动态测试技术_振动测试

1、动态测试技术南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室吴义鹏振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室2本章主要内容本章主要内容振动测试简介振动测试方法及系统组成振动测试原理振动参量的测试加速度测试及其系统构成机械结构力学及控制国家重点实验室35.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义 从狭义上讲，把具有时间周期性的运动称为振动。从广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近所做的周期性变化都称做振动。机械振动是指物体在平衡位置附近所作的往复运动。动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室4 降低机械加工的精度和表面粗糙度，危害结构的强度，发生大变形导致机器或结构的破坏甚至

2、酿成灾难性的事故。 振动给料机、振动筛选机、振动破碎机、振动球磨机、 振动打桩、振动测桩、振动抛光、结构的减振、抗震等都是利用振动的特性进行工作的。5.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室5动态测试技术：振动测试技术 5.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义机械结构力学及控制国家重点实验室6实验表明：实验表明：振动频率在48Hz之间时，人体将处于垂直方向振动的共振状态，胸、心脏不适。振动频率在1012Hz之间时，腹部共振。振动频率在0.10.3Hz之间时，头晕。5.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技

3、术机械结构力学及控制国家重点实验室75.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室85.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室9确定系统的特性（固有频率、振型等），预防共振研究动平衡、隔振、减振方法，以消除振动的影响进行振动检测、故障诊断及环境噪声控制振动技术的利用5.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室10振动测试的主要内容振动测试的主要内容 振动基本参数的测量：测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位。

4、振动系统特征参数的测试：固有频率、阻尼、刚度和振型等动态参数。 测量机械设备或结构在工作状态下的振动。 对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能。 振动振动测试的两种方式测试的两种方式5.1 5.1 振动测试的意义振动测试的意义动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室115.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成 惯性：是能使系统当前运动持续下去的性质，通常由物理参数质量M表征；恢复性：是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，通常由物理参数刚度K表征；阻尼：是能使系统能量消耗掉的性质,由物理参数阻尼C表征。动态测试技

5、术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室12振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数。位移位移速度速度 加速度加速度 )sin()(txtxm)cos()(txdtdxtvmxtxdtdvtam22)sin()(5.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室13 机械式测量方法 将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录。 常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。 特点：抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上

6、一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量5.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室14 光学式的测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。比如读数显微镜和激光测振仪等。 特点：不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多。 5.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室15 电测法 将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和

7、记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。特点：灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。5.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室16振动传感器振动传感器对应二次仪表对应二次仪表振动分析仪振动分析仪显示、记录显示、记录振动传感器：把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，对于电测法是转换为电量进行测试。二次仪表：专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此

8、外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。振动分析及显示、记录环节：从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器、记录设备等。5.2 5.2 振动测试方法及系统组成振动测试方法及系统组成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室175.3 5.3 振动测试原理振动测试原理 振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量作为振动传感器的输入量Mi，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量Mt，最后由机电变换部分再将Mt变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决

9、定的。动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室18相对式：传感器测出的是被测振动相对某一取作为参考用的相对静止坐标的运动，又可分为直接式和跟随式。绝对式（惯性式）：这种传感器不需要依赖外界，而是利用本身惯性在惯性空间建立坐标，测定的是被测振动相对大地或惯性空间的绝对运动，因此称为惯性式或绝对式。5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室19 在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物

10、体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的大小及频率等参数。 5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室20 将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块m 将与外壳发生相对运动。惯性式测振传感器是由与传感器壳体之间用弹簧和阻尼器联系着的惯性质量块组成的单自由度振荡系统。 5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室21022xykdtxydCdtydm 壳体相对于惯性块的振动与被测振动之间的关系可由振动理论推出： y

11、表示质量块的绝对位移，x表示被测物体的绝对位移，z表示质量块相对于被测物体的位移。则有 z = y-x 2222dtxdmkzdtdzCdtzdm5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室22若被测物体的振动为谐振动，则有sinmxxt根据二阶系统响应特性得到传感器输出位移量应为tAxzmsin5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术2222214nnnA机械结构力学及控制国家重点实验室23因此有)sin()2()(1 ()(2222txznnnm2)(12arctannn5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理

12、动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室24由上式可以得到传感器的输出z与被测振动x以及传感器参数之间的关系。z与x的波形完全一致，而灵敏度和相位差是传感器参数与被测振动频率之比的函数，上两式统称为传感器的频率特性。由传感器的输出z和可以求出振动的位移x和频率 。 5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理动态测试技术：振动测试技术)sin()2()(1 ()(2222txznnnm机械结构力学及控制国家重点实验室25 根据振幅（位移）计的工作状态，要求传感器输出能正确反映被测振动的位移量。 幅频特性幅频特性相频特性相频特性nxz动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测

13、试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室26 当无量纲频率比/ n显著大于1 时，振幅比就几乎与频率无关，而趋近于1。 当无量纲频率比/ n显著大于1 时，无量纲衰减系数显著小于1 时，相位差也几乎与频率无关，而趋于180， 因此，作为一个位移传感器它应该满足的条件 1, 1nxtxtxzmnnnmsin)sin()2()(1 ()(2222动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室271）一般取/n (35),即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。2）若选择适当阻尼，可以抑制/n=1处的共振峰， 使幅频特性平坦部

14、分扩展，从而扩大下限频率。增大阻尼，能迅速衰减固有振动， 对测量冲击和瞬态过程较为重要，但是不适当的选择阻尼会使相频特性恶化，引起波形失真。当=0.60.7时，相频曲线/n=1附近接近直线，称为最佳阻尼。3）振幅计的上限频率理论上是无限的， 但是实际应用中则要受到具体一起结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受到弹性元件的强度和惯性快尺寸、质量的限制，使n不能过小。动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室28 进行加速度测试要求传感器的输出z能正确反映加速度a= n 2x ,则灵敏度为222222411nnnmnmaxzazS

