第7章振动测试

1、第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 机械振动机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往是物体在一定位置附近所作的周期性往 复的运动复的运动。 机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往 复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动 系统。系统。 构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和 阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质， 恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，恢复性就是能使系统位

2、置恢复到平衡状态的性质， 阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本 要素通常分别由物理参数质量要素通常分别由物理参数质量M、刚度、刚度K和阻尼和阻尼C 表征。表征。 第一节第一节 概述概述 一、振动的概念一、振动的概念 第第7章振动测试章振动测试 二、测量振动的目的：二、测量振动的目的： w 1）测定振级）测定振级 w 2）寻找振源）寻找振源 w 3）提取设备故障信息）提取设备故障信息 w 4）研究结构的动态特性）研究结构的动态特性 w 5）研究隔振理论、方法和材料）研究隔振理论、方法和材料 w 6）环境条件的模拟）环境条件的模拟 第第7章振动测

3、试章振动测试 三、振动的分类 （1）从产生振动的原因来分）从产生振动的原因来分： 系统仅受到初始条件系统仅受到初始条件(初始位移、初始位移、 初始速度初始速度)的激励而引起的振动称为自由的激励而引起的振动称为自由 振动，系统在持续的外作用力激励下的振动，系统在持续的外作用力激励下的 振动称为强迫振动。振动称为强迫振动。 自由振动问题虽然比强迫振动问题 单纯但自由振动反映了系统内部结构的 所有信息，是研究强迫振动的基础。 第第7章振动测试章振动测试 （2）从振动的规律来分： w简谐振动 w复合周期振动 w瞬态振动 w随机振动 （3）从自由度个数来分： w单自由度振动 w多自由度振动 第第7章振动

4、测试章振动测试 单自由度无阻尼自由振动系统单自由度无阻尼自由振动系统 x o k 运动学特征运动学特征 动力学特征动力学特征 合合 F 由由 kxmaF 合合 微分方程特征微分方程特征 0 x dt xd2 2 2 kx 以弹簧振子为例得出普遍结论：以弹簧振子为例得出普遍结论： xx m k a 2 m k 系统只在弹性力作用系统只在弹性力作用 下的振动微分方程下的振动微分方程 第第7章振动测试章振动测试 加速度加速度 22 cos()cos() dv aAtAt dt 速速 度度sin()cos() 2 dx vAtAt dt 2468101214 -1 -0.5 0.5 1 v t x a

5、 解解 可得可得 0 x dt xd2 2 2 )tcos(Ax 位位 移移振动方程振动方程 结论：结论： (1)单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函 数或统称为谐波函数表示的，故称为简谐振动，数或统称为谐波函数表示的，故称为简谐振动， (2)自由振动的角频率即系统的自然频率仅由系统本身自由振动的角频率即系统的自然频率仅由系统本身 的参数所确定，而与外界激励、初始条件等均无关的参数所确定，而与外界激励、初始条件等均无关 (3)无阻尼自由振动的周期为无阻尼自由振动的周期为 (4)自由振动的振幅自由振动的振幅A和初相角由初始条件所确定。和初相角由

6、初始条件所确定。 (5)单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。 1 2 n m T fk 第第7章振动测试章振动测试 单自由度有阻尼系统的自由振动单自由度有阻尼系统的自由振动 2 ( )( )( )0 ( )2( )( )0 , 22 nn n n mx tcx tkx t x tx tx t kcc mmmk 式中： 通解为： 2 1,2 ( ) (1) st n x tXe s 第第7章振动测试章振动测试 第二节第二节 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 1. 由作用在质量块上的力所引起的受迫振动由作用在质量块上的力所引起的受迫振动 输入

7、输入 输出输出 f(t) f(t) y c k m ky dt dy c 2 2 dt yd m 第第7章振动测试章振动测试 0 2 22 0 2 00 0 2 222 2 2 222 ( )sin() 2sin() 1()4() ) 1() 1 1()4() nnn nn n nn f tFt d ydy yYt dtdt YF Y M 00 n y(t)=Ysin(t- ) 外加干扰力： 为质量块上作用有静力时的静位移 Y =F /k 式中： 振幅 Y= 2 ( 相位差： =arctan 振幅放大因子： 第第7章振动测试章振动测试 0 2 22 0 2 00 0 2 222 2 2 222

