振动测量综述

摘要振动的研究和测试在工程应用和科学测量中占有十分重要的地位。 现代工程中的各种机械系统，如大型发电设备、电动机、重型机械、汽车、船舶、航天设备等，一直向高速、高精度的方向发展。 为了保证其良好的性能和可靠的寿命，振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。 以压电式、电磁式及半导体式为代表的传统振动测试装置，因其原理简单、成本低等优点，广泛应用于各种领域。振动测量技术通过多种方法测量振动信号检测系统的振动特性，主要介绍电测法和光学法测量振动，并以这两种方法列举了一些振动测量的例子。关键词：振动测量电测法光学法Abstractbibrationrectionresearchanddestingtheenginternectionandscientificmeasurementplaysaveriveinvirtionproventposition.contentmporary ls systemsuchcaslarge-scalepowergenerationequipment，motors，heavy machinery，automobiles，ships， aerospace equipment高精度方向性和可靠的服务生命周期vivirationhasbecomemmustiresysuriouslystudyandsolveimportantissues.by piezoelectric electromment ndumentationtyastherpresettionofthetrationalprinicalpronclepleofbrationvibrationsmationtechistheuseformationdvibrationstodethevibrationcharacteristicofthesystem thisprepartionintroductesthemederectorkeywords : virationmeasurement； 电子方法； optical method目录摘要IAbstractI第一章绪论- 1 -1.1什么是振动- 1 -1.2振动测量目标- 1 -1.3振动测量技术概要- 2 -1.3.1振动测量分类- 2 -1.3.2振动参数的测量- 3 -1.3.3机械阻抗测量- 4 -1.3.4振动信号的频谱分析- 4 -1.4振动测量的意义- 4 -第二章振动测量技术- 5 -2.1电气测量法振动测量- 5 -2.1.1压电式加速度传感器的振动测量- 5 -2.1.2基于电磁感应的扭转振动测量- 7 -2.1.3电阻式应变传感器的振动测量- 9 -2.1.4感应式传感器的振动测量- 11 -2.1.5微变静电电容式传感器的振动测量- 12 -2.1.6被动伺服传感器的振动测量- 13 -2.2光学法振动测量- 14 -2.2.1激光干涉原理在振动测量中的应用- 14 -2.2.2 PSD在弦振动测量中的应用- 16 -2.2.3全光纤传感器振动测量- 19 -2.2.4激光光栅多普勒效应微振动测量- 21 -结论- 21 -参考文献- 22 -第一章绪论1.1什么是振动振动是状态发生变化的过程。 物体的往复运动。广义上，振动是指记述系统状态的参数在其基准值的上下交替变化的过程。 狭义上指机械振动，即力学系统中的振动。 电磁振动的习惯称为振动。 力学系统能够维持振动，需要弹性和惯性。 由于弹性，当系统偏离平衡位置时，产生复原力，为了催促系统返回原来的位置的惯性，系统在返回平衡位置的过程中积蓄动能，越过平衡位置向对侧运动。 由于弹性和惯性的相互影响，系统振动。 根据系统运动的自由度，有单自由度系统振动和多自由度系统振动。 有限多自由度系统对应于离散系统，其振动对应于常微分方程所描述的无限多自由度系统，其振动对应于偏微分方程所描述的。 方程式中不包含时间的系统称为自治系统，称为包含时间的非自治系统。 系统受力的情况有自由振动、衰减振动、强制振动。 根据弹力和阻尼力的性质，有直线振动和非线性振动。 振动可以分为确定性振动和随机振动，后者没有确定性规律，如车辆行驶中的晃动。 振动是自然界和工程学界常见的现象。 振动的消极方面是影响仪器设备的功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，进而引起结构疲劳破坏，振动的积极方面是有很多利用振动的设备和过程。 振动分析的基本任务是探讨系统激励、响应和系统动态特性三者之间的关系。 20世纪60年代以来，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开辟了广阔的前景。1.2振动测量的目的振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，往往振动有害，它影响仪器设备的精度、寿命和可靠性。 当然，振动也有可利用的方面，搬运、清洗、磨削、监测等，无论是利用振动还是防止振动，都必须决定其大小。 在长期的科研和工程实践中，形成了较为完整的振动工程学科，可以进行理论计算和分析。 但是，这些结果还是需要构建简化近似的数学模型，通过实验和测量技术进行验证。 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动级和低噪声的要求，监测、诊断主要生产过程和关键设备，控制工作环境等。 这些是振动测量不可或缺的。1.3振动测量技术介绍1.3.1振动测量分类1 )振动信号的分类振动信号可按时间历史分为确定性振动和随机振动。确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。 周期性振动包括简单共振振动和复杂的周期性振动。 非周期性振动包括准周期性振动和过渡性振动。 准周期性振动是非周期性振动，因为一个分量与另一个分量的频率之比通过若干不同频率的简单共振来合成，且在这些不同频率的简单谐振分量中总是无理数。随机振动是不确定的振动，只遵循一定的统计规律。 