一、振动测试概论_1教材

1、 第一部分 振动测试概论 振动理论振动分类产生原因自由振动受迫振动自激振动简谐振动振动分类产生原因自由振动受迫振动自激振动振动分类产生原因变化规律自由度数自由振动受迫振动自激振动简谐振动非简谐振动随机振动单自由度系统的振动多自由度系统的振动连续系统的振动振动过程的分类不同振动过程时域与频域描述几种典型信号的频谱几种典型信号的频谱 随机振动时间函数不能用精确的数学关系式来描述；不能预测它未来任何时刻的准确值；对这种信号的每次观测结果都不同，但大量地重复试验可以看到它具有统计规律性，因而可用概率统计方法来描述和研究。 随机振动时域主要特征参数均值均方值方差自相关函数互相关函数 01Elim( )T

2、xTxx t dtT22201Elim( )TxTxx t dtT2201lim ( )TxxTx tdtT01( )lim( ) ()TxTRx t x tdtT01lim( ) ()TxyTRx t y tdtT随机振动的频谱分析功率谱密度函数自功率谱互功率谱相干函数( )( )FTxxIFTRSf2( )( )iftxxSfRedt2( )()jftxxRSf edf( )()FTxyxyIFTRSf 2()( )iftxyxySfRedt2( )()jftxyxyRSf edf22()()()()xyxyxfyGffGGf201xy 2( )xxGfSf 2( )xyxfGfSffo单

3、边功 率谱机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图一般说来振动测试系统包括下述三个主要部分：一般说来振动测试系统包括下述三个主要部分：1)1)激励部分激励部分 实现对被测系统的激励实现对被测系统的激励( (输入输入) )，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和，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。激振装置组成。2)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的形式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( (通常为电信号通常为电信号) )。它主要由传感器、可调放大器组成。它主要由传感器、

4、可调放大器组成。3)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近行分析处理并记下处理结果。将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近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。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。机械振动测试系统机械振动测试系统振动问题组成：激励、振动结构（系统）和响应组成：激励、振动结构（系统）和响应分类：分类：1 1、已知激励和振动结构，求响应、已知激励和振动结构，求响应 -系统动力响应分析系统动力响应分析 2 2、已知激励和响应，求系统参数、已知激励和响应，求系统参数 -系统识别系统识别 3 3、已知系

5、统和响应，求激励、已知系统和响应，求激励 -载荷识别载荷识别研究振动的方法理论分析法理论分析法实验研究实验研究实测实测模型研究模型研究建摸建摸求解求解常用的振动测量方法机械法 -利用杠杆传动和惯性接收记录振动信号光测法 -将振动信号转换为光信息再进行测量电测法 -通过传感器将机械量转换为电量，再 对电量进行测量与分析机械法特点： 结构简单、可靠、直观、抗干扰小、体积大、灵敏度低、频率范围窄、不能测小振幅、对被测体有附加刚度应用：低频、大位移、扭振 常用仪器：手持式测振仪 光测法特点： 高精度、高灵敏度、非接触、远距离、全场应用： 高精度测量、传感器标定、远距离测量常用仪器： 激光多普勒单点或扫

6、描测振仪、激光干涉仪、读数显微镜 电测法特点： 灵敏度高、频率范围宽、动态范围大； 类型多，适用于不同测试环境和对象； 信号易于测量、记录和保存。应用： 稳态和冲击过程测量、结构动力特性参数测量等常用仪器： 各种传感器、激振器、测量仪与分析仪 振动测量系统的主要特性参数灵敏度:传感器测量系统的输出信号与输入信号的比值频率范围动态范围横向灵敏度:指传感器对垂直于测量主轴方向运动的敏感程度相位特性:指在简谐机械量输入时，测量系统同频率输出信号对输 入信号的相位滞后附加质量、附加刚度和环境条件ff上f下sSmaxxminxxSsminxmaxxxuD=20log幅值上线幅值下限（dB)振动传感器的分

7、类按物理过程发电式发电式电动式、磁电式电动式、磁电式压电式压电式电磁感应原理电磁感应原理电参数电参数电阻式、电感式、电容式、压阻式电阻式、电感式、电容式、压阻式按力学过程惯性式惯性式 （质量（质量- -弹簧）无参照系弹簧）无参照系接触式接触式 （跟随）有参照系（跟随）有参照系非接触式非接触式 （电涡流、激光、光电）（电涡流、激光、光电）按被测参数位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器惯性式传感器工作原理力学模型如图所示。图中y1、y0、y01分别表示壳体绝对位移、质块的绝对

