机械测试技术第四章振动测试系统

1、振动测试包括：振动测试包括： 获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、相位和模态等。阻尼、相位和模态等。 测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，如振动测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，如振动的位移、速度、加速度、频率和相位等。的位移、速度、加速度、频率和相位等。（1 1）了解被测对象的振动状态）了解被测对象的振动状态（2 2）评定等级）评定等级（3 3）寻找振源）寻找振源（4 4）进行监测、分析、诊断和预测）进行监测、分析、诊断和预测 对机械设备或结构上加某种激励，测量其受迫振动。对机械设备或结构上加某种激励，测量其

2、受迫振动。振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼振动三要素（信号三要素）振动三要素（信号三要素） 幅值、频率、相位幅值、频率、相位 幅值幅值：振动强度大小的标志。表示方法：单峰值、有效值、：振动强度大小的标志。表示方法：单峰值、有效值、平均值等。平均值等。 频率频率：周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分：周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。 相位：相位：振动信号的相位信息十分重要。振动信号的相位信息十分重要。4.1 4.1 振动的基础知识振动的基础知识4

3、.2 4.2 测振传感器测振传感器4.2.1 4.2.1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器中心安装压缩型中心安装压缩型环形剪切型环形剪切型三角剪切型三角剪切型 压电式加速度传感压电式加速度传感器属于惯性式（绝对式）器属于惯性式（绝对式）测振传感器，可简化为右测振传感器，可简化为右图所示的力学模型。图所示的力学模型。01x0 x1x1 1、惯性式传感器的力学模型、惯性式传感器的力学模型01x0 x1xp 传感器输入：传感器输入：被测振动件的振动位移为被测振动件的振动位移为x x1 1p 传感器输出：传感器输出： 质量块相对于壳体的相质量块相对于壳体的相对位移为对位移为x x0101 假设假设

4、: 质量块的力学表达式为质量块的力学表达式为: 00101202kxdtdxcdtxdm1010 xxx0)(010121012kxdtdxcdtxxdm21201012012dtxdmkxdtdxcdtxdm)()()()(120101012sXmsskXscsXsXmskcsmsmssXsXsH22101)()()(kjcmmH22)(js mknkmc2nnjH2)(222nnnjH2)(1)()(2222222)(1 )()(nnnA2)(12arctan)(nn2 2、惯性式位移传感器的正确响应条件、惯性式位移传感器的正确响应条件（1 1） ，一般取，一般取 ，即传感器惯，即传感器惯

5、性系统的固有频率远低于被测振动下限频率，此时，性系统的固有频率远低于被测振动下限频率，此时， 接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。 1/n5)3(/n)(A（2 2）选择适当阻尼，可抑制）选择适当阻尼，可抑制 处的共振峰，处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限频率，最佳使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限频率，最佳阻尼阻尼1/n7 . 06 . 03 3、惯性式加速度传感器的正确响应条件、惯性式加速度传感器的正确响应条件 惯性式加速度传感器质量块的相对位移与被测振动惯性式加速度传感器质量块的相对位移与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移量来

6、反映被测振的加速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：2222210121201)/(2)/(1 1)(nnnaXXdtxdXA(2)(2)选择适当阻尼，可该善选择适当阻尼，可该善 的共振峰处的共振峰处的幅频特性，以扩大测量上限频率，一般取的幅频特性，以扩大测量上限频率，一般取n1惯性式加速度传感器的正确响应条件惯性式加速度传感器的正确响应条件: (1) (1) ，一般取，一般取 ，即即 ，此时，此时， 接近于接近于一条水平直线。一条水平直线。 1/n)5131(/n)(A)53(n压电式加速度传感器的幅频特

7、性曲线压电式加速度传感器的幅频特性曲线压电式加速度传感器的固定方法压电式加速度传感器的固定方法共振频率共振频率2KHz共振频率共振频率7KHz共振频率共振频率31KHz4 4、惯性式速度传感器的正确响应条件、惯性式速度传感器的正确响应条件 惯性式速度传感器质量块的相对位移与被测振动的速惯性式速度传感器质量块的相对位移与被测振动的速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性为：的大小。速度传感器幅频特性为：2222101101)/(2)/(1 )(nnnvXXdtdxXA 要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反映

8、被要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反映被测振动的速度，则必须满足如下条件：测振动的速度，则必须满足如下条件：1/n 由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分小，因此，在工程实践中很少使用。小，因此，在工程实践中很少使用。4.2.3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器工作原理工作原理电磁感应原理电磁感应原理 （1 1）磁电式相对速度传感器）磁电式相对速度传感器测杆的跟随条件测杆的跟随条件弹簧的预压缩量：弹簧的预压缩量：mnmnmxffxxxkmx222)()(即： 相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。

9、4.2.4 4.2.4 涡流式位移传感器涡流式位移传感器 工作原理：工作原理：利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。属于非接触式传感器属于非接触式传感器 传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当被测位移量发线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当

10、被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。 p 特点特点 结构简单结构简单 线性度好线性度好 灵敏度高灵敏度高 频率范围宽（频率范围宽（010kHz010kHz） 抗干扰能力强抗干扰能力强 不受油污等介质影响不受油污等介质影响 非接触测量非接触测量 测量静态位移测量静态位移 测量汽轮机、压缩机、测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等轴向位移、转速等 工况监测与故障诊断工况监测与故障诊断中应用甚广。中应

