振动测试与分析课件

1、振动测试与分析学习时间2012,2,272012,6,18 本学期1-17周考核方式平时作业10% +课程设计30%+期末成绩60%绪 论1、这是一门什么样的课？从这门课能学到什么内容？具备何种知识或能力？ 2、为什么学习它?3、怎样学好这门课？京沪高铁轨道板减振层阻尼性能试验研究 项目来源: 京沪高速铁路公司横向课题 本项目对京沪高速铁路轨道板减振层结构阻尼进行了实验研究,主要包括型、型、型三种不同配比的CA阻尼砂浆的阻尼特性实验。包括阻尼比测试及单位体积耗能系数测试。振动测试在工程中的应用某型号IBM服务器主板频率测试及优化服务器主板工作环境经受长期振动和噪声的危害，主板各元器件、主板本身

2、及连接件的可靠性也因此受到严重影响。 该项目主要对主板原件进行动力学参数的测定，根据测试结果进行频率优化设计。振动测试在工程中的应用振动测试的基本原理振动测试的核心 从振动系统获得信号，信号分析获得信息，对信息评价，用于干预系统工作。信号的分类 按性质： 确定性信号，周期、非周期 随机信号，不可预测，数理统计。 按变量取值： 时间连续信号，模拟，量化 时间离散信号，抽样，数字 因果信号 能量信号 信号分析与处理 将复杂信号分解成若干便于识别的简单信号信号处理 对原始信号加工、变换，获取关键要素信号分析方法 时域法，频域法，时-频法系统的概念 若干相互联系、作用的单元组成的具有一定功能的整体 系

3、统性质由输入输出信号间关系描述系统分类 1 连续、离散、混合系统 2 时不变、时变 3 线性 、非线性：同时满足叠加性和齐次性 4 线性时不变 5 因果、非因果 6 线性时不变因果系统 （本书研究主要对象）如何学好该课程理论联系实际观察与实验独立与协作简谐振动简谐振动简谐振动简谐振动复杂周期振动复杂周期振动复杂周期振动准周期振动二、冲击过程加速度、速度、位移形式的冲击过程冲击响应谱 (1)最大冲击响应谱 (2)冲击初始谱 (3)冲击余谱冲击谱（冲击激励函数傅立叶变换）三、声学噪声声压：听阈声压声强 垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间通过的能量：声功率 声源在单位时间内辐射的总能量声级和分

4、贝：声强级、声压级、声功级方向系数 第二章 振动、噪声测量仪器的主要特性一、测量仪器的静态特性 灵敏度特性 输出对输入的变化灵敏程度 灵敏度系数 仪器的线性范围 仪器的零点：活性零点，抑制零点 滞后性、重复性、零漂y(t)x(t)y(0)x(0)二、测量仪器的动态特性 1、阶跃响应-时域 一阶系统: 传递特性通过一阶微分方程来描述的系统。RC低通滤波器、一阶积分器。 二阶系统： 高阶系统在测量仪器中少有。2、正弦响应-频域 暂态与稳态响应 一阶系统： 二阶系统： 三、振动传感器的静态特性1、测量灵敏度测量方向的灵敏度横向灵敏度磁灵敏度声灵敏度测量方向灵敏度灵敏度的单位灵敏度与测量线性范围的关系

5、横向效应与横向灵敏度相对灵敏度（单位dB）、温度特性（压电加速度传感器）四、传感器的动态特性、幅频特性频率范围相频特性、安装后的频率特性自身谐振频率和安装频率、加速度幅度、位移幅度与频率关系振动诺莫图评价传感器的动态范围交越频率既能满足最大测量位移，又能满足最大测量加速度的频率五、其他特性重复性稳定性零漂六、传感器的误差和信噪比实际测量输出实际测量灵敏度传感器误差信噪比高灵敏度噪声敏感有用信号功率与噪声功率之比输入信噪比与输出信噪比之比，噪声系数机械振动测试方法一般有机械方法、光学方法和电测方法。机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度不高的场合。光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定。电测