8、位移和壳体与 质块的相对位移。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量与外壳之间产生相对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度运动方程 0110101()0m yycyky20100100112yyyy 20km02cm强迫振动解为01sin()emyyt其中20122200()1() (2)memyy 0202arctg1() 惯性式传感器则20222100()1() (2)emmyy 惯性式传感器对 的讨论1emmyy11emmyy表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明

9、质块在惯性座标中几乎处于静止状态 作为加速度计的条件210()emmyy1201emmyy作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）20222100()1() (2)emmyy 1 当 时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 2 当 时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时 阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响02021emmyy惯性式传感器10-310-210-11001011000.10.20.50.712阻尼对惯性位移计幅频特性的影响阻尼对惯性位移计幅频特性的影响01234501234561.00.70.50.20.12.01emmyy0惯性式传感

10、器惯性式传感器001234500.511.522.533.50.10.22.01.00.70.5阻尼对惯性传感器相频特性的影响阻尼对惯性传感器相频特性的影响电磁感应式速度传感器分类运动导体切割磁力线产生感应运动导体切割磁力线产生感应电动式电动式电动式速度电动式速度传感器传感器磁电式速度磁电式速度传感器传感器导体不动，穿过导体的磁力线数发生导体不动，穿过导体的磁力线数发生变化，导体两端产生感应电动式变化，导体两端产生感应电动式eBl dendx 电动式速度传感器-相对式速度传感器1顶杆顶杆2弹簧片弹簧片3磁钢磁钢4线圈线圈5引出线引出线6壳体壳体用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固

11、定于一部件上，用来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。从而使传感器内部的而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势来。动，产生相应的电动势来。 电动式速度传感器-相对式速度传感器特点：1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；2 2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共 振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向 固有频率决定；固有频率决定；3 3、输入与输出之

12、间的相移基本为零；、输入与输出之间的相移基本为零；4 4、附加质量不大；、附加质量不大；5 5、对被测物体有附加刚度。、对被测物体有附加刚度。电动式速度传感器惯性式速度传感器结构：a a 单磁隙结构单磁隙结构 b b双磁隙结构双磁隙结构 c c动磁钢结构动磁钢结构电动式速度传感器- -惯性式速度传感器双磁隙结构与工作原理1弹簧弹簧2壳体壳体3阻尼环阻尼环4磁钢磁钢5线圈线圈6芯轴芯轴在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并在磁场中运动。弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既得到可靠的径向支承，又保证有很

13、低的轴向固有频率。阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼. 电动式速度传感器惯性式速度传感器力学模型与运动方程机械接收部分机械接收部分机电变换部分机电变换部分rrremxcxkxmxBli 0()ttrd iLRRiB lxd t当当时时rrremxc xkxmx 2 20B iccR SBl灵敏度0ruBlx 电动式速度传感器惯性式速度传感器阻尼的实现 1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用=0.5-0.7的 阻尼 比，在幅值误差不超过5%的情况下，工作下限可扩展到 2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。 3、使传

14、感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移1、油阻尼 2、电涡流阻尼 3、电磁阻尼阻尼的作用1.7n 磁电式速度传感器结构结构eNS振动物体振动物体变换过程变换过程物体与传感器的相对运动空气间隙变化穿过线圈的磁通量变化产生感应电动式ddennxdtdx 输入与输出关系式压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度计的结构压电式加速度计的结构(a)中心安装压缩型中心安装压缩型(b)环形剪切型环形剪切型(c)三角剪切型三角剪切型压电式加速度传感器压电式加速度传感器在图中在图中，S S是弹簧，是弹簧，M M是质块，是质块，B B是基座，是基座，P P是压电元件，是压电元件，R R是夹持是夹持

15、环。环。图图a a是中央安装压缩型是中央安装压缩型，压电元件，压电元件质量块质量块弹簧系统装在弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座然而基座B B与测试对象连接时，如果基座与测试对象连接时，如果基座B B有变形则将直接影响拾有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。易引起温度漂移。图图b b为环形剪切型为环形剪切型，结构，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加

