振动测试概论

1、振动测试概论 第一部分 振动测试概论 振动理论 振动测试概论 振动分类 产生原因 自由振动 受迫振动 自激振动 简谐振动 振动分类 产生原因 自由振动 受迫振动 自激振动 振动分类 产生原因 变化规律 自由度数 自由振动 受迫振动 自激振动 简谐振动 非简谐振动 随机振动 单自由度系统的振动 多自由度系统的振动 连续系统的振动 振动过程的分类 振动测试概论 不同振动过程时域与频域描述 振动测试概论 几种典型信号的频谱几种典型信号的频谱 振动测试概论 随机振动 时间函数不能用精确的数 学关系式来描述； 不能预测它未来任何时刻 的准确值； 对这种信号的每次观测结 果都不同，但大量地重复 试验可以看

2、到它具有统计 规律性，因而可用概率统 计方法来描述和研究。 振动测试概论 随机振动时域主要特征参数 均值 均方值 方差 自相关函数 互相关函数 0 1 Elim( ) T x T xx t dt T 222 0 1 Elim( ) T x T xx t dt T 22 0 1 lim ( ) T xx T x tdt T 0 1 ( )lim( ) () T x T Rx t x tdt T 0 1 lim( ) () T xy T Rx t y tdt T 振动测试概论 随机振动的频谱分析 功率谱密度函数 自功率谱 互功率谱 相干函数 ( )( ) FT xx IFT RSf 2 ( )(

3、) ift xx SfRedt 2 ( )() jft xx RSf edf ( )() FT xyxy IFT RSf 2 ()( ) ift xyxy SfRedt 2 ( )() jft xyxy RSf edf 2 2 () () () () xy xy xfy Gf f GGf 2 01 xy 2( ) xx GfSf 2( ) xyxf GfSf fo 单边功 率谱 振动测试概论 机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 振动测试概论 一般说来振动测试系统包括下述三个主要部分：一般说来振动测试系统包括下述三个主要部分： 1)1)激励部分激励部分 实现对被测系统的

4、激励实现对被测系统的激励( (输入输入) )，使系统发生振动。它主，使系统发生振动。它主 要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。 2)2)拾振部分拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换 成一定的形式成一定的形式( (通常为电信号通常为电信号) )。它主要由传感器、可调放大。它主要由传感器、可调放大 器组成。器组成。 3)3)分析记录部分分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接 近行分析处理并记下处理结果。它主要由

5、各种记录设备和频近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频 谱分析设备组成。谱分析设备组成。 机械振动测试系统机械振动测试系统 振动测试概论 振动问题 组成：激励、振动结构（系统）和响应组成：激励、振动结构（系统）和响应 分类：分类：1 1、已知激励和振动结构，求响应、已知激励和振动结构，求响应 -系统动力响应分析系统动力响应分析 2 2、已知激励和响应，求系统参数、已知激励和响应，求系统参数 -系统识别系统识别 3 3、已知系统和响应，求激励、已知系统和响应，求激励 -载荷识别载荷识别 振动测试概论 研究振动的方法 理论分析法理论分析法 实验研究实验研究实测实测 模型研究模型研究

6、建摸建摸 求解求解 振动测试概论 常用的振动测量方法 机械法 -利用杠杆传动和惯性接收记录振动信号 光测法 -将振动信号转换为光信息再进行测量 电测法 -通过传感器将机械量转换为电量，再 对电量进行测量与分析 振动测试概论 机械法 特点： 结构简单、可靠、直观、抗干扰小、体积大、 灵敏度低、频率范围窄、不能测小振幅、对 被测体有附加刚度 应用：低频、大位移、扭振 常用仪器：手持式测振仪 振动测试概论 光测法 特点： 高精度、高灵敏度、非接触、远距离、全场 应用： 高精度测量、传感器标定、远距离测量 常用仪器： 激光多普勒单点或扫描测振仪、激光干涉 仪、读数显微镜 振动测试概论 电测法 特点：

7、灵敏度高、频率范围宽、动态范围大； 类型多，适用于不同测试环境和对象； 信号易于测量、记录和保存。 应用： 稳态和冲击过程测量、结构动力特性参数测量等 常用仪器： 各种传感器、激振器、测量仪与分析仪 振动测试概论 振动测量系统的主要特性参数 灵敏度: 传感器测量系统的输出信号与输入信号的比值 频率范围 动态范围 横向灵敏度:指传感器对垂直于测量主轴方向运动的敏感程度 相位特性:指在简谐机械量输入时，测量系统同频率输出信号对输 入信号的相位滞后 附加质量、附加刚度和环境条件 f f上f下 s S max x min xx S s min x max xx u D=20log 幅值上线 幅值下限

