机械工程测试技术课件

1、青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量第八章第八章 振动的测量振动的测量 第一节第一节 概述概述 机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。物理现象。 振动测量的方法振动测量的方法按振动信号转换的方式按振动信号转换的方式可分为机械法、可分为机械法、光学法和电测法。光学法和电测法。 机械振动的利、弊两面性。如振动的动载荷使机器加快机械振动的利、弊两面性。如振动的动载荷使机器加快失效、甚至造成事故；由振动直接或间接地产生噪声，影响环失效、甚至造成事故；由振动直接或间接地产生噪声，影响环境和人的健康。

2、利用振动夯实、捣固、清洗等。境和人的健康。利用振动夯实、捣固、清洗等。 计算机技术极大地促进了振动理论研究和分析的发展。计算机技术极大地促进了振动理论研究和分析的发展。 1 1）机械法：机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录。利用杠杆原理将振动量放大后直接记录。优点：优点：结构简单，不需要电源和光源，且不受各种干扰等。结构简单，不需要电源和光源，且不受各种干扰等。缺点：缺点：体体积大、灵敏度低、使用频率范围窄等。已逐渐被电测法取代。积大、灵敏度低、使用频率范围窄等。已逐渐被电测法取代。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 2 2）光测法：光测法：将机械

3、振动转换为将机械振动转换为光信息光信息再进行测量。再进行测量。 如：如：读数显微镜测振、激光干涉测振等。其中，激光干涉测读数显微镜测振、激光干涉测振等。其中，激光干涉测振有极高的精度和灵敏度（可测微米级以下的微振动振有极高的精度和灵敏度（可测微米级以下的微振动) )。但光测。但光测法比较复杂，系统娇贵。法比较复杂，系统娇贵。光纤技术光纤技术的快速发展极大促进了光测的快速发展极大促进了光测法的进步。法的进步。 3 3）电测法：电测法：将机械振动转换为将机械振动转换为电量电量再进行测量。它是一种实再进行测量。它是一种实用的振动与冲击测量手段。用的振动与冲击测量手段。 较宽的使用频率范围、较高的灵敏

4、度和较大的动态范围，较宽的使用频率范围、较高的灵敏度和较大的动态范围，也可适应持续时间极短的冲击过程测量。也可适应持续时间极短的冲击过程测量。 机电转换用的传感器类型多。机电转换用的传感器类型多。 易于实现多点同时测量和远距离遥测。易于实现多点同时测量和远距离遥测。电测法的明显优点：电测法的明显优点：青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量2 2、根据、根据参数变换原理参数变换原理分类分类一、测振传感器分类及工作原理一、测振传感器分类及工作原理 第二节第二节 测振传感器测振传感器 测振用传感器又称测振用传感器又称拾振器拾振器，是感受物体振动并将其转换成电，是感

5、受物体振动并将其转换成电信号的一种传感元件。信号的一种传感元件。1 1、根据被测、根据被测振动参数振动参数分类分类位移位移传感器传感器速度速度传感器传感器加速度加速度传感器传感器三者之间保持简单的微积分关系，三者之间保持简单的微积分关系，许许多测振仪器中，带有简单的多测振仪器中，带有简单的微积分微积分电电路，路，可根据需进行三者间的切换。可根据需进行三者间的切换。磁电式磁电式压电式压电式电感式电感式电容式电容式电阻应变式电阻应变式光学式光学式青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量3 3、根据传感器与被测物体的关系分类、根据传感器与被测物体的关系分类对于接触式

6、，根据对于接触式，根据测量参考坐标测量参考坐标的不同，测振的不同，测振传感器又可分为传感器又可分为相对式相对式和和绝对式。绝对式。非接触式非接触式接触式接触式电容传感器、电涡流传感器常用于振动位移的电容传感器、电涡流传感器常用于振动位移的非接触测量非接触测量 相对式相对式测振传感器是选定测振传感器是选定相对不动点相对不动点为参考点，测量被测物为参考点，测量被测物体相对于该参考点的相对运动，即将传感器壳体固定在相对静体相对于该参考点的相对运动，即将传感器壳体固定在相对静止的物体上，作为参考点，传感器活动部分与被测物体连接或止的物体上，作为参考点，传感器活动部分与被测物体连接或通过弹簧压紧在被测物

