考试大礼包振动理论一

1、 第一部分 概述 现代力学测量技术 一、振动引起失效的模式对结构的影响 主要是变形、弯曲、产生裂纹和造成部件之间的相互撞击等。可能产生超极限应力破坏与疲劳破坏。对工作性能的影响 主要是运动部件动作不正常、接触部件接触不良、继电器产生误动作、电子器件噪声增大、指示灯闪烁等。对工艺性能的影响 主要是螺钉松动、连接件或焊点脱开等。二、振动测试目的检查机器运转时的振动特性，以检验其工作质量；测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故发生。三、振动测量

2、的工程应用领域结构的动力参数测试故障诊断环境和可靠性试验隔振、减振和振动控制有关振动利用的研究四、机械振动测试系统的一般组成框图五、振动的基本参数振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值：振动强度。它可以用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等；频率：振动信号变化的快慢。不同频率反映了系统内不同的振源；相位：确定共振点、振型测量、振动控制等。六、振动问题组成：激励、振动结构（系统）和响应分类：1、已知激励和振动结构，求响应 -系统动力响应分析 2、已知激励和响应，求系统参数 -系统识别 3、已知系统和响应，求激励 -载荷识别七、研究振动的方法理论分析法实验研究实测模型

3、研究建摸求解八、振动测量的基本内容 测量机器或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度等掌握被测对象的运行状态状态监测、故障诊断环境控制、等级评定对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力九、常用的振动测量方法机械法 -利用杠杆传动和惯性接收记录振动信号光测法 -将振动信号转换为光信息再进行测量电测法 -通过传感器将机械量转换为电量，再 对电量进行测量与分析十、振动测量系统的主要特性参数灵敏度频率范围动态范围横向灵敏度相位特性附加质量、附加刚度和环境条件1、灵敏度:传感器测量系统的输出信号与输

4、入信号的比值（有量纲） 2、频率范围:定义为测量系统灵敏度随频率的变化量不超出某一给定误差线的最高频率与最低频率之间的范围。 两端频率分别成为下限和上限频率。3、动态范围:定义一：测量系统灵敏度随输入信号的变化量不超出某一给定误差线的最大输入与最小输入之间的幅值范围定义二：测量系统输出与输入维持线性关系的最大输入与最小输入之间的幅值范围D=20log幅值上线幅值下限（dB)；4、横向灵敏度:定义：指传感器对垂直于测量主轴方向运动的敏感程度yxS横 =单位横向运动时产生的输出信号S主 100%一般要求传感器与振动台横向灵敏度越小越好5、相位特性:定义：指在简谐机械量输入时，测量系统同频率输出信号

5、对输入信号的相位滞后要求：=0o，180o 或 （）=其它:附加刚度、附加质量、环境条件振动分类产生原因变化规律自由度数自由振动受迫振动自激振动周期振动瞬态振动随机振动单自由度系统的振动多自由度系统的振动连续系统的振动十一、振动过程的分类2、简谐振动时域表示法振动位移振动速度振动加速度振动物体随时间按正弦或余弦规律变化的振动1、振动过程的描述振动过程的时域描述振动过程的频域描述两者的关系名称幅值幅值比峰值x(t)的最大值1峰峰值x(t)的最大值和最小值之差2平均绝对值0.636有效值 0.7073、周期振动时域特征参数系统运动量值按一定时间间隔重复出现的非简谐振动，可用谐波分析方法，将其分解为

6、若干个简谐振动之和。均值3、周期振动 傅立叶级数幅频曲线相频曲线其中3.1 周期振动的分解 3.2 周期振动频谱图的特点以方波为例 谱线是离散的，各高次谐波频率是基 波频率的整数倍，且最小频率间隔等 于基波频率 。 幅值谱的纵坐标显示每个谐波分量 在周期振动中所占的比例大小，其 单位为被测振动量的单位。4、准周期振动组成：由两个或两个以上频率比为无理 数的简谐振动的合成。特点：合成后不再是周期函数，但谱线 仍然是离散的。数学表达式：5、瞬态振动过程时域特征参数脉冲峰值脉冲宽度脉冲冲量脉冲能量5.1 冲击振动过程5.2衰减振动过程数学表达式（单自由度）时间历程曲线时域特征参数 振动幅值 衰减系数

