机械振动测量

1、机械振动测量1 机械振动测量2 l机械振动现象普遍。机械振动现象普遍。 l机械设备运动时，都存在不同程度的振动。机械设备运动时，都存在不同程度的振动。 有害：有害： 大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使 用寿命，用寿命， 机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条 件，危害人们的健康。件，危害人们的健康。 振动：振动： 物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用，物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用， 就会在其平衡位置周围作往复运动，这种每隔一就会在其平衡位置周围作往复运

2、动，这种每隔一 定时间的往复机械运动即振动。定时间的往复机械运动即振动。 机械振动测量3 有利：有利： 振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行 工作的。工作的。 机械振动测量4 l现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机 械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振 动设计；动设计； l为了保证大型机电设备正常、有效的运行，必须对其振动为了保证大型机电设备正常、有效的运行，必须对其振动 信息进行监测、故障诊断。信息进行

3、监测、故障诊断。 振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要 机械振动测量5 振动给料机振动给料机 水泥回转窑水泥回转窑 机械振动测量6 周期振动周期振动 非周期振动非周期振动 瞬态振动瞬态振动 稳态振动稳态振动 复杂周期振动复杂周期振动( (非简谐振动非简谐振动) ) 准周期振动准周期振动 正弦周期振动正弦周期振动( (简谐振动简谐振动) ) 1 1 概述概述 一、振动的类型一、振动的类型 1 1、按振动的规律分类、按振动的规律分类 一般分为以下几种：一般分为以下几种： 机械振动测量7 随机振动随机振动 非平稳随机振动非平稳随机振动 平稳随机振动平稳随机

4、振动 各态历经振动各态历经振动 非各态历经振动非各态历经振动 1 1 概述概述 一、振动的类型一、振动的类型 1 1、按振动的规律分类、按振动的规律分类 一般分为以下几种：一般分为以下几种： 机械振动测量8 一、振动的类型一、振动的类型 2 2、按振动的原因分类、按振动的原因分类 3 3、按振动系统的自由度数目分类、按振动系统的自由度数目分类 机械振动测量9 一、振动的类型一、振动的类型 振动的基本参数振动的基本参数 称为振动三要素。只要测定这称为振动三要素。只要测定这3 3 个个 要素，也就决定了整个振动运要素，也就决定了整个振动运 动动 幅值：反映振动强、弱程度，可以用振动的峰值、平均幅值

5、：反映振动强、弱程度，可以用振动的峰值、平均 值、有效值来描述；值、有效值来描述； 通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从 而可以寻找振源；而可以寻找振源； 利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件 的平衡、有源振动的控制等。的平衡、有源振动的控制等。 机械振动测量10 一、振动的类型一、振动的类型 振动的基本参数振动的基本参数 )tsin(Ay )tcos(A dt dy v )tsin(A dt dv a 2 简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率简谐振动的位移、速度

6、、加速度的振动形式和振动频率 都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。 由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个 量与时间关系来表征。量与时间关系来表征。 机械振动测量11 (1)(1)测量机械设备或结构工作状态下的振动测量机械设备或结构工作状态下的振动 如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解 被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊 断和预测。断和预测。 (2)(2)测量机

7、械设备或结构动态特性测量机械设备或结构动态特性 施加某种激励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、施加某种激励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、 响应和模态等。响应和模态等。 振动的测量方法：振动的测量方法：机械法、电测法、光测法。机械法、电测法、光测法。 二、振动的测试内容及测量方法二、振动的测试内容及测量方法 测试的内容包括两方面：测试的内容包括两方面： 机械振动测量12 三、振动测试系统的构成三、振动测试系统的构成 被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量， 通过振动分析（时域中的相关技

8、术，频域中的功率谱分析）以及计算机数通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数 字处理技术，检测出有用的信息。字处理技术，检测出有用的信息。 工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。 通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。 而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的 特性是由各个环节串联而成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一特性是由各个环节串联而

9、成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一 定的影响。定的影响。 机械振动测量13 2 常用测振传感器常用测振传感器 测振传感器的种类很多。测振传感器的种类很多。 （1 1）按测振参数）按测振参数 位移传感器、速度传感器、加速度传感器。位移传感器、速度传感器、加速度传感器。 （2 2）按传感器与被测物位置关系）按传感器与被测物位置关系 接触式传感器、非接触式传感器。接触式传感器、非接触式传感器。 接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式；接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式； 非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。 （3 3）按测试参考坐标）按测试

10、参考坐标 相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。 机械振动测量14 2 常用测振传感器常用测振传感器 传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对 于基准点的相对振动。于基准点的相对振动。 传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体相传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体相 对于大地的绝对振动，对于大地的绝对振动， 因此传感器又称为惯性式测振传感器，如因此传感器又称为惯性式测振传感器，如 惯性式位移传感器、惯性式位移传感器、 压电式加速度传感器等，压电式加速度传