8、（dB) 振动测试概论 振动测试概论 振动传感器的分类 按物理过程 发电式发电式 电动式、磁电式电动式、磁电式 压电式压电式 电磁感应原理电磁感应原理 电参数电参数 电阻式、电感式、电容式、压阻式电阻式、电感式、电容式、压阻式 按力学过程 惯性式惯性式 （质量（质量- -弹簧）无参照系弹簧）无参照系 接触式接触式 （跟随）有参照系（跟随）有参照系 非接触式非接触式 （电涡流、激光、光电）（电涡流、激光、光电） 按被测参数 位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器 应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器 振动测试概

9、论 惯性式传感器 工作原理 力学模型如图所示。图中y1、y0、 y01分别表示壳体绝对位移、质块的 绝对位移和壳体与 质块的相对位移。 测试时，壳体和被测物体联接（用 胶接或机械方法），当传感器外壳 跟随振动物体振动时，其内部质量 与外壳之间产生相对运动。适当选 取传感器的结构参数，所测结果将 分别反映振动问题的位移、速度和 加速度 振动测试概论 运动方程 0110101 ()0m yycyky 2 010010011 2yyyy 2 0 k m 0 2 c m 强迫振动解为 01 sin() em yyt 其中 2 01 2 2 2 00 () 1() (2) m em y y 0 2 0

10、2 arctg 1() 惯性式传感器 则 2 0 2 2 2 1 00 () 1() (2) em m y y 振动测试概论 惯性式传感器 对 的讨论 1 em m y y 1 1 em m y y 表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的振动 （输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处 于静止状态 作为加速度计的 条件 2 10 () em m y y 1 2 0 1 emm yy 作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计） 2 0 2 2 2 1 00 () 1() (2) em m y y 1 当 时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 2 当 时 ，即被测频率远低于传感器固

11、有频率时 振动测试概论 阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响 0 2 0 2 1 em m y y 惯性式传感器 10-310-210-1100101 100 0.1 0.2 0.5 0.7 1 2 振动测试概论 阻尼对惯性位移计幅频特性的影响阻尼对惯性位移计幅频特性的影响 012345 0 1 2 3 4 5 6 1.0 0.7 0.5 0.2 0.1 2.0 1 em m y y 0 惯性式传感器 振动测试概论 惯性式传感器 0 012345 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0.1 0.2 2.0 1.0 0.7 0.5 阻尼对惯性传感器

12、相频特性的影响阻尼对惯性传感器相频特性的影响 振动测试概论 电磁感应式速度传感器 分类 运动导体切割磁力线产生感应运动导体切割磁力线产生感应 电动式电动式 电动式速度电动式速度 传感器传感器 磁电式速度磁电式速度 传感器传感器 导体不动，穿过导体的磁力线数发生导体不动，穿过导体的磁力线数发生 变化，导体两端产生感应电动式变化，导体两端产生感应电动式 eBl d en dx 振动测试概论 电动式速度传感器-相对式速度传感器 1顶杆顶杆2弹簧片弹簧片3磁钢磁钢4线圈线圈5引出线引出线6壳体壳体 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，用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速

13、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线圈与磁钢产生相对运 动，产生相应的电动势来。动，产生相应的电动势来。 振动测试概论 电动式速度传感器-相对式速度传感器 特点： 1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；可测量频率从零赫兹开始的相对振动量； 2 2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共 振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向 固有频率决定；固有频率决定； 3 3、输入与输出之间的相移基本为零；、输入与输

14、出之间的相移基本为零； 4 4、附加质量不大；、附加质量不大； 5 5、对被测物体有附加刚度。、对被测物体有附加刚度。 振动测试概论 电动式速度传感器惯性式速度传感器 结构： a a 单磁隙结构单磁隙结构 b b双磁隙结构双磁隙结构 c c动磁钢结构动磁钢结构 振动测试概论 电动式速度传感器- -惯性式速度传感器 双磁隙结构与工作原理 1弹簧弹簧2壳体壳体3阻尼环阻尼环 4磁钢磁钢5线圈线圈6芯轴芯轴 在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而 振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并在磁场中运动。 弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既得到可