16、速度计，环形质量块粘到简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。变软，因此最高工作温度受到限制。图图c c为三角剪切形为三角剪切形，压电元，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。极好的隔离作用，有较高的共振

17、频率和良好的线性。各种结构特点各种结构特点压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度计的敏感元件天然石英晶体机械强度高，绝缘性能好，压电常数在500度以下不随温度变化，但压电常数低。压电常数大，比石英晶体大几十倍，但压电常数稳定性差，受温度影响大，当超过居里温度时，压电效应就会消失。正压电效应压电元件在一定方向的外力作用下或施加机械变形时，在压电元件的晶面或极化面上将产生电荷。在压电元件表面通一电压，由于电场的作用，压电元件将产生几何变形。逆压电效应人工极化陶瓷压电晶体压电效应pqmbmkrxex 振动物体振动物体压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度计的特性分析1、力学模型中

18、心压缩型2、机电转换过程ex 惯性接收压电变换物理量转换pqu当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 接收为 相对于底座的相对振动位移 ，于是压电晶体片受到 的动态力 ，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷 。ex mrxrpkxq332rqd kx332eqd mx21rnexx3、输入与输出关系式4、特性参数 灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度332qeqSd mx2(/pc ms/)pc g3324eed mteSxD2( /v ms/)v g其中3324eEd mx tqecD22EDct（开路电压）（极间电容） 动态范围最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最大可测振级主

19、要受传感器的强度及非线性因素限制压电式加速度传感器压电式加速度传感器 频率特性频率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。一般阻尼加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼比小于比小于0.10.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/31/3，便可保，便可保证幅值误差低于证幅值误差低于1dB1dB（即（即12%12%）；若取为共振频率的）；若取为共振频率的1/51/5，则可保证，则可保证幅值误差小于幅值误差小于0.5dB0.5dB（即（即6%6%），相移小于），相移小于3 3度。但共振频率与加速度度。但共振频率与加速度计的安

20、装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。而共振频率和使用上限频率都会有所下降。nff上f下S 横向灵敏度 环境特性温度，湿度，磁场等小于5%固有频率、灵敏度和动态范围相互制约,nnSmfDSmfD当时当时压电式加速度传感器压电式加速度传感器5、加速度计的固定方法加速度计的固定方法其中其中图图a a采用钢螺栓固定，是共采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振频率的振频率能达到

21、出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座基座螺孔，以免引起基座 变形，变形，影响加速度计的输出。在安装影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图图b b），但垫圈应尽量簿。用一），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图图c c），也可用于温度低于），也可用于温度低于4040以下的场合。以下的场合。手持探针测振方法（手

22、持探针测振方法（图图d d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于使用上限频率一般不高于 1000Hz1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（。用专用永久磁铁固定加速度计（图图e e），使用方便，），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图图f f）或粘或粘接剂（接剂（图图g g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方

23、法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz31kHz，云母垫片，云母垫片28kHz28kHz，涂簿蜡层，涂簿蜡层29kHz29kHz，手持法，手持法2kHz2kHz，永久磁铁固定法永久磁铁固定法7kHz7kHz。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器6、加速度计的接地问题 注意：单点接地压电式加速度传感器压电式加速度传感器7、加速度计的前置放大器加速度计的前置放大器压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对

24、地电容的影响，适用于一般振阻抗的比例放大器。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。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵. . 8、电荷放大器作用电荷放大器作用阻抗变换阻抗变换物理量转换物理量转换输出归一化输出归一化压电式加速度传感器压电式加速度传感器9 9、 压电加速度计压电加速度计的类型的类型低阻抗电压模式低阻抗电压模式目前大部分压电式加速度计在壳体内都

25、集成目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用算机等连接。一般采用2 2线制，即用线制，即用2 2根电缆根电缆给传感器供给给传感器供给 2 210mA10mA的恒流电源，而输出的恒流电源，而输出信号也由这信号也由这2 2根电缆输出，大大方便了现场根电缆输出，大大方便了现场的接线的接线 。智能式智能式内置芯片，出厂时，内置芯片，出厂时，将传感器的序列号，将