11、感器等， 这类传感器在振动测量使用普遍。这类传感器在振动测量使用普遍。 机械振动测量15 2 常用测振传感器常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 x(t)x(t)为被测物体振动位移；为被测物体振动位移； y(t)y(t)为惯性质量块的振动位移；为惯性质量块的振动位移； z(t)z(t)为壳体相对惯性质量块的振动位移；为壳体相对惯性质量块的振动位移； m m为质量块质量；为质量块质量； k k 为支撑质量块的弹簧刚度；为支撑质量块的弹簧刚度； c c为阻尼系数。为阻尼系数。 则惯性质量块的动力方程式可写成则惯性质量块的动力方程式可写成: : 力学模型力学模型 0 2

12、kz dt dz c dt yd m )()()(txtytz 机械振动测量16 2 常用测振传感器常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 力学模型力学模型 0 2 2 kz dt dz c dt yd m )()()(txtytz 2 2 2 2 dt xd mkz dt dz c dt zd m 设设 nn m c m k 2 , 2 2 2 2 2 2 dt xd z dt dz dt zd nn 机械振动测量17 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 设设 2 2 2 2 2 2 dt xd z dt dz dt zd nn txtx m sin)

13、( tx dt dx m cos tx dt xd m sin 2 2 2 txz dt dz dt zd mnn sin2 22 2 2 解方程解方程 )sin( )/2()/(1 )/( )( 222 2 t x tzz nn mn 222 2 )/2()/(1 )/( nn mn m x z 2 1 )/(1 )/(2 tan n n 惯性系统阻尼比；惯性系统阻尼比； 惯性系统的固有角频率。惯性系统的固有角频率。 机械振动测量18 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 1 1、测振幅、测振幅 当测振传感器的输出量当测振传感器的输出量z正确感受和反映的是被测体振动的正确感受和反

14、映的是被测体振动的 振幅量振幅量xm时，时， 幅频特性：幅频特性： 相频特性：相频特性： 222 2 )/2()/(1 )/( )( nn n m m x z A 2 1 )/(1 )/(2 tan)( n n x 机械振动测量19 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 1 1、测振幅、测振幅 幅频特性：幅频特性： 222 2 )/2()/(1 )/( )( nn n m m x z A 幅频特性曲线近似为常数，幅频特性曲线近似为常数，A()A()接近接近 于于1 1，z zm mxxm m , , 表明传感器的输出正比于被测物体振表明传感器的输出正比于被测物体振 动的位移。动的位

15、移。 一般：一般： 时时，当当1 , n 。取取53 ,/ n 机械振动测量20 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 1 1、测振幅、测振幅 2 1 )/(1 )/(2 tan)( n n x 相位差接近相位差接近180180，相频特性也接近直线。，相频特性也接近直线。 一般：一般： 时时，当当1 , n 。取取0.70.6 机械振动测量21 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 2 2、测振动速度、测振动速度 测振传感器的振动参数是速度时，有：测振传感器的振动参数是速度时，有： 2 2 n n n2 n 2 2 2 2 n 22 n 2 n 2 n 22 n 2 n

16、 m m v 4 1 4 1 21 1 x z v z A )/()/( )/( )( 具具有有最最大大值值，时时当当 时时，当当 )(A, 0 )(A/, 0/ v v n nn 速度传感器的工作区域是速度传感器的工作区域是/n=1/n=1，此区域幅频特性没有平坦段。，此区域幅频特性没有平坦段。 相频特性曲线也不接近直线，相频特性曲线也不接近直线， 当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方 法来测量振动速度。法来测量振动速度。 机械振动测量22 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 3 3、测振动

17、加速度、测振动加速度 测振传感器的振动参数是加速度时，有：测振传感器的振动参数是加速度时，有： 222 2 2 222 22 )/2()/(1 )/(1 )/2()/(1 11 )( nn n nn nm m a x z a z A 随着随着nn增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低，增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低， 因此。因此。nn不宜选得太高。一般取：不宜选得太高。一般取： 常常数数 2 1 )( n a A 固有频率是被测频率的固有频率是被测频率的35 倍，倍， 使传感器输出使传感器输出z z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：能正确反映被测振动的加速度必须满足下

18、列条件： (1) (1) ，幅频特性曲线趋于平坦，此时，幅频特性曲线趋于平坦，此时时时 1/ n 5 1 3 1 n 机械振动测量23 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 3 3、测振动加速度、测振动加速度 测振传感器的振动参数是加速度时，有：测振传感器的振动参数是加速度时，有： 222 2 2 222 22 )/2()/(1 )/(1 )/2()/(1 11 )( nn n nn nm m a x z a z A 使传感器输出使传感器输出z z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件： (2) (2) ，出现共振峰值，选择恰当的阻尼