7、 有阻尼固有频率5.3 冲击与衰减振动过程的频谱分析频谱分析傅立叶积分5.4 冲击过程频谱图的特征以方波为例特点： 谱线是连续的； 幅值谱的单位为被测信号的 单位除以频率；能量主要集中在0- 的频 率范围内，脉宽越窄，频率 范围越宽。5.5 衰减过程频谱图的特征衰减正弦衰减余弦5.6 几种典型信号的频谱 6、随机振动时间函数不能用精确的数学关系式来描述；不能预测它未来任何时刻的准确值；对这种信号的每次观测结果都不同，但大量地重复试验可以看到它具有统计规律性，因而可用概率统计方法来描述和研究。 6.1 随机振动时域波形6.2 随机振动时域主要特征参数均值均方值方差自相关函数互相关函数6.3 随机

8、振动的频谱分析功率谱密度函数 自功率谱 互功率谱 相干函数单边功 率谱第二部分振动测量传感器现代力学测量技术振动传感器的分类按物理过程 发电式电动式磁电式压电式电磁感应原理电参数电阻式电感式电容式压阻式振动传感器的分类按力学过程惯性式 （质量-弹簧）无参照系接触式 （跟随）有参照系非接触式 （电涡流、激光、光电）振动传感器的分类按被测参数位移传感器速度传感器加速度传感器力传感器应变传感器扭振传感器扭矩传感器惯性式传感器工作原理 力学模型如图所示。图中y1、y0、y01分别表示壳体绝对位移、质块的绝对位移和壳体与 质块的相对位移。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感器外壳跟随振

9、动物体振动时，其内部质量与外壳之间产生相对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度惯性式传感器运动方程 强迫振动解为其中则惯性式传感器对 的讨论表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处于静止状态 作为加速度计的条件作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）1 当 时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 2 当 时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时 惯性式传感器阻尼对惯性位移计幅频特性的影响惯性式传感器阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响惯性式传感器阻尼对惯性传感器相频特性的影响电磁感应式速度传感器

10、分类 运动导体切割磁力线产生感应电动式电动式速度传感器磁电式速度传感器导体不动，穿过导体的磁力线数发生变化，导体两端产生感应电动式电动式速度传感器-相对式速度传感器1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体 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。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势来。 电动式速度传感器-相对式速度传感器特点：1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量；2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共 振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向 固有频率决定；3、输入与输出之间的相移基本为零；4、附加质

11、量不大；5、对被测物体有附加刚度。电动式速度传感器-相对式速度传感器使用应注意的问题电动式速度传感器惯性式速度传感器结构： a 单磁隙结构 b双磁隙结构 c动磁钢结构电动式速度传感器惯性式速度传感器支撑弹簧弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。电动式速度传感器- -惯性式速度传感器双磁隙结构与工作原理1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴 在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并在磁场

12、中运动。弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统既得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼. 电动式速度传感器惯性式速度传感器力学模型与运动方程 机械接收部分 机电变换部分 当 时电动式速度传感器惯性式速度传感器阻尼的实现 1、扩展速度拾振器的工作频率下限，一般采用=0.5-0.7的 阻尼 比，在幅值误差不超过5%的情况下，工作下限可扩展到 2、有助于迅速衰减意外瞬态扰动所引起的瞬态振动。 3、使传感器的相频特性在工作频率范围内基本保持比例相移 1、油阻尼 2、电涡流阻尼 3、电

13、磁阻尼阻尼的作用电动式速度传感器惯性式速度传感器的特点1、测量的是绝对速度振动量；2、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率 上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制；3、全部质量都附加给被测物体；4、灵敏度高、信噪比强；5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接 测量；6、横向灵敏度较小，频率范围较宽磁电式速度传感器结构振动物体变换过程物体与传感器的相对运动空气间隙变化穿过线圈的磁通量变化产生感应电动式输入与输出关系式磁电式速度传感器磁电式速度传感器的特点1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度；2、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的 大小、材料形状等有关，受测量物体表面 电涡流影响；3、动态幅

14、值不是线性，只有当被测物体位移 远小于空气间隙时，它的幅值才基本上维 持线性压电式加速度传感器压电式加速度计的结构 （a）（b）（c）（d）（e） (a)中心安装压缩型 (b) 弯曲型（c) 环形剪切型 (D) 三角剪切型 (e)中心压缩型 压电式加速度传感器压电式加速度计的敏感元件 天然石英晶体机械强度高，绝缘性能好，压电常数在500度以下不随温度变化，但压电常数低。压电常数大，比石英晶体大几十倍，但压电常数稳定性差，受温度影响大，当超过居里温度时，压电效应就会消失。正压电效应压电元件在一定方向的外力作用下或施加机械变形时，在压电元件的晶面或极化面上将产生电荷。在压电元件表面通一电压，由于电