7、体上。测振时，把两者之间的相对运动通过弹簧压紧在被测物体上。测振时，把两者之间的相对运动直接记录下或转换成电量输出。直接记录下或转换成电量输出。 绝对式绝对式测振传感器通常是由一个测振传感器通常是由一个质量块质量块、弹簧弹簧和和阻尼器阻尼器组成组成的的惯性系统惯性系统( (惯性测振传感器惯性测振传感器) )。测振时，整个传感器固定安装在。测振时，整个传感器固定安装在被测物体上，由于惯性力、弹簧力及阻尼力的综合作用，使质量被测物体上，由于惯性力、弹簧力及阻尼力的综合作用，使质量块对传感器壳体的相对运动来反映被测物体振动参数的变化。惯块对传感器壳体的相对运动来反映被测物体振动参数的变化。惯性式传感

8、器所测的是被测物体相对于地球惯性坐标系的绝对振动性式传感器所测的是被测物体相对于地球惯性坐标系的绝对振动青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量二二、惯性式测振传感器的力学原理、惯性式测振传感器的力学原理 例如，例如，测量发电机轴承座的绝对振动时，周围部件包括基础都测量发电机轴承座的绝对振动时，周围部件包括基础都参与了振动，因此只能用惯性式传感器测量；测量行驶中汽车的参与了振动，因此只能用惯性式传感器测量；测量行驶中汽车的振动、楼房的振动及地震等，都必须采用惯性式传感器来测量。振动、楼房的振动及地震等，都必须采用惯性式传感器来测量。1、惯性式测振传感器的力学模

9、型与特性、惯性式测振传感器的力学模型与特性当被测物体以当被测物体以y=y0cost振动振动质量元件振动质量元件振动, ,其受力：其受力：弹簧弹簧恢复力恢复力、阻尼力阻尼力、惯性力惯性力质量元件的运动方程为：质量元件的运动方程为：0kxxc) yxm( 0cosyyttymkxxcxmcos02 二阶二阶测试测试系统系统y(t)x(t)x(t)+y(t)xm相对传感器壳体的位移相对传感器壳体的位移 x+ym的绝对位移的绝对位移 c阻尼系数阻尼系数k弹簧的刚度系数弹簧的刚度系数y被测物体绝对位移被测物体绝对位移 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量可以求出其响

10、应的稳态输出为可以求出其响应的稳态输出为0cos()xxt 可见可见惯性传感器的质量元件相对于外壳的运动与被测物体运惯性传感器的质量元件相对于外壳的运动与被测物体运动规律一致动规律一致，其频率响应函数为，其频率响应函数为 22()()()12nnnX jH jY jj 2022220( )( )( )14nnnxAy 幅频特性为幅频特性为 相频特性为相频特性为 22( )arctan1nn 被测物体振动频率被测物体振动频率传感器惯性系统传感器惯性系统的固有频率的固有频率阻尼比阻尼比 对于不同的惯性传感器（测量位移、速度及加速度），将有对于不同的惯性传感器（测量位移、速度及加速度），将有不同的动

11、态特性与应用条件。不同的动态特性与应用条件。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量2、惯性式、惯性式位移位移传感器的响应条件传感器的响应条件 要使惯性式位移传感器的输出位移要使惯性式位移传感器的输出位移x能准能准确地反映被测物体振动的确地反映被测物体振动的位移量位移量y，其比值，其比值应为一常数，所以必须满足下列条件：应为一常数，所以必须满足下列条件： 1 1）幅值不失真的条件是幅值不失真的条件是 / / n n11，一般取，一般取 / / n n(3(35)5)。只有在。只有在固有频率远低于固有频率远低于被测物被测物体的下限频率，才有体的下限频率，才有A(

