傳感器的力學(xué)模型傳感器輸入：被測(cè)振動(dòng)件的振動(dòng)位移為x1

傳感器輸出：質(zhì)量塊相對(duì)于殼體的相對(duì)位移為x01

質(zhì)量塊的力學(xué)表達(dá)式為:5/8/20247振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5/8/20248振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5/8/20249振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)慣性式位移傳感器的幅頻特性和相頻特性5/8/202410振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有高通特性5/8/202411振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)2、慣性式位移傳感器的正確響應(yīng)條件，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)下限頻率，此時(shí)，接近于一條水平直線，不產(chǎn)生振幅畸變。當(dāng)阻尼時(shí)，水平直線寬度最寬，即擴(kuò)大了下限頻率。位移傳感器測(cè)量上限理論上是無(wú)限的，但實(shí)際的工作頻率范圍是有限的。5/8/202412振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)3、慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件慣性式加速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來(lái)反映被測(cè)振動(dòng)加速度的大小。加速度傳感器幅頻特性為：5/8/202413振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有低通特性。5/8/202414振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)慣性式加速度傳感器的正確響應(yīng)條件:，一般取，即，此時(shí)，接近于一條水平直線。當(dāng)阻尼時(shí)，水平直線寬度最寬，即擴(kuò)大了上限頻率。慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是它具有零頻特性，即理論上它的可測(cè)下限頻率為零，實(shí)際上是可測(cè)頻率極低。慣性式加速度傳感器使用廣泛5/8/202415振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)4、慣性式速度傳感器的正確響應(yīng)條件慣性式速度傳感器質(zhì)量塊的相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移量來(lái)反映被測(cè)振動(dòng)速度的大小。速度傳感器幅頻特性為：5/8/202416振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)要使慣性式速度傳感器的輸出量能正確地反映被測(cè)振動(dòng)的速度，則必須滿足如下條件：由于慣性式速度傳感器的有用頻率范圍十分小，因此，在工程實(shí)踐中很少使用。此時(shí)5/8/202417振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器屬于慣性式（絕對(duì)式）傳感器。工作原理：壓電效應(yīng)

結(jié)構(gòu)：質(zhì)量大的壓電加速度傳感器可測(cè)上限頻率低，靈敏度高；質(zhì)量小的壓電加速度傳感器可測(cè)上限頻率高，靈敏度低。5/8/202418振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.1.2相對(duì)式傳感器殼體2固定在相對(duì)靜止的物體上，作為參考點(diǎn)?；顒?dòng)的頂桿3用彈簧以一定的初壓力壓緊在振動(dòng)物體上，在被測(cè)物體振動(dòng)力和彈簧恢復(fù)力的作用下，頂桿跟隨被測(cè)振動(dòng)件一起運(yùn)動(dòng)，因而和測(cè)桿相連的變換器l將此振動(dòng)量變?yōu)殡娦盘?hào)。5/8/202419振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)桿的跟隨條件相對(duì)式測(cè)振傳感器測(cè)量要準(zhǔn)確，必須滿足測(cè)桿的跟隨條件，即：如果在使用中彈簧的壓縮量△x不夠大，或者被測(cè)物體的振動(dòng)頻率f過(guò)高，不能滿足上述跟隨條件，頂桿與被測(cè)物體就會(huì)發(fā)生撞擊。因此相對(duì)式傳感器只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。

5/8/202420振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)磁電式相對(duì)速度傳感器工作原理

電磁感應(yīng)原理磁電式相對(duì)速度傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：不需要外加電源，輸出信號(hào)可以不經(jīng)放大即可遠(yuǎn)距離傳送缺點(diǎn)：頻率范圍有限，壽命不長(zhǎng)5/8/202421振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)例題：1、慣性式位移傳感器具有1HZ的固有頻率，認(rèn)為是無(wú)阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)它受到頻率為2HZ的振動(dòng)時(shí)，儀表指示振幅為1.25mm，求該振動(dòng)系統(tǒng)的真實(shí)振幅是多少？5/8/202422振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)解：已知：因?yàn)?，所以所以振?dòng)系統(tǒng)的真實(shí)振幅為：5/8/202423振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)2、圖是用壓電式加速度傳感器與電荷放大器測(cè)量某機(jī)器的振動(dòng)。已知，傳感器的靈敏度為100（pC/g），電荷放大器的反饋電容C=0.01(

F)，測(cè)得輸出電壓的峰值Uom=0.4(V)，振動(dòng)頻率為100(HZ)。求：(1)

求機(jī)器振動(dòng)加速度的最大值A(chǔ)(m/s2);

(2)

假定振動(dòng)為正弦波，求振動(dòng)速度v(t);(3)

求振動(dòng)幅度的最大值X.5/8/202424振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)解：（2）、已知5/8/202425振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5/8/202426振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.3振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動(dòng)分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。激振器是對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動(dòng)的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。（1）激振5/8/202427振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)拾振部分是振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的最基本部分，它的性能往往決定了整個(gè)儀器或系統(tǒng)的性能。最常用的是壓電加速度傳感器和磁電式速度傳感器。（2）拾振從拾振器檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)和從激振點(diǎn)檢測(cè)到的力信號(hào)需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見(jiàn)的振動(dòng)分析儀器有測(cè)振儀、頻率分析儀、FFT分析儀和虛似頻譜分析儀等。（3）振動(dòng)分析儀器5/8/202428振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.3.1振動(dòng)參量的測(cè)量1、振幅的測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中，有時(shí)不需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程曲線，而只需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的幅值，即振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)的有效值，有時(shí)也包括峰值的測(cè)量。5/8/202429振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械工程中最常采用壓電式加速度計(jì)和磁電式速度計(jì)作為測(cè)振傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)。

