第7章-振动的测试

第七章机械振动的测试概述单自由度系统的受迫振动振动的激励激振器振动测量方法和常用传感器振动量的测量机械系统振动参数的估计7.1振动的测试概述机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象振动的危害机械振动的利用振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用

振动的危害

在大多数的情况下，机械振动是有害的。振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传来的振动机械振动的利用

主要体现在振动机械上，通过合理设计，达到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。振动的测试概述(2)振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1)检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2)测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；(3)分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；(4)对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。

振动研究就是对“机械系统”、“激励”和“响应”三者已知其中两个，再求另一个的问题。振动研究可分为以下三类：(1)振动分析，即已知激励条件和系统的振动特性，欲求系统的响应；(2)系统识别，即已知系统的激励条件和系统的响应，要确定系统的特性，这是系统动态响应特性测试问题；(3)环境预测，即已知系统的振动特性和系统的响应，欲确定系统的激励状态，这是寻求振源的问题。振动的测试概述(3)振动测试大致可分为两类

1.测量设备运行时的振动参量。其目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和预估;

2.对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；此类振动测试的目的是研究设备或结构的力学动态特性。按照振动产生的原因

自由振动受迫振动自激振动振动频率和固有频率之间的关系为

其中，ωn为系统的固有频率，ζ为阻尼率系统的振动频率为激振频率振动频率接近于系统的固有频率。振动的分类按系统的输出（振动规律）分简谐振动周期振动瞬态振动随机振动按系统自由度分单自由度系统振动多自由度系统振动连续弹性体振动按系统结构参数的特性分线性振动非线性振动振动的测试概述单自由度系统的受迫振动振动的激励激振器振动测量方法和常用传感器振动量的测量机械系统振动参数的估计一、单自由度系统质量块受力引起的的受迫振动运动方程频率响应、幅频特性、相频特性7.2单自由度系统的受迫振动在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率

随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；当无阻尼时，位移共振频率ωr即为固有频率ωn当系统的阻尼ζ很小时，位移共振频率ωr接近系统的固有频率ωn，可用作为的估计值。幅频曲线

不管系统的阻尼率为多少，在ω/ωn=1时位移始终落后于激振力90º，此现象称为相位共振。相频曲线利用相频特性来确定固有频率比较准确幅频曲线

小结：⑴在激振频率远小于固有频率时,输出位移随激振频率的变化非常小；⑵当激振频率远大于固有频率时，输出位移为零,质量块近于静止；⑶当激振频率接近固有频率时,系统的响应特性取决于系统阻尼,并随频率的变化而剧烈的变化。二、单自由度系统由基础运动引起的受迫振动质量块绝对运动方程质量块相对运动方程频率响应幅频特性相频特性小结当激振频率远小于系统固有频率时质量块相对基础的振动为0，也就是质量块几乎随着基础一起振动；当激振频率远远高于固有频率时，A(ω)接近1，说明质量块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近似相等。从而表明质量块在惯性坐标系中几乎处于静止状态。

这种现象被广泛用于测振仪器中

根据第二节的讨论，如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可以求出系统的动态特性。振动系统测试就是求取系统动态特性的一种试验方法。为了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：

为了完成上述测试任务，测试系统包括下述三个主要部分：激励部分

实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。拾振部分

检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。

分析记录部分

将拾振部分传来的信号记录下来供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。激振方式的分类稳态正弦激振随机激振瞬态激振稳态正弦激振是最普遍的激振方法，主要优点：激振功率大、信噪比高能保证测试的精确度；缺点：测试周期长。随机激振是宽带激振方法，一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。优点：可以实现快速甚至“实时”测试；缺点：所需设备复杂而且价格昂贵。瞬态激振也是宽带激振方法.按照激振方式的不同又可以分为:快速正弦激振脉冲激振阶跃激振7.3振动的激励和激振器伪随机激励伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（数秒内完成），激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。脉冲锤结构与激振力频谱

用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。阶跃松驰激励

1、阶跃松弛激励定义:用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。

2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。

3、实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。激振器定义将所需的激振信号变为激振力施加到被测对象上的装置称为激振器。常用的激振器