12、A( )1)1，此时，此时，- , ,输出信号相位滞后约为输出信号相位滞后约为 。 2 2）适当选择阻尼，抑制适当选择阻尼，抑制/n=1处的共振峰，处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，扩大传感器可测的使幅频特性平坦部分扩展，扩大传感器可测的下限频率。一般取下限频率。一般取=0.60.7。例如当取。例如当取=0.7时，若误差控制在时，若误差控制在2%，则下限频率可为，则下限频率可为2.13n。增大阻尼能迅速衰减自由振动，这对。增大阻尼能迅速衰减自由振动，这对测量冲击和瞬态振动较为重要，然而不适当地测量冲击和瞬态振动较为重要，然而不适当地选择阻尼也会使相频特性恶化，引起波形失真。选择阻尼也会使相频

13、特性恶化，引起波形失真。如在如在=0.60.7情况下，当情况下，当=1.7n时，其幅值时，其幅值虽能较好地反映被测振幅，但其相位差却较大，虽能较好地反映被测振幅，但其相位差却较大，达达128。 3 3）降低传感器惯性系统的固有频率，可扩降低传感器惯性系统的固有频率，可扩展传感器可测量振动的下限频率。展传感器可测量振动的下限频率。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 惯性式惯性式速度速度传感器传感器与与惯性式惯性式位移位移传感器传感器有有相同相同的幅频特性和的幅频特性和相频特性，故对惯性式位移传感器的分析也适用于惯性式速度相频特性，故对惯性式位移传感器的分析

14、也适用于惯性式速度传感器。传感器。3、惯性式、惯性式速度速度传感器的响应条件传感器的响应条件2022220( )( )14nnnxy 被测物体振动被测物体振动的速度幅值的速度幅值质量元件对其壳体质量元件对其壳体的相对速度幅值的相对速度幅值4、惯性式、惯性式加速度加速度传感器的响应条件传感器的响应条件02220222( )1( )14nnnxy 被测物体振动被测物体振动的加速度幅值的加速度幅值质量元件对其壳体质量元件对其壳体的相对位移幅值的相对位移幅值可用传感器质量元件的相对位移来反映被测振动加速度。可用传感器质量元件的相对位移来反映被测振动加速度。惯性式加速度传感器的幅频特性惯性式加速度传感器

15、的幅频特性青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量要使惯性式要使惯性式加速度加速度传感器的输出位移量能准确反映被测振动传感器的输出位移量能准确反映被测振动加速度，则必须满足下列加速度，则必须满足下列条件条件：加速度传感器幅频特性加速度传感器幅频特性（其相频特性参见前面的图）（其相频特性参见前面的图）1 1）幅值不失真的条件是幅值不失真的条件是 / / n n11，一般取，一般取 / / n n(1/3(1/31/5)1/5)。加速度传感器在加速度传感器在 n n的情况下，即传感器惯性系统的固有频的情况下，即传感器惯性系统的固有频率远高于被测物体振动的上限频率，

16、其幅频特性才近似等于常率远高于被测物体振动的上限频率，其幅频特性才近似等于常数。数。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 ）选择适当的阻尼）选择适当的阻尼，可改善，可改善 n n的共振峰处的幅频特性的共振峰处的幅频特性，以扩大传感器可测的上限频率。一般取，以扩大传感器可测的上限频率。一般取。如当取。如当取0.650.650.70.7时，若误差控制在时，若误差控制在5%5%，则测量上限频率为，则测量上限频率为0.580.58 n n ）提高传感器惯性系统的固有频率）提高传感器惯性系统的固有频率，扩大传感器可测量振，扩大传感器可测量振动的上限频率。一般惯性式加

17、速度传感器的固有频率很高，约动的上限频率。一般惯性式加速度传感器的固有频率很高，约在在20kHz20kHz以上，这可以用减小惯性元件质量、提高弹簧刚度的以上，这可以用减小惯性元件质量、提高弹簧刚度的方法来达到。随着传感器的固有频率的提高，可测的上限频率方法来达到。随着传感器的固有频率的提高，可测的上限频率也得到提高，但灵敏度会减小。也得到提高，但灵敏度会减小。惯性式惯性式加速度加速度传感器传感器的最大优点：的最大优点：具有具有零频率特性零频率特性，即在，即在理论上它的可测频率下限为零，但实际上某些传感器（如压电理论上它的可测频率下限为零，但实际上某些传感器（如压电式）受仪器和元件的限制，不能为

