第5章 振动测量技术.ppt

现代检测技术,：Telmail：Andrew.Lin,2,导言,振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。在长期的科学研究和工程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计算和分析。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,3,导言,学习目标振动基本知识和振动测量系统测振传感器的工作原理及应用振动参数的测量和估计方法振动信号的频谱分析,4,第五章振动测量技术,5.1振动和振动测量系统,5,5.1振动和振动测量系统,5.1.1振动信号分类按时间历程分类，分为确定性振动和随机振动两大类。,机械振动,非周期的,随机的,确定的,周期的,非平稳的,平稳的,简谐振动,复杂周期振动,准周期振动,瞬态和冲击,各态历经的,非各态历经,6,5.1振动和振动测量系统,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。,7,5.1振动和振动测量系统,8,5.1振动和振动测量系统,9,5.1振动和振动测量系统,10,5.1振动和振动测量系统,11,5.1振动和振动测量系统,5.1.2单自由度系统的受迫振动简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。下面讨论最为简单的单自由度系统在两种不同激励下的响应(即单自由度系统的受迫振动)：质量块受力产生的受迫振动基础运动产生的受迫振动,12,5.1振动和振动测量系统,1、质量块受力产生的受迫振动如图所示为单自由度系统在质量块受力所产生的受迫振动示意图。在外力f(t)的作用下，质量块m的运动方程为：,C阻尼系数；K弹簧刚度；y(t)振动系统位移输出,13,5.1振动和振动测量系统,这是一个典型的二阶系统，当f(t)为正弦激励力，f(t)=F0sinwt。其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数以及相频特性函数j(w)分别为：,14,5.1振动和振动测量系统,幅频和相频曲线如图所示。根据振动理论定义，振动幅频特性曲线上幅值极大的频率称为共振频率。对幅频特性函数A(w)一阶导数并令其为零，可以得到共振频率wr为：,15,5.1振动和振动测量系统,由上式可见，在幅频特性图上，质量块受力产生的受迫振动其共振频率wr总是小于系统的固有频率wn，阻尼越小两者越靠近，因此，在小阻尼情况下可以采用wr作为的wn估计值；,16,5.1振动和振动测量系统,而在相频特性图上，不管系统的阻尼比为多少，在wr/wn=1时位移始终落后于激振力90，这是判别共振频率的一个十分有用的指标。,当系统有一定的阻尼后，幅频曲线变得较为平坦，这时从幅频曲线上不易测准幅值最高点。从相频曲线看，在固有频率处相位过90，而且这段曲线比较陡峭，容易测定系统的固有频率。,17,5.1振动和振动测量系统,在激振力频率远小于固有频率时，输出位移随激振频率的变化十分小，这时系统响应特性类似于低通滤波器；在激振频率远大于固有频率时，输出位移接近于零，质量块近于静止。这时系统响应特性也类似于低通滤波器；在激振频率接近系统固有频率时，系统的响应特性主要取决于系统的阻尼，并随频率的变化而剧烈变化。,18,5.1振动和振动测量系统,2、基础运动产生的受迫振动设基础的绝对位移为y1(t)，质量块m的绝对位移为y0(t)，如图所示。质量块m的运动方程为：,令y01(t)=y0(t)-y1(t)，则上式为：,19,5.1振动和振动测量系统,其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数A(w)以及相频特性函数j(w)分别为：,20,5.1振动和振动测量系统,幅频和相频曲线如图所示。,21,5.1振动和振动测量系统,当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小；当激振频率远高于固有频率时，A(w)接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动和基础的振动近似相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,y01(t)=y0(t)-y1(t),22,5.1振动和振动测量系统,5.1.3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：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量；机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来；光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理以及激光多普勒效应进行测量；,23,5.1振动和振动测量系统,机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来；下图给出机械式测振仪的工作原理：,测振物体的振动由探测杆接收并直接或经杠杆放大后用记录笔在移动胶片上刻出信号。