15、靠的径向支承， 又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固 有频率，另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼. 振动测试概论 电动式速度传感器惯性式速度传感器 力学模型与运动方程 机械接收部分机械接收部分 机电变换部分机电变换部分 rrre mxcxkxmxBli 0 () ttr d i LRRiB lx d t 当当时时 rrre mxc xkxmx 2 2 0 B i cc R SBl灵敏度 0r uBlx 振动测试概论 电动式速度传感器惯性式速度传感器 阻尼的实现 1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用=0.5-0.7的 阻尼 比，在幅值误差

16、不超过5%的情况下，工作下限可扩展到 2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。 3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移 1、油阻尼 2、电涡流阻尼 3、电磁阻尼 阻尼的作用 1.7 n 振动测试概论 磁电式速度传感器 结构结构 e N S 振动物体振动物体 变换过程变换过程 物体与传感器 的相对运动 空气间隙 变化 穿过线圈的 磁通量变化 产生感应 电动式 dd ennx dtdx 输入与输 出关系式 振动测试概论 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度计的结构压电式加速度计的结构 (a)中心安装压缩型中心安装压缩型(b)环形剪切型环形剪切型(c)三角剪切型

17、三角剪切型 振动测试概论 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 在图中在图中，S S是弹簧，是弹簧，M M是质块，是质块，B B是基座，是基座，P P是压电元件，是压电元件，R R是夹持是夹持 环。图环。图a a是中央安装压缩型，压电元件是中央安装压缩型，压电元件质量块质量块弹簧系统装在弹簧系统装在 圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。 然而基座然而基座B B与测试对象连接时，如果基座与测试对象连接时，如果基座B B有变形则将直接影响拾有变形则将直接影响拾 振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并振器输

18、出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并 使预紧力发生变化，使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图易引起温度漂移。图b b为环形剪切型，结构为环形剪切型，结构 简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到 装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而 变软，因此最高工作温度受到限制。图变软，因此最高工作温度受到限制。图c c为三角剪切形，压电元为三角剪切形，压电元 件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动件由夹持环将其夹牢在三角形中心

19、柱上。加速度计感受轴向振动 时，压电元件承时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有 极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。 各种结构特点各种结构特点 振动测试概论 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度计的敏感元件 天然石英晶体 机械强度高，绝缘性能好， 压电常数在500度以下不随 温度变化，但压电常数低。 压电常数大，比石英晶体大几十倍， 但压电常数稳定性差，受温度影响 大，当超过居里温度时，压电效应 就会消失。 正压电效应 压电元件在一定方向的外力作用下 或施加机械变形

20、时，在压电元件的 晶面或极化面上将产生电荷。 在压电元件表面通一电压，由 于电场的作用，压电元件将产 生几何变形。 逆压电效应 人工极化陶瓷 压电晶体 压电效应 振动测试概论 p q m b m k r x e x 振动物体振动物体 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度计的特性分析 1、力学模型中心压缩型 2、机电转换过程 e x 惯性 接收 压电 变换 物理量转 换 pq u 当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 接 收为 相对于底座的相对振动位移 ，于是压电晶体片受到 的动态力 ，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷 。 e x m r x r pkx q

21、 33 2 r qd kx 33 2 e qd mx 2 1 rn e x x 3、输入与输出关系式 振动测试概论 4、特性参数 灵敏度电荷灵敏度 电压灵敏度 33 2 q e q Sd m x 2 (/pc ms /)pc g 33 2 4 e e d mte S xD 2 ( /v ms /)v g 其中 33 2 4 e E d mx tq e cD 2 2 E D c t （开路电压） （极间电容） 动态范围 最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制 最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 频率特性频率特性 加速度计的使用上限

22、频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼 比小于比小于0.10.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/31/3，便可保，便可保 证幅值误差低于证幅值误差低于1dB1dB（即（即12%12%）；若取为共振频率的）；若取为共振频率的1/51/5，则可保证，则可保证 幅值误差小于幅值误差小于0.5dB0.5dB（即（即6%6%），相移小于），相移小于3 3度。但共振频率与加速度度。但共振频率与加速度 计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是