18、零。由于传感器惯性系统的式）受仪器和元件的限制，不能为零。由于传感器惯性系统的固有频率远大于被测振动频率，因此它可用于测量冲击、瞬态固有频率远大于被测振动频率，因此它可用于测量冲击、瞬态振动和随机振动等具有宽带频谱的振动，也可以用来测量地震振动和随机振动等具有宽带频谱的振动，也可以用来测量地震等超低频的振动。等超低频的振动。尺寸、尺寸、质量质量可以做得可以做得很小很小(小于小于1g)，对被，对被测对象的附加影响小，故它能适合各种测量场合，是广泛使用测对象的附加影响小，故它能适合各种测量场合，是广泛使用的测振传感器。的测振传感器。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振

19、动的测量三、磁电式速度传感器（三、磁电式速度传感器（亦称感应式传感器）亦称感应式传感器）1 1、磁电式速度传感器工作原理、磁电式速度传感器工作原理2 2、磁电式速度传感器的结构、磁电式速度传感器的结构磁钢磁钢( (永永久磁铁久磁铁) )铝架铝架壳体壳体芯杆芯杆线圈线圈弹簧弹簧输出端输出端阻尼环阻尼环 1) 1)磁钢通过铝架固定磁钢通过铝架固定在壳体内，利用外壳形成在壳体内，利用外壳形成一个磁回路。磁钢与外壳一个磁回路。磁钢与外壳之间形成两个环形气隙。之间形成两个环形气隙。 2) 2)装在芯杆上的线圈装在芯杆上的线圈和阻尼环共同组成惯性系和阻尼环共同组成惯性系统的质量元件。统的质量元件。 3)

20、3)弹簧片径向刚度很大，轴向刚度很小，使惯性系统既可以得到可靠的径弹簧片径向刚度很大，轴向刚度很小，使惯性系统既可以得到可靠的径向支承，又能保证有很低的轴向固有频率。向支承，又能保证有很低的轴向固有频率。 4) 4)钢制阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率；另一方面利用钢制阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率；另一方面利用闭合铜环在磁场中运动产生的磁阻尼力使振动系统具有合理的阻尼。闭合铜环在磁场中运动产生的磁阻尼力使振动系统具有合理的阻尼。 测振时，传感器固定在被测物体测振时，传感器固定在被测物体上，随同物体一起振动，驱动质量元上，随同物体一起振动，驱动质量元件相对于壳体运动，

21、处在磁场中的件相对于壳体运动，处在磁场中的线线圈圈以被测速度切割磁力线，使线圈以被测速度切割磁力线，使线圈产生于其产生于其振动速度振动速度成正比的感应电动成正比的感应电动势输出。势输出。 导体切割磁力线导体切割磁力线导体两端产生感应电动势导体两端产生感应电动势振动振动基于基于电磁电磁感应感应青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 关于磁导率：关于磁导率：物质中某点的物质中某点的磁感应强度磁感应强度B B与该点与该点磁场强度磁场强度H H之之比为磁导率比为磁导率 ，即，即 B/HB/H。它是描述物质磁性的一个物理量，其。它是描述物质磁性的一个物理量，其单位为：

22、亨利单位为：亨利/ /米（米（H/mH/m）。实际应用中也常使用相对磁导率）。实际应用中也常使用相对磁导率 r r，其定义为物质的磁导率其定义为物质的磁导率 与真空中磁导率与真空中磁导率 0 0之比，即之比，即 r r/0 0。其其值为值为 0410-7（H/ /m）。）。常用磁性材料的最大相对磁导率常用磁性材料的最大相对磁导率 自然界的所有物质可根据磁导率的大小，大体上可分为磁性材自然界的所有物质可根据磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料两大类。料和非磁性材料两大类。 1 1）非磁性材料的相对磁导率为常数且接近于）非磁性材料的相对磁导率为常数且接近于1 1 2 2）磁性材料的相对磁

