振动测量原理VIP

第5章振动测量技术 5 1振动和振动测量系统5 2振动参量的测量5 3机械阻抗测量5 4振动信号的频谱分析 振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象 在大多数情况下 振动是有害的 它对仪器设备的精度 寿命和可靠性都会产生影响 当然 振动也有可以被利用的一面 如输送 清洗 磨削 监测等 无论是利用振动还是防止振动 都必须确定其量值 随着现代工业和现代科学技术的发展 对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求 以及对主要生产过程或重要设备进行监测 诊断 对工作环境进行控制等等 这些都离不开振动的测量 5 1振动和振动测量系统5 1 1振动信号分类振动信号按时间历程的分类如图5 1所示 即将振动分为确定性振动和随机振动两大类 确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动 周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动 非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动 准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成 在这些不同频率的简谐分量中 总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数 因而是非周期振动 随机振动是一种非确定性振动 它只服从一定的统计规律性 可分为平稳随机振动和非平稳随机振动 平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动 一般来说 仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动 又包含有随机振动 但对于一个线性振动系统来说 振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加 因此简谐振动是最基本也是最简单的振动 图5 1振动信号的分类 5 1 2振动测量系统1 振动测量方法分类振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法 机械法和光学法 其简单原理和优缺点见表5 1 表5 1振动测量方法分类 2 电测法振动测量系统图5 2振动测量系统的一般组成框图 由于振动的复杂性 加上测量现场复杂 在用电测法进行振动量测量时 其测量系统是多种多样的 图5 2所示为用电测法测振时系统的一般组成框图 由图可见 一个一般的振动测量系统通常由激振 拾振 中间变换电路 振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成 下面分别就这些组成环节作一简单介绍 1 测振传感器拾振部分是振动测量仪器的最基本部分 它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能 根据线性系统的叠加原理 振动的响应是振动系统拾振部分对各个谐振动响应的叠加 在许多情况下 例如惯性式测振传感器 振动系统的振动是由载体的运动所引起的 如图5 3所示 设载体的绝对位移为z1 质量块m的绝对位移为z0则质量块的运动方程为 5 1 图5 3由载体运动引起的振动响应 质量块m相对于载体的相对位移为 5 2 则上式可改写成 5 3 设载体的运作为谐振动 即 则式 5 3 可写成 5 4 考虑这样几种情形下的响应特性 1 z01相对于载体的振动位移z1 此时相当于测振仪处于位移计工作状态下 此时幅频特性和相频特性分别为 5 5 5 6 其幅频特性曲线曲线如图5 4所示 图5 4由载体运动引起的位移响应 2 z01相对于载体振动速度 此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下 此时幅频特性和相频特性分别为 5 7 5 8 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5 6和图5 5所示 图5 6由载体运动引起的速度响应图5 7由载体运动引起的加速度响应 3 z01相对于载体的振动加速度 此时相当于测振仪处于加速度计的工作状态下 此时幅频特性和相频特性分别为 5 9 5 10 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5 7和图5 5所示 从图5 4 图5 7可以看出 测振仪在不同工作状态下 其有效工作区域是不相同的 在位移计状态下 其工作条件为 1 即工作在过谐振区 对于加速度计来说 其工作条件为 1 即工作在亚谐振区 对于速度计来说 则要求其工作在 1 即谐振区附近 阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性都有较大的影响 对位移计和加速度计而言 当取值在0 6 0 8范围内时 幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段 此时 相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线 对于速度计而言 则是阻尼比越大 可测量的频率范围越宽 因此 在选用速度计测量振动速度的响应时 往往使其在很大的过阻尼状态下工作 2 激振器激振器是对试件施加某种预定要求的激振力 使试件受到可控的 按预定要求振动的装置 为了减少激振器质量对被测系统的影响 应尽量使激振器体积小 重量轻 表5 3列举了部分常用的激振器 表5 3部分常用的激振设备 3 振动分析仪器从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析处理 以提取出各种有用的信息 目前常见的振动分析仪器有测振仪 频率分析仪 FFT分析仪和虚似频谱分析仪等 1 测振仪测振仪是用来直接指示位移 速度 加速度等振动量的峰值 峰一峰值 平均值或均方值的仪器 2 频率分析仪模拟量频谱分析仪目前仍是振动测量较常用的分析设备 振动信号转换成电信号后 经中间变换电路输入频率分析仪 手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析 3 FFT分析仪随着计算机技术和数字信号处理技术的发展 用数学技术处理振动测量信号的方式已广泛被采用 以微处理器为核心和以快速傅里叶变换 FFT 算法为基础的数字分析仪 精度高 动态范围大 功能多 性能稳定 抗干扰能力强 4 虚拟频谱分析仪虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统 通常包括计算机图形软件 数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等 当然也包括少量的仪器硬件 例如数据采集硬件 以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等 和传统的FFT分析仪相比 具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口 采样速率和频谱二进制数 且价格低 技术更新快 具有灵活的开放功能等 5 2振动参量的测量振动参量是指振幅 频率 相位角和阻尼比等物理量 1 振幅的测量振动量的幅值是时间的函数 常用峰值 峰峰值 有效值和平均绝对值来表示 峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离 峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离 