武汉大学测试电路 振动的测试

1、第一节第一节概述概述第三节第三节振动的激振振动的激振第四节第四节激振器激振器第五节第五节振动的测量方法振动的测量方法及测振传感器及测振传感器第六节第六节振动的分析方法振动的分析方法与仪器与仪器第七节第七节机械系统振动参机械系统振动参数的估计数的估计第八节第八节测振装置的校准测振装置的校准第二节第二节单自由度系统单自由度系统的受迫振动的受迫振动返 回一、机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象。 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身甚至导致损坏造成事故。振动也有可以被利用的一方面，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效

2、等。 二、二、机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具有相同的频率组成。 虽然两者传输方式以及各自的频率成分之间的强度比例都不一样，但它们的频谱都在某中程度上反映机器运行状况，均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参数。三、振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位。四、振动测试大致可分为两类： 一类是测量设备和结构所存在的振动。另一类是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；此类振动的目的是研究设备或结构的力学动态特性。 对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动 频率。有时则需要对所测的信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象

3、的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提提供依据。(其中c为粘性阻尼系数，k为 弹性刚度，激 振力f(t)为系 统的输入，振 动位移z为系统 的输出)一一、质量块受力引起的受迫振动、质量块受力引起的受迫振动 如图所示的单自由度系统，其质量块m在外力 f(t)作用下的运动方程为： 求系统频率响应H()和幅频特性A()、相 频特性 如下：2 2n nn n2 22 2n n2 22 2n nn n2 2n n1 1) )( (2 2) )( (1 1k k1 12 2j j) )( (1 1k k1 1a ar rc ct tg g( (

4、) )A A( () )H H( () )17图单自由度系统在质量块受力所引起的受迫振动) t ( f22dttdmkzdtdzczf(t)kcm)(22tfkzdtdzcdttdm)(位移共振频率、速度共振频率和相位共振的定义 通常把频幅曲线上幅值比最大处的频率称为位移共振频率。 当 ，故 常作为 的估计值。 若输入为力,输出为振动速度时,则系统幅频特性最大处的 频率称为速度共振频率.(速度共振频率始终和固有频率相等) 从相频曲线上可看到,不管系统的阻尼比是多少,在(/ n)=1 时位移始终落后于激振力90度,这被称为相位共振*小结：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

5、小;当激振频率大于固有频率时 输出位移为零,质量块近于静止;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. nr时0rn二、由基础运动引起的受迫振动 设基础的绝对位移Z1，质量块m的绝对位移为Z0如图示： 若考察m的相对运动而上式可写为： 可以求出频率响应函数H()幅频特性A()和 相频特性()。 0)zz (k)zz (cm1010dtddtzd222 21 12 20 01 12 20 01 12 2d dt tz zd d0 01 1d dt td dz zd dt tz zd dmmk kz zc cmm202dtzdmk)zz(10)zz (

6、c10dtd0Z) t (Z1kcm励单自由度系统的基础激 2-图72 2n nn n2 22 2n n2 22 2n n2 2n nn n2 2n n2 2n n1 1) )( (2 2) )( (1 1) )( (2 2j j) )( (1 1) )( (a ar rc ct tg g( () )A A( () )H H( () )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；而当激振频率远远高于固有频率时，A()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。从而表明质量块再惯性坐标系中几乎处于静止状态。三、单自由

7、度振动系统受迫振动小结 测试工作中的许多工程问题，往往可以用弹簧-阻尼器-质量块构成的单自 由度模型来描述，但是在不同的场合下所处理的输入、输出量往往是不同的，从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不同。由此，归纳如下表：*其中各参数如下： * * *mkn21)(21Dnkm2c2222)(2 )(1 Dnn)(j 2)(1 Dnn23)(j21Dn42n2n3n)(2)(1 )(21arctg2nn)(1)(22arctg输入频率响应输出34DD频率响应 幅频特性 相频特性 34DDj22n2D342DD32n2D212DD32n4D32n3Dj22n3D32n4DD21DD21DD2211

8、22234DjD21DD34DD21DD34DDj21DD32n2D22n2D32n3Dj22n3D32nDj22nD1211212222234DDj34DD32nDj32nD132n2D221DD32n4D21DD21DD22D122D222D112122223kD13kDj 绝对速度相对速度位移速度加速度位移速度加速度基础运动位移频率响应 幅频特性 相频特性 速度频率响应 幅频特性 相频特性 加速度频率响应 幅频特性 相频特性 力力f(t)f(t) 32kD2kD12kDj 22kD2222表7-1 单自由度振动系统 的频率响应第三节 振动的激励激振方式的分类稳态正弦激振随机激振瞬态激振稳

9、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；缺点是：测试周期长。随机激振是宽带激振方法.优点可以实现快速甚“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 激振器是对试件施加某中预定要求的激振力，激起试件振动的装置。激振器是对试件施加某中预定要求的激振力，激起试件振动的装置。 通常的激振器有：通常的激振器有：电动式、电磁式、电液式。电动式、电磁式、电液式。 一、电动式激振器一、电动式激振器 按起磁场的形成又分为按起磁场的形成又分为永磁和励磁。永磁和励磁。 二、电磁式激振器二、电