23、导率则很大。）磁性材料的相对磁导率则很大。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 基于材料的基于材料的压电效应压电效应制作。传感器受到振动时，质量块加在制作。传感器受到振动时，质量块加在压电元件压电元件上的力随之变化。当被测振动频率远低于传感器的固上的力随之变化。当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，这个力的变化与被测振动的加速度成正比。由于压有频率时，这个力的变化与被测振动的加速度成正比。由于压电效应，在压电元件中便产生与被测加速度成正比的电效应，在压电元件中便产生与被测加速度成正比的电荷量电荷量。. .压电式加速度传感器的压电式加速度传感器的结构与特点

24、结构与特点四、压电式加速度传感器四、压电式加速度传感器PP压电元件压电元件 MM质量块质量块 SS压紧弹簧压紧弹簧 BB基座基座外缘固定型外缘固定型中间固定型中间固定型倒置中间固定型倒置中间固定型剪切型剪切型青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 1 1）外缘固定型）外缘固定型 其弹簧外缘固定其弹簧外缘固定在壳体上，此结构因底座与壳体构在壳体上，此结构因底座与壳体构成了弹簧质量系统的一部分，故易成了弹簧质量系统的一部分，故易受到外界温度与噪声的影响，以及受到外界温度与噪声的影响，以及安装紧固时底座变形引起的影响，安装紧固时底座变形引起的影响，这些都直接影响加

25、速度的输出。这些都直接影响加速度的输出。 2 2）中间固定型）中间固定型 压电元件、质量块压电元件、质量块和压紧弹簧固定在一个中心杆上，压和压紧弹簧固定在一个中心杆上，压电元件的预紧力由中心杆上部的碟形电元件的预紧力由中心杆上部的碟形弹簧调整，壳体仅起屏蔽作用，消除弹簧调整，壳体仅起屏蔽作用，消除了壳体变形带来的影响。了壳体变形带来的影响。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 3 3）倒置中间固定型）倒置中间固定型 这种结构的中这种结构的中心杆不直接与基座相连接，可避免基座心杆不直接与基座相连接，可避免基座变形带来的影响，但其壳体壁部分也容变形带来的影响

26、，但其壳体壁部分也容易产生弹簧变形，故其共振频率较低。易产生弹簧变形，故其共振频率较低。 4 4）剪切型）剪切型 它是将一个圆筒状压它是将一个圆筒状压电元件粘结在中心架上，并在压电元电元件粘结在中心架上，并在压电元件的外圆又粘结一个圆筒状质量块，件的外圆又粘结一个圆筒状质量块，当传感器受到沿轴向的振动时，压电当传感器受到沿轴向的振动时，压电元件受到剪切应力而产生电荷，这种元件受到剪切应力而产生电荷，这种结构有利于降低基座变形及外界温度结构有利于降低基座变形及外界温度变化与噪声的影响，有很高的共振频变化与噪声的影响，有很高的共振频率和灵敏度，且横向灵敏度小。率和灵敏度，且横向灵敏度小。 青岛大学

27、机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 （）灵敏度（）灵敏度压电式加速度传感器既可看成一个电荷源，压电式加速度传感器既可看成一个电荷源，又可以看成一个电压源，故其灵敏度可分别用又可以看成一个电压源，故其灵敏度可分别用电荷灵敏度电荷灵敏度和和电电压灵敏度压灵敏度来表示。来表示。qqSa. .压电式加速度传感器主要性能参数压电式加速度传感器主要性能参数 电荷灵敏度：电荷灵敏度：单位加速度所产生的单位加速度所产生的电荷量电荷量，即，即电荷灵敏度电荷灵敏度(pC/g)(pC/g)传感器输出电荷传感器输出电荷(pC)(pC)传感器所受加速度传感器所受加速度(g)(g)uUSa

28、 电压灵敏度：电压灵敏度：单位加速度所产生的单位加速度所产生的电压值电压值，即，即电压灵敏度电压灵敏度(mV/g)(mV/g)传感器输出电压传感器输出电压(mV)(mV)传感器所受加速度传感器所受加速度(g)(g) 对于某一给定压电材料的压电式加速度传感器，其灵敏度随质对于某一给定压电材料的压电式加速度传感器，其灵敏度随质量块增大而增大。一般说来，加速度传感器尺寸越大，灵敏度量块增大而增大。一般说来，加速度传感器尺寸越大，灵敏度越高，其固有频率越低。越高，其固有频率越低。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量（）频率响应范围（）频率响应范围 压电式加速度传感

