機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)（第3版）課件：振動(dòng)的測(cè)量

振動(dòng)的測(cè)量各種各樣的機(jī)械振動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸鐘擺的擺動(dòng)琴弦的振動(dòng)§7.1振動(dòng)的概念一、振動(dòng)的特點(diǎn)1.振動(dòng)現(xiàn)象的普遍性。2.振動(dòng)多數(shù)是有害的。3.振動(dòng)可以利用。二、機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的3個(gè)要素1.慣性－－使系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)2.恢復(fù)性－－能使系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)3.阻尼－－使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)這三個(gè)基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。三、振動(dòng)測(cè)試的內(nèi)容w機(jī)械結(jié)構(gòu)或部件已振時(shí)：測(cè)量振動(dòng)位移、

速度、加速度、頻率和相位等，尋找振源，進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè)；w機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)未振時(shí)：先施加某種激勵(lì)，讓其作受迫振動(dòng)，測(cè)量固有頻率、阻尼、

剛度、響應(yīng)和振型等。一.簡(jiǎn)諧振動(dòng)1.定義:

以正弦或余弦函數(shù)(統(tǒng)稱為諧波函數(shù))表示的振動(dòng)，稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)?！?.2機(jī)械振動(dòng)的類型二、復(fù)合周期振動(dòng)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的頻率之比為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合

而成的振動(dòng)。三、準(zhǔn)周期振動(dòng)由頻率比不全為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成。四、瞬態(tài)振動(dòng)、沖擊振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)是指在極短時(shí)間內(nèi)僅持續(xù)幾個(gè)周期的振動(dòng)。單個(gè)脈沖是沖擊振動(dòng)(過(guò)程突然發(fā)生、持續(xù)時(shí)間短)。五、隨機(jī)振動(dòng)沒(méi)有確定的周期，振動(dòng)量與時(shí)間也無(wú)一定的關(guān)系。以彈簧振子為例得出普遍結(jié)論：1.力學(xué)模型F合=

-

kx

由

F合

=ma

=一kx2.運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

k

2m3.微分方程x

2kmo

x§7.3單自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)+O

x

=0

dt

2a

=一x

=一O

x

mdO

=kk2(2)振幅A

A

=

x0

2(3)初相位Q

tanQ

=

一系統(tǒng)的固有性質(zhì)與初始條件無(wú)關(guān)、與振幅無(wú)關(guān)Q與何時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)有關(guān)4.三個(gè)特征量A

、O

、

Q(O

t+Q)

—相位(1)角頻率2+

v0

OxkmO

=0§7.4單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)一、由作用在質(zhì)量塊上的外力引起的受迫振動(dòng)二、由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)在許多情況下，振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)是由基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)引起的。

這種情況稱位移激勵(lì)。設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為y1(t)，質(zhì)量塊m

的絕對(duì)位移為y0(t)則質(zhì)量塊M相對(duì)于基礎(chǔ)的相對(duì)位移為(y0-y1)其運(yùn)動(dòng)方程為：§7.5振動(dòng)的激勵(lì)振動(dòng)的測(cè)試一般包括三個(gè)主要部分：1)激勵(lì)(輸入)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)，使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振裝置組成。2)拾振部分檢測(cè)并放大輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號(hào))。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。3)分析記錄部分將拾振部分傳來(lái)的信號(hào)記錄下來(lái)，進(jìn)行分析處理。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析儀組成。當(dāng)Fi以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化

時(shí)，作用在激振對(duì)象

上的力F也為同頻率的

簡(jiǎn)諧力，在使用時(shí)，

往往在頂桿與激振對(duì)

象之間加一個(gè)力傳感

器，以精確地測(cè)出激

振力F(t)一、激振器(一)電動(dòng)式激振器由通入線圈中

的交變電流產(chǎn)

生交變磁場(chǎng)，

而被測(cè)對(duì)象作

為銜鐵，在交

變磁場(chǎng)作用下

產(chǎn)生振動(dòng)。電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為500~800Hz。(二)

電磁式激振器在激振大型結(jié)

構(gòu)時(shí)，需要很

大的激振力，

可采用電液式

激振器。(三)電液式激振器1—頂桿

2—

電液伺服閥

3—活塞(四)

脈沖錘脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)

激勵(lì)力的激振器，它由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成。在錘體和錘頭之間裝有力傳感器，

以測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)所受錘擊力的大小。為了能調(diào)整激勵(lì)頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。二

振動(dòng)的激勵(lì)方法分類：穩(wěn)態(tài)正弦激振、瞬態(tài)激振、隨機(jī)激振1、穩(wěn)態(tài)正弦激振w

借助激振設(shè)備給被測(cè)系統(tǒng)施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力?(t)=F0sinωtw

在穩(wěn)態(tài)下測(cè)定響應(yīng)和激振力的幅值比和相位差。w測(cè)試時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)激振系統(tǒng)一般由正弦信號(hào)發(fā)生器、功率放大

