振动的检测及传感器

1.机械振动2.产生原因3.振动检测的研究内容4.振动类型5.4.1基本知识第1页/共49页第一页，共50页。1.机械振动：物体在一定位置附近所做的周期性往复运动2.产生原因旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等3.振动检测的研究内容I.

测量设备运行时的振动参量，寻找振源；第2页/共49页第二页，共50页。某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动记录曲线经过频谱分析可以估计振源27.5Hz频率成分为砂轮不平衡所引起的振动；329Hz频率成分为油泵脉动引起的振动；50Hz、100Hz和150Hz的频率成分都和工频（电网的频率，即发电机的工作频率）和电机的振动有关；500Hz以上的高频振动原因比较复杂，有轴承噪声及其它振源。第3页/共49页第三页，共50页。II.

对设备激振，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速转速工作范围第4页/共49页第四页，共50页。a.从产生振动的方式来分：自由振动：仅受初始条件（初始位移、初始速度）激励而引起的振动受迫振动：系统在持续外力激励下的振动4.机械振动的类型第5页/共49页第五页，共50页。b.从振动的规律来分：

简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动第6页/共49页第六页，共50页。以无阻尼自由振动的弹簧振子为例：xok简谐振动vtxa第7页/共49页第七页，共50页。(1)

单自由度无阻尼系统的自由振动位移随时间按正弦规律变化，故称为简谐振动。(2)自由振动的频率与初始条件无关，仅由系统本身参数确定。称为(系统的固有频率)(3)自由振动的振幅A和初相角φ由初始条件所确定。第8页/共49页第八页，共50页。复合周期振动

由两个或两个以上频率之比为有理数的简谐振动复合而成。第9页/共49页第九页，共50页。准周期振动

由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成第10页/共49页第十页，共50页。瞬态振动瞬态振动：在极短时间内仅持续几个周期的振动。第11页/共49页第十一页，共50页。随机振动

不能用确定的数学式来描述其运动规律的振动。与一般的随机信号处理方法一样。第12页/共49页第十二页，共50页。5.4.2振动的激励如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可以求出系统的动态特性。第13页/共49页第十三页，共50页。振动测试系统包括：

激励部分实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成拾振部分检测并放大被测系统的输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。

分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备(或计算机)组成。第14页/共49页第十四页，共50页。一.激励信号1.稳态正弦激励激励信号：稳定幅值和频率的正弦信号测出激励大小和响应大小系统在该频率点处的频率响应激励系统:正弦信号发生器+功率放大器+激振器缺点：较长的测试周期(多个频率+稳态)第15页/共49页第十五页，共50页。2.瞬态激励信号

激励信号：瞬态信号宽频带激励：一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应快速测试(常用)常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描脉冲锤击阶跃松弛激励第16页/共49页第十六页，共50页。(1)快速正弦扫描正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（可为数秒）：激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定第17页/共49页第十七页，共50页。T:扫描周期fmax,fmin：上下限频率可以快速测试研究对象的频率特性具有类似正弦的形式，但频率变化，属于瞬态激振第18页/共49页第十八页，共50页。(2)脉冲锤击激励方法：用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力，使之发生振动。锤击力脉冲：在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，近似半正弦波。1.有效频率范围取决于脉冲持续时间，锤头垫越硬，时间越短，频率范围越大：锤头垫的材料频带宽度2.锤头配重的质量和敲击速度激振力的大小第19页/共49页第十九页，共50页。

(3)阶跃（张弛）激励1.在激振点，用一根刚度大、重量轻的弦经过力传感器对待侧结构施加张力，使之产生弹性变形2.然后突然切断弦负的阶越激振力(宽带激振)建筑结构的振动测试tf(t)第20页/共49页第二十页，共50页。3.随机激励信号(1)纯随机激励纯随机信号:高斯分布的白噪声在频率域上它是一条几乎平坦的直线。(白噪声发生器或计算机)第21页/共49页第二十一页，共50页。(2)伪随机激励伪随机信号：周期性的随机信号在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的(伪随机信号发生器或计算机)将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复第22页/共49页第二十二页，共50页。第23页/共49页第二十三页，共50页。二.激振器

对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置（1）电动式激振器一般使用时在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力线圈通过交流电，则线圈将受到与电流成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到试件上磁场的产生方法：永磁式(小型激振器)；励磁式(振动台)第24页/共49页第二十四页，共50页。（2）电磁式激振器电磁激振器是非接触式的，没有附加质量和刚度的影响，频率上限约为500-800Hz。激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动．第25页/共49页第二十五页，共50页。（3）脉冲锤(力锤)常用的激振方法，设备最简单脉冲锤由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，产生瞬态激励力；

