振动测试系统

1、5.1 5.1 振动的基础知识振动的基础知识5.2 5.2 测振传感器测振传感器5.3 5.3 振动测试系统振动测试系统5.1 5.1 振动的基础知识振动的基础知识 振动类型振动类型 稳态振动稳态振动 随机振动随机振动 机械振动是指机械设备在运动状态下，机械设机械振动是指机械设备在运动状态下，机械设备或结构上某观测点的位移量围绕其均值或相对基备或结构上某观测点的位移量围绕其均值或相对基准随时间不断变化的过程。机械振动具有双面性，准随时间不断变化的过程。机械振动具有双面性，有益也有害。有益也有害。 振动的基本参数振动的基本参数振动三要素（信号三要素）：振动三要素（信号三要素）：幅值幅值、频率频率

2、、相位相位 幅值幅值 振动强度大小的标志。表示方法：单峰振动强度大小的标志。表示方法：单峰值、有效值、平均值等。值、有效值、平均值等。 频率频率 周期的倒数。通过频谱分析可以确定主周期的倒数。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，要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。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。 获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固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、响应和模态等。有频率、阻尼、响应和模态等。振动测试包括：振动测试包括： 测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，

3、如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。振动的位移、速度、加速度、频率和相位等。 了解被测对象的振动状态了解被测对象的振动状态 评定等级评定等级 寻找根源寻找根源 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，测量其受迫振动。5.2 5.2 测振传感器测振传感器 机械振动测试方法一般有机械法、光学法和电测法，机械振动测试方法一般有机械法、光学法和电测法，目前最为广泛应用的是目前最为广泛应用的是电测法电测法，即将被测对象的振动量转，即将被测对象的振动量转换成电量，然后

4、用电测量仪器进行测量。换成电量，然后用电测量仪器进行测量。 测振传感器也称为拾振器，它是感受物体振动并将测振传感器也称为拾振器，它是感受物体振动并将其转换成电信号的一种传感器。其转换成电信号的一种传感器。测测振振传传感感器器测振参数分类：位移、速度、加速度传感器测振参数分类：位移、速度、加速度传感器参考坐标系分类参考坐标系分类变换原理分类：磁电式、压电式、电阻应变式、电变换原理分类：磁电式、压电式、电阻应变式、电 感式、电容式、光学式感式、电容式、光学式传感器与被测物关系分类：接触式、非接触式传感器与被测物关系分类：接触式、非接触式相对式传感器相对式传感器： 只有活动件与被测只有活动件与被测对

5、象接触，其余固定在基础上对象接触，其余固定在基础上绝对式传感器：绝对式传感器：完全置于被测对象完全置于被测对象上，利用弹簧支撑一个惯性体来感上，利用弹簧支撑一个惯性体来感受振动，故又为惯性式测振传感器受振动，故又为惯性式测振传感器在振动测试中，最常用的是在振动测试中，最常用的是压电式加速度传感器和磁电式绝压电式加速度传感器和磁电式绝对速度传感器对速度传感器，都属于惯性式测振传感器。，都属于惯性式测振传感器。5.1.1 5.1.1 惯性式传感器力学原理惯性式传感器力学原理单自由度的受迫振动单自由度的受迫振动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p 传感器输入：传感

6、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对位质量块相对于壳体的相对位移为移为x x0101 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 mknkmc2nnnjH2)(1)()(2222221012)(1 )()(nnnXXA2)

7、(12arctan)(nn惯性式位移传感器惯性式位移传感器的幅频特性和相频特性的幅频特性和相频特性具有高通特性具有高通特性2 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 ，一般取，一般取 ，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动下限频率，此时，下限频率，此时， 接近于一条水平接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。直线，不产生振幅畸变。 1/n5)3(/n)(A 当阻尼当阻尼 时，时， 水平水平直线宽度最宽，即扩大了下限频率。直线宽度最宽，即扩大了下限频率。7 . 06 . 0)(A 位移传感器测量上限理论上是无限位移传感器测量上限

8、理论上是无限的，但实际的工作频率范围是有限的。的，但实际的工作频率范围是有限的。3 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振动的加速度成正比，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反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：性为：2222210121201)/(2)/(1 1)(nnnaXXdtxdXA具有低通特性。具有低通特性。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: ，一般

9、取，一般取 ，即即 ，此时，此时， 接近接近于一条水平直线。于一条水平直线。 1/n)5131(/n)(A)53(n 当阻尼当阻尼 时，时， 水平水平直线宽度最宽，即扩大了上限频率。直线宽度最宽，即扩大了上限频率。7 . 06 . 0)(A惯性式加速度传感器的最大优点是它惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频具有零频特性特性，即理论上它的可测下限频率为零，实际上是，即理论上它的可测下限频率为零，实际上是可测频率极低。惯性式加速度传感器使用广泛可测频率极低。惯性式加速度传感器使用广泛4 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

