测试技术基础第六章_振动的测试

1、Page: 1振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 2振动的测试概述振动的测试概述 机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象 振动的危害振动的危害 机械振动的利用机械振动的利用 振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用的应用 Page: 3振动的危害振动的危害 振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷振

2、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甚使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。在大多数的情况下，机至导致损坏造成事故。在大多数的情况下，机械振动是有害的。械振动是有害的。 精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传来的振动来的振动Page: 4机械振动的利用机械振动的利用 主要体现在振动机械上，通过合理设计，达主要体现在振动机械上，通过合理设计，达到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。Page: 5振

3、动信号在设备运行状态检测和振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用故障诊断方面的应用 机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具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。有相同的频率组成。 虽然两者传输方式以及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种程度上反映机器运行状况，它们的频谱都在某种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均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参数。数。Page: 6振动的测试概述振动的测试概述(2) 振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位机械

4、设备的性能分析、运行过程的监测、诊断、对工作环境的控制等 应用实例Page: 7Page: 8Page: 9Page: 10Page: 11车身模态分析车身模态分析（多输入多输出（多输入多输出）Page: 12在意大利在意大利AIENIA测试的机身结构测试的机身结构（8个激振器和个激振器和896个传感器）个传感器）Page: 13振动的测试概述振动的测试概述(3) 振动测试大致可分为两类 1.1.测量设备和结构所存在的振动。测量设备和结构所存在的振动。 2.2.对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其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；此类振动测试的目的是研究设备

5、或结构的力学动态特振动；此类振动测试的目的是研究设备或结构的力学动态特性。性。 提醒注意提醒注意: 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、加速度和振动度、加速度和振动 频率。有时则需要对所测的信号作进一步频率。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，进而确定对象的固的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的有频率、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供依据。频率响应特性，或寻找振源，并为

6、采取有效对策提供依据。Page: 14常见的振动测量系统常见的振动测量系统1Page: 15常见的振动测量系统常见的振动测量系统2Page: 16常见的振动测量系统常见的振动测量系统3Page: 17常见的振动测量系统常见的振动测量系统4Page: 18振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 19单由度系统单由度系统质量块受力引起的质量块受力引起的的

7、受迫振动的受迫振动22()dzd zmck zftd td t运动微分方程运动微分方程频率响应、幅频特性、相频特性频率响应、幅频特性、相频特性Page: 20位移位移共振频率、速度共振频率和相位共振共振频率、速度共振频率和相位共振 通常把幅频曲线上幅值比最大通常把幅频曲线上幅值比最大处的频率称为处的频率称为位移共振频率位移共振频率r r ； 位移共振频率随阻尼的减小而位移共振频率随阻尼的减小而向向n n 靠近。在小阻尼时，靠近。在小阻尼时，rr很很接近接近nn，故常采用，故常采用r r 来代替来代替n n ； 从相频曲线上可看到从相频曲线上可看到, ,不管系不管系统的阻尼比是多少统的阻尼比是多

8、少, ,在在(/ (/ n)=1n)=1时位移始终落后于激振力时位移始终落后于激振力9090O O, ,这被称为相位共振。这被称为相位共振。Page: 21 小结： 在激振频率远小于固有频率时在激振频率远小于固有频率时, ,输出位移随激振频率输出位移随激振频率的变化非常小；的变化非常小； 当激振频率大于固有频率时，输出位移为零当激振频率大于固有频率时，输出位移为零, ,质量块质量块近于静止；近于静止； 当激振频率接近固有频率时当激振频率接近固有频率时, ,系统的响应特性取决于系统的响应特性取决于系统阻尼系统阻尼, ,并随频率的变化而剧烈的变化并随频率的变化而剧烈的变化。Page: 22Page

9、: 23单由度系统由单由度系统由基础运动引起的基础运动引起的受迫振动受迫振动 质量块绝对运动方程质量块绝对运动方程 质量块相对运动方程质量块相对运动方程 频率响应频率响应 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性0)()(1010202zzkzzcmdtddtzd2 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 cmm 2 2n n2 2n nn n2 2n n2 22 22 2n nn n2 2n n2 2n n( () )1 1 ( () )2 2j j( () )1 1 ( () )(