,24,5.1振动和振动测量系统,光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理以及激光多普勒效应进行测量；光学法测振装置调整复杂，对测量环境要求严格，一般仅适用于实验室环境下作标准振动仪器的标准计量装置。,25,5.1振动和振动测量系统,电测法：将被测的振动量转换成电量，再用电量测试设备进行测量的方法。与机械法和光学法相比，电测法具有使用频率范围宽，动态范围广，测量灵敏度高等特点。而且电测法能够广泛使用各种不同的测振传感器，而电信号也易于被记录，处理和传送。因此电测法是最为广泛使用的振动测量方法。,26,5.1振动和振动测量系统,电测法振动测量系统框图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。,27,5.1振动和振动测量系统,2、测振传感器拾取振动信息的装置通常称拾振器，振动传感器是其核心组成部分。拾振器的作用是检测被测对象的振动参数（位移、速度、加速度、频率、相位），在要求的频率范围内正确地记录，并将此机械量转换成电信号输出。,28,5.1振动和振动测量系统,测振传感器不同的分类原则：按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器；按参考坐标分：相对式传感器、绝对式传感器；按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、光学式；按传感器与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器,29,5.1振动和振动测量系统,1）惯性式测振传感器当wwn时，质块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近乎相等，质块在惯性坐标系中几乎静止。,惯性式拾振动器的力学模型,基础运动产生的受迫振动,30,5.1振动和振动测量系统,对于接触式传感器，测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系统的附加质量，使该系统振动特性产生变化。则拾振器的质量mt造成被测系统加速度和固有频率的变化可用下式来估计：,惯性式拾振动器的力学模型,有当mtwn时，质块和壳体的相对运动和基础的振动近乎相等。根据上述原理，被测物（它和壳体固接）与质量块的相对速度就近似其绝对速度。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转换成质块壳体的相对速度，而后用磁电变换原理，将转换成输出电压。,1弹簧2壳体3阻尼环4磁钢5线圈6芯轴,36,5.1振动和振动测量系统,磁电式相对速度计磁电式传感器还可以做成相对式的，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。,1顶杆2弹簧片3磁钢4线圈5引出线6壳体,37,5.1振动和振动测量系统,4）测振传感器的合理选择例子：低频时加速度的幅值有可小到与测量噪声相当的程度，因此如用加速度计测量低频振动的位移，会因低信噪比使测量不稳定和增大测量误差，不如直接用位移拾振器更合理。,38,5.1振动和振动测量系统,在振动测量时，传感器选择时应合理选择测量参数，力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得：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。,39,5.1振动和振动测量系统,3、激振器目的：在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。常用的激振器有电动式和机械式等几种。,40,5.1振动和振动测量系统,激励器电动式,驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极与铁芯6的气隙中。当线圈7通过经功率放大后的交变电流i时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流i成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，使被测对象产生激振运动。,电动式激振器,41,5.1振动和振动测量系统,1激振器2试件3弹簧4柔性杆,42,5.1振动和振动测量系统,激励方式力锤式力锤用来在振动试验中给被测对象施加一个局部的冲击激励。,43,5.1振动和振动测量系统,44,5.1振动和振动测量系统,采用钢，塑料和硬橡胶的不同垂头盖进行锤击时候所得到的时域波形。,分别是锤头盖和锤头盖加附加质量冲击时候所得到波形的频域形式。,45,5.1振动和振动测量系统,激励方式机械惯性式它由两个偏心质量的，反向等速转动的齿轮组成。当两齿轮旋转时候，由于偏心质量的缘故会产生一个周期性的离心力，从而产生激振作用。,优点：结构简单，激振力范围大；缺点：工作频率范围小，且体积质量较大。,46,5.1振动和振动测量系统,4、振动分析仪器从拾振器（振动传感器）检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需要经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。测振仪频率分析仪FFT分析仪虚拟频谱分析仪,47,5.1振动和振动测量系统,（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。