26、传感器的序列号，生产厂家，灵敏度等生产厂家，灵敏度等参数储存在芯片里，参数储存在芯片里，分析仪可直接识别出分析仪可直接识别出这些参数，这对多点这些参数，这对多点测量非常方便。测量非常方便。高阻抗电荷模式高阻抗电荷模式输出阻抗很高，输出阻抗很高，必须接前置放必须接前置放大器，但环境大器，但环境适应性强，尤适应性强，尤其适合于高低其适合于高低温，高冲击试温，高冲击试验场合。验场合。压电式加速度传感器压电式加速度传感器1010、 压电加速度计压电加速度计的低频特性的低频特性 从压电式传感器的力学模型看，它具有从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通低通”特性，原可测量特性，原可测量极低频的振动。但实

27、际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截截止频率止频率”，约为，约为0.10.11Hz1Hz左右。左右。 1111、 压电加速度计压电加速度计的特点与应用的特点与应用具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以

28、及压电具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛使用的振动测量传感器使用的振动测量传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器压阻式加速度传感器工作原理工作原理通常采用悬臂梁式结构实现其惯性接收，再利用半导体材料的压阻效应将正比于加速度的应力转换为电阻值的变化。压阻效应压阻效应半导体材料由于内部应力场而引起各点的电阻率变化的现象，单晶硅的压阻效应特别显著，比一般金属材料灵敏度高50-100倍。压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的结构压阻式加速度传感器的结构（1）

29、（3）分体型压阻式分体型压阻式与固态压阻式与固态压阻式1、体型压阻式（2）压阻式加速度传感器2、固态压阻式固态压阻式压阻式加速度传感器优点优点应用应用缺点缺点灵敏度高，具有零频率响应适合测量持续时间较长的慢变冲击过程及特低频率振动过程由于半导体片对温度非常敏感，必须在传感器内部有温度补偿措施电容式加速度传感器结构与原理结构与原理优点优点应用应用较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多且成本也比压电式加速度传感器高得多与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环与其它类型的加速度传感器相比

30、具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小 多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固定板极相对质量块产生位移。定板极相对质量块产生位移。缺点缺点信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影

31、响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善信号往往需通过后继电路给于改善 伺服式加速度传感器结构结构内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转换为电量，以提供测量和反馈信号；另一是将换为电量，以提供测量和反馈信号；另一是将电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变换，其二是可逆的电动式变换换，其二是可逆的电动式变换工作原理工作原理如果反馈电流

32、满足如果反馈电流满足efmxiG 伺服式加速度传感器优点优点1、具有另频率响应；、具有另频率响应；2、幅值线性度极好；、幅值线性度极好；3、精度高。、精度高。应用应用比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结构加速度测量构加速度测量结构示意图结构示意图测量参数测量参数涡流传感器已成系列，测量范围从涡流传感器已成系列，测量范围从0.5mm0.5mm至至10mm10mm以上，灵敏阀约为测以上，灵敏阀约为测量范围的量范围的0.1%0.1%。常用的外径。常用的外径8mm8mm的传感器与工件的安装间隙约的传感器与工件的安装间隙约1mm1mm，在，在0.5mm

33、0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm7.87mv/mm，频响范围为，频响范围为0 012000Hz12000Hz。电涡流位移传感器电涡流位移传感器工作原理工作原理电涡流式位移传感器是一种非接触式电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的电涡流效应。当通体在交变磁场中的电涡流效应。当通有交变电流的线圈靠近导体表面时，有交变电流的线圈靠近导体表面时，穿过导体的磁通链将在导体表面感应穿过导体的磁通链将在导体表面感应出交变电流，该电流在导体表面形成出交变电流，该电流在导体表面形成一闭环

34、回路，称之为涡流。这一电流一闭环回路，称之为涡流。这一电流又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，原线圈与电涡流相当于两个相互耦合原线圈与电涡流相当于两个相互耦合的线圈，耦合的结果使得原线圈的电的线圈，耦合的结果使得原线圈的电感发生了变化。感发生了变化。电涡流位移传感器等效电路等效电路当输入电流频率很高时，有1eMkLL图中Mk互感系数耦合系数此时2eeLRRk RL2(1)LLk电涡流位移传感器测量电路0icZUUR为了测量 ，可以采用串并联谐振电路，即在原线圈两端并一电容，再与一电阻串联，在满足L的条件下电路的谐振频率为2(0)11( )21rrf kf kL