23、在刚性连接的固 定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因 而共振频率和使用上限频率都会有所下降。而共振频率和使用上限频率都会有所下降。 n ff上f下 S 横向灵敏度 环境特性温度，湿度，磁场等 小于5% 固有频率、灵敏度和动态范围相互制约 , , n n SmfD SmfD 当时 当时 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 5、加速度计的固定方法加速度计的固定方法 其中图其中图a a采用钢螺栓固定，是共采用钢螺栓固定，是共 振频率能达到出厂共振频率的振频率能达到出厂共振频率的 最好方法。螺栓不得全部拧入

24、最好方法。螺栓不得全部拧入 基座螺孔，以免引起基座基座螺孔，以免引起基座 变形，变形， 影响加速度计的输出。在安装影响加速度计的输出。在安装 面上涂一层硅脂可增加不平整面上涂一层硅脂可增加不平整 安装表面的连接可靠性。安装表面的连接可靠性。 需要绝缘时可用绝需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b b），但垫圈应尽量簿。用一层），但垫圈应尽量簿。用一层 簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c c），也可用于温度低于），也可用于温度低于4040以下的场合。手持以下的场合。手持 探针测振方法（图探针测振方法（图d d

25、）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上 限频率一般不高于限频率一般不高于 1000Hz1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图。用专用永久磁铁固定加速度计（图e e），使用方便，多在低），使用方便，多在低 频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f f）或粘接剂（图）或粘接剂（图 g g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振

26、频率分别约 为：钢螺栓固定法为：钢螺栓固定法31kHz31kHz，云母垫片，云母垫片28kHz28kHz，涂簿蜡层，涂簿蜡层29kHz29kHz，手持法，手持法2kHz2kHz，永久磁铁固定，永久磁铁固定 法法7kHz7kHz。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 6、加速度计的接地问题 注意：单点接地 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 7、加速度计的前置放大器加速度计的前置放大器 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻 抗的比例放大器。其电路

27、比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动 测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中， 通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵. . 8、电荷放大器作用电荷放大器作用 阻抗变换阻抗变换 物理量转换物理量转换 输出归一化输出归一化 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 9 9、 压电加速度计压电加速度计的类型的类型 低阻抗

28、电压模式低阻抗电压模式 目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成 放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类 内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而 无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计 算机等连接。一般采用算机等连接。一般采用2 2线制，即用线制，即用2 2根电缆根电缆 给传感器供给给传感器供给 2 210mA10mA的恒流电源，而输出的恒流电源，而输出 信号也由这信号也由这2 2根电缆输出，大大方便了现场根电缆输出，大大方便了现场 的接线的接线

29、 。 智能式智能式 内置芯片，出厂时，内置芯片，出厂时， 将传感器的序列号，将传感器的序列号， 生产厂家，灵敏度等生产厂家，灵敏度等 参数储存在芯片里，参数储存在芯片里， 分析仪可直接识别出分析仪可直接识别出 这些参数，这对多点这些参数，这对多点 测量非常方便。测量非常方便。 高阻抗电荷模式高阻抗电荷模式 输出阻抗很高，输出阻抗很高， 必须接前置放必须接前置放 大器，但环境大器，但环境 适应性强，尤适应性强，尤 其适合于高低其适合于高低 温，高冲击试温，高冲击试 验场合。验场合。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 1010、 压电加速度计压电加速度计的低频特性的低频特性 从压

30、电式传感器的力学模型看，它具有从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通低通”特性，原可测量极特性，原可测量极 低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小， 传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另 外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件 的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率截止频率”，约，约 为为0.10.11Hz

31、1Hz左右。左右。 1111、 压电加速度计压电加速度计的特点与应用的特点与应用 具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电 材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛 使用的振动测量传感器使用的振动测量传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 振动测试概论 压阻式加速度传感器 工作原理工作原理 通常采用悬臂梁式结构实现其惯性接收，再利用 半导体材料的压阻效应将正比于加速度的应力转 换为电阻值的变化。 压阻效应压阻效应 半导体材料由于内部应力场

32、而引起各点的电阻 率变化的现象，单晶硅的压阻效应特别显著， 比一般金属材料灵敏度高50-100倍。 振动测试概论 压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器的结构压阻式加速度传感器的结构 （1） （3） 分体型压阻式分体型压阻式 与固态压阻式与固态压阻式 1、体型压阻式 （2） 振动测试概论 压阻式加速度传感器 2、固态压阻式固态压阻式 振动测试概论 压阻式加速度传感器 优点优点 应用应用 缺点缺点 灵敏度高，具有零频率响应 适合测量持续时间较长的慢变冲击过程及特低 频率振动过程 由于半导体片对温度非常敏感，必须在传感 器内部有温度补偿措施 振动测试概论 电容式加速度传感器 结构与原理结构与原理

