第六章 振动的测试教案

第六章 振动的测试第一节 概述机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。机械振动测试的目的可以分为两类：（1）寻找振源、减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所存在的振动。（2）测定结构或部件的动态特性以改进结构设计，提高抗振能力。在振动测量时，应合理选择测量参数。如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。第二节 惯性式传感器的力学模型由直接作用在质量上的力所引起的受迫振动如图 61 所示单自由度系统，质量 m 在外力的作用下的运动方程为 )(2tfkzdtctz式中，c 为黏性阻尼系数；k 为弹簧刚度系数；(t)为系统的激振力，即系统的输入；z( t)为系统的输出。图 61 单自由度系统在质量块上受力时引起的受迫振动)(2)()( nnjkH即 22)()(1)( nnkA2)(arct)(n为系统的固有频率， ； 为系统的阻尼率， 。nmkkmc2图 6-2 所示。在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率，它和系统的固有频率的关系为21nr显 然 ， 随 着 阻 尼 的 增 加 ， 共 振 峰 向 原 点 移 动 ； 当 无 阻 尼 时 ， 位 移 共 振 频 率即 为 固 有 频 率 ；当系统的阻尼率 很小时，位移共振频率 接近系统的rr固有频率 ，可用作 的估计值。nn(a) 幅频曲线 (b) 相频曲线图 62 二阶系统的幅频和相频曲线由相频图可以看出，不论系统的阻尼率为多少，在 时位移始终落1n后于激振力 90，此现象称为相位共振。相位共振现象可用于系统固有频率的测量。当系统阻尼不为零时，位移共振频率 不易测准。但由于系统的相频特性总是滞后 90，同时，相频曲线变化陡峭，频率稍有变化，相位就偏离 90，故用相频特性来确定固有频率比较准确。同时，要测量较准确的稳态振幅，需要在共振点停留一定的时间，这往往容易损坏设备。而通过扫频，在共振点处即使振幅没有明显的增长，而相位也陡峭地越过 90，因此，利用相频测量更有意义。2、基础运动引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动在大多数情况下，振动系统的受迫振动是由基础运动所引起的，如道路的不平度引起的车辆垂直振动。设基础的绝对位移为 Z1，质量 m 的绝对位移为 Z0，质量块相对于基础的位移为 Z01=Z0-Z1，如图 6-3 所示的力学模型可用牛顿第二定律得到，即)()(10102 zkzdtctzm图 63 单自由度系统的基础激励如果考察质量块 对基础的相对运动，则 的相对位移为 。mm101z上式写为：2101201dtzkzdtctz频率响应函数、幅频特性和相频特性)(2)(1)(nnjH22)()()( nnA2)(1arct)(n绘制的系统幅频和相频特性曲线如图 64 所示。(a) 幅频曲线 (b) 相频曲线图 64 基础激振时质量块相对基础位移的幅频和相频曲线当输入为速度，输出为相对位移时： 222 )()(1)( nnnA当 时， 。ncmAn21)(当输入为加速度，输出为相对位移时： 222 )()(1)( nnnA当 时， 。kmA21第三节 振动测量传感器测振传感器是将被测对象的机械振动量(位移、速度或加速度)转换为与之有确定关系的电量(如电流、电压或电荷)的装置。一般根据振动测量方法的力学原理分为：(1) 惯性式(绝对式)拾振器；(2) 相对式拾振器。按照测量时拾振器是否和被测件接触分为：(1) 接触式拾振器，又可分为相对式和绝对式两种，接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器；(2) 非接触式拾振器。如图 6-5 所示为惯性式拾振器的力学模型，它是一个由弹性元件支持在壳体上的质量块所形成的具有黏性阻尼的单自由度系统。在测量时，拾振器的壳体固定在被测体上，拾振器内的质量-弹簧系统(即所谓的惯性系统)受基础运动的激励而产生受迫运动。拾振器的输出为质量块与壳体之间的相对运动对应的电信号。图 6-5 惯性式拾振器的力学模型从图 6-6 中可以看出：(1) 当 时，A a( ) 1/ =常数。当 =0.7 时，在幅值误差小于 5%的情况下，拾振器的工作频率为 0.58 。(2) 当 =0.7， =(00.58) 时，相频特性曲线近似为一过原点的斜直线，满足动态测试相位不失真的条件。而当 =0.1， wn时，质量块在绝对空间中近乎静止，从而被测物（ 它和壳体固接）与质量块的相对位移、相对速度就分别近似其绝对位移和绝对速度。这样，绝对式速度计实际上是先由惯性系统 将被测物体的振动速度 z1(t)转换成质块壳体的相对速度 z01(t)，而后用磁电变换原理，将 z01(t)转换成输出电压的。 1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴图 6-8 磁电式绝对速度计为了扩展速度拾振器的工作频率下限，应采用 =0.50.7 的阻尼比，在幅值误差不超过 5%的情况下，工作下限可扩展到 w/wn=1.7 。这样的阻尼比也有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。但这时的相频特性曲线与频率不成线性关系，因此，在低频范围内无法保证相位的精确度。磁电式传感器还可以做成相对式的，见图 6-9，用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势来。 在实际使用中，为了能够可以测量较低的频率，希望尽量降低绝对式速度计的固有频率，但过大的质量块和过低的弹簧刚度使其在重力场中静变形很大。这不仅引起结构上的困难，而且易受交叉振动的干扰。因此，其固有频率一般取为 1015Hz。上限测量频率决定于传感器的惯性部分质量，一般在 1kHz 以下。 磁电式振动速度传感器的优点是不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可远距离传送，这在实际长期监测中是十分方 便的。