可分为稳态随机振动和非稳态随机振动。 稳态随机振动包括各状态下经历的稳态随机振动和非各状态下经历的稳态随机振动。仪器设备的振动信号通常包括确定性振动和随机振动，但对于一个线性振动系统，振动信号采用频谱分析技术叠加了许多共振。 因此，简易共振是最基本和最简单的振动。2 )振动测量方法的分类振动测量方法按振动信号变换的方式，分为电测量法、机械法和光学法。电测法：将待测对象的振动量转换为电量，用电量测量仪进行测量，灵敏度高，频率范围和动态、线性范围宽，易于分析和遥测，但易受电磁场干扰。 是目前采用最广泛的方法。机械法：利用杠杆原理放大振动量直接记录，抗干扰能力强，频率范围和动态、直线范围窄，测试时对工件施加一定负荷，影响测试结果，用于测量低频大振幅振动和扭转振动。光学法：利用光杠原理、读取显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应等进行测量，适用于非接触测量不受电磁场干涉、测量精度高、质量小、难以安装传感器的试样。 多用于精密测量和传感器、振动计的标定。根据测量传感器的类型，可分为发电型、电气参数变化型、伺服型。 其中发电型分压电式、电动式、电磁式，电参数的变化型分静电电容式、电感式、电阻式。3 )振动传感器分类拾振部分是振动测量仪的最基本部分，其性能多决定机器和系统整体的性能。 根据测量传感器的类型，可分为发电型、电气参数变化型、伺服型。 其中发电型分压电式、电动式、电磁式，电参数的变化型分静电电容式、电感式、电阻式。1.3.2振动参数的测量振动参数是指振幅、频率、相位角、衰减比等物理量。1 )振幅的测量振动量的振幅是时间的函数，多用峰值、峰值、有效值、平均绝对值表示。 峰值是振动波形的基线位置到峰值的距离，峰值是从正峰值到负峰值的距离。 考虑时间的经过时，经常使用有效的(均方根)值和平均绝对值表示。 有效值和平均绝对值分别为z有效=zrms=z|平均|=Z=在谐振动作中，峰值、有效值和平均绝对值关系式中，Zf是振动的峰值。2 )共振频率的测量谐振振荡的频率为单一频率，测量方法分为直接法和比较法两种。 直接方法将拾取器的输出信号传送到各种频率计和频谱分析器，直接读取测量谐振的频率。 在没有直接测量频率的设备的条件下，可以用示波器比较频率进行测量。 常用的比较法有视频比较法和李沙育模式法。 视频比较法将被测定振动信号与时间戳信号一起一边发送给示波器或记录器一边进行显示，根据波形图上的周期或频率比来计算振动信号的周期或频率。 李沙育模式法则将被测信号和来自信号发生器的标准频率正弦波信号分别传送到双轴示波器的y轴和x轴，根据出现在荧光屏上的李沙育模式判断被测信号的频率。3 )相位角的测量相位差角只在频率相同的振动之间有意义。 直读法和比较法也常用来测量相同频率的两个振动之间的相位差。 直读法采用各种相位计直接测量。 比较法常用视频比较法和李沙育模式法两种。 记录比较法利用记录在同一坐标纸上的被测定信号与参照信号之间的时间差，求出相位差。李沙育图的相位测量规则是根据被测量信号与同频率的标准信号之间的李沙育图来判别相位差。4 )衰减比测定衰减比是导出参数，可以测量振动的基本参数，用公式计算。 常用的方法有振动波形图法、共振法、半输出点法和李沙育图法4种。1.3.3机械阻抗测量振动测量本质上是动态测量，振动测量传感器检测出的信号是被测量者以某种激励方式输出的响应信号。 振动测量的主要目的之一是通过激励和响应信号的测试分析，找到固有频率、固有振动型、模态质量、模态刚度、模态衰减比等系统的动态特性参数。 振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。1.3.4振动信号的频谱分析在振动测量中，振动检测传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。 将通过使用信号处理技术的傅立叶变换将时域信号变换成频域信号并进行分析的方法称为频谱分析。 频谱分析技术包括振幅谱分析、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、倒谱分析等。 振动信号经过频谱分析，可以求出信号的频率成分和结构，进而通过可以分析系统传递特性的频谱分析，也可以进行受试者的振动监视和故障诊断。机械故障诊断学是识别机械和机械运转状态的科学，正在研究机械和机械运转状态的变化能够反映在诊断信息中。 机器故障诊断技术复杂，方法也很多。 可用于诊断的信息包括温度、应力、变形、废气和液体、润滑油的物理化学参数等。 利用振动和噪声响应信号对其进行频谱分析是常用的主要诊断手段。1.4振动测量的意义振动的研究和测试在工程应用和科学测量中占有十分重要的地位。 振动传递到人体的振动车辆、机械、结构物与人体或通过声音恰好处于表面接触辐射区域1。 现代工程中的各种机械系统，如大型发电设备、电动机、重型机械、汽车、船舶、航天设备等，一直向高速、高精度的方向发展。 随着工业技术的快速发展，各种机械结构向高速、高精度、小型化的方向发展，对物体振动特性的控制提出了越来越高的要求2 . 为了保证其良好的性能和可靠的寿命，振动问题已成为必须认真研究和解决的重要课题。第二章振动测量技术根据振动测量方法，振动测量根据振动信号的变换方式分为电测量法、机械法和光学法。着重介绍电测法和光学法的振动测量技术。2.1电气测量法振动测量2.1.1压电式加速度传感器的振动测量压电式传感器是基于压电效应的传感器。 自发电式和机电转换式的传感器。 传感器是由压电材料制成的。 压电材料受力时表面会产生电荷。 该电荷在电荷放大器和测量电路中放大并转换阻抗时，成为与外力成比例的功率输出。 压电传感器用于测量压力、加速度等可转换为力和力的非电气物理量。压电效应分为正压电效应和反压电效应。 正压电效应是指，当晶体受到某一定方向外力时，在内部产生电极化现象，同时在某两面产生符号相反的电荷，当外力被去除时，晶体再次返回不带电的状态，外力的作用方向发生变化，电荷的极性也发生变化，晶体受到力的电荷量与外力的大小成正比. 很多压电式传感器都是利用正压电效应制作而成的。压电式加速度计