35、ck电路阻抗为11()LZcRjLc电路输出电压为cicZUUR传感器特点这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。 电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用甚广。传感器的应用电涡流位移传感器压电式力传感器结构与力学模型结构与力学模型压电式力传感器力的传递力的传递发发力力体体受受力力体体bf

36、pftfpkbxbx txtx bmtm输入与输出关系11pqd f压电元件的动态力与作用给受力体的力之间的关系由上图可知ptttffm x注意：压电式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同压电式力传感器力传感器的使用力传感器的使用振动测量传感器的选择正确的选用应该基于对测量信号以下三方面正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。的分析和估算。 1)1) 被测振动量的大小被测振动量的大小 2)2) 被测振动信号的频率范围被测振动信号的频率范围 3)3) 振动测试现场环境振动测试现场环境激振设备的分类振动台振动台 机械式、电动式、液压式、压电式机械式、电动式、液压式、压电式激振器

37、激振器 机械式、电动式、液压式、压电式机械式、电动式、液压式、压电式分布力分布力集中力集中力按工作原理按工作原理机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式按振动方向按振动方向单方向单方向垂直、水平、扭转垂直、水平、扭转一维振动一维振动多方向多方向垂直、水平垂直、水平二维平面或三维空间振动二维平面或三维空间振动按振动波形按振动波形简谐振动、冲击振动、随机振动、任意波形振动简谐振动、冲击振动、随机振动、任意波形振动按使用方式按使用方式激振设备的基本特性参数1、最大激振力最大激振力2、最大负荷最大负荷3、最大空载和满载加速度最大空载和满载加速度4、最大位移和最大速度

38、最大位移和最大速度5、使用频率范围使用频率范围6、失真度失真度7、台面的均匀度台面的均匀度8、台面的横向运动台面的横向运动机械式振动台与激振器1、直接驱动式直接驱动式当它们的主轴由电机带动旋转当它们的主轴由电机带动旋转时，台面即产生确定的振动时，台面即产生确定的振动台面是由主轴经过一台面是由主轴经过一个机构直接驱动的个机构直接驱动的e曲柄滑块机构曲柄滑块机构e 正弦机构正弦机构e凸轮顶杆机构凸轮顶杆机构台面的位移台面的位移sinxet机械式振动台与激振器振幅的大小由偏心距确定振幅的大小由偏心距确定振动频率由偏心轮回转速度确定振动频率由偏心轮回转速度确定转速是可调的转速是可调的频率范围窄，下限频

39、率决定于调速机构在低速时频率范围窄，下限频率决定于调速机构在低速时稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响，稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响，不会太高，一般在不会太高，一般在50-6050-60赫兹。赫兹。输出波形较差输出波形较差直接驱动式振动台的特点直接驱动式振动台的特点2 2、离心式振动台、离心式振动台工作原理工作原理试验物体台面台体两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带动以相等的角速度、相反的转向转动，每动以相等的角速度、相反的转向转动，每一轴上有一质量为一轴上有一质量为m m、偏心距为、偏心距为e e的偏心块，的偏心块，每一偏心块就有一离心力作

40、用在转轴上，每一偏心块就有一离心力作用在转轴上，如果两偏心块的相对位置配置的好，则两如果两偏心块的相对位置配置的好，则两个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合成为一合力，若转轴以等角速度转动，则成为一合力，若转轴以等角速度转动，则合力呈简谐变化，这个力通过激振器的外合力呈简谐变化，这个力通过激振器的外壳作用于被试验的物体上。壳作用于被试验的物体上。激振力的大小激振力的大小22sinpmet机械式振动台与激振器离心式振动台的特点离心式振动台的特点振动台的位移振动台的位移激振力与振动频率平方成正比激振力与振动频率平方成正比振幅在振幅在 。时只与偏心块质量、偏心距及

41、台面总质量有。时只与偏心块质量、偏心距及台面总质量有关，而与振动频率几乎无关。关，而与振动频率几乎无关。频率范围窄，一般为频率范围窄，一般为10-10010-100赫兹之间赫兹之间输出波形较好输出波形较好22202()meAM机械式振动台与激振器电动式振动台组成：运动系统组成：运动系统-线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面 磁路系统磁路系统-励磁线圈（永久磁铁）、环形空气隙和外壳励磁线圈（永久磁铁）、环形空气隙和外壳动圈台面励磁线圈磁路动圈台面励磁线圈磁路动圈台面励磁线圈磁路芯杆abc电动式振动台频率特性频率特性 ekecsksc1m2m1 1、力学模型如图