15、场的作用，压电元件将产生几何变形。逆压电效应人工极化陶瓷压电晶体压电效应压电式加速度传感器石英晶体的压电效应理想形状：中间为六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。 光轴 电轴 机械轴光轴：z 轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z 轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。压电式加速度传感器电轴：x 轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。 机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体的压电效应石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。压电式加速度传感器压电效应模型 纵向压电效

16、应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。 横向压电效应：沿y 轴加力，电荷仍出现在垂直于x 轴的表面。 切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的 晶体表面产生电荷。压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开路电压：压电元件的开路电压：压电式加速度传感器压电式传感器及其等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测

17、量电路的输入电容。振动物体压电式加速度传感器压电式加速度计的特性分析1、力学模型中心压缩型2、机电转换过程惯性接收压电变换物理量转换当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 接收为 相对于底座的相对振动位移 ，于是压电晶体片受到 的动态力，然后由压电正效应变换为作用在晶体面上的电荷 。3、输入与输出关系式4、特性参数 灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度其中（开路电压）（极间电容） 动态范围最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制压电式加速度传感器 频率特性 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼比小于0.1的加速度计，上限频率

18、若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于3度。但共振频率与加速度计的安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。 横向灵敏度 环境特性温度，湿度，磁场等小于5%固有频率、灵敏度和动态范围相互制约压电式加速度传感器5、 加速度计的固定方法 其中图a采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加

19、不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c），也可用于温度低于40以下的场合。手持探针测振方法（图d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图e），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f）或粘接剂（图g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：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

20、7kHz。 压电式加速度传感器6、 加速度计的接地问题 注意：单点接地压电式加速度传感器7、 加速度计的前置放大器 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗高，但价格也比较贵. 8、 电荷放大器作用阻抗变换物理量转换输出归一化压电式加速度传感器9、 压电加速度计的类型 低阻抗电压模式目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的

21、加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用2线制，即用2根电缆给传感器供给 210mA的恒流电源，而输出信号也由这2根电缆输出，大大方便了现场的接线 。智能式内置芯片，出厂时，将传感器的序列号，生产厂家，灵敏度等参数储存在芯片里，分析仪可直接识别出这些参数，这对多点测量非常方便。高阻抗电荷模式输出阻抗很高，必须接前置放大器，但环境适应性强，尤其适合于高低温，高冲击试验场合。压电式加速度传感器10、 压电加速度计的低频特性 从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，

22、因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.11Hz左右。 11、 压电加速度计的特点与应用 具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛使用的振动测量传感器 压电式加速度传感器压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的结构（1）（3）分体型压阻式与固态压阻式1、体型压阻式（2）压阻式加速度传感器 2、固态压阻式压阻式加速度传感器工作原理优点应用缺点通常采用悬臂梁式结构实现其惯性接收，再利用半导体材料的压阻效应将

23、正比于加速度的应力转换为电阻值的变化。 灵敏度高，具有零频率响应适合测量持续时间较长的慢变冲击过程及特低频率振动过程由于半导体片对温度非常敏感，必须在传感器内部有温度补偿措施半导体材料由于内部应力场而引起各点的电阻率变化的现象，单晶硅的压阻效应特别显著，比一般金属材料灵敏度高50-100倍。压阻效应 伺服式加速度传感器结构内部有两套机电变换装置，其一是将机械量转换为电量，以提供测量和反馈信号；另一是将电量转换为机械量，即起反向传感器的作用，其作用是执行反馈环节，其一是电容式机电变换，其二是可逆的电动式变换伺服式加速度传感器工作原理如果反馈电流满足优点应用1、具有频率响应；2、幅值线性度极好；3

24、、精度高。比较适合于飞机、土木结构、桥梁等低频及静态结构加速度测量伺服式加速度传感器电容式加速度传感器结构与原理优点应用较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小 多数采用差动式结构，有两个固定电极，两电极之间有一用弹簧支撑的质量快，此质量快的两个端平面作为活动板极，当传感器测量垂直方向振动时，由于质量块的惯性作用，使两个固定板极相对质量块产生位移。缺点信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的

25、输出信号往往需通过后继电路给于改善 结构示意图测量参数涡流传感器已成系列，测量范围从0.5mm至10mm以上，灵敏阀约为测量范围的0.1%。常用的外径8mm的传感器与工件的安装间隙约1mm，在0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm，频响范围为012000Hz。电涡流位移传感器电涡流位移传感器工作原理电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的电涡流效应。当通有交变电流的线圈靠近导体表面时，穿过导体的磁通链将在导体表面感应出交变电流，该电流在导体表面形成一闭环回路，称之为涡流。这一电流又产生一穿过原线圈的磁通链，因此，原线圈与电涡流相当于两个