5/8/202430振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)2、振動(dòng)頻率和相位的測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量方法有李薩如圖形比較法、錄波比較法、直讀法、頻譜分析法等。用快速傅里葉變換（FFT）的方法，將振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)變換為頻域中的頻譜，從而從頻譜的譜線測(cè)得振動(dòng)頻率。同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量方法也有多種，如線性掃描法、橢圓法、相位計(jì)直接測(cè)量法、頻譜分析法等5/8/202431振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)3、機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量

固有頻率共振頻率機(jī)械系統(tǒng)作自由振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率，與系統(tǒng)本身的質(zhì)量(或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)、剛度有關(guān)。在系統(tǒng)作受迫激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)激振頻率達(dá)到某一特定值時(shí)，振動(dòng)量的振幅值達(dá)到極大值的現(xiàn)象稱為共振。共振時(shí)的激勵(lì)頻率就稱為共振頻率。5/8/202432振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)自由振動(dòng)衰減法MiMi+nty(t)n是兩個(gè)超調(diào)量相隔的峰值個(gè)數(shù)。5/8/202433振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)共振法當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)就急劇增大位移共振頻率5/8/202434振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)半功率法適合阻尼比較小。5/8/202435振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)4、衰減系數(shù)及相對(duì)阻尼系數(shù)的測(cè)定衰減系數(shù)及相對(duì)阻尼系數(shù)是通過(guò)振動(dòng)系統(tǒng)的某些其它參數(shù)進(jìn)行間接測(cè)量的。通常，可用自由振動(dòng)衰減法，半功率點(diǎn)法和共振法進(jìn)行測(cè)定。自由振動(dòng)法通常只能用來(lái)測(cè)量第一階固有振型的衰減系數(shù)。如果要測(cè)量高階固有振型的衰減系數(shù)，必須確知能激出高階振型，并確知要測(cè)的某階固有頻率。利用帶通濾波器阻斷其他各階自由振動(dòng)信號(hào)，只容待測(cè)得那一階通過(guò)，然后可用以上方法來(lái)求得待測(cè)階數(shù)的衰減系數(shù)。5/8/202436振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.3.2測(cè)振系統(tǒng)的定度和校準(zhǔn)由許多測(cè)試儀器組成的一套測(cè)試裝置，可用兩種方法來(lái)確定整個(gè)裝置的靈敏度：（1）根據(jù)各個(gè)組成部分靈敏度計(jì)算總靈敏度（2）直接校準(zhǔn)總靈敏度進(jìn)行重要試驗(yàn)時(shí)，采用后一種方法較好。5/8/202437振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)絕對(duì)校準(zhǔn)法絕對(duì)校準(zhǔn)法是將被校準(zhǔn)的傳感器置于精密的振動(dòng)臺(tái)上承受振動(dòng)，通過(guò)直接測(cè)量振動(dòng)的振幅、頻率和傳感器的輸出電量來(lái)確定傳感器的特性參數(shù)。

絕對(duì)校準(zhǔn)法振動(dòng)校準(zhǔn)法互易法激光干涉校準(zhǔn)法重力加速度法共振梁法5/8/202438振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

激光干涉校準(zhǔn)法的原理是將被校準(zhǔn)的測(cè)振裝置安裝在一個(gè)能產(chǎn)生正弦振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，用激光干涉儀等手段測(cè)出振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅，此法用于校準(zhǔn)測(cè)振裝置的機(jī)械輸入量。被校測(cè)振裝置的輸出量可通過(guò)相應(yīng)的電氣測(cè)量系統(tǒng)獲得，從而可計(jì)算出其靈敏度或其它特性參數(shù)。5/8/202439振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)例：校準(zhǔn)一只加速度傳感器的靈敏度

機(jī)械輸入量是加速度：傳感囂的電壓輸出量為：加速度傳感器的靈敏度為：(mV/mm/s2)=(mV/g)

5/8/202440振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)比較校準(zhǔn)法比較校準(zhǔn)法，是將被校準(zhǔn)的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比較。校準(zhǔn)時(shí)，將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器一起安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，使它們承受相同的振動(dòng)，然后，精確地測(cè)定它們的輸出電量，被校傳感器的靈敏度由下式計(jì)算得到：5/8/202441振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在用比較法校準(zhǔn)試驗(yàn)中，為了使被校傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)感受相同的振動(dòng)輸入，常采用圖示的“背靠背”安裝法。標(biāo)準(zhǔn)傳感器端面上，常有螺孔供直接安裝被校傳感器；或用剛性支架安裝。5/8/202442振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)5.3.3測(cè)試方案制定和測(cè)試系統(tǒng)的選擇測(cè)試方案的制定①所要研究、解決問(wèn)題的性質(zhì)與要求；②所測(cè)對(duì)象的情況(如尺寸、質(zhì)量和頻率等)，試件或激振器的