在考虑时间过程时常用有效 均方根 值和平均绝对值表示 有效值和平均绝对值分别定义为 Z有效 Zrms 5 11 Z平均 Z 5 12 对于谐振动而言 峰值 有效值和平均绝对值之间的关系为 5 13 式中 Zf为振动峰值 2 谐振动频率的测量谐振动的频率是单一频率 测量方法分直接法和比较法两种 直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率 在缺少直接测量频率仪器的条件下 可用示波器通过比较测得频率 常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法 录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示 根据它们在波形图上的周期或频率比 算出振动信号的周期或频率 李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y轴及x轴 根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率 3 相位角的测量相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义 测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法和比较法 直读法是利用各种相位计直接测定 比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种 录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差 求出相位差 5 14 李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差 5 3机械阻抗测量振动测量从本质上说属动态测量 测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号 振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析 找出系统的动态特性参数 包括固有频率 固有振型 模态质量 模态刚度 模态阻尼比等 振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础 1 机械阻抗与机械导纳机械阻抗与机械导纳的一般定义为 Z 5 23 M 5 24 机械系统的激励一般是力 系统的响应可用位移 速度和加速度来表达 故机械阻抗和机械导纳又各有三种形式 位移阻抗又称为动刚度 位移导纳称为动柔度 速度阻抗称为机械阻抗 速度导纳简称导纳 加速度阻抗又称为视在质量 加速度导纳又称为机械惯性 机械阻抗是复量 可写成幅值 相角 或实部 虚部形式 也可用幅一相特性 奈奎斯特图表示 在评价结构抗振能力时常用动刚度 在共振区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一 在分析振动对人体感受影响时 常用速度阻抗 在分析振动引起的结构疲劳损伤时 常用机械惯性 在分析车厢等振动 噪声时则常用速度导纳 机械阻抗测试是在结构上施加激振力 同时测量力和响应 所得机械阻抗只决定于系统本身 而与激振力性质无关 按激励方式的不同 测试方法通常分为稳态正弦激励测试 随机激励测试和瞬态激励测试三种 2 稳态正弦激励测试稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力 是最常用的一种激励方式 它具有能量集中 精度高等优点 可分为单点激励和多点激励 单点激励就是采用一个激振器 对结构上某一点进行激励 多点激励是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励 图5 11是对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图 被测试件按实际工作条件固定 在其上选择激励点和测量点 激励点和测量点应避开各阶模态的节点或节线 激振器用橡皮绳悬吊 阻抗头与激振器之间用一个柔性杆连接 以减小激振器对试件非激励方向的附加刚度约束 信号器输出单一频率的正弦信号经功率放大器推动激振器 使试件产生受迫振动 振动信号与力信号分别通过电荷放大器放大 并转变为电压信号输入分析仪进行分析运算 结果由记录仪或打印机输出 图5 11稳态正弦激励测试原理框图 阻抗头是一个高精度 由力传感器和加速度计同轴安装构成的传感器 如图5 12所示 它装在激振器顶杆和试件之间 前端是力传感器 后面为测量激振点响应的加速度计 在构造上应使两者尽量接近 质量块为钨合金制成 壳体用钛制造 为了使力传感器的激振平台具有刚度大 质量小的性能 采用铍来制造 分析仪器的作用是对激励及响应信号进行采样 变换 运算 从而求出传递函数的幅值 相位或实部 虚部 稳态正弦激励测试常用的分析仪器有两类 即模拟量跟踪滤波器式和数字相关积分式分析仪 也可用FFT分析仪 图5 12阻抗头1 力敏压电片 2 加速度信号输出 3 安装面 4 外壳 5 质量块 6 加速度敏压电片 7 力信号输出 8 硅橡胶密封圈 9 驱动端面 3 瞬态激励测试 图5 13脉冲锤击法测试原理框图 目前常用的瞬态激励方法为脉冲锤击法 它是用带有力传感器的手锤敲击试件 给试件一脉冲力 用装在试件上的加速度计或位移传感器测量响应 将力及响应信号同时送入分析仪以求出传递函数 锤击法测试原理如图5 13所示 脉冲锤是锤击法的主要激振设备 其结构如图5 14所示 它由锤头 测力计 附加质量和锤柄四部分组成 锤头装在测力计上 敲击时直接与试件接触 为了得到不同的脉冲宽度 锤头可用不同的材料制成 根据测试频响要求 进行更换 锤头的材料越软 其脉冲频谱越窄 反之锤头材料越硬 则脉冲频带越宽 几种常用锤头材料及使用频率范围见表5 4 脉冲锤的质量 包括锤头 力传感器及附加配重 大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关 若力锤太小 能量不够 力锤太大 灵敏度低 所以应根据试件刚度和质量大小 频率范围等选择力锤的适当大小 图5 14脉冲锤结构 表5 4常用锤头材料及使用范围 4 随机激振随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源 也是一种宽带激振方法 白噪声发生器能产生连续的随机信号 其自相关函数也是在 0处形成陡峭的峰 只要 稍偏离零 自相关函数就很快衰减 其自功率谱密度函数也接近为常值 当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时 由于功放和激振器的通频带不是无限宽的 所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数 但它仍然是一种宽带激振 能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动 配合频谱分析仪 利用Sxy f H f Sx f 式可以得到被测对象的频率响应 5 4振动信号的频谱分析在振动测量中 由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数 利用信号处理技术 通过傅里叶变换 将时域信号转换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析 频谱分析技术包括幅值谱分析 自功率谱密度函数分析 互功率谱密度函数分析 相干函数分析 倒频谱分析等 振动信号经过频谱分析 可以求得信号的频率成分和结构 并进而分析系统的传递特性 通过频谱分析 还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断 图5