电动式、电磁式、电液式。

满足条件：在一定的频率范围内提供波形良好、幅值足够的稳定交变力某些情况下需要施加稳定力，使结构受到一定的预加载荷电动式激振器工作原理：带电的导体在磁场中受到电动力的作用而产生运动，带动被测对象作受迫振动。

电动式激振器按其磁场的形成又分为永磁式（小型激振器）和励磁式（大型激振器）。注意由顶杆施加到试件上的激振力不等于线圈受到的电动力,而是等于电动力和激振器运动部件的弹簧力、阻尼力和惯性力的矢量差。一般最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件，以便精确测出激振力的大小和相位。1)刚性固定式安装方式电动式激振器用于低频激振时，要将激振器刚性地固定在不动的支架或地面上，称其为刚性固定式安装方式。这种安装方式要求激振器、支架、夹具等组成的振动系统的共振频率(称安装共振频率)高于激振器的工作频率的3～4倍。采用这种安装方式时，电动式激振器传递给被测对象的激振力等于驱动线圈产生的电动力。2)弹性悬吊式安装方式在进行较低频率的激振时，电动式激振器采用弹性悬吊式安装方式。弹性悬吊式安装方式是用弹簧或橡胶绳将激振器吊在支架上。由弹簧或橡胶绳和激振器组成的系统固有频率要远低于激振器的工作频率。激振器工作时，相对于周围空间几乎处于静止状态，此时，施加于被测对象的激振力近似地等于驱动线圈产生的电动力。3)弹性固定式安装方式在被测对象的质量远大于激振器的质量，激振器的工作频率远高于安装共振频率的情况下，可以将电动式激振器弹性地安装在被测对象上，称其为弹性固定式安装方式。

激振器都是通过激振连杆和被测对象刚性地连接在一起，或者通过预压力和被测对象连接起来。这样，被测对象就等于在激振点附近加了一定的质量、刚度和阻尼，就会对被测对象的动态参数产生一定的影响。通常激振器的选择原则是易小不易大。以激起被测对象振动为前提，尽量选用功率小的激振器。2、电磁式激振器当直流激励线圈电流为I0，交流激励线圈电流为I1，铁芯内产生的磁感应强度为B=B0+B1cosωt

式中，B0为I0产生的不变的磁感应强度；B1为I1产生的交变磁感应强度的峰值.铁芯对被测对象产生的电磁吸力为式中，A为铁芯的截面积，μ0为真空的导磁率

优点：体积、重量较小，与被测对象不接触，因此可以对旋转着的被测对象进行激振。它没有附加质量和刚度的影响，其频率上限约为500～800Hz。

缺点：由于激振力产生在磁隙上，因此位移振幅太大时会影响激振力的线性，且激振力的精确测定较为困难。3．电液式激振器

在激振大型结构时，为了得到较大的响应，有时需要很大的激振力，这时可采用电液式激振器。信号发生器的信号经放大后，经由电动激振器、操纵阀和功率阀所组成的电液伺服阀，控制油路使活塞往复运动，并以顶杆去激振被测对象。活塞端部输入一定油压的油，形成预压力p2，对被测对象施加预载。用力传感器测量交变压力p1(推动顶杆的力)和预压力p2。电液式激振器激振力大，行程大，单位力的体积小。但由于油液的可压缩性和高速流动的摩擦，使激振器的高频特性较差，只适用于较低频率范围(一般为0～100Hz，最高可达800Hz)，其频域特性比电动式激振器差。此类激振器结构复杂，制造精度要求高，需要一套液压系统，成本较高。名称工作原理适用范围及优缺点永磁式电动激振器装置于永磁体磁场中的驱动线圈与支承部件固联，线圈通电产生电动力驱动固联于支承部件的试件产生周期性正弦波振动频率范围宽，振动波形好，操作调节方便励磁式电动振动台利用直流励磁线圈来形成磁场，将置于磁场气隙中的线圈与振动台体相连，线圈通电产生电动力使振动台体作机械振动频率范围宽、激振力大、振动波形好，设备结构较复杂电磁式激振器交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性的交变吸力，作为激振力用于非接触激振，频率范围宽、设备简单，振动波形差，激振力难控制电液式激振器用小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制油缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动激振力大，频率较低，台面负载大，易于自控和多台激振，设备复杂部分常用的激振设备振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：名称原理优缺点电测法将被测件的振动量转化成电量,而后用电量测试仪测量灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性范围宽。便于分析和遥测。易受电磁干扰。目前应用最广。机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围、动态范围、和线形范围窄。测试时会给试件产生一定的负载效应，影响测试结果。主要用于低频大振幅振动及扭振的测量。光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测量不受电磁干扰，测量精度高，适用于对质量和体积小、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、测振仪的校准、定度中用的较多。7.4振动的测量方法及测振传感器