另一方面，由于磁电式振动速度传感器中存在机械运动部件，它与被测系统同频率振动，不仅限制了传感器的测量上限，而 且其疲劳极限造成传感器的寿命比较短。在长期连续测量中必须考虑传感器的寿命，要求传感器的寿命大于被测对象的检修周期。三、压电式加速度传感器1、压电式加速度计的结构和安装 常用的压电式加速度计的结构形式如图 6-10 所示。S 是弹簧，M 是质块，B 是基座，P 是压电元件，R 是夹持环。图 6-10a 是中央安 装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座 B 与测试对 象连接时，如果基座B 有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图 6-10c 为三角1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体图 6-9 磁电式相对速度传感器(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型(c) 三角剪切型图 6-10 压电式加速度计剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图 6-10b 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变 软，因此最高工作温度受到限制。加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图 6-11）。一般小阻尼(z=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于 1dB（即 12%）；若取为共振频率的 1/5，则可保证幅值误差小于 0.5dB（即 6%），相移小于 30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计，但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温（40以下）的场合。手持探针测振方法在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法 31kHz，云母垫片 28kHz，涂簿蜡层 29kHz，手持法 2kHz，永久磁铁固定法 7kHz。 （2）压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。 加速度单位为 m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度 g 作单位，1g= 9.80665m/s 2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有 测振仪器都用 g 作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。 图 6-11 压电式加速度计的幅频特性曲线（3）压电加速度计的前置放大器 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位 移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为 0.11Hz 左右。 随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器 的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用 2 线制，即用 2 根电缆给传感器供给 210mA 的恒流电源，而输出信号也由这 2 根电缆输出，大大方便了现场的接线。四、阻抗头在对机械结构进行激振试验时，为了测量机械结构每一部位的阻抗值(力和响应参数的比值) ，需要在结构的同一点上激振并测定它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定激振点的受力及加速度响应的特殊传感器，其结构如图 6-12(a)所示。使用时，阻抗头的安装面与被测机械紧固在一起，激振器的激振力输出顶杆与阻抗头的激振平台紧固在一起。激振器通过阻抗头将激振力传递并作用于被测结构上，如图 6-12(b)所示。激振力使阻抗头中检测激振力的压电晶片受压力作用产生电荷并从激振力信号输出口输出。机械受激振力作用后产生受迫振动，其振动加速度通过阻抗头中的惯性质量块产生惯性力，使检测加速度的晶片受力作用产生电荷，从加速度信号输出端口输出。(a) 阻抗头的结构原理图 (b) 阻抗头的安装结构图图 6-12 阻抗头的原理及结构图第四节 振动测量系统及其标定在传感器出厂前及使用一定年限后，为了保证振动测试的可靠性和精确度，必须对传感器及其测试系统进行校准。对于拾振器来说，主要关心的是灵敏度和频率响应特性，对于常见的接触式传感器（速度计、加速度计）和非接触式（涡流位移传感器）应采用不同的校准方法。对于接触式传感器，常用的校准方法有绝对法和相对法。一种涡流位移传感器的校准仪。它由电机驱动倾斜的金属板旋转，传感器通过悬臂梁固定在旋转金属板的上方，并可在图示方向左右移动以产生不同幅值的振动，振动由千分尺测得，并由振动监测器获得振动值，通过与已知振动输入比较进行校准。测量的峰峰值为 50254m，电机转速为 010000 转/分。一、绝对法绝对法将拾振器固定在校准振动台上，由正弦信号发生器经功率放大器推动振动台，用激光干涉振动仪直接测量振动台的振幅，再和被校准拾振器的输出比较，以确定被校准拾振器的灵敏度，这便是用激光干涉仪的绝对校准法，某种校准仪的校准误差在 20Hz2000Hz 范围内为 1.5%，在 2000Hz10000Hz范围内为 2.5%，在 10000Hz20000Hz 范围内为 5%。此方法可以同时测量拾 振器的频率响应。采用激光干涉仪的绝对校准法设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用。振动仪器厂家常生产一种小型的、经过校准的已知振级的激振器。这种激振器只产生加速度为已知定值的几种频率的激振。这种装置不能全面标定频率响应曲线，但可以在现场方便地核查传感器在这给定频率点的灵敏度。