15、2)(12nnaarctg动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室29 传感器相对振动的位移表达式和被测物体的加速度函数表达式非常相似。传感器的相对振幅是被测加速度幅值的1/ 2n倍，在相位上相对振动位移的时间历程落后于被测加速度的时间历程的相位差为，即只差180相角。 1, 1n时，加速度计的幅频特性曲线加速度计的幅频特性曲线动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室30atxtxznmnnnnm22222221sin1)sin()2()(1 ()(1, 1n可实现加速度测试，灵

16、敏度为 21n 加速度计要求传感器惯性系统的固有频率远远高于被测振动的频率，一般应大于5倍。 为使n远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸，质量可以做的很小动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室31传感器输出正确反映速度，即 xv速度计的幅频特性曲线速度计的幅频特性曲线 动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室32vtxtxznmnnnnm21sin21)sin()2()(1)(22221, 1n实现速度测试；灵敏度为 n21动态测试技术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原

17、理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室33（1）当用测振仪测量被测对象的振动时，位移计总是被用来测量低频大振幅的振动，其固有频率必须设计得很低，加速度计适合测量高频振动，其固有频率则要设计得很高。因此，通常位移计的尺寸和重量较大，而加速度计的尺寸和重量很小。（2）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，对位移计和加速度计而言，当取值在0.60.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线。对于速度计而言，则是阻尼比越大，可测量的频率范围越宽，因此，在选用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。动态测试技

18、术：振动测试技术5.3 5.3 振动测试原理振动测试原理机械结构力学及控制国家重点实验室345.4 5.4 振动参量的测试振动参量的测试 振动参量的测量就是测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位等参量。位移：更多采用非接触方法测量。速度：常采用惯性式、跟随式测试方法。频率: 采用直接法和比较法测量且振动的频率是单一频率 。相位：测定同频两个振动之间的相位差。 动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室35位移传感器（测振）：涡流传感器，电容传感器5.4 5.4 振动参量的测试振动参量的测试动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室36速度传感器（测振

19、）磁电式速度传感器磁电式速度传感器测量频率范围：几赫兹到千赫兹之间。测量的是测量的是绝对振动绝对振动速度速度。5.4 5.4 振动参量的测试振动参量的测试动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室37123345678相对式电动速度传感器相对式电动速度传感器1、顶杆、顶杆2、限幅块、限幅块3、拱形簧片、拱形簧片4、连接杆、连接杆5、磁钢、磁钢6、线圈、线圈7、引出线、引出线8、外壳、外壳 相对式电动传感器适用于测量两个相对运动物体的振动量。测量频率范围：01000HZ5.4 5.4 振动参量的测试振动参量的测试动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室38加速度

20、传感器（测振）1、上盖、上盖2、弹簧、弹簧3、质量、质量块块4、基座、基座5、插座、插座6、压电晶体、压电晶体片片7、导电、导电片片8、螺栓、螺栓中心压缩式中心压缩式剪切式剪切式5.4 5.4 振动参量的测试振动参量的测试动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室39加速度传感器基本结构加速度传感器基本结构 加速度传感器通常是质量弹簧阻尼二阶惯性系统。由质量块m、弹簧k和阻尼器c所组成的惯性型二阶测量系统。 质量弹簧阻尼系统可以把加速度转换成与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力

21、学及控制国家重点实验室40 压阻式加速度传感器 压电式加速度传感器 应变式加速度传感器5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室41 压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使四个电阻阻值发生变化。 扩散电阻质量块硅梁基座 h b l330421mlEbhf 正确地选择这种加速度传感正确地选择这种加速度传感器的尺寸与阻尼系数，则可用来器的尺寸与阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。测量低频加速度与直线加速度。 固有频率固

22、有频率5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室42 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应 。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。 F=maq=dF=dma 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小 。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室43123465应变式加速度传感器应变式加速度传感器 测量加速度时，将传感器壳体和被测对象刚性连接。当有加速度

23、作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度a的大小，惯性力作用在梁的端部使梁产生变形。 应变片加速度传感器不适用应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合于频率较高的振动和冲击场合 一般适用频率为一般适用频率为1060 Hz范围。范围。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室44压电式加速度传感器前置放大器的作用 将压电加速度传感器的高输出阻抗转换为低输出阻抗，以便同后续仪器相匹配。 放大加速度传感器输出的微弱信号，使电荷信号转换成电压信号。 实现输出电压归一

24、化，在相同的加速度值时，与不同灵敏度的加速度传感器相配合，实现相同的输出电压。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室45前置放大器的类型 电压放大器：输出电压正比于输入电压。作用是放大加速度传感器的微弱输出信号，把传感器的高输出阻抗转换为低输出阻抗。 电荷放大器：输出电压正比于加速度传感器的输出电荷。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室46电压放大器等效电容为：等效电容为：C=Ca+Cc+Ci 等效电阻为：等效电阻为：fafRRRRa

25、R2)(1RCRFdumxm输出电压：输出电压：5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术机械结构力学及控制国家重点实验室47 电缆电容对电压放大线路的影响也是一个主要因素。电缆电容Cc是随导线长度和种类而变化的，所以，随着电缆种类和长度的改变，将引起输入电压的改变，从而使电压灵敏度、频率下限也发生变化。 当测量静态参数时（=0），则um = 0，即压电式加速度传感器没有输出，所以它不能测量静态参数。 当测量频率足够大时（1/R ），则um= dxFmR ， 即电压放大器的输入电压是频率的函数，随着频率的下降而下降。5.5 5.5 加速度测试及其系统构成加速度测试及其系统构成动态测试技术：振动测试技术