10、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的大小。速度传感器幅频特性为：被测振动速度的大小。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：反映被测振动的速度，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。分小，因此，在工程实践中很少使用。nvA2/1)(此时

11、此时压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器属于惯性式（绝对式）属于惯性式（绝对式）传感器。传感器。 工作原理：压电效应工作原理：压电效应 结构：结构：质量大的压电加速度传感器可测上限频率低，灵敏度高；质量大的压电加速度传感器可测上限频率低，灵敏度高；质量小的压电加速度传感器可测上限频率高，灵敏度低。质量小的压电加速度传感器可测上限频率高，灵敏度低。5.1.2 相对式传感器相对式传感器 壳体壳体2 2固定在相对静止固定在相对静止的物体上，作为参考点。的物体上，作为参考点。活动的顶杆活动的顶杆3 3用弹簧以一定用弹簧以一定的初压力压紧在振动物体的初压力压紧在振动物

12、体上，在被测物体振动力和上，在被测物体振动力和弹簧恢复力的作用下，顶弹簧恢复力的作用下，顶杆跟随被测振动件一起运杆跟随被测振动件一起运动，因而和测杆相连的变动，因而和测杆相连的变换器换器l l将此振动量变为电信将此振动量变为电信号。号。 测杆的跟随条件测杆的跟随条件 相对式测振传感器测量要准确，必须满足测相对式测振传感器测量要准确，必须满足测杆的跟随条件，即：杆的跟随条件，即： mnmnmxffxxkmx222)()( 如果在使用中弹簧的压缩量如果在使用中弹簧的压缩量x x不够大，或者被不够大，或者被测物体的振动频率测物体的振动频率f f过高，不能满足上述跟随条件，过高，不能满足上述跟随条件，

13、顶杆与被测物体就会发生撞击。因此顶杆与被测物体就会发生撞击。因此相对式传感器只相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。能在一定的频率和振幅范围内工作。 磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器p 工作原理工作原理 电磁感应原理电磁感应原理p 磁电式相对速度传感器结构磁电式相对速度传感器结构优点：不需要外加电源，输出信优点：不需要外加电源，输出信号可以不经放大即可远距离传送号可以不经放大即可远距离传送缺点：频率范围有限，寿命不长缺点：频率范围有限，寿命不长例题：例题：1、惯性式位移传感器具有、惯性式位移传感器具有1HZ的固有频率，认为是的固有频率，认为是无阻尼的振动系统，当它受到频率为无阻

14、尼的振动系统，当它受到频率为2HZ的振动时，的振动时，仪表指示振幅为仪表指示振幅为1.25mm，求该振动系统的真实振幅，求该振动系统的真实振幅是多少？是多少？22221012)(1 )()(nnnXXA解：已知：mmXHzfHzfn25. 1,2, 0,101342)(1 )(2222101nnnXX2n因为，所以mmX9375. 04325. 11所以振动系统的真实振幅为：所以振动系统的真实振幅为：2 2、图是用压电式加速度传感器与电荷放、图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知，传感器大器测量某机器的振动。已知，传感器的灵敏度为的灵敏度为 100100（pC/gpC/g）

15、，电荷放大器），电荷放大器的反馈电容的反馈电容C=0.01(C=0.01( F)F)，测得输出电压，测得输出电压的峰值的峰值Uom=0.4(V)Uom=0.4(V)，振动频率为，振动频率为100(HZ)100(HZ)。求：。求：(1)(1) 求机器振动加速度的最大值求机器振动加速度的最大值A(m/sA(m/s2 2); ); (2)(2) 假定振动为正弦波，求振动速度假定振动为正弦波，求振动速度v(t); v(t); (3)(3) 求振动幅度的最大值求振动幅度的最大值X. X. 解：解：（2 2）、已知）、已知)/(6282,sin)(sradftAta5.3 5.3 振动测试系统振动测试系统

16、 一般的振动测试系统通常由激振、拾振、一般的振动测试系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。置等环节所组成。 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。激振器体积小、重量轻。（1 1）激振）激振 拾振部分是振动测试系统的最基本部分，它拾振部分是振动测试系统的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或