6、法应用范围最广。 各种测试方法要采用相应的测振传感器。第三章 振动、噪声测量传感器传感器的定义国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。教科书对其定义： 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 定义包含以下几方面意思： 传感器是测量装置，能完成测试任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；

7、 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器的组成以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 传感器的分类 传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学型、生物型等。 本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍。 分类方法 说 明 举 例 按输入量分类传感器以被测物理量分类，也即按用途分类，便于用户选择。 位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等 按工作原理分类（变换原理）传感器以工作原理命名，便于生产厂家专业生产。 应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等 按物理现象分类（信号变换特征） 结构型 传感器依赖其结构参数变化

8、实现信息转换 电容式传感器：利用电容极板间隙或面积的变化 C 物性型 传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换 压电式传感器：压电效应，力电荷热电偶：热电效应 按能量关系分类 能量控制型由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量电容传感器：需外部供电，使x(t) C电流或电压 能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量温度计：吸收被测物的能量磁电式：线圈切割磁力线感应电势 按输出信号分类 模拟式 输出量为模拟量 数字式 输出量为数字量 由于传感器的分类原则不同，测振传感器的分类方法很多。 按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器。 按参考坐标分：相对式传感器、绝

9、对式传感器。 按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式。 按传感器与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器 .传感器的命名 式 传感器 如：电阻式液位传感器电容式声传感器应变式力传感器压电式加速度传感器表示变换元件、变换原理的种类表示用途，指出被测量的种类 传感器的发展趋势高精度小型化集成化数字化智能化新型化大量物性型传感器的涌现 化学传感器的开发采用新工艺的传感器开发 一、惯性式位移传感器(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)时,位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。下限测量频率则受弹

10、性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。因此位移传感器的频率范围是有限的。二、惯性式加速度传感器时,1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频率特性, 即理论上它的下限测量频率为零，实际上是下限测量频率极低。2. 此外，为使n远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸、质量可作得很小(小于1g)，从而对被测对象的附加影响也小。三、电测传感器四、压电晶体式传感器压电加速度传感器安装加速度传感器对冲击测量的影响应变式加速度传感器第四章 振动、噪声测量系统被测物传感器放大器记录/分析激振器功率放大器信号发生器数字采集器一、测量系统中的微、积分电路加速度位移速度速度积分微分微分积分1

11、、RC微分电路复数形式的一阶微分电路信号在通过一阶微分电路时要受到一定程度衰减。低频更容易通过。时间常数RC越大，电压衰减越大。RC微分电路需要满足的两个条件1、输入脉冲信号作用期间，电路中电容器C充电基本结束；2、在下一个脉冲信号到来前，电容器中的电荷基本放完。RC微分电路的基本条件RC微分电路的输出误差2、RC积分电路RC积分电路的误差一次积分电路二次积分电路积分电路存在下限频率，幅值衰减3dB时的频率微分电路的对数幅频曲线积分电路的对数幅频曲线微分电路A 时间常数要小B 没有普适频率区间的微分电路C 分析频率远小于电路截止频率才有高精度积分电路A 时间常数要大B 没有普适频率区间的积分电

12、路C 分析频率远大于电路截止频率才有高精度3、有源微、积分电路无源微积分电路的不足：电路无放大；频率范围窄。有源微分电路电路截止频率有源积分电路电路截止频率二、前置放大器放大信号微积分变换变高输出阻抗为低输出阻抗不同灵敏度传感器输出电压归一化电荷信号转为电压信号1、电压放大器2、电荷放大器电压放大器与电荷放大器电荷放大器输入信号时电荷，将加速度传感器与电荷放大器配套，可实现长距离测量。 电压放大器受电缆电容的影响，需与电缆配套使用三、有效值、峰值检测器1、有效值检测器2、峰值检测器四、模拟滤波器模拟滤波器从复杂的信号中拾取获得所需要的信号，除去噪声。是振动、冲击和噪声测量中进行频谱分析的主要设