10、(2 2) )1 1H H( () )A A( () )( () )a ar rc ct ta an nPage: 24 小结 当激振频率远小于系统固有频率时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质量块相对基础的振动为0 0，也就，也就是质量块几乎随着基础一起振动；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，而当激振频率远远高于固有频率时，A(A() )接近接近1 1，说明质量块和壳体的，说明质量块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动相对运动（输出）和基础的振动（输入）近似相等。从而表明质量（输入）近似相等。从而表明质量块在惯性坐标系中几乎处于静止状块在惯性坐标

11、系中几乎处于静止状态。态。 这种现象被广泛用于测振仪器中Page: 25振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 269-1 设有单自由度振动系统、其活动质量块为0.44kg，弹簧刚度为52.5*104N/m，阻尼比=0.068，求此系统的粘性阻尼系数，固有频率以及质量块受周期力激励下其位移共振频率、速度共振频率。9-5 用磁电式速度传感器测频率为30

12、Hz的振动，传感器阻尼比=0.7，固有频率fn=15Hz，求振幅测量误差是多少？Page: 27脉冲激励脉冲激励-力锤力锤Page: 28脉冲锤结构与激振力频谱脉冲锤结构与激振力频谱Page: 29振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 30激激 振振 器器 定义定义 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激起激振器是对试件施加某种预定要求的激振力

13、，激起试件振动的装置。试件振动的装置。 作用作用 在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力的交变力 常用的激振器常用的激振器 电动式电动式、电磁式、电液式。、电磁式、电液式。 Page: 31电动式激振器电动式激振器Page: 32 电动式激振器电动式激振器 按其磁场的形成又分为永磁按其磁场的形成又分为永磁式（小型激振器）和励磁式式（小型激振器）和励磁式（大型激振器）（大型激振器）。 注意注意由顶杆施加到试件上的由顶杆施加到试件上的激振力不等于线圈受到激振力不等于线圈受到的电动力的电动力一般最好使顶杆通过一一般最好使顶杆通过一只力传感器去

14、激励试件，只力传感器去激励试件，以便精确测出激振力的以便精确测出激振力的大小和相位。大小和相位。Page: 33电动式激振器的应用电动式激振器的应用Page: 34电动式激振器的应用电动式激振器的应用车身模态分析车身模态分析（多输入多输出（多输入多输出）Page: 35振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 36振动的测量方法及测振传感器振动测量方法

15、按振动信号转换后的形式可分为：振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：名称名称原理原理优缺点优缺点电测法电测法将被测件的振动量转化成电将被测件的振动量转化成电量量,而后用电量测试仪测量而后用电量测试仪测量灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性范围宽。便于分析和遥测。易受电磁干扰。范围宽。便于分析和遥测。易受电磁干扰。目前应用最广目前应用最广。机械法机械法利用杠杆原理将振动量放大利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围、动态范围、和抗干扰能力强，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线形范围窄。测试时会给试

16、件产生一定的负载效应，影响测试结果。主要负载效应，影响测试结果。主要用于低频用于低频大振幅振动及扭振的测量大振幅振动及扭振的测量。光学法光学法利用光杠杆原理、读数显微利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测量普勒效应和光纤等进行测量不受电磁干扰，测量精度高，适用于对质不受电磁干扰，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量和体积小、不易安装传感器的试件作非接触测量。接触测量。在精密测量和传感器、测振仪在精密测量和传感器、测振仪的校准、定度中用的较多的校准、定度中用的较多。Page: 37 按测振时拾振器是否与被测件接触可将

17、拾振器分为：按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为：接触式接触式和和非接触式非接触式 按所测的振动性质可将拾振器分为：按所测的振动性质可将拾振器分为：绝对式绝对式和和相对式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被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质量系统感受振动。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Page: 38常用传感器常用传感器 涡流位移传感器涡流位移传感器 电容传感器电容传感器 磁电式速度计磁电式速度计 压电式加速度计压电式加速度计 阻抗头阻抗头Page: 39涡流位移传感器涡流位移传感器Page:

18、 40涡流位移传感器涡流位移传感器Page: 41电容传感器电容传感器 非接触式电容传感器常用于位移测量中。非接触式电容传感器常用于位移测量中。 接触式的电容传感器常用于振动测量。该类接触式的电容传感器常用于振动测量。该类型信号的信号转换放大电路主要采用频率调制型信号的信号转换放大电路主要采用频率调制型（增大电路的灵敏度和可靠性）。型（增大电路的灵敏度和可靠性）。 工作频率范围工作频率范围 0Hz0Hz300Hz,300Hz,实现超低频测量；实现超低频测量；连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分辨率达辨率达0.1mg0.1mg。 Page: 42Pag