这一类仪器一般包括微积分电路、放大器、检波器和表头。它能使人们获得振动的总强度（振级）的信息，而不能获得振动频率等其它方面的信息。,某系列袖珍式测振仪,48,5.1振动和振动测量系统,（2）频率分析仪模拟量频率分析仪目前仍是振动测量较常用的分析设备。它主要由模拟带通滤波器组成。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。,49,5.1振动和振动测量系统,（3）FFT分析仪FFT分析仪是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。,手提式双通道FFT分析仪,50,5.1振动和振动测量系统,（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。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。,51,5.2振动参量的测量,5.2.1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。峰值从振动波形的基线位置到波峰的距离。峰-峰值正峰值到负峰值之间的距离。,振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量,52,5.2振动参量的测量,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=,Z|平均|=Z=,谐振动中，峰值、有效值和平均绝对值的关系：,Zf为振动峰值,53,5.2振动参量的测量,5.2.2谐振动频率的测量测定谐振动频率常用直读法和比较法，和第二章中的频率测量方法一样。,54,5.2振动参量的测量,5.2.3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，和第二章中提到的的相位测量方法一样。,55,5.2振动参量的测量,5.2.4阻尼比测量阻尼比是导出参数，可以通过测量振动的某些基本参数，再用公式算出。常用的方法有振动波形图法、共振法、半功率点法和李沙育图法四种。,56,5.2振动参量的测量,1、振动波形图法,一个单自由度振动系统，若给以初始冲击或初始位移，则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。,阻尼自由振动过程和振动曲线,57,5.2振动参量的测量,由振动理论得知阻尼自由振动的曲线方程为：,式中：为衰减振动的圆频率，与衰减振动周期T的关系为：,振动波形图法测阻尼比,58,5.2振动参量的测量,因为任意相邻两振幅Zi与Zi+1的比值满足：,式中：,59,5.2振动参量的测量,2、共振法由振动理论知，一个单自由度的阻尼线性振动系统的位移、速度和加速度的幅频特性的共振频率fd、fV、和fa是不相同的，它们与系统无阻尼振动固有频率fn之间的关系如下：,位移幅频特性图,60,5.2振动参量的测量,根据上面共振频率fd、fV、和fa与系统无阻尼振动固有频率fn之间的关系式，可以计算获得：,或,61,5.2振动参量的测量,3、半功率点法由振动理论知，一个振动系统的能量是与其振幅的平方成正比。系统强迫振动的能量在共振点前后能量为共振时能量的1/2处的两个频率f1、f2称为半功率点频率，则此两半功率点频率之差值与系统的阻尼比之间有如下关系：,62,5.2振动参量的测量,4、李沙育图法被测阻尼较大幅频特性曲线平坦这时可用李沙育图法,被测对象固定在振动台上受激振动,63,5.2振动参量的测量,64,5.3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。,65,5.3机械阻抗测量,5.3.1机械阻抗与机械导纳机械阻抗与机械导纳的一般定义为：,机械阻抗(Z)=,机械导纳(M)=,=,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,66,5.3机械阻抗测量,激励力响应位移、速度和加速度机械阻抗和机械导纳三种形式：位移阻抗动刚度；位移导纳动柔度速度阻抗机械阻抗；速度导纳导纳加速度阻抗视在质量；加速度导纳机械惯性,67,5.3机械阻抗测量,不同的应用分析场合，常采用不同的参数：评价结构抗振能力位移阻抗（动刚度）振动对人体感受影响速度阻抗（机械阻抗）振动引起的结构疲劳损伤加速度导纳（机械惯性）分析车厢等振动、噪声速度导纳（导纳）,68,5.3机械阻抗测量,5.3.2激励测试方法,稳态正弦激励测试方法瞬态激励测试方法随机激励测试方法,69,5.1振动和振动测量系统,1、稳态正弦激励测试激励方式：在被测对象上施加的力是稳态正弦力两种分类：单点激励和多点激励。单点激励：一个激振器，对结构某一点进行激励。多点激励：两个或两个以上激振器同时进行激励。,70,5.3机械阻抗测量,对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图,71,5.3机械阻抗测量,阻抗头：力传感器和加速度计同轴安装构成的传感器。分析仪器：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：模拟量跟踪滤波器式分析仪；数字相关积分式分析仪。