33、优点优点 应用应用 较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器， 且成本也比压电式加速度传感器高得多且成本也比压电式加速度传感器高得多 与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环 境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小 多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹 簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动

34、板极，当传 感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固 定板极相对质量块产生位移。定板极相对质量块产生位移。 缺点缺点 信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响， 以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出 信号往往需通过后继电路给于改善信号往往需通过后继电路给于改善 振动测试概论 伺服式加速度传感器 结构结构 内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转 换为电

35、量，以提供测量和反馈信号；另一是将换为电量，以提供测量和反馈信号；另一是将 电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，电量转换为机械量，即起反向传感器的作用， 其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变 换，其二是可逆的电动式变换换，其二是可逆的电动式变换 工作原理工作原理 如果反馈电流满足如果反馈电流满足 e f mx i G 振动测试概论 伺服式加速度传感器 优点优点 1、具有另频率响应；、具有另频率响应； 2、幅值线性度极好；、幅值线性度极好； 3、精度高。、精度高。 应用应用 比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结比较适合于飞机、土木结构、桥梁

36、等低频及静态结 构加速度测量构加速度测量 振动测试概论 结构示意图结构示意图 测量参数测量参数 涡流传感器已成系列，测量范围从涡流传感器已成系列，测量范围从0.5mm0.5mm至至10mm10mm以上，灵敏阀约为测以上，灵敏阀约为测 量范围的量范围的0.1%0.1%。常用的外径。常用的外径8mm8mm的传感器与工件的安装间隙约的传感器与工件的安装间隙约1mm1mm，在，在 0.5mm0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm7.87mv/mm，频响范围为，频响范围为0 0 12000Hz12000Hz。 电涡流位移传感器 振动测试概论 电涡流位移传感器

37、 工作原理工作原理 电涡流式位移传感器是一种非接触式电涡流式位移传感器是一种非接触式 测振传感器，其基本原理是利用金属测振传感器，其基本原理是利用金属 体在交变磁场中的电涡流效应。当通体在交变磁场中的电涡流效应。当通 有交变电流的线圈靠近导体表面时，有交变电流的线圈靠近导体表面时， 穿过导体的磁通链将在导体表面感应穿过导体的磁通链将在导体表面感应 出交变电流，该电流在导体表面形成出交变电流，该电流在导体表面形成 一闭环回路，称之为涡流。这一电流一闭环回路，称之为涡流。这一电流 又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，又产生一穿过原线圈的磁通链，因此， 原线圈与电涡流相当于两个相互耦合原线圈与电涡流相

38、当于两个相互耦合 的线圈，耦合的结果使得原线圈的电的线圈，耦合的结果使得原线圈的电 感发生了变化。感发生了变化。 振动测试概论 电涡流位移传感器 等效电路等效电路 当输入电流频率很高时，有 1 e M k LL 图中M k 互感系数 耦合系数 此时 2 e e L RRk R L 2 (1)LLk 振动测试概论 电涡流位移传感器 测量电路 0i c Z UU R 为了测量 ，可以采用串并联谐振 电路，即在原线圈两端并一电容， 再与一电阻串联，在满足 L 的条件下 电路的谐振频率为 2 (0)11 ( ) 2 1 r r f k f k L c k 电路阻抗为 1 1 () L Z c RjL

39、c 电路输出电压为 ci c Z UU R 振动测试概论 传感器特点 这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力 强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡流传感器属于 相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。 表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表面的微裂缝和被测材料的电 导率和导磁率对灵敏度有影响。 电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、 压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监 测与故障诊断中应用甚广。 传感器的应用 电涡流位移传感器 振动测试概论 压电式力传感器 结构与力学模型结构与力学模型 振动测试概论 压电式力传感