26、相互耦合的线圈，耦合的结果使得原线圈的电感发生了变化。电涡流位移传感器等效电路当输入电流频率很高时，有图中互感系数耦合系数此时电涡流位移传感器测量电路为了测量 ，可以采用串并联谐振电路，即在原线圈两端并一电容，再与一电阻串联，在满足的条件下电路的谐振频率为电路阻抗为电路输出电压为传感器特点 这类传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。涡流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。表面粗糙度对测量几乎没有影响，但表面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。 电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测

27、量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用甚广。传感器的应用电涡流位移传感器压电式力传感器结构与力学模型压电式力传感器力的传递发力体作用体输入与输出关系压电元件的动态力与作用给受力体的力之间的关系由上图可知注意：压电式力传感器与压电式加速度传感器测量电路完全相同压电式力传感器力传感器的使用振动测量传感器的选择正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。 1)被测振动量的大小2)被测振动信号的频率范围3)振动测试现场环境振动测量传感器的选择传感器的灵敏度 灵敏度是传感器的最基本指标之一,其大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵

28、敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2 (0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 105m/s2 (40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加

29、速度计灵敏度，电压输出型（IEPE 型）为50-100 mV/g，电荷输出型为10 -50 pC/g。振动测量传感器的选择传感器的动态范围 传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。 电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值 电荷输出型压电加速度传感器测量范围则受传感器机械刚度的制约，在同样的条件下传感敏

30、感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比电压型传感器的量程大得多，其值大多需通过实验来确定。一般情况下当传感器灵敏度高，其敏感芯体的质量块也就较大，传感器的量程就相对较小。 振动测量传感器的选择传感器的测量频率范围 传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（5%, 10%, 3dB）传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频率。截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频

31、测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。 传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定，而一定截止频率与对应的幅值误差相联系，所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值误差值。传感器的频率幅值误差小不仅使测量精度提高，更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差的能力。另外由于测量对象的振动信号频带较宽，或传感器的固有谐振频率不够高，因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上，造成较大的测量误差。所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外，还应考虑谐振频率对测量信号的影响，当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。 振动测量传感器的选择

32、传感器高频测量范围 第三部分振动的激励与激振设备在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激励方式通常可以分为稳态正弦激振 、瞬态激振和随机激振三种。 振动的激励与激振设备稳态正弦激振 稳态正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。稳态正弦激振频率改变有两种方式，即线性扫频和对数扫频，对于被测结构关心固有频率范围不大的情形，采用线性扫频；对于关心固有频率范围较大的情形，采用对数扫频。 扫频速度的控制：频率的变化要尽可能慢，以使

33、系统响应达到稳定状态。在共振区附近，频率改变要小，而在非共振区，频率改变可以多一些。这对于小阻尼系统尤为重要。稳态正弦激振其优点是激振功率大，能量集中、 信噪比高，能保证响应测试的精度；信号的频率和幅值易于控制；激励的能量级不同时，在非线性结构中将产生不同的频率响应函数，因而能检测出系统的非线性程度；采用适调多点激励时，在模态实验中可以直接得到频域数据。其缺点是：需逐个测量各个频率点上的稳态响应，测试周期长，特别是小阻尼结构，更加明显；不能通过平均消除系统非线性因素的影响；容易产生泄漏误差。瞬态激振 瞬态激振为对被测对象施加一个瞬态变化的力，是一种宽带激励方法。常用的激励方式有以下几种： （1

34、）快速正弦扫描激振（2）脉冲激振 （3）阶跃（张弛）激振（1）快速正弦扫描激振 激振信号由信号发生器供给，其 频率可调，激振力为正弦力。但 信号发生器能够作快速扫描，激 振信号频率在扫描周期T内成线 性增加，而幅值保持不变。快速正弦扫描激振力信号的函数 表达式为：瞬态激振（1）快速正弦扫描激振该激励方式能在两极限频率之间产生一平直谱，而在极限频率之外，谱幅为零，即矩形频谱 幅值频谱在起始频率 与终了频率 处有明显的跃迁，基本上呈矩形，频谱曲线的平均值上叠加的小波幅与 成正比，这种激励可以很方便地选定和准确控制所需的激振频率范围。瞬态激振（1）快速正弦扫描激振其优点是：可消除泄漏误差，信噪比好，