,72,5.3机械阻抗测量,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,73,5.3机械阻抗测量,2、瞬态激励测试激励方式：在被测对象上施加瞬态变化的力,快速正弦扫描激振,脉冲激振,是一种宽带激励方法,74,5.3机械阻抗测量,脉冲锤击法测试原理,75,5.3机械阻抗测量,锤击法的主要激振设备-脉冲锤的结构图,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,76,5.3机械阻抗测量,3、随机激励测试激励方式：用白噪声或伪随机信号作为信号源,自相关函数,功率谱密度,是一种宽带激励方法,白噪声,77,5.3机械阻抗测量,在工程上，为了能够重复试验，常采用伪随机信号作为测试信号，把它作为测试的输入激励信号。优点：既具有纯随机信号的真实性，又因为有一定的周期性，而在数据处理中避免了统计误差。,自相关函数,自功率谱密度,伪随机信号,78,5.4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。,轴承水平振动信号（加速度计测量振动）,79,5.4振动信号的频谱分析,傅里叶变换时域信号频域信号频谱分析频谱分析：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、倒频谱分析等频谱分析频率成分和结构传递特性振动监测故障诊断,80,5.4振动信号的频谱分析,某电动机生产线上，利用响应频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。,81,5.4振动信号的频谱分析,废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。,5.5振动测量实例,汽车白车身一阶振型,汽车白车身现场图片,5.5振动测量实例,锤击激励法实验模态分析系统,激振器激励法实验模态分析系统,5.5振动测量实例,基于振动信号和虚拟仪器的发动机转速测量系统研究,课题简介,1,发动机转速测量方法的研究,2,数据采集系统的设计,3,实验数据,4,84,5.5振动测量实例,发动机转速是发动机的一个重要参数，是发动机运行状况的一个综合体现。利用发动机转速的波动变化规律可以对发动机运行参数进行监测，利用发动机瞬时转速还可以对发动机功率进行估算，因此，转速测量技术一直是发动机测量技术的基础。测量发动机的瞬时转速对汽车试验、检测和维修行业有着特殊的意义，因为测量瞬时转速可以在发动机工作阶段及时的发现发动机故障，预防事故发生。,85,课题背景,5.5振动测量实例,非接触式光电测量：在发动机传动轴（或其它转动部位)上粘贴光标纸或者安装光电编码器；高频计数法：使用霍尔或磁电传感器测取与发动机同轴连接的均匀分布的齿盘，或发动机启动飞轮齿圈上的转角信号，由此来获得发动机转速。电磁脉冲法：采集发动机点火脉冲来测量转速；汽车尾气噪声测量法：气流速度变化的频率就是发动机气缸爆发的频率。,86,传统的发动机转速检测方法,5.5振动测量实例,日本小野测试公司数字式发动机转速表,87,5.5振动测量实例,振动测量法是一种先进的发动机转速测量方法，基于车辆振动理论，通过分析发动机的内在激励对内燃机机体或车身造成的振动影响，而发展起来的一套测量方法。它无需分拆发动机机械结构，通过将振动波形转换到频域内分析，利用合适的算法对应出相应的转速。发动机内部的复杂振动激励信号的频率与曲轴转速成一定比例关系。所以当测得的振动信号之中包含有丰富的频率分量时就设想应该能够从中提取出相关频谱从而计算得到发动机曲轴的转速。,88,振动测量法,5.5振动测量实例,89,振动测量法示意图,5.5振动测量实例,采用IEPE型压电传感器、美国国家仪器公司（NI）PXI6025采集卡和发动机转速表作为硬件平台，采用虚拟仪器开发软件作为软件平台，开发出采集和分析程序，对汽车发动机和车体各典型部位的振动信号进行采集、分析和计算，对计算出的理论转速和实际转速进行比较。由此通过试验论证了通过发动机振动信号测量发动机转速方法的可行性。,90,本系统的主要目的,5.5振动测量实例,91,数据采集系统设计,采集系统结构示意图,5.5振动测量实例,振动传感器采用低阻抗电压输出型（IEPE）压电加速度计，其为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电；直流供电和信号使用同一根线。,92,硬件系统设计,5.5振动测量实例,转速计本系统采用传统的测电压脉冲的转速计来获取发动机转速，将其作为对比的真实值。这里采用小野测器SE-152型转速计作为测量工具。,93,硬件系统设计,5.5振动测量实例,94,电源；模拟输出；脉冲输出；信号输入；控制旋钮：用作开关和缸数切换；电源指示灯；工作指示灯；转速表；,5.5振动测量实例,数据采集卡本系统采用的是NI公司的PXI-6025E型数据采集卡，这是一种基于PXI总线的采集卡。,95,硬件系统设计,16路模拟信号输入；分辨率为12bits；采样率为200ks/s；幅值为10V,5.5振动测量实例,96,带数据采集卡的NIPXI-1042机箱,5.5振动测量实例,97,NIPXI-1042机箱内部图,5.5振动测量实例,开发工具本文采用NI公司的LabVIEW作为本次试验相关采集和处理软件的开发语言。,98,软件系统设计,5.5振动测量实例,99,数据采集程序界面,5.5振动测量实例,100,数据采集程序的流程图,5.5振动测量实例,101,数据比较程序图,5.5振动测