19、比可抑制它。一般，出现共振峰值，选择恰当的阻尼比可抑制它。一般 时时 n 则保证幅值误差不超过则保证幅值误差不超过5 % 5 % ，此时相频特性曲线接近直线。，此时相频特性曲线接近直线。 7 . 06 . 0 机械振动测量24 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理 l位移传感器的工作区域位移传感器的工作区域为以为以/n l , l , 且且 l l ，一般，一般 /n取取35 35 ； l速度传感器工作区域是速度传感器工作区域是/=1 1 ； l加速度传感器工作区域为加速度传感器工作区域为/nB1 ，则可忽略二次分量的影响。，则可忽略二次分量的影响。 2 2、电磁式激振器、电磁式激

20、振器 电磁激振器频率上限电磁激振器频率上限500800Hz500800Hz t AB t ABBAB BF 2cos 4 cos 2 ) 2 ( 0 2 1 0 10 0 2 12 0 机械振动测量41 特点：特点： 激振力大，行程大。高频特性差。结构复杂。制造精度要求高，激振力大，行程大。高频特性差。结构复杂。制造精度要求高， 成本高。成本高。 一般只适用于较低的频率范围，为零点几赫到数百赫。一般只适用于较低的频率范围，为零点几赫到数百赫。 3 3、电液式激振器、电液式激振器 信号发生器的信号经过放大后，操信号发生器的信号经过放大后，操 纵电液伺服阀控制油路，使活塞作纵电液伺服阀控制油路，使

21、活塞作 往复运动，输出很大的位移和激振往复运动，输出很大的位移和激振 力，并以顶杆去激励被激对象。力，并以顶杆去激励被激对象。 机械振动测量42 激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动，激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动， 振动的幅值与激振力成正比，振动的幅值与激振力成正比， 加速度传感器检测振动的位移。加速度传感器检测振动的位移。 依次改变激振信号频率，可绘出加速度幅频特性曲线，依次改变激振信号频率，可绘出加速度幅频特性曲线， 根据加速度曲线，找出系统的固有频率。根据加速度曲线，找出系统的固有频率。 4 振动系统特性测试振动系统特性测试 以双简支梁为例，以双简支梁为例，

22、测量系统的固有频率测量系统的固有频率 机械振动测量43 5 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 l机械振动参数主要是指机械振动参数主要是指 固有领率、阻尼比等模态参数固有领率、阻尼比等模态参数 l实际系统大多是实际系统大多是 多自由度振动系统，多自由度振动系统， 具有多个固有频率，在频率响应曲线上会出现多个峰值具有多个固有频率，在频率响应曲线上会出现多个峰值 l根据线性振动理论。对于多自由度线性系统，在它任何一根据线性振动理论。对于多自由度线性系统，在它任何一 点的振动响应可以认为是反映系统特性的多个单自由度响点的振动响应可以认为是反映系统特性的多个单自由度响 应的叠加。应的叠加。 本节讨论

23、单自由度系统：固有频率和阻尼比的测试。本节讨论单自由度系统：固有频率和阻尼比的测试。 方法：自由振动法、共振法方法：自由振动法、共振法 机械振动测量44 单自由度振动系统，单自由度振动系统， 若给系统以初始冲击，若给系统以初始冲击， 则系统将在阻尼作用则系统将在阻尼作用 下作衰减自由振动，下作衰减自由振动， 5 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法 其表达式为其表达式为 0)( )()( 2 2 tky dt tdy c dt tyd m m m质量；质量； c c粘性阻尼系数粘性阻尼系数 k k 弹簧的刚度系数弹簧的刚度系数 设设 mk n / 系统的固有角频

24、率；系统的固有角频率； 系统的阻尼率；系统的阻尼率； kmc 2/ 机械振动测量45 5 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法 0)( )( 2 )( 2 2 2 ty dt tdy dt tyd nn t t e dt dy teyty d d t d t n n sin )0( cos)0()( 2 1 nd 衰减振动角频率；衰减振动角频率； 阻尼比或的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定。阻尼比或的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定。 根据衰减振动记录曲线，周期根据衰减振动记录曲线，周期T T可通过曲线确定，可得：可通过曲线确定，可得

25、： 在系统阻尼小的时候，可以认为在系统阻尼小的时候，可以认为 T d /2 近近似似相相等等和和 nd 机械振动测量46 5 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法 阻尼比或的测定，可以根据记录曲阻尼比或的测定，可以根据记录曲 线的相邻峰值的衰减比来确定：线的相邻峰值的衰减比来确定： 22 2 4 1i i M M ln Mi和和Mi+1分别为自由振动记录曲线的相邻超调量分别为自由振动记录曲线的相邻超调量 。 机械振动测量47 2 2、共振法、共振法 单自由度系统受迫振动，单自由度系统受迫振动， 当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值会急剧增大。当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值