19、e: 43磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计Page: 44磁电式相对速度计磁电式相对速度计Page: 45常用压电传感器1Page: 46压电式加速度计压电式加速度计 中心压缩型中心压缩型 高的共振频率，基座变高的共振频率，基座变形影响输出，测试对象形影响输出，测试对象和环境温度变化易引起和环境温度变化易引起温度飘逸温度飘逸 三角剪切型三角剪切型 有高的共振频率和良好有高的共振频率和良好的线性，对底座变形和的线性，对底座变形和温度变化有良好的隔离温度变化有良好的隔离作用作用 环形剪切型环形剪切型 极小型的，高的共振频极小型的，高的共振频率，最高工作温度受限率，最高工作温度受限制制使用时注意：使

20、用时注意：共振频率与加速度计的固定状况有关共振频率与加速度计的固定状况有关Page: 47压电加速度计的幅频特性压电加速度计的幅频特性 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率共振频率Page: 48压电加速度计的压电加速度计的安装方法安装方法Page: 49压电加速度计的灵敏度和前置放大器压电加速度计的灵敏度和前置放大器 灵敏度灵敏度 电荷灵敏度与电压灵敏度电荷灵敏度与电压灵敏度 前置放大器前置放大器 电压放大器：电压放大器：受连接电缆对地电容的影响受连接电缆对地电容的影响 电荷放大器：电荷放大器：不受电缆电容的影响不受电缆电容的影响Page:

21、 50电荷放大器电荷放大器Page: 51阻抗头阻抗头 在激振实验中常在激振实验中常常用到；前端为常用到；前端为力传感器，后面力传感器，后面为激振点响应的为激振点响应的加速度传感器加速度传感器Page: 52测振传感器的合理选择测振传感器的合理选择 直接测量参数的选择直接测量参数的选择 低频时加速度信噪比差低频时加速度信噪比差 高频时位移信噪比差高频时位移信噪比差 综合考虑传感器的各个指标综合考虑传感器的各个指标 灵敏度、测量范围、频率范围灵敏度、测量范围、频率范围 考虑到具体的使用环境考虑到具体的使用环境Page: 53振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫

22、振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 54振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 基于带通滤波的频谱分析仪基于带通滤波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波器分离出信号在滤波器带通内的信号 跟踪滤波技术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，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

23、达到在强噪声干扰下提取有用信息的滤波方法从而达到在强噪声干扰下提取有用信息的滤波方法Page: 55振动的分析方法与仪器（振动的分析方法与仪器（2） 振动信号处理与分析振动信号处理与分析一般的谱分析：一般的谱分析：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到信号频谱结构的全貌。最终可以得到信号频谱结

24、构的全貌。与激振频率同频成分的提取：与激振频率同频成分的提取：用相关滤波或用相关滤波或FFTFFT算法都可以实现这种要算法都可以实现这种要求。对于求。对于FFTFFT，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使FFTFFT谱线落在参考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。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：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；时发生的，不允许有时差；两通道应该使用

25、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。其进行平均，以提高测试的精度。Page: 56振动的测试振动的测试 概述概述 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 振动的激励振动的激励 激振器激振器 振动测量方法和常用传感器振动测量方法和常用传感器 振动的分析方法与仪器振动的分析方法与仪器 测振装置的校准测振装置的校准 机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计Page: 57测振装置的校准测振装置的校准 把测振传感器、放大器和记录仪器放在全套仪把测振传感器、放大器和记录仪器放在全套仪器测量系统中，求得测振仪最初输入量和最终器测量系统中，求得测振仪最初输入量和最终输出量的关系输出量的关系-校准值。校准值。 分部校准分部校准 传感器校准、放大器校准、记录仪校准传感器校准、放大器校准、记录仪校准 系统校准系统校准 对整个系统进行校准对整个系统进行校准Page: 58传感器的校准传感器的校准 静态校准法静态校准法 仅能用于校准具有零频率响应的传感器及测量仪仅能用于校准具有零频率响应的传感器及测量仪器，如：电涡流式、电感式及电容式等相对式位器，如：电涡流式、电感式及电容式等相对式位