29、器的使用压电式加速度传感器的使用频率上限频率上限取决于其取决于其固有频率固有频率。由。由于压电式加速度传感器的阻尼系数甚小（一般于压电式加速度传感器的阻尼系数甚小（一般0.10.1），上限），上限频率约为共振频率的频率约为共振频率的30%30%时，幅值误差可小于时，幅值误差可小于10%10%；上限频率约；上限频率约为共振频率的为共振频率的20%20%时，幅值误差可小于时，幅值误差可小于5%5%；所以，压电式加速度；所以，压电式加速度传感器的传感器的固有频率越高，则其可用的频率范围越宽固有频率越高，则其可用的频率范围越宽。 压电式加速度传感器可测量的压电式加速度传感器可测量的下限频率下限频率不取

30、决于传感器本身，不取决于传感器本身，而取决于所采用测量系统低频特性。由于压电元件产生的电荷而取决于所采用测量系统低频特性。由于压电元件产生的电荷量极其微弱，而测量系统不可避免地要产生电荷泄漏，从而造量极其微弱，而测量系统不可避免地要产生电荷泄漏，从而造成测量误差。关键是如何把电荷泄漏减小到测量准确度所要求成测量误差。关键是如何把电荷泄漏减小到测量准确度所要求的限度以内。压电式传感器的两类前置放大器：电压放大器和的限度以内。压电式传感器的两类前置放大器：电压放大器和电荷放大器。电荷放大器。电压放大器电压放大器实际就是一个高输入阻抗的比例放大实际就是一个高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，但输

31、出受连接电缆对地电容的影响，适器，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。用于一般振动测量。电荷放大器电荷放大器以电容作负反馈，基本上不受以电容作负反馈，基本上不受电缆电容的影响，输入阻抗更高，下限截止频率更低，一般可电缆电容的影响，输入阻抗更高，下限截止频率更低，一般可达达0.01Hz0.01Hz量级，最低的可达到准静态程度（量级，最低的可达到准静态程度（0.003Hz0.003Hz）。）。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量 下图是某压电式加速度传感器的幅频特性曲线，其可用的频率下图是某压电式加速度传感器的幅频特性曲线，其可

32、用的频率范围在特性曲线平直段。有时，不仅要求满足幅值测量精度，范围在特性曲线平直段。有时，不仅要求满足幅值测量精度，而且要求相移也在许可范围内。考虑相移后，使用频率范围要而且要求相移也在许可范围内。考虑相移后，使用频率范围要比只考虑幅值时比只考虑幅值时更窄些更窄些。 （）横向灵敏度（）横向灵敏度由于压电材料本身的不均匀性与不规则由于压电材料本身的不均匀性与不规则性，当压电式加速度传感器横向受振时，也会产生一定的输出，性，当压电式加速度传感器横向受振时，也会产生一定的输出，其大小用横向灵敏度表示。一般规定，横向灵敏度不得大于主其大小用横向灵敏度表示。一般规定，横向灵敏度不得大于主灵敏度的。灵敏度

33、的。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量3.3.压电式加速度传感器的安装压电式加速度传感器的安装上上限频率限频率受受共振频率共振频率限制，所以出厂时均给出频率响应曲线限制，所以出厂时均给出频率响应曲线 频率响应曲线与安装方法关系很大。若安装方法不当，如频率响应曲线与安装方法关系很大。若安装方法不当，如结合力不够，结合面粗糙，安装螺钉孔与安装面不垂直等，都结合力不够，结合面粗糙，安装螺钉孔与安装面不垂直等，都会使会使共振频率共振频率下降，从而降低了传感器的使用上限频率。下降，从而降低了传感器的使用上限频率。常用安装方法常用安装方法钢制双钢制双头螺栓头螺栓绝缘