8、 ( )sin() 2sin() 1()4() ) 1() 1 1()4() nnn nn n nn f tFt d ydy yYt dtdt YF Y M 00 n y(t)=Ysin(t- ) 外加干扰力： 为质量块上作用有静力时的静位移 Y =F /k 式中： 振幅 Y= 2 ( 相位差： =arctan 振幅放大因子： 特性分析：特性分析：n时，输出位移接近零，质量块近乎静止。时，输出位移接近零，质量块近乎静止。 第第7章振动测试章振动测试 2. 由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动 在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动所在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基

9、础的运动所 引起的。这种情况称位移激励。设基础的绝对位移为引起的。这种情况称位移激励。设基础的绝对位移为x(t)， 质量块质量块m的绝对位移为的绝对位移为y(t)，如图所示。考察质量块，如图所示。考察质量块M对对 基础的相对运动，即基础的相对运动，即M的相对位移的相对位移(y-x)。其运动方程为：。其运动方程为： 1 z 输入输入 输出输出(y-x) 0 z 第第7章振动测试章振动测试 0 2 2 )()(xykxy dt d c dt yd m 基础的绝对位移基础的绝对位移x(t)为输入信号，质量块为输入信号，质量块m对基础的相对基础的相 对位移对位移y(t)-x(t)为输出信号。为输出信号

10、。 )/()/( )/( )( nn n j H 21 2 2 2 1 2 )/( / )( n n arctg 2 2 2 2 21)/()/( )/( )( nn n A 第第7章振动测试章振动测试 1 01 )( z z X XY A 特性分析：特性分析： 当当n时，时，A() 接近接近1，即，即 与与 几乎相等，质量块几乎相等，质量块 处于静止状态。处于静止状态。 01 z 1 z 01 z 第第7章振动测试章振动测试 第三节第三节 测振传感器测振传感器 w 按振动信号的转换形式分为电测法、机械法、按振动信号的转换形式分为电测法、机械法、 光学法；光学法； w 按被测件是否与拾振器接触

11、分为接触式和非按被测件是否与拾振器接触分为接触式和非 接触式；接触式； 接触式接触式 非接触式非接触式 w 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。 涡流式涡流式 电容式电容式 磁电式磁电式 压电式压电式 绝对式：传感器壳体固定绝对式：传感器壳体固定 在被测件上，壳体的振动在被测件上，壳体的振动 即被测物的振动即被测物的振动Z1，也是，也是 传感器的输入。通过传感传感器的输入。通过传感 器内质量块与壳体间的相器内质量块与壳体间的相 对运动对运动Z01来描述来描述Z0（即（即 输出）。输出）。 相对式：壳体和测量头与相对式：壳体和测量头与 不同被测件接触，输出

12、描不同被测件接触，输出描 述的是两试件间的相对运述的是两试件间的相对运 动。动。 第第7章振动测试章振动测试 1、 电涡流位移传感器电涡流位移传感器 第第7章振动测试章振动测试 位移传感器的响应条件 位移传感位移传感 器的输出器的输出 位移位移zm反反 映被测振映被测振 动的位移动的位移 量量xm 第第7章振动测试章振动测试 w 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。 w 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。 w 因此位移传感器的频率范围是有限的。 优点：线性范围大、

13、灵敏度高、频率范围宽、 抗干扰能力强、不受油污影响。 第第7章振动测试章振动测试 2、 磁电式速度传感器磁电式速度传感器 n时，质量块（线圈）在绝对空间静止，线圈与壳时，质量块（线圈）在绝对空间静止，线圈与壳 体间的相对运动切割磁力线。体间的相对运动切割磁力线。 第第7章振动测试章振动测试 绝对式速度计工作原理：绝对式速度计工作原理： 工作频率为：工作频率为： n 与与 成正比成正比 的电压的电压 被测物体被测物体(壳体）壳体） 的绝对运动的绝对运动 线圈（质量块）与线圈（质量块）与 壳体的相对运动壳体的相对运动 01 z 1 z 01 z 第第7章振动测试章振动测试 Blve 第第7章振动测