40、器 力的传递力的传递 发发 力力 体体 受受 力力 体体 b fp f t f p k b x b x t x t x b m t m 输入与输出关系 11p qd f 压电元件的动态力与作用给受力体的力之间的关系 由上图可知 pttt ffm x 注意：压电式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同 振动测试概论 压电式力传感器 力传感器的使用力传感器的使用 振动测试概论 振动测量传感器的选择 正确的选用应该基于对测量信号以下三方面正确的选用应该基于对测量信号以下三方面 的分析和估算。的分析和估算。 1)1) 被测振动量的大小被测振动量的大小 2)2) 被测振动信号的频率范围被测振动信号

41、的频率范围 3)3) 振动测试现场环境振动测试现场环境 振动测试概论 激振设备的分类 振动台振动台 机械式、电动式、液压式、压电式机械式、电动式、液压式、压电式 激振器激振器 机械式、电动式、液压式、压电式机械式、电动式、液压式、压电式 分布力分布力 集中力集中力 按工作原理按工作原理机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式 按振动方向按振动方向 单方向单方向垂直、水平、扭转垂直、水平、扭转一维振动一维振动 多方向多方向垂直、水平垂直、水平二维平面或三维空间振动二维平面或三维空间振动 按振动波形按振动波形简谐振动、冲击振动、随机振动、任意波形振动简谐振动、冲

42、击振动、随机振动、任意波形振动 按使用方式按使用方式 振动测试概论 激振设备的基本特性参数 1、最大激振力最大激振力 2、最大负荷最大负荷 3、最大空载和满载加速度最大空载和满载加速度 4、最大位移和最大速度最大位移和最大速度 5、使用频率范围使用频率范围 6、失真度失真度 7、台面的均匀度台面的均匀度 8、台面的横向运动台面的横向运动 振动测试概论 机械式振动台与激振器 1、直接驱动式直接驱动式 当它们的主轴由电机带动旋转当它们的主轴由电机带动旋转 时，台面即产生确定的振动时，台面即产生确定的振动 台面是由主轴经过一台面是由主轴经过一 个机构直接驱动的个机构直接驱动的 e 曲柄滑块机构曲柄滑

43、块机构 e 正弦机构正弦机构 e 凸轮顶杆机构凸轮顶杆机构 台面的位移台面的位移 sinxet 振动测试概论 机械式振动台与激振器 振幅的大小由偏心距确定振幅的大小由偏心距确定 振动频率由偏心轮回转速度确定振动频率由偏心轮回转速度确定 转速是可调的转速是可调的 频率范围窄，下限频率决定于调速机构在低速时频率范围窄，下限频率决定于调速机构在低速时 稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响，稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响， 不会太高，一般在不会太高，一般在50-6050-60赫兹。赫兹。 输出波形较差输出波形较差 直接驱动式振动台的特点直接驱动式振动台的特点 振动测试概论 2 2、离心式

44、振动台、离心式振动台 工作原理工作原理 试验物体 台面 台 体 两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带 动以相等的角速度、相反的转向转动，每动以相等的角速度、相反的转向转动，每 一轴上有一质量为一轴上有一质量为m m、偏心距为、偏心距为e e的偏心块，的偏心块， 每一偏心块就有一离心力作用在转轴上，每一偏心块就有一离心力作用在转轴上， 如果两偏心块的相对位置配置的好，则两如果两偏心块的相对位置配置的好，则两 个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合 成为一合力，若转轴以等角速度转动，则成为一合力，若转轴以等角速度转动，则 合力呈

45、简谐变化，这个力通过激振器的外合力呈简谐变化，这个力通过激振器的外 壳作用于被试验的物体上。壳作用于被试验的物体上。 激振力的大小激振力的大小 2 2sinpmet 机械式振动台与激振器 振动测试概论 离心式振动台的特点离心式振动台的特点 振动台的位移振动台的位移 激振力与振动频率平方成正比激振力与振动频率平方成正比 振幅在振幅在。时只与偏心块质量、偏心距及台面总质量有。时只与偏心块质量、偏心距及台面总质量有 关，而与振动频率几乎无关。关，而与振动频率几乎无关。 频率范围窄，一般为频率范围窄，一般为10-10010-100赫兹之间赫兹之间 输出波形较好输出波形较好 2 22 0 2 () me