11、用甚广。 p 应用应用4.3 4.3 振动测试系统振动测试系统4.3.1 4.3.1 振动测试基本方法振动测试基本方法（1 1）振幅的测量）振幅的测量 机械振动测量中，有时不需要测量振动信号的时间历程机械振动测量中，有时不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值，即振动位移、速度和曲线，而只需要测量振动信号的幅值，即振动位移、速度和加速度信号的有效值，有时也包括峰值的测量。加速度信号的有效值，有时也包括峰值的测量。 机械工程中最常采用机械工程中最常采用压电式加速度计压电式加速度计和和磁电式磁电式速度计速度计作为测振传感器来测量机械振动。作为测振传感器来测量机械振动。 （2 2

12、）振动频率和相位的测量）振动频率和相位的测量1)1)简谐振动频率的测量简谐振动频率的测量 简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、直读法、简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、直读法、频谱分析法频谱分析法等。等。 李萨如图形比较法李萨如图形比较法 基本原理：两个相互垂直、频率相等的简谐振动信号合成基本原理：两个相互垂直、频率相等的简谐振动信号合成后的振动图形可由一椭圆方程表示。后的振动图形可由一椭圆方程表示。 频谱分析法：频谱分析法： 用快速傅里叶变换（用快速傅里叶变换（FFTFFT）的方法，将振动的时域信号变换）的方法，将振动的时域信号变换为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。

13、为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。 2)2)同频简谐振动相位差的测量同频简谐振动相位差的测量 线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、频谱分析法频谱分析法等等 （3 3）机械系统固有频率的测量）机械系统固有频率的测量 固有频率固有频率共振频率共振频率 机械系统作自由振动时的振动频率，与系统本身的质量机械系统作自由振动时的振动频率，与系统本身的质量( (或转动惯量或转动惯量) )、刚度有关。、刚度有关。 在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达到某一特在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达到某一特定值时，振动量的振幅值达到极大值的现象称为共振。共

14、振定值时，振动量的振幅值达到极大值的现象称为共振。共振时的激励频率就称为共振频率。时的激励频率就称为共振频率。 mkn/加速度共振频率加速度共振频率速度共振频率速度共振频率位移共振频率位移共振频率221nrnv2a21n 注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，测得的速注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，测得的速度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。固有频率的测量方法：共振频率法、敲击法固有频率的测量方法：共振频率法、敲击法（4 4）相对阻尼系数的测定）相对阻尼系数的测定 通常，可用通常，可用自由振动衰减法，半功率点法自由振动衰减法，半功率点法和和共振法共

15、振法进行进行测定。测定。1 1）自由振动衰减法）自由振动衰减法23112lnAA对数衰减比：对数衰减比：2当当 较小时：较小时：21dn2122nddT又因为：又因为：所以：所以： A21221ab1n20n212（2 2）半功率点法）半功率点法4.3.2 4.3.2 测振系统的定度和校准测振系统的定度和校准（1 1）绝对校准法）绝对校准法 绝对校准法是将被校准的传感器置于精密的振动台上承绝对校准法是将被校准的传感器置于精密的振动台上承受振动，通过直接测量振动的振幅、频率和传感器的输出电受振动，通过直接测量振动的振幅、频率和传感器的输出电量来确定传感器的特性参数。量来确定传感器的特性参数。 绝

16、对校绝对校准法准法振动校准法振动校准法互易法互易法激光干涉校准法激光干涉校准法重力加速度法重力加速度法共振梁法共振梁法（2 2）比较校准法）比较校准法 比较校准法，是将被校准的传感器与标准传感器相比比较校准法，是将被校准的传感器与标准传感器相比较。校准时，将被校准传感器和标准传感器一起安装在标准较。校准时，将被校准传感器和标准传感器一起安装在标准振动台上，使它们承受相同的振动，然后，精确地测定它们振动台上，使它们承受相同的振动，然后，精确地测定它们的输出电量，被校传感器的灵敏度由下式计算得到：的输出电量，被校传感器的灵敏度由下式计算得到：00)/(aaaSeeS “背靠背背靠背”安装法安装法（

17、3 3）1g1g标准加速度校准法标准加速度校准法4.3.34.3.3测试方案制定和测试系统的选择测试方案制定和测试系统的选择（1 1）测试方案的制定）测试方案的制定 所要研究、解决问题的性质与要求；所要研究、解决问题的性质与要求； 所测对象的情况所测对象的情况( (如尺寸、质量和频率等如尺寸、质量和频率等) )，试件或激振，试件或激振器的安装方式器的安装方式( (弹性支承或刚性固紧弹性支承或刚性固紧) )，夹具和激振推力杆的传，夹具和激振推力杆的传递恃性等；递恃性等； 测量要求，振动类型、频率范围、振级和环境条件，传测量要求，振动类型、频率范围、振级和环境条件，传感器的安装方式及其质量对振动的影响；感器的安装方式及其质量对振动的影响； 分析研究或监测要求；分析研究或监测要求； 整个测试方案，仪器系统及对整个测量系统整个测试方案，仪器系统及对整个测量系统( (包括电缆包括