35、测试速度快，容易控制激励的频率含量等。其缺点是：为控制猝发时间，需特殊硬件，不能消除结构非线性因素的影响。瞬态激振（2）脉冲激振 脉冲激振是用一个装有传感器的锤子（又称脉冲锤）敲击被测对象，对被测对象施加一个力脉冲，同时测量激励和被测对象。脉冲的形成及有效频率取决于脉冲的持续时间。而持续时间则取决于锤端的材料，材料越硬，持续时间越小，则频率范围越大。其优点是：脉冲锤激振设备简单，价格低廉，使用方便，对工作环境适应性较强， 特别适应于现场测试；激励频率成分与能量可大致控制，试验周期短，无泄漏。瞬态激振（2）脉冲激振 缺点是：信噪比 较差，特别是对大型结构，激励能量往往不足以激起足够大的响应信号。

36、 且在着力点位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟练的技巧，否则会产生很大的随机误差。瞬态激振（3）阶跃（张弛）激振 阶跃激振是通过突加或突卸力载荷（或位移）实现对系统的瞬态激励。如使用一根刚度大、重量轻的绳索拉紧被测结构某一部分，突然释放绳索中的拉力，就会形成系统的一个阶跃激励。阶跃激励的特点是能给结构输入很大的能量，但激励中高频成分较少，一般只能激励出系统的低阶主振动。阶跃激振属于宽带激振， 适用于大型、重型结构的模态分析在建筑结构的振动测试中被普遍应用。阶跃激振一般是在其它激励很难实现时采用，并非一种常用且优选的激励方式瞬态激振随机激振随机激振是一种宽带激振，一般用纯随机、伪随机或猝发

37、随机信号为激励信号。 1、 纯随机信号：一般由模拟电子噪声发生器产生，经低通滤波 成为限带白噪声，在给定频带内具有均匀连续谱，可以同时激励该频带内所有模态。 白噪声的自相关函数是一个单位脉冲函数，即除=0 处以外，自相关函数等于零，在=0 时，自相关函数为无穷大，而其自功率谱密度函数幅值恒为1。 实际测试中，当白噪声通过功放并控制激振器时，由于功放和激振 器的通频带是有限的，所以实际的激振力频谱不能在整个频率域中保持恒值，但如果在比所关心的有用频率范围宽得多的频域内具有相等的功率密度时，仍可视为白噪声信号。随机激振纯随机信号优点是：可以经过多次平均消除噪声干扰和非线性因素的影响，得到线性估算较

38、好的频响函数；测试速度快，可做在线识别。其缺点是：容易产生泄漏，虽然可以加窗控制，但会导致分辨率的降低，特别是小阻尼系统；激振力谱难以控制随机激振2、伪随机信号：将白噪声在时间T（单位为s）内截断，然后按周期T重复，即形成伪随机信号。 伪随机信号自相关函数与白噪声的自相关函数相似，但由于它有一个重复周期T，它的自相关函数 Rx(t)在 =0, T, 2T,.以及-T, - 2T,. 各点取值为a2 ，而在其余各点之值均为零。 伪随机信号激励方法，既具有纯随机信号的真实性，又因为有一定的周期性，在数据处理中避免了统计误差。随机激振伪随机信号优点是：激励信号的大小和频率成分易于控制，测试速度快；如

39、果分析仪的采样周期等于伪随机信号周期的整数倍，就可以消除泄漏误差。其缺点是：抗干扰能力差；由于信号的严格重复性，不能采用多次平均来减少噪声干扰和测试结构非线性因素的影响。随机激振3、猝发随机信号：只在测量周期的初始一段时间输出信号，其占用时间可任意调节，以适应不同阻尼的结构。 与连续随机信号作为激励源不同的是，猝发随机激励时，能保证一个测量窗的响应信号完全由同一测量窗的激励信号引起，输入与输出相干性较好。而连续随机信号激励时，下一个测量窗的响应信号可能有一部分是由上一个测量窗的激励信号引起。 猝发随机信号具有周期随机信号的全部优点，既具周期性，有具随机性，同时有具瞬态性，测试速度较伪随机要快，

40、是一种优良的激励信号。其缺点是：为了控制猝发时间，需增加特殊硬件设备。激振设备常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种，此外还有用于小型、薄壁结构的压电晶体激振器、高频激振的磁致伸缩激振器和高声强激振器等。激振设备的分类按使用方式振动台 机械式、电动式、液压式激振器 机械式、电动式、液压式分布力集中力按工作原理机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式按振动方向单方向 垂直、水平、扭转 一维振动多方向 垂直、水平 二维平面或三维空间振动按振动波形简谐振动、冲击振动、随机振动、任意波形振动激振设备的基本特性参数1、最大激振力2、最大负荷3、最大空载和满载加速度4、最大位移和最大速度5、使用频率范围6