46、 A M 机械式振动台与激振器 振动测试概论 电动式振动台 组成：运动系统组成：运动系统-线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面 磁路系统磁路系统-励磁线圈（永久磁铁）、环形空气隙和外壳励磁线圈（永久磁铁）、环形空气隙和外壳 动圈 台面 励 磁 线 圈 磁路 动圈 台面 励 磁 线 圈 磁路 动圈 台面 励 磁 线 圈 磁路 芯杆 a bc 振动测试概论 电动式振动台 频率特性频率特性 e k e c s k s c 1 m 2 m 1 1、力学模型如图所示，其中、力学模型如图所示，其中 1 m 2 m 和和 分别为台面和动圈质量分别为台面和动圈质量 e k

47、e c 和 和 分别为台面相对动圈的刚度分别为台面相对动圈的刚度 和阻尼系数和阻尼系数 s k 和和 分别支撑弹簧的刚度和分别支撑弹簧的刚度和 阻尼系数阻尼系数 s c 振动测试概论 电动式振动台 2 2、运动方程、运动方程 s k s c 12 mm 0 j t F e x a 120 () j t ss mmxc xk xF e 0 2 2 22 11 (1)(2) s m Fk x 令令j t m xx e 则有则有 其中其中 1 12 s k mm 12 2() s s c k mm 当当 较低时，由于较低时，由于 ， 和和 可看作是可看作是 刚体连接，系统可简化为如图刚体连接，系统可

48、简化为如图a a所示的单自由度系统，所示的单自由度系统， 其运动方程为：其运动方程为： es kk 1 m 2 m 振动测试概论 电动式振动台 e k e c 1 m 2 m 0 jt F e 1 x 2 x b 1111 02122 00 0 eeee j t eeee cckkmxxx cckkF emxxx 则有则有 2 2 21 (1) ee e kkm mmm 将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为 1 2 ABCD 当当 较高时，由于较高时，由于 ， 可忽略，系统可简化为如图可忽略，系统可简化为如图b b所示的两自所示的两自 由度系统，其运

49、动方程为：由度系统，其运动方程为： se kk s k 振动测试概论 电动式振动台 磁场产生的方式磁场产生的方式 支撑弹簧支撑弹簧 驱动线圈的阻抗特性驱动线圈的阻抗特性 冷却方式冷却方式 特点：特点： 1 1、频率范围宽，下限 、频率范围宽，下限1-10Hz1-10Hz，上限，上限 上万上万HzHz。 2 2、输出加速度波形好、输出加速度波形好 3 3、输出推力大，易调节和控制、输出推力大，易调节和控制 4 4、操作方便，可实现多种波形振动、操作方便，可实现多种波形振动 5 5、造价高、造价高 振动测试概论 电动式振动台 振动测试概论 电动式振动台 振动测试概论 电动式振动台-水平滑台系列水平

50、滑台系列 振动测试概论 电动式激振器电动式激振器 电动式激振器的结构如图所示，驱动线圈电动式激振器的结构如图所示，驱动线圈7 7固装固装 在顶杆在顶杆4 4上，并由支承弹簧上，并由支承弹簧1 1支承在壳体支承在壳体2 2中，线中，线 圈圈7 7正好位于磁极与铁芯正好位于磁极与铁芯6 6的气隙中。当线圈的气隙中。当线圈7 7通通 过经功率放大后的交变电流过经功率放大后的交变电流i i时，根据磁场中载时，根据磁场中载 流体受力的原理，线圈将受到与电流流体受力的原理，线圈将受到与电流i i成正比的成正比的 电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象， 即为激振力。

51、但是，由顶杆施加到被激对象上即为激振力。但是，由顶杆施加到被激对象上 的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比 （电动力与激振力之比）与激振器运动部分和（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和 被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关， 而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分 质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激 振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性 也很好的情况下才可以认为电动力等于激振

52、力也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力 振动测试概论 绝对式电动激振器的安装二绝对式电动激振器的安装二 为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器 与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度 很小的柔性杆连接，既保证激振力的传递又大大减小对被激很小的柔性杆连接，既保证激振力的传递又大大减小对被激 对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传 感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角感器，以便能够同时测量出激振

53、力的幅值和相位角 1激振器 2试件 3弹簧 4柔性杆 振动测试概论 电动式激振器电动式激振器 振动测试概论 电动式激振器电动式激振器 振动测试概论 电磁式激振器电磁式激振器 电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回 转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在 铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试 验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为：验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为： 信号发生器 功率放大器直流电源 0 i i 2 aa a B S F () a aam wi B SRR a a aa l R S m m mm l R S a R m R 空气隙磁阻 铁芯磁路的