机械工程测试技术基础-第三版-第七章

第一节概述第三节振动测量传感器第四节振动测量系统及其标定第五节激振试验设备及振动信号简介第二节惯性式传感器的力学模型2第一节概述机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分。机械振动测试用于不同目的，大致可分为两类：1）寻找振源，减少或消除振动：即消除被测量设备和结构所在的振动。2）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振能力。3第二节惯性式传感器的力学模型单自由度系统是一种最简单的力学模型。该系统性的全部质量m(kg)集中在一点，并由一个刚度为k(N/m)的弹簧和一个粘性阻尼系数为c(N/ms-1)的阻尼器支持着，在讨论中假设系数m,k和c不随时间而变，系统呈线性。该系统可以用二阶常系数微分方程来表述。单自由度系统振动研究是多自由度系统的基础，而且一些实际的工程结构可以简化为一个单自由度系统。4第二节惯性式传感器的力学模型一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析1、质量块受力所引起的受迫振动典型的单自由度系统如图7-1所示。图7-15其质量块m在外力f(t)作用下的运动方程为式中c—粘性阻尼系数

k—弹簧刚度

f(t)—激振力，为系统的输入

z—振动位移，为系统的输出第二节惯性式传感器的力学模型一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析6图7-2自由度系统的基础激励在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础运动引起的。设基础的绝对位移为z1,质量m的绝对位移为z0，作其力的分析。2、基础运动所引起的受迫振动一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析第二节惯性式传感器的力学模型7基础激振时，以质量块对基础的相对位移为影响时的频率响应特性如图7-3一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析第二节惯性式传感器的力学模型图7-38特性分析：1）在使用时，一般取>>(3-5)，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。2）若选择适当阻尼，可抑制=1处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使不能过小第二节惯性式传感器的力学模型一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析9二、单自由度制动系统受迫振动小结由于在不同的场合的输入量、输出量是不相同的：从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不相同，根据上述原理，可将其归纳成表格，以备差用。第二节惯性式传感器的力学模型10按所测的振动性质可将传感器分为绝对式和相对式。所选用的测振传感器按是否与被测件接触可将传感器分为两类:接触式和非接触式。接触式传感器中有磁电式速度传感器和压电式加速度计等，其机电转换较为方便，因而用得最多。而电容传感器、涡流传感器常用于振动位移的非接触测量中。绝对式传感器的输出描述被测物的绝对振动；绝对式传感器的壳体固定在被测件上，其内部利用其弹簧一质量系统来感受振动，其力学模型如下图。第三节振动测量传感器二、单自由度制动系统受迫振动小结11第三节振动测量传感器惯性式传感器的力学模型二、单自由度制动系统受迫振动小结12涡流式位移传感器是一种相对式非接触式传感器：它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移和其幅值的。实验表明，传感器线圈的厚度愈小，其灵敏度愈高，由于涡流传感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平线圈组成，结构简单第三节振动测量传感器一、涡流位移传感器13涡流式位移传感器如图7-5所示。1-壳体2：框架3：线圈4：保护套5：添料6：螺母7：电缆第三节振动测量传感器一、涡流位移传感器图7-514二、电容传感器接触式的电容传感器常用于振动测量，其结构外观如图7-6所示。该类型的电容传感器的信号转换放大电路，主要采用频率调制型，目的在于增加电路的灵敏度和可靠性。可实现超低频振动测量。第三节振动测量传感器电容传感器外观图图7-615图7-7为电容式传感器工作原理图。第三节振动测量传感器二、电容传感器图7-716图7-8为电容传感器输出信号示意图。第三节振动测量传感器二、电容传感器图7-817三、磁电式速度计如果将壳体固定在一试件上，通过压缩弹簧片，使顶杆以F力顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比例。磁电式速度传感器是利用电磁感应原理工作的传感器，将传感器中的线圈作为质量块，当传感器运动时，线圈在磁场中作切割磁力线的运动，其产生的电势大小与输入的速度成正比。图7-9就是按这种原理工作的磁电式相对速度计的简图磁电式速度传感器结构简单、使用方便、输出阻抗低，从外部引入的电噪声很小，输出信号较大，灵敏度较大，有时可不加放大器，适于测量低频信号。其主要缺点是体积大、笨重、不能测量高频信号。第三节振动测量传感器18图7-9磁电式相对速度计1：顶杆2、5：弹簧片3：磁铁4：线圈6：引出线7壳体第三节振动测量传感器三、磁电式速度计19图7-10a是中央安装压缩型。图中S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。1、压电加速度计的结构设计四、压电加速度计压电元件---质量块---弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座联接，这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象联接时，如果基座B有变形则将直接影响传感器输出。此外测试对象和环境温度变化将影响压电片，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。第三节振动测量传感器图7-1020图7-10b为环形剪切型。结构简单，能做极小型、高共振频率的加速度计，不形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-1021图7-10c为三角剪切型。压电片由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电片承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-1022