按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为：接触式和非接触式按所测的振动性质可将拾振器分为：绝对式和相对式拾振器绝对式拾振器的输出描述被测物体的绝对振动相对式拾振器的输出描述被测物体之间的的相对振动使用时壳体固定在被测物体上内部利用弹簧—质量系统感受振动。也被称为惯性拾振器使用时其壳体和测杆分别和不同的测件联系惯性式测振传感器的力学模型和特性分析（一）力学模型和运动方程式（二）惯性式位移传感器的响应条件惯性式位移传感器的输出位移z01m反映被测振动的位移量z1m。位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。因此位移传感器的频率范围是有限的。

（三）惯性式加速度传感器的响应条件惯性式加速度传感器的质量块相对位移Z01与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器幅频特性的表达式:1.

惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频率特性,理论下限测量频率为零，实际下限测量频率极低。为使n远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸、质量可做得很小(小于1g)，从而对被测对象的附加影响也小。常用传感器涡流位移传感器电容传感器磁电式速度计压电式加速度计阻抗头电涡流测振传感器电容传感器

非接触式电容传感器常用于位移测量中。接触式的电容传感器常用于振动测量。该类型信号的信号转换放大电路主要采用频率调制型（增大电路的灵敏度和可靠性）。工作频率范围0Hz—300Hz,实现超低频测量；连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分辨率达0.1mg。

1—弹簧

2—壳体

3—阻尼环

4—磁钢

5—线圈

6—芯轴要尽量降低ωn，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。属于的受迫振动磁电式绝对速度传感器磁电式速度传感器磁电式绝对速度传感器为惯性式速度传感器工作原理：当有一线圈在穿过其磁通发生变化时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比。

1—顶杆

2—弹簧片

3—磁钢

4—线圈

5—引出线

6—壳体磁电式相对速度传感器

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，使传感器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。磁电式速度传感器灵敏度：频率范围：下限：10-15Hz，上限：1000Hz非线性度：速度越大，失真越严重温度误差：温度变化引起B、L、R都会变化，使灵敏度下降。磁电式速度传感器性能指标：常用压电传感器1压电式加速度计中心压缩型

高的共振频率，基座变形影响输出，测试对象和环境温度变化易引起温度飘逸三角剪切型有高的共振频率和良好的线性，对底座变形和温度变化有良好的隔离作用环形剪切型

极小型的，高的共振频率，最高工作温度受限制使用时注意：共振频率与加速度计的固定状况有关压电加速度计的幅频特性加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率

压电传感器的主要特性灵敏度：质量越大，灵敏度越高；频率响应范围：传感器的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前可测的最低频率达0.1Hz。压电式加速度计常用的安装方法：安装状态直接影响可测的频率范围。一般用粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。

压电式加速度传感器压电加速度计的灵敏度和前置放大器灵敏度电荷灵敏度与电压灵敏度前置放大器电压放大器：受连接电缆对地电容的影响电荷放大器：不受电缆电容的影响测振传感器的合理选择直接测量参数的选择低频时加速度信噪比差高频时位移信噪比差综合考虑传感器的各个指标灵敏度、测量范围、频率范围考虑到具体的使用环境振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。究竟测量哪个振动量是振动测量中必须考虑的问题之一。加速度速度位移振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之间的关系与频率有关。7.5振动量的测量在低频振动场合，加速度的幅值不大,宜选择振动位移的测量；在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择振动加速度的测量；在中频振动场合，则宜选择振动速度的测量。电压测量系统（1）、压电式加速度传感器测量系统

压电式加速度传感器阻抗变换器积分放大器测振仪电荷放大器毫伏表记录仪表电荷测量系统（2）、电动式速度传感器测量系统

电动式速度传感器微积分放大器电压表测振仪（3）、涡流式位移传感器测量系统

涡流式位移传感器振荡器高频放大器鉴频器功率放大器

输出位移指示交流放大器