14、试章振动测试 3、 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 内部通常有以高密度合金 制成的惯性质量块，当壳 体连同基座和被测对象一 起运动时，惯性质量块相 对于壳体或基座产生一定 的位移，由此位移产生的 弹性力加于压电元件上， 在压电元件的两个端面上 就产生了极性相反的电荷。 压电式传感器通常不用 阻尼元件，且其元件的内 部阻尼也很小(0.02)， 系统可视为无阻尼系统可视为无阻尼 第第7章振动测试章振动测试 被测物体加速度被测物体加速度 质量块与壳体质量块与壳体 的相对位移的相对位移01 z 与相对位移与相对位移 成正比的成正比的F 01 z 与与F成正比的成正比的Q 1 z 工作原理：工作原

15、理： 压电式加速度传感器的主要结构形式压电式加速度传感器的主要结构形式 第第7章振动测试章振动测试 工作频率为工作频率为 n 第第7章振动测试章振动测试 1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它 具有零频率持性, 即理论上它的下限测 量频率为零，实际上是下限测量频率 极低。 此外，为使n远大于被测振动频率， 加速度传感器的尺寸、质量可作得很 小(小于1g)，从而对被测对象的附加 影响也小。 3、 t n t m aa mm m ff mm 第第7章振动测试章振动测试 压电传感器的主要特性参数压电传感器的主要特性参数 u灵敏度：电压灵敏度Sv和电荷灵敏度Sq u频率响应范围 第第7章振动测试章振动

16、测试 第第7章振动测试章振动测试 测振传感器的合理选择：测振传感器的合理选择： 1、综合考虑传感器的频率范围、综合考虑传感器的频率范围、 量程、灵敏度指标量程、灵敏度指标 2、选好直接测量参数、选好直接测量参数 3、考虑具体的使用环境、考虑具体的使用环境 第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 第四节第四节 振动分析方法与系统振动分析方法与系统 振动量的测量： 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位移，振动速度振动速度和振动加速度振动加速度 的大小。这三者之间存在着确定的微分或 积分关系。 基本振动参量： 峰值峰值表示振动的程度，

17、可反映对结构强度表示振动的程度，可反映对结构强度 的破坏程度。的破坏程度。 有效值有效值记录振动随时间变化的经历过程，记录振动随时间变化的经历过程， 具有振动能量的含义。具有振动能量的含义。 平均值平均值反映波形变化过程。反映波形变化过程。 第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 根据测试的对象和任务，可将振动测试系根据测试的对象和任务，可将振动测试系 统分为两类：统分为两类： 仅测量系统的输出仅测量系统的输出 测量系统在自由振动和自然激励作用下的测量系统在自由振动和自然激励作用下的 振动输出，找出振动原因。振动输出，找出振动原因。 系统组成：系统组成：P204图图723、72

18、4。 2. 同时测量输入和输出同时测量输入和输出 系统在人为激励作用下发生强迫振动，同系统在人为激励作用下发生强迫振动，同 时测量输入和输出，求系统的动态参数。时测量输入和输出，求系统的动态参数。 系统组成：系统组成：P204图图725。 第第7章振动测试章振动测试 振动分析振动分析 第第7章振动测试章振动测试 振动传感器校准振动传感器校准 w 为保证振动测试与试验结果的可靠性和精 度，在使用传感器前要经过现场校准，方 法有： w 绝对法将被校准的拾振器固定在校准 台上，用激光干涉测振仪测出振动台的振 幅，再与拾振器测到的振动信号比较。 w 相对法将被校准的拾振器与经过严格 校准过的传感器并排

