机械工程测试第八章振动测试

1、8.1 测振传感器8.2 典型测振传感器8.3 振动测量与试验8.4 振动试验装置简介 机械振动测试方法：v机械方法机械方法: 振动频率低、振幅大、精度不高。v光学方法光学方法: 精密测量和振动传感器的标定 v电测方法电测方法: 应用范围最广 v按测振参数分按测振参数分：位移、速度、加速度传感器；v按参考坐标分按参考坐标分：相对式、绝对式(惯性式）传感器；v按变换原理分按变换原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式；v按传感器与被测物关系分按传感器与被测物关系分：接触式、非接触式传感器 拾取振动信息的装置通常称拾振器，传感器是其核心组成部分。机械振动测试方法：8.1 测振传感

2、器相对式、绝对式传感器v相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对位移或速度。v绝对式传感器是以大地为参考基准，即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。测杆跟随条件： 弹簧恢复力所产生的加速度大于被测振动件的加速度mmmxxmxxaamxkmF2n22maxmax)(k 对简谐振动 如果在使用中弹簧的压缩量不够大，或者被测物体的振动频率过高不能满足上述跟随条件，顶杆与敲测物体就会发生撞击。因此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)()()()(22tftkydttdycdttydmnnjkH21/1)(22222

3、41/1)(nnkA212arctan)(nn绝对式(惯性式)测振传感器 Z01(y)H(w)Z1(x)幅频曲线惯性式测振传感器原理v惯性传感器是二阶测试系统。其频率响应函数为： v幅频特性 (即为输出信号与输入信号的幅值比) 为：v相频特性表达式为 )(41)(22222AAnnn2)(1)(2arctan)(nnnnnjH21)/()(22惯性位移传感器的正确响应条件：v当测试系统输入为 ,其响应的稳态输出可写为：v可见正确响应条件： 理论上上限频率无限 222220041nnnxytxxcos07 . 06 . 0531nn一般取惯性式速度传感器的正确响应条件v当惯性传感器的输入为 ,输

4、出为 时,称为速度传感器。对于速度传感器,可将式(A)的分子和分母同乘被测振动频率,得 v惯性速度传感器与惯性位移传感器有着相同的幅频特性和相频特性。v正确响应条件： 理论上上限频率无限x y 2222200)(4)(1)(nnnxy7 .06 .01n惯性加速度传感器的正确响应条件v加速度传感器的输入是 ,输出是 。由式(A)得：v若 为一常数,则传感器质量元件相对壳体的位移与被测振动加速度成正比。为便于分析幅频特性,将式改写：v正确响应条件22222200)(4)(11nnnxyx y200 xy222220204)(11nnnxy7 .06 .031511）（一般取：nn理论上下限频率为

5、零v测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系统的附加质量。v拾振器的质量造成被测系统加速度和固有频率的变化可用下式来估计：v只有当mtn时，质量块在绝对空间中近乎静止，从而被测物（它和壳体固接）与质量块的相对位移、相对速度就分别近似其绝对位移和绝对速度。 惯性式速度传感器工作原理磁电式相对速度传感器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，使传感器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势来。 8.2.2 压电式加速度传感器 （1 1）压电式加速度计的结构）压电式加速度计的结构 l 压电式加速度传感器又称压电加速度计。属于惯性式传感器

6、。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。l 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。l 目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起，方便了使用，降低了成本。 a)中央安装压缩型b)环形剪切型c)三角剪切形压电式加速度计的结构加速度计的使用上限频率取决于共振频率。加速度计不同

7、固定方法，其共振频率不同。钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。压电式加速度计的固定方法压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。方法。前者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比；后者前者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电压（是加速度计输出电压（mVmV）与所承受加速度之比。）与所承受加速度之比。式式 中：中： q加速度计产生的电荷加速

8、度计产生的电荷(-微微 微微 库库 仑仑); a加速度计所受加速度加速度计所受加速度; ea加速度计的开路电压加速度计的开路电压(mV);几乎所有测振仪器都用几乎所有测振仪器都用g g作为加速度单位。作为加速度单位。 aesaqsaua 对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。 横向灵敏度:压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。

9、一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。压电式加速度计的影响因素8.3 振动测量与试验 振动参数：表示振动特性的量值。振动位移（振幅）、速度、加速度、频率、衰减系数（阻尼）、相位、固有频率、振型、激振力、动应力等。速速 度度sin()cos()2dxvAtAtdt 2468101214-1-0.50.51vt xa)tcos(Ax 位位 移移振动方程振动方程加速度加速度22cos()cos()dvaAtAtdt 电压测量系统电压测量系统（1）、压电式加速度传感器测量系统）、压电式加速度传感器测量