34、绝缘螺栓螺栓低温条件下低温条件下薄蜡层粘附薄蜡层粘附手持探针手持探针法只适于法只适于1kHz1kHz以下以下近似测量近似测量永久磁铁永久磁铁法多用于法多用于低频情况低频情况粘接螺栓和粘接剂固定法粘接螺栓和粘接剂固定法可测的上限频率可测的上限频率5kHz 5kHz 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量五、应变式加速度传感器五、应变式加速度传感器等强等强度梁度梁质量块质量块壳体壳体应变片应变片 应变式加速度传感器属于应变式加速度传感器属于惯性传感器惯性传感器 垂直方向振动垂直方向振动质量块惯性作用质量块惯性作用梁弯曲变形梁弯曲变形应变片阻应变片阻值变化值变化电

35、桥输出正比于加速度电桥输出正比于加速度 为改善阻尼，传感器内充以硅油，使阻尼比达到为改善阻尼，传感器内充以硅油，使阻尼比达到0.70.7 突出特点：突出特点：低频响应好，可测量常值加速度低频响应好，可测量常值加速度青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量第三节机械振动测试系统第三节机械振动测试系统一、机械振动测试分类一、机械振动测试分类（）结构和部件的动态特性测试（）结构和部件的动态特性测试 对结构或部件进行某种激对结构或部件进行某种激励，对其受迫振动进行测试，以求得被测对象的振动力学参量励，对其受迫振动进行测试，以求得被测对象的振动力学参量和动态性能，如固有

36、频率、阻尼、刚度、阻抗、响应和模态等和动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、阻抗、响应和模态等（）振动基本参数的测量（）振动基本参数的测量如测量振动物体上某点的位移、如测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位等参数。速度、加速度、频率和相位等参数。二、振动基本参数的测量系统二、振动基本参数的测量系统发电型传感器发电型传感器前置放大器前置放大器微积分放大器微积分放大器分分析析仪仪器器指示指示记录记录仪器仪器参数型传感器参数型传感器调制器调制器测量电桥测量电桥放大器调制器放大器调制器载波发生器载波发生器放大、阻抗匹配放大、阻抗匹配受振后直接有受振后直接有电荷电荷/ /电压输出电压输出如压电式

37、传感器如压电式传感器如电阻应变式、电如电阻应变式、电容式或电感式等容式或电感式等直接记录放大后的振动时间历程直接记录放大后的振动时间历程或进行参数统计分析，如频谱分或进行参数统计分析，如频谱分析、相关分析等析、相关分析等1 1、测振系统的组成、测振系统的组成青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量2 2、测试系统与测试仪器的选择、测试系统与测试仪器的选择选择时主要考虑以下几方面：选择时主要考虑以下几方面： 1 1）测试参数）测试参数（位移、速度、加速度或阻抗等）（位移、速度、加速度或阻抗等） 以此确定传以此确定传感器的类型及其相关仪器。感器的类型及其相关仪器。

38、 2 2）频率范围）频率范围 根据被测对象振动的频率范围确定各测试环节根据被测对象振动的频率范围确定各测试环节（振动传感器、前置放大器、主放大器及指示记录仪器等）的（振动传感器、前置放大器、主放大器及指示记录仪器等）的频率响应特性。频率响应特性。3 3）振级大小和测试精度要求）振级大小和测试精度要求4 4）试件质量与刚度大小）试件质量与刚度大小5 5）测试环境）测试环境（如温度、适度等）（如温度、适度等） 此外，还应考虑测试系统内各个环节之间的配合关系，此外，还应考虑测试系统内各个环节之间的配合关系，如阻如阻抗匹配、灵敏度匹配、测试精度匹配等。抗匹配、灵敏度匹配、测试精度匹配等。三、结构和部件

39、的动态特性测试三、结构和部件的动态特性测试 结构和部件的动态特性测试系统一般由结构和部件的动态特性测试系统一般由激振激振、测振测振、信号分信号分析析与与记录显示记录显示四部分组成。后三部分同振动基本参数测量系统四部分组成。后三部分同振动基本参数测量系统青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量四、激振方式四、激振方式 振动激励的方式通常分为三类，即振动激励的方式通常分为三类，即稳态正弦激振稳态正弦激振、随随机激振机激振与与瞬态激振瞬态激振。1 1、稳态正弦激振、稳态正弦激振 原理原理：用激振器对被测对象施加一个稳定的单一频：用激振器对被测对象施加一个稳定的单一频