锤击力的大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定。

激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率ω越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一套不同材料的锤头。测量大小不同的实验对象，应选用不同大小的锤子a.轻小型的结构,5g左右b.中型结构[汽车车架、发动机等小型机械]，240g左右c.大中型结构[如机床、小型坦克等],1400g左右d.重型结构[如建筑物、大型发动机、船等]，5~6kg左右第26页/共49页第二十六页，共50页。北京东方振动和噪声技术研究所MSC系列弹性试验力锤第27页/共49页第二十七页，共50页。5.4.3测振传感器一.类型接触式：磁电式速度传感器、压电式加速度计非接触式：涡流式位移传感器接触式：按壳体的固定方式分为a.相对式：把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动第28页/共49页第二十八页，共50页。1—顶杆

2—弹簧片

3—磁钢

4—线圈

5—引出线

6—壳体磁电式相对速度传感器第29页/共49页第二十九页，共50页。b.绝对式：壳体固定在被测对象上，壳体的振动等于被测物的振动，质量块对壳体的相对运动量，供机电转换元件转换成电量，又称为惯性式测振传感器；拾振器的质量成为附加质量，改变振动特性第30页/共49页第三十页，共50页。1.压电式加速度传感器壳体和被测对象一起运动质量块相对于壳体产生位移(第一次转换：输入加速度相对位移)位移产生的弹性力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷(第二次转换：相对位移电荷)。基础的加速度质量块与基础的相对位移成正比第31页/共49页第三十一页，共50页。垫圈应尽量薄用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。不得全部拧入基座螺孔，以免基座变形安装面涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性

多点测试，误差较大，重复性差，上限频率不高于1kHz使用方便，低频薄腊层第32页/共49页第三十二页，共50页。某加速度计不同固定方法的共振频率<粘接第33页/共49页第三十三页，共50页。特点：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最为广泛使用的振动测量传感器虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号第34页/共49页第三十四页，共50页。2.磁电式速度传感器

磁电式绝对速度计1—弹簧

2—壳体

3—阻尼环

4—磁钢

5—线圈

6—芯轴阻尼环和线圈质量块电压正比于质量块与基础的相对速度第35页/共49页第三十五页，共50页。相对速度近似于被测物的速度；尽量降低固有频率，固有频率：10~15Hz第36页/共49页第三十六页，共50页。3.电涡流位移传感器旋转机械中监测转轴的振动测量

第37页/共49页第三十七页，共50页。半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应4.压阻式加速度传感器第38页/共49页第三十八页，共50页。频率范围也可从直流信号到测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力汽车安全气囊、防抱死系统第39页/共49页第三十九页，共50页。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；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，在实际应用中电容式加速度传感器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5.电容式加速度传感器第40页/共49页第四十页，共50页。二.测振传感器的选择1.直接测量参数的选择:s/v/a

a.信噪比高频加速度低频位移b.最重要的参数：惯性力的破坏(a);振动环境(v);位置变化(s)第41页/共49页第四十一页，共50页。2.综合考虑传感器的指标(频率范围/量程/灵敏度等)[例：压电式加速度计—超低振级(m>100g)/高振级(m:几克/0.几克)]重量大上限频率低；轻高第42页/共49页第四十二页，共50页。a.应变式测量频率:0~几千Hz；测量加速度b.磁电式测量频率:十几~几百Hz;常测位移，可测速度/加速度；地震测试(抗干扰性强)c.压电式高频，常测加速度；可测速度/位移d.非接触式电容/电感/涡流灵敏度高；非接触性测量第43页/共49页第四十三页，共50页。3.对具体使用的考虑环境/价格/寿命/可靠性/维修/校准激光测振：高分辨率/高精确度；环境要求极严/设备昂贵；实验室精密测量或校准电涡流/电容式：非接触式环境要求低[高温/油污/蒸汽介质;长期可靠][汽轮发电机组/压缩机组等的振动监测]第44页/共49页第四十四页，共50页。4.其他a.接触式测量：减轻被测对象的负载效应;

非接触式测量：灵敏度/初始安装间隙b.估计被测量的频率范围，是否落入幅频曲线的工作频带c.估计被测系统的最大振级，额定最大冲击值的1/3d.估计被测点的振动方向正确按装传感器e.估计工作环境，温度/磁场/声场[防范措施]第45页/共49页第四十五