10、系统 压压 电电 式式加速度传感器加速度传感器阻抗变换器阻抗变换器积分放大器积分放大器测振仪测振仪电荷放大器电荷放大器毫伏表毫伏表记录仪表记录仪表电荷测量系统电荷测量系统（2）、电动式速度传感器测量系统）、电动式速度传感器测量系统 电电 动动 式式速度传感器速度传感器微积分放大器微积分放大器电电 压压 表表测测 振振 仪仪（3）、涡流式位移传感器测量系统）、涡流式位移传感器测量系统 涡涡 流流 式式位移传感器位移传感器振荡器振荡器高频放大器高频放大器鉴频器鉴频器功率放大器功率放大器 输输 出出位移指示位移指示交流放大器交流放大器检波器检波器振动指示振动指示振动量测量系统v正弦测量系统： 适用于

11、按简谐振动规律的系统。对机电产品进行动态性能测试及环境考验时，也都是用正弦测量系统测量其响应。正弦测量系统的优点在于测量比较精确，因而也最为常用。v应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。典型的正弦测量系统如图所示。2 . 简谐振动频率的测量1)、李沙育图形法振动物体传感器测量放大器示波器Y轴输入X轴输入信号发生器李李沙沙育育图图形形2)、录波比较法利用时标信号确定振动物体的频率振动物体传感器测量放大器光线振子示波器时标信号：1秒、0.1秒、0.01秒0.01秒10 0.01秒（6T）秒01. 0106T秒601THz601Tf光光线

12、线振振子子示示波波器器结结构构简简图图出纸速度出纸速度mm/s250v时标时标秒1 . 05T量出量出mm735TLs292. 0mm/s250mm735T周期：周期：s0584. 05292. 0T频率：频率：Hz1 .170584. 011Tf出纸速度由示波器面板读出，出纸速度由示波器面板读出，也可以由时标线之间的长度计算得出。也可以由时标线之间的长度计算得出。秒1 . 0出纸速度：出纸速度：tlvt时标时标时标长度时标长度如果取如果取 n 个波形，量出长度个波形，量出长度nL则频率计算公式为：则频率计算公式为：nLvnf3)、直读法（数字频率计数器测频法）振动物体传感器测量放大器放大整形

13、主控闸门计数器显示器石英晶体振 荡 器整 形分频器门时选择主控电路数字频率计数器3. 相位差的测量1)、李沙育图形法振动物体传感器测量放大器示波器Y轴输入X轴输入信号发生器maxy1y)sin(11xAx)sin(22yAyyxmax112arcsinyy)(sin)cos(212212212221AyAxAyAx当：0 x)sin(122 Ay即：max112arcsinyy2)、录波比较法振动物体传感器测量放大器光线振子示波器用光线振子示波器记录两个振动信号的波形1、360abac2、1222hAarctg3)、直读法（相位差计测量法）模拟式相位计数字式相位计4 机械系统固有频率的测量1)

14、、共振法位移共振：221n221n速度共振：1nn加速度共振：2211n221n小阻尼情况：11212共振频率：n系统的固有频率共振法测量固有频率的测量系统试件激振器信号发生器功率放大器传感器测 振 仪示 波 器频 率 计恒压恒流采用扫频试验，测量系统的各阶固有频率。可测频率范围，由激振器的使用频率范围决定。1)、共振法 小阻尼情况：1共振频率：n系统的固有频率2)、敲击法（自由振动法）试件传感器测 振 仪光线振子示波器示波器Y轴输入X轴输入信号发生器5 阻尼的测量1）、自由振动法小阻尼情况：)sin()(tAetxdtn21nd2112lnlndniiTAA12取：NiiAANln1ln2自

15、由振动法测量系统的阻尼试件激振器信号发生器功率放大器传感器测 振 仪示 波 器频 率 计恒压恒流光线振子示波器关闭功率放大器的增益，系统作自由衰减振动。记录衰减振动波形调节激振频率，使系统在某一阶主振型下振动，记录该阶主振型的衰减振动曲线。2）、半功率点法2220)2()1 (1BB小阻尼情况下：1品质因子：21Q1212半功率点222)2()1 (12212Q解出：22212)21 (12121 121nn)1 ( )1 (21212n212系统的带宽nn2212 测出系统的幅频特性曲线，采用半功率点法求出系统的相对阻尼比。3）分量法求固有频率和阻尼比v受迫振动的频率响应函数为： 2)1 (1)(2jH222224)1 (1)(ReH22224)1 (2)(ImH实部实部虚部虚部分量法求固有频率