41、、失真度7、台面的均匀度8、台面的横向运动机械式振动台与激振器1、直接驱动式当它们的主轴由电机带动旋转时，台面即产生确定的振动台面是由主轴经过一个机构直接驱动的曲柄滑块机构 正弦机构凸轮顶杆机构台面的位移机械式振动台与激振器振幅的大小由偏心距确定振动频率由偏心轮回转速度确定转速是可调的频率范围窄，下限频率决定于调速机构在低速时稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响，不会太高，一般在50-60赫兹。输出波形较差直接驱动式振动台的特点2、离心式振动台工作原理试验物体台面台体两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带动以相等的角速度、相反的转向转动，每一轴上有一质量为m、偏心距为e的偏心块，每一偏心块就

42、有一离心力作用在转轴上，如果两偏心块的相对位置配置的好，则两个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合成为一合力，若转轴以等角速度转动，则合力呈简谐变化，这个力通过激振器的外壳作用于被试验的物体上。激振力的大小机械式振动台与激振器电动式振动台组成：运动系统-线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面 磁路系统-励磁线圈（永久磁铁）、环形空气隙和外壳动圈台面励磁线圈磁路动圈台面励磁线圈磁路动圈台面励磁线圈磁路芯杆abc电动式振动台工作原理：利用带电导体在磁场中受到磁场力的作用而产生运动。当由励磁电源供以直流电流后，就在磁路的环形气隙中形成一个强大的恒定磁场，信号发生器产生交变信号，经功率放大器放大后，输入到

43、动圈，它与磁场作用即产生一个交变的力，推动可动系统运动。若输入电流呈简谐变化时，则力的大小为：电动式振动台频率特性 1、力学模型如图所示，其中 和 分别为台面和动圈质量 和 分别为台面相对动圈的刚度和阻尼系数 和 分别支撑弹簧的刚度和 阻尼系数电动式振动台2、运动方程 当 较低时，由于 ，m1和m2可看作是刚体连接，系统可简化为如图a所示的单自由度系统，其运动方程为：令则有其中电动式振动台 b当 较高时，由于 ，可忽略，系统可简化为如图b所示的两自由度系统，其运动方程为：则有将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为电动式振动台磁场产生的方式支撑弹簧驱动线圈的阻抗特性冷却方式特点：1、频率范围宽

44、，下限1-10Hz，上限 上万Hz。2、输出加速度波形好3、输出推力大，易调节和控制4、操作方便，可实现多种波形振动5、造价高电动式振动台电动式振动台电动式振动台-水平滑台系列电动式激振器结构如图所示，驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极与铁芯6的气隙中。当线圈7通入交变电流i时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流i成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。注意：由顶杆施加到被激对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有当

45、激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力 绝对式电动激振器的安装一 以下是几种安装方式： (1)当要求作较高频率的激振时，激振器用软弹簧悬挂起来，并加上必要的配重，以尽量降低悬挂系统的固有频率，使它低于激振频率1/3以上。 (2)低频激振时则将激振器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上。 (3)在很多无法找到安装激振器的参考物场合，可将激振器用弹簧支撑在被激对象上。此方法仅适合用于被测对象的质量远远超过激振器质量，且激振频率大于激振器安装固有频率的振动试验。 绝对式电动激振器的安装二 为了保证测试精度，

46、做到正确施加激振力，必须在激振器与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接，既保证激振力的传递又大大减小对被激对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角 1激振器 2试件 3弹簧 4柔性杆 电动式激振器电动式激振器电磁式激振器 电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为：信号发生器功率放大器直流电源空气隙磁阻铁芯磁路

47、的磁阻气隙与铁芯的截面积气隙与铁芯材料导磁系数气隙平均厚度与铁芯磁路长度线圈匝数电磁式激振器电磁式激振器涡流式不接触激振器ab涡流式不接触激振器电液式激振器 电液式激振器结构原理如图所示。 信号发生器的信号经过放大后，经由电动激振器，操纵阀和功率阀所组成的电液伺服阀2，控制油路使活塞3作往复运动，并以顶杆1去激励被激对象。活塞端部输入一定油压的油，形成静压力p* ，对被激对象施加预载荷。用力传感器测量交变激励力p1和静压力p*。 1顶杆 2电液伺服阀 3活塞 电液式激振器 电液式激振器的优点： 激振力大，行程大。但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦，使电液式激振器的高频特性变差，一般只适