器和電磁激振器組成，測(cè)量系統(tǒng)由跟蹤濾波

器、峰值電壓表和相位計(jì)組成。2

、瞬態(tài)激振給被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)是一種瞬態(tài)信號(hào)，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，即一次同時(shí)給系統(tǒng)提供各個(gè)頻率成份的能量、使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測(cè)試方法。由于測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。目前常用的瞬態(tài)激振方法有：w快速正弦掃描w

脈沖錘擊w階躍松弛激勵(lì)3.隨機(jī)激振w隨機(jī)激振是一種寬帶激振，一般用白噪

聲或偽隨機(jī)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。w白噪聲的自功率譜密度函數(shù)幅值恒為1，

自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)單位脈沖函數(shù)。§7.6測(cè)振傳感器分類：w接觸式和非接觸式w

按殼體的固定方式可分為相對(duì)式和絕對(duì)式。和振動(dòng)相關(guān)的物理量有：振動(dòng)位移、速度、加速度等，所以振動(dòng)測(cè)試是對(duì)這些振動(dòng)量的檢測(cè)，它們反映了振動(dòng)的強(qiáng)弱程度。一、慣性式測(cè)振傳感器(一)力學(xué)模型

慣性式位移

傳感器的輸

出位移zm反

映被測(cè)振動(dòng)

的位移量xm(二)慣性式位移傳感器的響應(yīng)條件二、

壓電式加速度傳感器當(dāng)殼體連同基座、被測(cè)對(duì)

象一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性質(zhì)量

塊(高密度合金制成)相

對(duì)于殼體或基座產(chǎn)生一定

的位移，由此位移產(chǎn)生的

彈性力加于壓電元件上，

在壓電元件的兩個(gè)端面上

就產(chǎn)生了極性相反的電荷。壓電式傳感器通常不用

阻尼元件，且其元件的內(nèi)

部阻尼也很小(<0.02)，系統(tǒng)可視為無(wú)阻尼壓電式力傳感器較加速度傳感器簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)如圖所示。要測(cè)量的力通過(guò)鋼球1及鋼板2傳遞給壓電石英片3與4

。產(chǎn)生的電荷由導(dǎo)線5及殼體6引出，送入前置放大器。產(chǎn)生的電荷直接與力F成正比。為獲得較大的電荷靈敏度，亦可將多片壓電片并聯(lián)。三、壓電式力傳感器四、磁電式速度傳感器?磁電式速度傳感器動(dòng)圈式動(dòng)磁式1.絕對(duì)式振動(dòng)傳感器1－彈簧片2－永磁鐵3－阻尼環(huán)4－支架5－中心軸6－外殼7－線圈傳感器與被測(cè)物體剛性連接，物體振動(dòng)時(shí)傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，架空的中心軸、線圈、阻尼環(huán)因慣性不隨之振動(dòng)。因此，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)引線輸出到測(cè)量電路。2.相對(duì)振動(dòng)速度傳感器1－頂桿2－彈簧片3－永磁鐵4－線圈5－引線6－殼體7－導(dǎo)磁體磁電式速度傳感器§7.7振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量w振動(dòng)的幅值、頻率和相位，是振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù)，稱為振動(dòng)三要素。w只要測(cè)定這三個(gè)要素，也就決定了整個(gè)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。一、振動(dòng)量的測(cè)量振動(dòng)量通常指反映振動(dòng)的強(qiáng)弱程度的量，亦即指振動(dòng)位移，振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度

的大小。這三者之間存在著確定的微分或積分關(guān)系。二、固有頻率和阻尼的測(cè)量1.自由振動(dòng)法一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，若給予初始沖擊(其初速度為dz(0)／dt)或初始位移z0

)，則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減振動(dòng)。阻尼振動(dòng)的曲線如圖所示2

T

Od

n

1

2dO

=O

=2.共振法單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，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。對(duì)于小阻尼系統(tǒng)：位移共振：§7.8振動(dòng)的控制1.消振①消除或減弱振源，這是治本的方法。eg.車刀的顫振，可通過(guò)加冷卻劑的方法，減小切削時(shí)，車

刀與工件的摩擦力，破壞出現(xiàn)顫振的條件。②抵消振動(dòng)－－由可控制的振動(dòng)來(lái)抵消振源發(fā)出的振動(dòng)。

eg.電子吸振器，就是利用電子設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)振動(dòng)的振幅相

等、相位相反的振動(dòng)，來(lái)抵消原來(lái)振動(dòng)以達(dá)到降低振動(dòng)的目的。2.隔振：在振源與需保護(hù)設(shè)備之間串加一個(gè)子系統(tǒng)(稱為隔振器)。彈簧隔振器3.吸振在需要保護(hù)的對(duì)象上，附加一個(gè)動(dòng)力吸振器，由該

動(dòng)力吸振器產(chǎn)生吸振力，以減小被保護(hù)設(shè)備對(duì)振源

激勵(lì)的