10、磁式激振器 三、电液式激振器三、电液式激振器 第四节 激振器振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：电测法、机械法、 光学法。原理见上表：第五节 振动的测量方法及测振传感器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、和线形范围宽。便于分析。易受电磁干扰。目前应用最广。机械法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普效应和光纤等测量抗干扰能力强，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、激光多普效应和光纤等测量

11、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。 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几种常用的传感器一、涡流位移传感器二、磁电式速度计三、压电式加速度计四、伺服式加速度计五、压阻式加速度计六、阻抗头七、测振传感器的合理选用 直接测量参数的选

12、择 综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度 考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性等因素。ft2sin) t (N)ft2sin(A) t (x信号发生器功放激振器测试对象拾振器拾振器中间转换电路振动分析仪记录仪器参考信号第六节 振动的分析方法与仪器一、基于带通滤波技术的频谱分析仪 对模拟信号作谱分析的实质是用不同中心频率的带通滤波器分离出信号在滤波器带通内的信号。二、跟踪滤波技术 跟踪滤波是指滤波器中心频率能自动的跟随参考信号，从而达到在强噪声干 扰下提取有用信息的滤波方法。 一、相关滤波技术ft2sinB tNft2sinAtx测试信号sin2AB参考信号ft2sin 或光电脉冲ft2

13、cosB正交信号发生（变换）装置低通滤波器低通滤波器坐标变换频率测量cos2ABA（相乘）（积分平均）7-24 利用相关原理进行滤波的振动分析仪原理图从式中可以看出相关滤波提取了信号x(t)中频率与参考信号一致的成分的幅值和相位.其中T 的条件表明,只有相关处理的时长足够长,才有可能获得无误的幅相信息. cosAfd2sin) t (xlimRsinAfd2cos) t (xlimR21T0tT1Tx21T0tT1Tx2y1y二、变频式(外差)跟踪滤波器100kHz晶体滤波器C移相器。90移相器。90CCC比相频率测量比相晶体振荡器参考信号量测信号相乘相乘相减)cos(cos021ttkk)c

14、os(01tk)sin(01tktkcos2tksin2tksin2)sin(sin021ttkk)cos(021tkkC100kHz)()sin()(tNtAtu)sin(0221tAkkAf变频式(外差)跟踪滤波器原理图三、振动信号的处理和分析 运用数字方法处理振动测量的信号日益广泛地被采用。振动信号的处理是通过A/D接口和软件在通用计算机上进行的，也可以把振动信号送如数字信号处理机进行各种谱分析和估计。一般谱分析 在采样前应经抗混叠滤波，并根据最高频率和采样定理来选择采样频率。一般先估计信号中感兴趣的最高频率，据此选择抗混叠滤波器的截止频率，而后确定采样频率。通过自功率谱的分析最终可以得

15、到信号频谱结构的全貌。与激振频率同频成分的提取 用相关滤波或FFT算法都可以实现这种要求。对于FFT，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使FFT谱线落在参考信号的频率上。为此截取信号时长等于参考信号周期的整数倍。宽带激励下系统传输特性的求法这时分析的两个信号记录应该是同时发生的，不允许有时差；两通道应该使用相同的采样频率和时长；频谱分析使用相同的窗函数和分析程序。一般采用多段记录分析，将其进行平均，以提高测试的精度。在阻尼较小时可以认为 由此可知 阻尼比可以根据振动曲线相邻 峰值的衰减比确定。第七节 机械系统振动参数的估计一、自由振动法如图所示单自由度系统自由振动的曲线：Z(t) teztzzdw

16、edztndtdzndtzdttnnsin0020222由阻尼振动曲线，通过时标确定周期T，可得： 。 图7-26阻尼衰减振动曲线a)力学模型 b)衰减振动曲线a)b)T0MiMi-1率为阻尼自由振动的圆频其中21ndTd2nd从幅频特性曲线进行估计 在系统阻尼小的情况下，有 所以阻尼比的估 值可为： 其中二、共振法nrr2122)(2121r)A()A(A满足、利用相频曲线特性进行估计当激振频率等于固有频率时，位移的相位角总是滞后90度。而2)(1)(2nnarctg:，则令n222224)1(4)1(2dd:1n时当111|则dd从所测相频曲线求得 处的斜率就可以估算阻尼比n由虚、实部的表达式和图象可知：在 处，实部为零；虚部为 因此可以确定系统的固有频率实频曲线在 处有最大值，而在 处有最小值。由此可 以近似估计系统的阻尼比。根据位移响应的虚、实部频率特性进行估计 单自由度振动系统的频率响应 ：)(H222224)1(11)(RekHn22222)1 (11)(其中kH则虚、实部可写为：22224)1 (21)(ImkH1)2(1k12111212)(ReH)(ImH002112122212112k21k41图7-28 虚频曲线图7-27 实频曲线第八节 测振装置的校准因为拾振器在生产工厂进行校准或使用一段时间后灵敏度会改变，所以在进行测量工