48、用于较低的频率范围，通常为零点几Hz到数百Hz，其波形也比电动式激振器差。此外，它的结构复杂，制造精度要求也高，并需一套液压系统，成本较高。 液压振动台它的功能与特点：1. 实现正弦振动、随机振动、多点激振及冲击 碰撞；2. 可实现低频振动，并且推力大、防爆，因此 可以应用于模拟地震激励、弹药装填等；3. 高强度的铸铝或铸镁台面，保证了振动的均 匀和一致性，重现性高，避免台面产生变形；4. 可实现大质量、大尺寸产品的长行程振动试 验。 压电晶体激振器工作原理：利用压电晶体的逆压电效应，即在压电晶体的两个极化面上加交变电流时，在它的某一方向就会发生伸缩或剪切变形使用方法：用胶将压电晶体粘帖在试验

49、物体表面，在它的两个极化面上加交变电压，当晶体片产生变形时，会带动试件产生相应的变形，这样在试件的局部区域起激振作用，而引起整个试件的振动特点： 1、激振力很小，大小与晶体片的大小及所施加的交变电 压有关。2、仅适用于轻薄结构3、有附加质量和附加刚度冲击力锤组成：由压电力传感器配以锤体、锤头盖和锤把等零件构成产生的波形：半正弦波软中硬硬中软冲击力锤特点： 1、锤头盖材料不同，产生的波形的作用时间和主瓣 频率不同。 2、垂体质量主要影响冲击力幅值，对持续时间也略 有影响。 3、冲击能量主要集中在 0-1/，主瓣频率大约为 3/2 4、冲击力大小一般与锤体质量有关，锤体大，冲击 力也约大。其它冲击

50、试验台利声激励用共振原理激励爆炸法第四部分振动参数及结构特性参数测量现代力学测量技术振动幅值的测量位移幅值速度幅值加速度幅值力的幅值机械法光测法电测法简谐振动位移幅值的测量1、测幅尺是在一小块白色金属片上，画上带有刻度的三角形制成。使用时，将三角形按直角短边平行于振动方向粘帖在振动物体上，当振动频率较快时，标尺上的三角形因视觉暂留效果看起来形成上下两个灰色三角形，其重叠部分是一个白色三角形。简谐振动位移幅值的测量1、测幅尺振动幅值与测幅尺尺寸之间的关系使用限制1、频率不能太低 f10Hz2、振幅不能太小，A 0.1mm3、上限受测幅尺尺寸限制4、单一方向应用：机械式和电动式振动台，振动筛等。特

51、点：方便、简单、精度较差。简谐振动位移幅值的测量2、读数显微镜类型内读数 0.05mm(min)外读数 0.01mm(min)当读数显微镜的放大倍数为k时，振动幅值为在振动物体上贴一反光线或细砂纸，并用灯照亮，当结构静止时，调整显微镜位置，以清晰的看到许多亮点，当结构振动时，由于视觉的暂留效果，这些亮点就成为许多直线。静止时振动时特点： 测量的是绝对位移测量过程：简谐振动位移幅值的测量3、 激光位移传感器一般激光位移计包含一发光组件及一位置传感器（PSD)，利用入射及反射光间三角函数的关系来得到待测位移的。半导体激光的光源经过透镜将光束聚焦在待测物体上，待测物反射光经接收透镜聚焦于位置传感器上

52、形成一光点，此光点位置随待测物位置改变而改变。感测头有两种，镜面反射式与散光式。一般镜面反射式用于反光良好或量测距离较近的待测物上，因为这种情况下入射角与反射角相等。散射式则用于距离较远或较粗燥的量测面上。传统的PSD是测量投射到光点的位置，取其中心点为测量点，但由于光点的亮度分布并不是均匀的，取中心点的演算结果与实际位移误差较大，因此，现在新型的CCD传感器采用光点中最亮的点为测量点，其测量精度较传统的PSD要高。简谐振动位移幅值的测量4、电涡流位移传感器5、速度传感器6、加速度传感器振动物体传感器前置放大器测振仪已知灵敏度如则振动位移为振动物体传感器放大器频率计测量放大器积分或微分简谐振动

53、频率测量1、频率计（直读法）振动物体传感器放大器频率计2、李莎育图形法振动物体传感器放大器信号发生器简谐振动频率测量3、图形法记忆示波器振动物体传感器放大器示波器振动物体传感器放大器记录仪信号发生器记录仪复杂振动频率测量频谱分析法振动物体传感器放大器分析仪分析仪的设置 频率范围 输入量程与输入耦合方式 窗函数 测量内容及坐标结构固有特性参数测量-自由衰减法1、测量过程系统激励2、测量仪器与测量系统振动物体传感器放大器记录仪信号发生器此法的核心：记录时间历程曲线结构固有特性参数测量-自由衰减法3、激励1）初位移法：加一力或一力偶，使系统产生初位移或初始转角 后，突然卸力（一阶固有频率测量）2）敲