42、所示，其中、力学模型如图所示，其中1m2m 和和 分别为台面和动圈质量分别为台面和动圈质量ekec 和和 分别为台面相对动圈的刚度分别为台面相对动圈的刚度和阻尼系数和阻尼系数sk 和和 分别支撑弹簧的刚度和分别支撑弹簧的刚度和 阻尼系数阻尼系数sc电动式振动台2 2、运动方程、运动方程 sksc12mm0j tF exa120()j tssmm xc xk xF e0222211(1)(2)smFkx 令令j tmxx e则有则有其中其中112skmm122()ssck mm当当 较低时，由于较低时，由于 ， 和和 可看作是可看作是刚体连接，系统可简化为如图刚体连接，系统可简化为如图a a所示

43、的单自由度系统，所示的单自由度系统，其运动方程为：其运动方程为：eskk1m2m电动式振动台 ekec1m2m0jtF e1x2xb111102122000eeeej teeeecckkmxxxcckkF emxxx 则有则有2221(1)eeekkmmmm将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为12ABCD当当 较高时，由于较高时，由于 ， 可忽略，系统可简化为如图可忽略，系统可简化为如图b b所示的两自所示的两自由度系统，其运动方程为：由度系统，其运动方程为：sekksk电动式振动台磁场产生的方式磁场产生的方式支撑弹簧支撑弹簧驱动线圈的阻抗特性驱动线

44、圈的阻抗特性冷却方式冷却方式特点：特点：1 1、频率范围宽，下限、频率范围宽，下限1-10Hz1-10Hz，上限，上限 上万上万HzHz。2 2、输出加速度波形好、输出加速度波形好3 3、输出推力大，易调节和控制、输出推力大，易调节和控制4 4、操作方便，可实现多种波形振动、操作方便，可实现多种波形振动5 5、造价高、造价高电动式振动台电动式振动台电动式振动台-水平滑台系列水平滑台系列电动式激振器电动式激振器电动式激振器的结构如图所示，驱动线圈电动式激振器的结构如图所示，驱动线圈7 7固装固装在顶杆在顶杆4 4上，并由支承弹簧上，并由支承弹簧1 1支承在壳体支承在壳体2 2中，线中，线圈圈7

45、7正好位于磁极与铁芯正好位于磁极与铁芯6 6的气隙中。当线圈的气隙中。当线圈7 7通通过经功率放大后的交变电流过经功率放大后的交变电流i i时，根据磁场中载时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流流体受力的原理，线圈将受到与电流i i成正比的成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。但是，由顶杆施加到被激对象上即为激振力。但是，由顶杆施加到被激对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度

46、、阻尼等因素有关，被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力 绝对式电动激振器的安装二绝对式电动激振器的安装二 为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器与被激对象之间用与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度一

47、根在激励力方向上刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接，很小的柔性杆连接，既保证激振力的传递又大大减小对被激既保证激振力的传递又大大减小对被激对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角 1激振器 2试件 3弹簧 4柔性杆 电动式激振器电动式激振器电动式激振器电动式激振器电磁式激振器电磁式激振器 电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回转件的激振，如图所示。

48、一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为：验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为：信号发生器功率放大器直流电源0ii2aaaB SF()aaamwiBSRRaaaalRSmmmmlRSaRmR空气隙磁阻铁芯磁路的磁阻,amSS气隙与铁芯的截面积,am气隙与铁芯材料导磁系数,aml l气隙平均厚度与铁芯磁路长度w线圈匝数电磁式激振器电磁式激振器涡流式不接触激振器ab涡流式不接触激振器电液式激振器电液式激振器 在激振大型结构时，为得到较大在激振大型结构时，为得到较大的响应，有时需要很大的激振力，的响应，有时需要很大的激振力，这时可采用电液式激振器。其结这时可采用电液式激振器。其结构原理如图所示。构原理如图所示。 信号发生器的信号经过放大后，信号发生器的信号经过放大后，经由电动激振器，操纵阀和功率经由电动激振器，操纵阀和功