13、备。模拟滤波器用来分析处理测量所得连续信号，输出所需要的信号，衰减和组止不需要的信号。传递函数传递函数是一个复数，幅值和相位分别为1、幅频特性2、相频特性3、滤波器的逼近滤波器在不衰减所需信号的前提下，能百分之百滤掉不需要的信号，即具有如下幅度平方函数实际上这种理想低通模拟滤波器是不可实现的。因此实际滤波器只能是一种逼近。 滤波器设计时，先设计一个逼近于归一化的理想低通滤波器，再经过频率变换，把这个基本的低通滤波器转化为实际的低通，高通、带阻、带通或更复杂的组合滤波器。归一化理想低通滤波器的特性如下 滤波器的逼近问题，就是寻找满足上式的函数。典型的有巴特沃思滤波函数、椭圆滤波函数、车比雪夫滤波

14、函数等。巴特沃思滤波器幅度平方函数n为滤波器阶数。其特点是，当频率大于零时，幅值随频率的增加而单调下降。4、频率换算1）归一化低通到低通的变换；用频率比代替归一化频率2）归一化低通到高通的变换；电感电容互换；3）归一化低通到带通的变换；低通可视为中心频率为零的单通带滤波器，因此需将单通带中心频率进行变换。4）归一化低通到带阻的变换；低通到带通变化的倒数。5、阻抗换算把电路中所有元件的阻抗同时变换，使整个滤波电路与其他有关电路匹配。6、几种典型的带通滤波器恒定百分比带宽滤波器 恒定百分比带宽滤波器，分析低频时带宽窄。被分析频率越高，频谱分辨率越差。 调谐式带宽滤波器，通过调节滤波电路中的电阻、电

15、容，使滤波器的中心频率与被分析信号的频率发生谐振，达到滤波作用。1/3、1/1倍频程滤波器 每个滤波器带宽的上下限频率之比满足倍频程关系。恒定带宽滤波器第五章 振动、冲击的模拟量测量一、复杂周期振动的频谱分析信号的频谱是信号幅度或功率随频率变化的关系，为信号的傅立叶变换（FT），故又称信号的傅立叶谱，定义：复杂振动周期信号的频谱由傅立叶级数求出。模拟信号分析的几种方法1、扫描分析法带通滤波器的分析时间对于理想的带通滤波器对于实际的带通滤波器带通滤波器的波形系数带通滤波器的扫描速度由于扫描分析是从低到高自动完成，因此要满足扫描速度、分析速度和记录速度同步，扫描速度不得快于分析速度。扫描一个带宽的

16、时间，即扫描速度（每秒扫过的Hz数）扫描分析法的总分析时间用W表示所分析的频率范围，则整个分析时间为2、实时频谱分析定义：对于理想窄带滤波器来说，假如被分析信号的频谱分辨率（带宽）为B，并且要求所得结果的统计自由度数为，若在整个分析频率范围内，其总的分析时间不超过n/(2B)s，则称此频谱分析为实时频谱分析。如果不考虑统计自由度数，即不进行平均化操作时，实时分析的含义就是：分析整个频率范围内个带宽所需的时间为分析一个带宽的时间。平均化操作对信号进行同步叠加平均处理。对于规则信号，可以消除或减小噪声干扰。若被测为规则信号，且周期为，对该信号进行次取样，将其同相累加，则对于噪声，不可能全同相，理论

17、上可以通过累加正负抵消。则信噪比为并联带通滤波器分析法时基压缩法将时间序列x(t)沿时间轴压缩倍，频率轴就会扩大倍，从而使分析带宽扩大倍。从而实现时基压缩。快速傅立叶变换与数字滤波A/DFFTIFFTD/A二、随机振动测量、基本统计量：均值、均方值、方差、概率密度函数、自相关函数、自功率谱密度函数随机振动参数的测量、均值、均方值的测量、均值、均方值的测量误差分析、功率谱密度测量三、冲击谱分析激励谱分析和响应谱分析冲击傅立叶谱分析重复脉冲分析带通滤波器响应分析法第七章 振动、冲击及噪声数字信号分析被测物传感器放大器记录/分析激振器功率放大器信号发生器数字采集器数字信号分析是振动、冲击测试中的主要