17、系统的性能。最常的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。最常用的是压电加速度传感器和磁电式速度传感器。用的是压电加速度传感器和磁电式速度传感器。（2 2）拾振）拾振 从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析处理，以提取出各到的力信号需经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、仪、频率分析仪、FFTFFT分析仪和虚似频谱分析仪分析仪和虚似频谱分析仪等。等。（3 3）振动分析仪器）振动分析仪器5.3.1 5.3.1 振动参量的测量振动参量的测量1 1、

18、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、速度和加速度信号的有效值，有时也包振动位移、速度和加速度信号的有效值，有时也包括峰值的测量。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磁电式速度计式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、振动频率和相位的测量、振动频率和相位的测量p 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、录

19、波简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、录波比较法、直读法、比较法、直读法、频谱分析法频谱分析法等。等。 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）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。号变换为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。 p 同频简谐振动相位差的测量同频简谐振动相位差的测量 同频简谐振动相位差的测量方法也有多种，如线性扫同频简谐振动相位差的测量方法也有多种，如线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、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

20、量 p 固有频率固有频率p 共振频率共振频率 机械系统作自由振动时的振动频率，与系机械系统作自由振动时的振动频率，与系统本身的质量统本身的质量( (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。共振时的激励频率就称为共振的现象称为共振。共振时的激励频率就称为共振频率。频率。 p 自由振动衰减法自由振动衰减法MiMi+nty(t)ddT221dnniinMM ln22224nnnn n是两个超调量相隔的峰值个数。是两

21、个超调量相隔的峰值个数。p 共振法共振法 当激振频率接近于系统的固有频率时，振动当激振频率接近于系统的固有频率时，振动响应就急剧增大响应就急剧增大221nr2121)0()(AArn位移共位移共振频率振频率p 半功率法半功率法n212适合阻尼比较小。适合阻尼比较小。4 4、衰减系数及相对阻尼系数的测定、衰减系数及相对阻尼系数的测定 衰减系数及相对阻尼系数是通过振动系统的某衰减系数及相对阻尼系数是通过振动系统的某些其它参数进行间接测量的。通常，可用些其它参数进行间接测量的。通常，可用自由振动自由振动衰减法衰减法，半功率点法和共振法进行测定。，半功率点法和共振法进行测定。 自由振动法通常只能用来测

22、量第一阶固有振型自由振动法通常只能用来测量第一阶固有振型的衰减系数。如果要测量高阶固有振型的衰减系数，的衰减系数。如果要测量高阶固有振型的衰减系数，必须确知能激出高阶振型，并确知要测的某阶固有必须确知能激出高阶振型，并确知要测的某阶固有频率。利用带通滤波器阻断其他各阶自由振动信号，频率。利用带通滤波器阻断其他各阶自由振动信号，只容待测得那一阶通过，然后可用以上方法来求得只容待测得那一阶通过，然后可用以上方法来求得待测阶数的衰减系数。待测阶数的衰减系数。5.3.2 5.3.2 测振系统的定度和校准测振系统的定度和校准 由许多测试仪器组成的一套测试装置，可由许多测试仪器组成的一套测试装置，可用两种

23、方法来确定整个装置的灵敏度用两种方法来确定整个装置的灵敏度：（1 1）根据各个组成部分灵敏度计算总灵敏度）根据各个组成部分灵敏度计算总灵敏度（2 2）直接校准总灵敏度）直接校准总灵敏度进行重要试验时，采用后一种方法较好。进行重要试验时，采用后一种方法较好。p 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量来确定传感器的特性参数。和传感器的输出电量来确定传感器的特性参数。 绝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

24、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 激光干涉校准法激光干涉校准法的原理是将被校准的测的原理是将被校准的测振装置安装在一个能产生正弦振动的标准振振装置安装在一个能产生正弦振动的标准振动台上，用激光干涉仪等手段测出振动台的动台上，用激光干涉仪等手段测出振动台的振动频率和振幅，此法用于校准测振装置的振动频率和振幅，此法用于校准测振装置的机械输入量。被校测振装置的输出量可通过机械输入量。被校测振装置的输出量可通过相应的电气测量系统获得，从而可计算出其相应的电气测量系统获得，从而可计算出其灵敏度或其它特性参数。灵敏度或其它特性参数。 例：校准一只加速度传感器的灵敏度例：校准一只加速度传感器的灵敏度 机械输入量是加速度：机械输入量是加速度：)2sin()2(2ftAfa传感嚣的电压输出量为：传感嚣的电压输出量为：)2sin(fte加速度传感器的灵敏度为：加速度传感器的灵敏度为：AfeSa2)2(Afe2)2(9800(mV/mm/s2) = (mV/g) p 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振动台上，使它们承受相同感器一起安装在标