40、率的稳态正弦激振力。率的稳态正弦激振力。 优点优点：激振功率大、信噪比高、能保证响应对象的：激振功率大、信噪比高、能保证响应对象的测试精确度。缺点：需要很长的测试周期才能得到足测试精确度。缺点：需要很长的测试周期才能得到足够精确度的测试数据，尤其对小阻尼对象。够精确度的测试数据，尤其对小阻尼对象。 扫频激振（扫描式的正弦激振）扫频激振（扫描式的正弦激振）：激振的频率随时：激振的频率随时间而变化。严格地说任何扫描激振都属于瞬态激振，间而变化。严格地说任何扫描激振都属于瞬态激振，但若扫频速度足够慢，所画的但若扫频速度足够慢，所画的NyquistNyquist图可以和逐点稳图可以和逐点稳态正弦激振所

41、得的近似。态正弦激振所得的近似。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量2 2、随机激振、随机激振 一般用一般用白噪声白噪声或或伪随机信号伪随机信号发生器作为信号源。发生器作为信号源。白白噪声噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数在发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数在 0 0处形成陡峭的峰，只要处形成陡峭的峰，只要 稍偏离零，自相关函数就稍偏离零，自相关函数就快速下降。快速下降。白噪声白噪声是宽带激振，能激起被测对象在一是宽带激振，能激起被测对象在一定频率范围内的随机振动。定频率范围内的随机振动。 白噪声白噪声发生器所提供的信号是完全随机的。工程上

42、发生器所提供的信号是完全随机的。工程上有时希望能有时希望能重复测试重复测试，就用伪随机信号发生器或用计，就用伪随机信号发生器或用计算机产生算机产生伪随机激振信号伪随机激振信号。3 3、瞬态激振、瞬态激振 瞬态激振也是一种瞬态激振也是一种宽带宽带激振法，故可由激振力和响应激振法，故可由激振力和响应的自谱密度函数和互谱密度函数求得系统的频率响应的自谱密度函数和互谱密度函数求得系统的频率响应函数。常用的瞬态激振方式有函数。常用的瞬态激振方式有快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振、脉脉冲激振冲激振和和阶跃激振阶跃激振。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量1 1）快速

43、正弦扫描激振）快速正弦扫描激振激振信号函数激振信号函数f(t)f(t)为：为：( )sin2 ()(0)f tFatbtT maxminmin()/ affTbf，式中式中激振信号激振信号上限频率上限频率激振信号激振信号下限频率下限频率扫描周期扫描周期激振力激振力2 2）脉冲激振（锤激法）脉冲激振（锤激法） 用用脉冲锤脉冲锤（装有力传感器的锤子）装有力传感器的锤子）敲击试敲击试件件试件因此作自由振动试件因此作自由振动同时测出其振同时测出其振动和响应。动和响应。这种敲击力并非理想的脉冲函数，而是这种敲击力并非理想的脉冲函数，而是半半正弦波正弦波，其有效频率范围取决于脉冲持续，其有效频率范围取决于

44、脉冲持续时间时间愈小则频率范围愈大，使用适当的锤愈小则频率范围愈大，使用适当的锤头垫材料可以得到要求的频带宽度。头垫材料可以得到要求的频带宽度。x(t)|X(f)|5/( /() )tf青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量3 3）阶跃（张驰）激振）阶跃（张驰）激振激振锤结构：激振锤结构：在拟定的激振点处，用一根刚度大、质量小的在拟定的激振点处，用一根刚度大、质量小的张力弦张力弦经过力传经过力传感器对待测对象施加张力，使它产生初始变形，然后突然切断感器对待测对象施加张力，使它产生初始变形，然后突然切断张力弦，这相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。张力弦，这相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。阶跃激阶跃激振属宽带激振振属宽带激振，在建筑结构的振动测试中该方法应用广泛。，在建筑结构的振动测试中该方法应用广泛。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第八章第八章 振动的测量振动的测量五、常用激振器五、常用激振器常用激振器有常用激振器有电动式电动式、电磁式电磁式和和电液式电液式三种。三种。 激振器激振器 对被测对象施加预定要求的激振力，激起其振