19、安装在振动台承受相 同的振动，再将两个传感器的输出比较。 第第7章振动测试章振动测试 第五节第五节 振动的激励和激振器振动的激励和激振器 w 根据第一章的讨论，如果知道了系统的 输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系 统的数学模型，也即动态特性。振动系 统测试就是求取系统动态特性的一种试 验方法。 w 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： 第第7章振动测试章振动测试 1)激励部分激励部分 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 振装置组成。 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 将信号转换成一定

20、的形式(通常为电信号)。它 主要由传感器、可调放大器组成。 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 处理或直接进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。 第第7章振动测试章振动测试 一、稳态正弦激励方法 这是一种测量频率响应的经典方法，它提 供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅 值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应 大小，便可求出系统在该频率点处的频率响 应的大小。连续测量N个频率点的稳态响应， 即可得到某一频段的频率响应函数曲线。 激励系统激励系统一般由正弦信号发生器、功率放 大器和电磁激振器组成，测量系统测量系统由跟踪滤 波器、

21、峰值电压表和相位计组成。 第第7章振动测试章振动测试 二、瞬态激励方法 w 瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号 是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励， 即一次同时给系统提供频带内各个频率成份 的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。 因此，它是一种快速测试方法。同时由于测 试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使 用。 w 目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、 脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，下面分别 讨论和介绍。 第第7章振动测试章振动测试 (一)快速正弦扫描 这种测试方法是使正弦激励信号在所需 的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完 成)，激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内成线

22、内成线 性增加，而幅值保持恒定性增加，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。 min maxmin ( )sin2 ()f tFtft ff T 第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 (二)脉冲锤击激励 脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进 行敲击，给系统施加一个脉冲力脉冲力，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。 第第7章振动测试章振动测试 (三) 阶跃激励 1、 阶跃激励定义 2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲由于阶跃函数的导数是脉冲 函数，阶跃函数引起的响应

23、的导数是脉函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉 冲响应函数，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。 第第7章振动测试章振动测试 三、随机激励方法 (一)纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白理想的纯随机信号是具有高斯分布的白 噪声，噪声，它在整个时间历程上是随机的， 不具有周期性，在频率域上它是一条几 乎平坦的直线。 ( )( )( ) xyx SfH f Sf 第第7章振动测试章振动测试 (二)伪随机激励 v 伪随机信号是一种有周期性的随机信号， 它在一个周期内

24、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。 v 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。 第第7章振动测试章振动测试 第第7章振动测试章振动测试 激振器激振器 (一）电动式激振器 驱动线圈位于磁极与铁芯 的气隙中，并与顶杆固装 在一起，由支承弹簧支承 在壳体中。当线圈通以交 变电流后，在磁场中受到 电动力，通过顶杆作用在 试件上。在使用时，往往 在顶杆与激振对象之间加 一个力传感器，以精确地 测出激振力F(t) 第第7章振动测试章振动测试 （二）电磁式激振器 电磁激振器是非接触式的，可以用于对旋转着的对象 进行激振，其频率上限

25、约为500800Hz。 第第7章振动测试章振动测试 激振器是由通入线圈中的交变电流产生 交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁 场作用下产生振动 由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只 会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦 激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然 后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，如图 所示，即: 为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与 交流两部分组成，即: 0 ( )sinI tIAt 第第7章振动测试章振动测试 （三） 脉冲锤 脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它 由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通 常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量 被测

26、系统所受锤击力的大小。 一般来说，锤击力的大小是由锤击质量和锤 击被测系统时的运动速度决定的。 激励的频率范围主要由接触表面刚度决定， 锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限额 率fe越高。为了能调整激励频率范围，通常使用 一套不同材料的锤头。 第第7章振动测试章振动测试 当用脉冲锤进行冲击激励时，它相当于对被测系统施 加了一个半正弦波的力脉冲，如图 (a)所示。该类脉 冲的频谱如图(b)所示，在小于上限频率fe的频段内， 脉冲的频谱基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般 来说，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限 额率额率fe越高越高。 第第7章振动测试章振动测试 第六节第六节 抑制振动抑制振动 激发振动的力源或运动源