振动测量技术

第5章振动测量技术,5.2振动参量的测量,5.1振动和振动测量系统,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。,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。,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。,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。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。,(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2.频率分析仪3.FFT分析仪4.虚拟频谱分析仪,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,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。,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。,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。,工程实例,实例1:重庆云阳长江大桥动态测试（加载方案）,工程实例,实例2:东风汽车构件模态测试,高速列车的线路试验,激振器试验,对动车车体进行整体模态试验采用的多点激励模态试验系统如上图所示，试验系统由函数信号发生器、相位控制器、功率放大器、电磁激振器、阻抗头、传感器、信号采集和分析系统、计算机工作站和专业分析软件组成。系统的标称激振频带为1800Hz。系统软件和传感器装置的标称测试频带为0.52000Hz。试验系统的激励为4点协调激励，可根据需要激励出车体的振动形态确定4个激振器的激励方式，以便得到对应于车体振动形态的纯模态振动。,试验系统的组成,现场试验照片,加速度传感器安装示意图,一般的为了防止传感器在测量过程中损坏将其先与角座等安装器件连接再安装在构件上。如图所示,加速度传感器的安装要求,a各类传感器应按照测量要求指定的位置和方向安装；b对于加速度传感器的安装位置在结构上的选择，应尽可能靠近其要求的试验部位，使其具有相同的运动；c加速度传感器的安装可选用螺栓连接或胶接连法，加速度计的敏感轴必须指向被试结构的测量方向；d由于加速度传感器的引入，导致试验结构的运动变化应尽可能的小；e各类传感器的连接应避免电气干扰，一般采用相应的浮地或绝缘措施；,振动系统固有频率的测试,实验目的,1.学习振动系统固有频率的测试方法；2.学习共振动法测试振动固有频率的原理与方法；（幅值判别法和相位判别法）3.学习衰减振动波形自谱分析法测试振动系统固有频率的原理和方法。（自谱分析法）,实验原理,对于振动系统，经常要测定其固有频率，最常用的方法就是用简谐力激振，引起系统共振，从而找到系统的各阶固有频率。另一种方法是衰减法，用冲击力激振，通过衰减振动波形自谱分析法测试振动系统固有频率。,实验原理,1.简谐力激振:由简谐力作用下的强迫振动系统如右图，其运动方程为：,K,C,m,方程式的解由自由振动基和强迫振动项两部分组成。由于阻尼的存在，自由振动基随时间不断的衰减消失，最后，只剩下强迫振动部分。,实验原理,式中：,当强迫振动频率和系统固有频率相等时引起系统共振，共振时振幅和相位都有明显的变化，通过对这两个参数进行测量，我们可以判别系统是否达到共振动点，从而确定出系统的各阶振动频率。,强迫振动解可写成：,在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过示波器，我们可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，这就是机械振动系统的某阶固有频率。,1.2相位判别法,1.1幅值判别法,相位判别法是根据共振时特殊的相位值以及共振动前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素