18、分析方法。特点是精度高，分析速度快，分析数据量大，容易实现。一、基础知识1、A/D转换： 将传感器或者调理器输出的模拟信号转换成数字信号。是数字分析系统的重要组成。1）抽样-保持器（模拟信号抽样）抽样保持器的作用，将连续信号变成离散的时间序列信号。2）A/D转换器（抽样信号的量化）抽样信号是时间离散、幅度连续的一种信号，需要先对幅值量化，使之离散，从而得到数字信号。量化方法：用有限字长的一组码（如二进制码）逼近离散的模拟信号的幅值。量化后的信号为有限字长的数组成的有限长度数列。例如：12位的A/D转换器，字长为12位， 212=4096，当输出信号电压为5V时，单极性抽样分辨率双极性抽样分辨率

19、2、抽样定理抽样是将连续信号转换为离散信号。为保证离散后信号能通过D/A（数/模）转换后恢复成原连续信号，同时保证分析频率成分的完整性，需要满足抽样定理。周期信号傅里叶级数的复指数形式脉冲函数： 脉冲函数与任意函数乘积的积分等于该函数在脉冲发生时刻的的值。 假定抽样脉冲信号为周期性脉冲信号，其傅立叶级数形式为将上式代入抽样保持器公式进行傅立叶变换，得抽样信号的傅立叶谱该式表明，抽样信号的傅立叶谱，是原信号傅立叶谱在频率轴上的周期延拓。周期为fs。若最高分析频率为fm，则对于不同抽样频率fs ，存在不同情况。要避免高低频频谱重叠，必须满足二、数字信号预处理A/D转化器输出的原始数字信号，在进一步

20、分析前，要进行预处理，以提高数据的可靠性和真实性。去除趋势项剔除异常数据平滑数据消除高频噪声干扰特性检验1、趋势项产生的原因趋势项就是随机信号中存在线性项或缓慢变化的、周期大于记录长度的非线性成分。确定性信号中同样存在趋势项。会导致时域相关分析和频域中的功率谱分析产生大的误差。低频频谱会产生很大误差，因此要消除趋势项。产生趋势项的原因1）抽样信号中含有周期比抽样长度长的低频成分2）外界原因，包括传感器或者仪器的零漂、传感器安装不当（如松动、连接线摇晃等）、测试对象的基础运动等引起3）积分放大器后产生的趋势项，如低频噪声、放大器未零直流分量等4）对于数字信号，加窗截取时，样本长度小于基频周期，基

21、频成为趋势项。如何消除趋势项数据修正与拟合平均斜率法消除趋势项 平均斜率法消除趋势项，是先求出原始信号的线性趋势项的斜率a，然后在原始信号中减去趋势项，获得有用信号x(t)，基本公式为平均法斜率计算公式对于数字信号最小二乘法消除趋势项当信号中含有非线性趋势项时，采用平均法效果不好。最常用的拟合方法。三、数字信号的时域分析周期信号的幅值分析 对于数字信号而言，其变化是离散的。对于一般周期信号，先得到谐波信号 ，再根据公式计算峰值、双峰值、波形因素、峰值因素随机数字信号的统计特征分析对于各态历经数字随机信号，可以取单个样本序列的时间平均来描述时域特性。主要统计特征有：均值、均方值、方差和标准差、概率密度函数、概率分布函数和自相关函数。自相关函数估计、互相关函数估计、互协方差函数估计四、数字信号的频域分析 将时域信号傅立叶变换到频域进行分析，称为频域分析或频谱分析。幅值谱相位谱能量谱功率谱功率谱密度频率响应函数和凝聚函数离散傅立叶变换（DFT）第五章讲的为模拟信号的傅立叶变换，为连续信号。此处为离散信号，因此称为离散傅立叶变换。模拟信号经A/D转换后，成为有限长的时间序列x(n)， 对离散信号x(n)的Z变换就是其傅立叶谱（FT）。对于无限长周期序列xp(n)，第一个周期序列称为主值序列x(n)，DFT 谱与四种信号谱的关系非周期模拟信号，DFT是原连续信号FT谱的抽样值的