2、压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度有两种表示方法：一个是电压灵敏度SV；另一个是电荷灵敏度Sq。电荷灵敏度：已知压电片上承受的压力为F=ma，在压电片的工作表面上产生的电荷qa与被测振动的加速度a成正比，即qa=Sqa，式中比例系数Sq就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[pC/(m.s-2)]电压灵敏度:传感器的开路电压ua也与被测加速度a成正比，比例系数SV就是压电式加速度传感器的声压灵敏度，量纲是[mV/(m.s-2)]第三节振动测量传感器四、压电加速度计23加速度传感器的工作原理示意图及等效电路如图所示。第三节振动测量传感器a工作原理示意图b等效电路四、压电加速度计24

3、压电加速度传感器的频率特性实际的压电式加速度传感器，由于电荷泄漏，其幅频特性如图7-12所示。从图中可以看出压电式加速度传感器工作频率范围很宽，只有在加速度传感器固有的频率附近灵敏度才发生急剧变化。加速度传感器的使用限频率取决于幅频曲线中的共振频率。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-12254、加速度传感器的安装方法加速度传感器与试件的各种固定方法如图7-13所示。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-1326图7-13a采用纲螺栓固定；是使用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不平整安装表面的联接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度传感器（图7-13b)，但垫圈应尽量薄。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-1327用一层薄蜡把加速度传感器粘在试件平整表面上，变可用于低温的场合。手持探针测振方法（7-13d），用专用永久磁铁固定加速度传感器（图7-13e），使用方便，多在低频测量中使用。用硬性粘接螺栓（图7-13f）或粘接剂（图7-13g）的固定方法也常用。软性粘接剂会显著降低共振频率。不宜采用。第三节振动测量传感器四、压电加速度计图7-1328

5、压电加速度传感器的前置放大器用于压电式传感器的前置放大器有两类：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，输入阻抗更高，但价格比较昂贵。第三节振动测量传感器四、压电加速度计29五、阻抗头阻抗头作用是在力传递点同进测量激振力和该点的运动响应，因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，如图7-14所示。1、4：压电片2：激振平台3：橡胶5：质量块6-钛质壳体第三节振动测量传感器图7-1430六、现代振动测量与振动传感器的发展1、压电加速度计压电加速度计是应用最广泛的振动测量传感器。近年来在压电材料、结构和性能上均有很大的改善。近年来培植的人工晶体应用于加速度计，使其性能得到大幅度提高。近年来惯性加速度计在结构设计上也有很大的改进。第三节振动测量传感器随着微电子技术的发展，传感器中嵌入阻抗转换电路，得到电压输出，简化了后续设备；嵌入存储有传感器的序列号、灵敏度等信息的数字芯片，与相应的测量仪器连接，仪器开机后可自动读入这些信息。31近年来惯性加速度计在结构设计上有很大的改进。如图所示。新型的三轴传感器中心部分结构图。1：阻抗变换器2：质量块3：敏感元件4：底座5：外壳第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展32新兴三轴传感器X、Y、Z三个方向的主振型图。新型三轴传感器照片。第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展33