54、击法：用力锤或其它施力工具（注意频率范围、敲击点）4、响应以单自由度系统为例结构固有特性参数测量-自由衰减法5、时间历程结构固有特性参数测量-自由衰减法6、固有频率和阻尼比测量固有频率阻尼比：测出图中 Ai 和 Ai+m 幅值,求减幅系数对数减幅则由于结构固有特性参数测量-共振法1、原理与方法 通过激振器给结构施加一简谐激振力，使其产生强迫振动，然后连续改变激振力的频率，当激励频率与结构固有频率相近时，结构即产生共振（幅值出现极值），逐步调节激励频率，同时测量各频率点的振动幅值，绘出幅频特性曲线，曲线上各峰值点所对应的频率就是各阶固有频率。此法适用与各阶固有频率相隔较远的轻阻尼结构。2、测量仪

55、器 激励系统：正弦信号发生器、功率放大器、激振器 测量系统：传感器、放大器、示波器、频率计、测振仪结构固有特性参数测量-共振法3、固有频率的测量 固有频率与共振频率的区别1）固有频率是由结构固有参数和边界条件决定的，与激励方式无关。2）共振频率指结构共振时的强迫振动频率。3）系统的每阶固有频率分别对应多个共振频率各阶固有频率位移共振频率速度共振频率加速度共振频率结构固有特性参数测量-共振法 固有频率与共振频率的关系以单自由度系统为例，当系统受到作用力则令由结构固有特性参数测量-共振法功放信号源放大器放大器放大器放大器测振仪示波器放大器频率计激振器1、2、3 位移传感器，4-力传感器 固有频率的

56、测量共振的判别（1）幅值判别法在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，而最大幅值所对应的频率就是结构的某阶共振频率，在小阻尼情况下，该频率近似等于固有频率，但在阻尼较大的情况下，不同的测量方法测量出的共振频率稍有差别，不同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样。结构固有特性参数测量-共振法共振的判别（2）相位判别法 相位判别是根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振时的频率就是系统的无阻尼固有频

57、率，可以排除阻尼因素的影响。 激振信号为： 位移信号为： 速度信号为： 加速度信号为：结构固有特性参数测量-共振法位移信号为：共振时，=n，力信号和位移信号的相位差为/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n或略小于n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。n 将激振信号输入到示波器的x轴，位移传感器输出信号输入y轴，此时两通道的信号分别为：激振信号为：（一）位移判别法结构固有特性参数测量-共振法（二）速度判别法将激振信号输入到示波器的x轴，速度传感器输出信号输入到y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信

58、号为： 速度信号为：共振时，=n，x轴信号和y轴信号的相位差为0，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一条直线。当略大于n或略小于n时，图象都将由直线变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为直线的频率就是振动体的固有频率。 n结构固有特性参数测量-共振法n（三）加速度判别法将激振信号输入到示波器的x轴，加速度传感器输出信号输入到y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信号为： 加速度信号为：共振时，=n，x轴信号和y轴信号的相位差为/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n或略小于n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正

59、椭圆的频率就是振动体的固有频率。 结构固有特性参数测量-共振法4、阻尼比的测量1）半功率点法首先激励系统使其处在共振状态，记录该状态时的振动幅值 和共振频率 ，再计算 ，分别往高和往低方向调节激励频率，读取响应幅值为 时所对应的激励频率 和 ，利用下面公式计算阻尼比2）自由衰减法当系统处在某阶共振状态时，突然卸力，系统将按该阶固有振动进行衰减，记录衰减时间历程曲线后，由波形参数计算阻尼比结构固有特性参数测量-共振法3）共振频率法在振动系统上安装位移、速度，或速度、加速度传感器，分别测出其共振频率，由注意：当阻尼远远小于1时，此法不好用，因为三者频率相差不太 大，不好测准，必须采用精密仪器结构固

60、有特性参数测量-共振法4）放大系数法在正弦激励下，系统的动力放大系数为当共振时测量方法：首先调节激励频率使系统达到共振状态，测出系统响应的最 大位移 ，再用相同力幅的静力 作用在系统同一激励 点 上，测出同一响应点的静变形，即可计算出阻尼比结构固有特性参数测量-共振法5、振型的测量当系统处在共振状态时，测量各响应点的幅值（测量点应尽可能多些），并利用李莎育图形法测量各响应点之间的相位差，画出振型图即可功放信号源放大器放大器放大器放大器测振仪示波器放大器频率计激振器1、2、3 位移传感器，4-力传感器结构固有特性参数测量-模态分析法1、模态分析 模态分析是在假定实际结构可以运用所谓“模态模型”来