工程振动测试技术02-第2章-工程振动测试系统概述课件

1、工程振动测试技术刘习军 教授天津大学 机械工程学院力学系第2章 工程振动测试系统概述振动测试技术作为解决工程振动问题的一种有效手段，工程振动测试方法有许多种，根据不同的测试目的、不同的测试参数、不同的测试功能和不同的测试方法，就有不同的测试系统的组成，它的组成结果直接影响工程振动的测试结果，必须引起高度重视。学习目的：理论与实验相结合，掌握工程技术中常见的解决机械振动的基本原则和方法。学习动态数据采集原理和软硬件使用方法，振动数字信号在时域、频域的分析方法。振动测试技术是振动力学的逆向思维物理特性模态特性响应特性正过程响应模型位移、速度加速度 时间历程力学模型质 量阻 尼刚 度模态模型固有频率

2、模态阻尼、模态矢量模态刚度、模态质量逆过程2.1 工程振动测试原理 振动测试技术（逆过程） 由响应求物理特性 由于计算机的发展、快速傅里叶变换的应用，各种基于数字信号处理原理的频率分析仪、以计算机为核心的多功能信号分析软件涌现（虚拟仪器），使工程振动信号的时域及频域分析功能更加完善。 现已发展成为科学研究、解决工程问题的重要手段之一。2.2 工程振动测试方法按各种参数的测量方法及物理性质可分成三类。1、机械式的测量方法 将工程振动的参量转换成机械信号，频率较低，精度也较差。但简单方便。2 光学式的测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。如激光测振仪等。3 电测方法

3、将工程振动的参量转换成电信号，目前应用得最广泛的测量方法。高精确度、高灵敏度、高响应速度，可以连续测量、自动控制。电测法和激光测试的优点：(1)可以将许多不同的非电信号转换成电信号加以测量，从而可以使用相同的测量和记录显示仪器。(2)输出的电信号可以做远距离传输，利于远距离操作和自动控制。(3) 可以对变化中的参数进行动态测量，因此可以测量和记录瞬时值及变化过程。(4)易于使用许多后续的数据处理分析仪器，特别是与计算机通信，从而能对复杂的测量结果进行快速的运算和分析处理以及提供反馈控制。2.3 测试系统的组成及配置测量系统是指由有关器件、仪器和装置有机组合而成的，一般包含激励设备，传感器，测量

4、系统及数据采集装置，数据分析处理装置四部分。测试系统的原理框图如图所示。图2.2 测试系统原理框图1激励设备激励设备的作用是人为地模拟某种条件，把被测系统中的某种信息激发出来，以便检测，如用激励装置作用在机械装置上，然后把机械结构产生的振动频率、幅值、应力变化等信息激发出来，由后续装置检测后对它的性能进行分析研究。2传感器把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器。传感器的作用是把被测的机械振动量接收下来并转换为后续设备能够接收的信号。它是获得信息的主要手段，在整个测试系统中占有重要地位。3测量线路及放大器振动传感器输出的信号一般都很微弱，需经放大后才能推

5、动后续设备。并且由于各类振动传感器的特性各不相同，所以要求的测量系统也各不相同。为此，就需要有各种不同的测量系统。4数据采集和数据分析处理装置有时为了与计算机通信方便，需将模拟信号变换成数字信号或其他形式。从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如磁盘、磁带记录仪、XY记录仪等）等。然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。1电动式测振系统2压电式测振系统3应变式测振系统4电涡流式测振系统5激光测振系统6综合测振系统2.4 工程测试系统的技术性能测试系统不同，则相应的技术性能不同，一般来说，工程测振仪

6、的技术性能包括灵敏度、分辨率、线性度、通频带、精确度、最大量程等。1.灵敏度单位输入量变化所引起的输出量的变化称为灵敏度，通常用输出量y(t)与输入量x(t)的变化量的比值来表示，即(a)线性系统灵敏度 (b)非线性系统灵敏度图2-9 灵敏度的定义 值得注意的是，测量系统的灵敏度并非越高越好，通常情况下，灵敏度越高，测量范围越窄，系统的稳定性也就越差。加速度灵敏度速度灵敏度位移灵敏度应注意，不同类型的仪器，灵敏度的表达方式不同，另外有些测量系统的灵敏度不是固定不变的，而是可以根据测试的要求进行设置。2.分辨率分辨率是指测量系统所能检测出来的输入量的最小变化量，通常是以最小单位输出量所对应的输入

7、量来表示。一个测量系统的分辨率越高，表示它所能检测出的输入量的最小变化量越小。丹麦B&K仪器公司规定，最低可测信号电平与噪声电平比值的分贝值为式中：S为被测信号电平；N为噪声电平。这时被测信号电压约为噪声电压的1.77倍。3 线性度定标曲线与拟合直线的偏离程度称为线性度。定标曲线与拟合直线 的最大偏差；满量程输出。4通频带通频带一般是指仪器灵敏度的变化不超过某一规定百分比的条件下，仪器的使用频率范围。一台仪器的频率范围可能取决于传感器本身的电气性能或机械性能，也可能取决于附加线路或配合仪表的性能。5精确度精确度是指测量仪器的测量值和被测量实际值的接近程度。精确度受诸如灵敏度、分辨率等一系列因素