2、激光多普勒振动测量系统利用激光多普勒效应不仅能测量固体的振动速度：还可以测量流体的流动速度。激光多普勒速度计有单点测量型和扫描型两种。激光多普勒效应是当波源向着接收器之间传递的波将发生变化，波长缩短，频率升高；反之，当波源背接收器移动时，波源和接收器之间传递的波长变长，频率会降低。第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展34图为使用单点激光多普勒速度计测量发动机的振动。第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展35图为扫描型激光多普勒测速计。第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展36使用激光多普勒测速计实现汽车车身多点振动测量或模态试验。第三节振动测量传感器六、现代振动测量与振动传感器的发展37第四节振动测量系统及其标定一、振动测量系统的组成机械结构的振动测量主要是指测定振动体的位移、速度、加速度大小以及振动频度、周期、相位、振型、频谱等，在工程实践中有时还要通过试验来测定振动系统性的动态特性参数。振动测量广泛采用电测法，这种方法灵敏度高，频率范围及线性范围宽，便于遥测和运用电子仪器，还可以用计算机分析处理数据。根据测试的对象和任务不同，一般可将其分为两种类型。下面分别介绍38

1、仅测量系统的输出（响应）这类测试主要发生在两种情况之下：第一种情况是系统在一定的条件下发生自由振动，此时只要测得其自由振动的时间历程即可求出系统的动态特征；第二种情况是系统在自然激励作用下发生强迫振动，系统的输入一般难以测量或不可测量，此时主要通过测出系统的输出，求出其相关的函数或功率谱密度函数来确定系统的动态特性或找出引起振动的原因。第四节振动测量系统及其标定一、振动测量系统的组成39

2、同时测量输入和输出所示系统是一种最简单的振动测试系统，它用于第一类测试。这类测试是典型的实验室方法，被测系统通常在人为激励作用下发生强迫振动，同时测出系统的输入和输出，求取系统的动态特性第四节振动测量系统及其标定一、振动测量系统的组成40图7-23所示系统能把现场的振动信号记录下来，供分析时反复使用。若配上适当的滤波器组成图7-24所示系统，不仅在现场读出振动的量级，还可以对振动信号作频率分析。7-23测量记录系统7-24加滤波器的测量系统第四节振动测量系统及其标定一、振动测量系统的组成41二、测试系统的标定标定的过程一般分为三级精度：国家计量院进行的标定是一级精度的标准传递。在此处标定出的传感器叫标准传感器，它具有二级精度。用标准传感器可以对出厂的传感器和其他方式使用的传感器进行标定，得到的传感器具有三级精度，也就是我们在试验现场所用的传感器。常用的灵敏度标定方法有：绝对法、相对法和校准器法第四节振动测量系统及其标定421、绝对法这一般是由国家计量院实行一级标定所用的方法，用来标定二级精度的标准传感器。将被标定的传感器固定在标定振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被标定的传感器的输出比较，以确定被标定传感器的灵敏度。其原理如图。1：电源2：兴电倍增管3：放大器4：频率测量仪5：参考反射镜6参考光束7：测量光束8：分束器9：氦氖激光器10：数字电压表11：电荷放大器12拾振器13振动台14测量反射镜15功率放大器16正弦信号发生器第四节振动测量系统及其标定二、测试系统的标定432、相对法相对法又称背靠背比较法。图7-27是这种相对校准加速度计的一个简图。第四节振动测量系统及其标定二、测试系统的标定图7-2744第五节激振试验设备及振动信号简介一、振动台振动台有机械式振动台、电磁式振动台和电—液伺服振动台三种。电—液伺服振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面往复运动的一种设备。工作时，电—液伺服振动台的阀控液压缸系统带着质量负载，其原理如下图。其中台体由电液控制阀、液压缸、高压油路（供油管路）、低压油路（回油管路）等主要部件组成。电液控制阀的驱动线圈由信号发生器、功率放大器供给驱动电