8、的影响，反映测量中各类误差的综合。2.5 工程振动测量中参量和仪器的选择工程振动测量中参量和仪器的选择是测试过程中的重要环节，必须充分了解工程振动的特点，选择测试的频率范围和振动幅值的区间，才能正确地进行测试工作。例如对于低频振动的物体测量以位移为宜；对于冲击振动以速度参量为宜；模型振动试验可根据需要选取参量。也可根据现有的分析手段、所关心的物理量与振动参量之间的关系选择参量。在测振仪器的选择方面，不能片面的迫求某项高指标，应根据所研究对象的频率范围、幅值范围和振动状态选择仪器。1工程振动的特点在诸如机械及桥梁等工程振动测量中，由于频率成份的差异、振动幅值的不同，振动状态的多样性，参量和仪器的

9、选择十分重要，否则将不能获得理想的结果。一般来说机械振动的频率较高、幅值较小，建筑工程结构的振动频率较低(频率范围大约在0.5100Hz)，振动幅值的变化范围大。振动测量应根据最关心的振动参量、分析手段、研究对象的固有频率和幅值范围选择仪器，否则可能误差很大，甚至得到错误的结果。对于冲击振动等体系的振动测量，更应慎重。2测量参量的选择原则：被测物体固有频率低、加速度值很小的情况下选择位移参量；被测物体固有频率高，位移幅值很小的情况下选择速度参量或加速度参量；根据现有分析手段选择参量。(1)机械振动实验中的振动测量由于振动状态基本是简谐振动，参量的换算关系非常方便，故可根据需要和现有条件选取参量

10、。(2)桥梁、工民建等结构工程的振动测量这些结构的自振频率一般较低，约在0.510 Hz频率范围内，并且振幅较大。因此应采用位移参量或速度参量。3振动测量仪器的选择(1)合理选择仪器的通频带若结构的自振频率较低，或频率高达10kHz的情况，应特殊考虑超低频、超高频的测试情况。(2)合理选择仪器量程若工程振动的幅值变化范围很大，则在工程振动测量中，需要大量程的测振仪，应尽可能的选用动态范围大的测振仪。 (3)根据振动状态选用仪器对于周期振动，随机振动，可根据频率范围、振动幅值大小选择测量仪器。对于冲击振动等振动，还应十分注意考虑仪器的瞬态响应特性。2.6 工程振动测试技术的任务线性振动系统的运动

11、方程：为此，解决振动问题有以下几个方面的任务： 1、已知F、M、K、C，通过实验测出x、 、 ，通过测试及数字信号分析可求出振动系统的固有频率和振型以及在实际工作时的振动水平。因此，它也被称为实验验证，这是工程振动测试中的正问题。 2、已知F，通过实验测出x、 、 。最终通过模态参数（模态频率、振型、阻尼等）求出M、K、C。称为“参数识别”和“系统识别”。也称为第一类反问题。这类反问题对振动测试的要求，除了要精确测量外，还要应用模态分析的方法来识别参数，以便正确地建立系统的力学模型，并完成从模态参数到物理参数的转换，这样就能弄清结构的薄弱环节，为改进结构优化设计提供充分地实验依据。 3、已知M

12、、C、K，通过实验测出x、 、 ，求出F。这是“载荷识别”问题，这是结构动力学的第二类反问题。 这类问题对振动测试的要求，除了精确测出系统振动位移列阵，速度列阵，加速度列阵外，还要先在已知激振力列阵F0 的情况下进行第一类反问题的计算与测试，以求得振动结构的系统参数，然后再进行载荷识别。通过这类反问题的研究，可以查清外界干扰力的激振水平和规律，以便采取措施来控制振动。4.建立振动方程。对于比较复杂的振动系统，可以利用实验结果建立振动方程。由于结构的振动模态参数是决定结构动力特性的主要参数。利用振动测试技术直接得到系统的模态参数，即可直接建立一个模态动力学方程，并在此基础上计算振动系统在实际载荷

13、作用下的响应，以及进行振动校核和必要的结构修改。5.为理论计算(有限元法)提供技术参数。在工程实际的理论计算中，有限元法是一种极为有力的计算工具，它适用于计算各种类型结构的模态参数，且易于修改有关物理参数，为结构的优化设计提供依据。由于实际结构的复杂性，很难直接建立一个符合实际的有限元计算模型。模态试验的必要性不仅提供了一组可靠的模态参数，而且还提供了某些只有通过试验手段才能获得的重要数据，比如有关结构的阻尼参数等。将理论计算(有限元法)和试验测试结果(模态分析试验)进行相互校核和修正，最后才可得到一组比较真实可靠的模态参数。6. 故障诊断与监测。监测机器设备工作状况是否稳定、正常及诊断设备故障等。机器、设备在工作过程中发生不正常的运转或故障，往往会使系统的振动水平发生变化，因此，对机器进行实测分析可得到机器是否正常工作的重要信息，进一步可对机器可能存在的潜在故障做出预测。在一些大型关键性机器设备上，比如发电厂的汽轮发电机