机械工程测试技术（第2版）课件：振动的测量

振动的测量机械工程测试技术（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology学习导航10.1概述（Summary）10.2测振传感器（VibrationPick-up）10.3常用的测振放大器（Frequently-usedVibrationAmpfilier

）10.4振动的激励与激振器（ExcitationofVibrationandVibrationGenerators）10.5振动测量方法及实例（MeasurementMethodsandexamplesofVibration）知识导图10.1概述

各种机械的运动过程总是伴随着各式各样的振动。机械连同它的基础和建筑结构都处于不同程度的振动之中。例如矿井提升机的振动，冶金生产用的高炉、转炉及轧钢机的振动，各行各业使用的风机在工作时的振动及管路中由流体而引起的振动等。

机械振动是一种特殊的运动形式，它是指机械的零部件、整个机械结构在其平衡位置附近所作的往复运动。一方面，在大多数情况下机械振动是有害的，影响机械的工作性能及其寿命，造成零、部件的过早失效破坏，甚至造成机毁人亡的灾难性事故。因此，必须予以控制或消除。另一方面，则是利用机械振动的特点来完成各项有益的工作，例如振动筛、振动搅拌器、振动输送机，振动夯实机等，这时必须正确选择振动参数，充分发挥机械的振动性能。10.1概述10.1.1振动测试的内容与目的

(1)内容

测量机械设备或结构在工作状态时的振动，如振动的位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态、评定等级和寻找振源，以及进行监测、分析、诊断和预测；

对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼比、刚度、振型等模态参数。

10.1概述

(2)目的分析、判断振源；按国家规范和评定等级标准，进行振动测量；分析振动的形态（振型等振动系统的动态特性）；通过测量，以便研究减振、隔振和抗冲击的理论及材料；确定作用在机械或结构上的动载荷；检查其在运转时的振动特性，检验产品质量，为设计零部件提供依据；校验动力学的理论计算方法（如有限元法）；对运行中的机械或结构进行在线监测，故障诊断及趋势预报，以避免重大事故的发生。10.1概述10.1.2振动测量系统的基本组成和各部分功能激振设备被测系统分析设备记录显示仪器测振传感器测振放大器振动测量系统的基本组成

10.1概述

各部分功能：

（1）激振设备

对被测系统的局部或整体施加某种形式的可调的激励力，使之产生预期的振动。使用的激振设备通常有激振器（振动台）和激振锤两类。

（2）测振传感器在电测法中，它将被测系统的振动参量（如位移、速度、加速度等）转变为电信号。常用的测振传感器有：磁电式传感器、压电式传感器、应变式传感器、电涡流传感器等。

10.1概述

（3）测振放大器它将测振传感器转换后的电信号加以放大，以便分析设备的后续分析、处理以及记录显示仪器的记录、显示、绘图等。常用的测振放大器类型有电荷放大器、电压放大器和调制型放大器等。

（4）分析设备主要有频谱分析仪，可分为模拟式和数字式两大类。

（5）记录显示仪器根据振动测量的不同目的，可将振动测量结果以数据或图表的形式进行记录或显示。常用的记录显示仪器有示波器、磁带记录仪、绘图仪、打印机、计算机磁盘等。10.1概述10.2测振传感器10.2.1测振传感器的分类及原理机械振动的测试方法：机械方法:振动频率低、振幅大、精度不高。光学方法:精密测量和振动传感器的标定电测方法:应用范围最广⑴传感器的分类

按测振参数分类：位移、速度、加速度；按参考坐标分类：绝对式、相对式；按变换原理分类：磁电式、压电式、电阻式等；按传感器与被测物关系分类：接触与非接触式。

⑵惯性式传感器的力学原理根据牛顿第二定律，有10.2测振传感器

整理后，有频响函数

幅频特性式中传感器静态灵敏度，即10.2测振传感器

相频特性

于是有10.2测振传感器

惯性传感器的质量元件相对于外壳的运动与被测物体的运动规律一样。其振幅比与相位差值由传感器的固有频率及阻尼比的大小来确定。

讨论：

①位移传感器，低频只能保证幅值精度，无法保证相位不失真。10.2测振传感器惯性式位移传感器的幅频特性10.2测振传感器惯性式位移传感器的相频特性10.2测振传感器

②速度传感器动态特性与位移传感器相同

③加速度传感器

质量元件相对壳体的位移与被测振动加速度成正比。10.2测振传感器工作频段内，幅值、相位均不失真。加速度传感器的幅频特性10.2测振传感器10.2.2常用振动传感器

⑴磁电式速度传感器

①磁电式绝对速度传感器

绝对（惯性）式速度传感器安装在测量对象上。线圈与磁铁相对运动，磁通变化，感应电动势，电动势与线圈的运动速度成正比。动圈式速度传感器10.2测振传感器磁电式相对速度传感器②磁电式相对速度传感器顶杆接触测量对象，输出与固定壳体的相对运动速度。10.2测振传感器⑵电涡流式位移传感器涡流式位移传感器的主要特点之一是非接触测量。测量装置包括探头和适配器（前置放大器）。适配器一般采用直流电源，输出电压与探头前面的间隙成正比。涡流传感器的探头和适配器10.2测振传感器

涡流位移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。涡流位移传感器属于相对式拾振器，能够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。

10.2测振传感器涡流位移传感器测量轴振动示意图涡流位移传感器广泛应用于汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移及转速等的测量。测量时，两个涡流传感器互成直角，可以得出转子的轴心轨迹。轴心轨迹是指机器在给定的转速下，轴心相对于轴承座在其与轴线垂直平面内的运行轨迹。是一平面曲线。涡流位移传感器广泛应用10.2测振传感器机器运行时若作用于转子的各种约束力在所有径向都相等，且只有其残余不平衡力作用于转轴上，这时轴心轨迹将是一个圆形。若作用于转轴上的预载荷有了变化，可能导致转轴振动加剧，并使轴心轨迹形状发生改变。因此，通过观察轴心轨迹形状的变化，可以确定转轴最大振幅值及其方向，确定转轴涡动及其频率，测量轴系的振型，诊断机器不平衡、不对中、油膜涡动等故障。10.2测振传感器

图中的轴心轨迹变成长椭圆形，表示该机器已出现不对中的故障征兆，轴系不对中产生的预载力已作用于转轴上。轴心轨迹和两个传感器的时域波形图10.2测振传感器

⑶应变式加速度计质量块的振动作用于应变梁，属于惯性传感器。用应变计测量应变梁表面的应变。当工作频率远小于固有频率，并且阻尼比等于0.7左右，应变值与壳体的加速度成正比。

适用于低频测量惯性应变式加速度计10.2测振传感器

⑷压电式加速度传感器

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。

被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化与被测加速度成正比。

1)结构与特点压电加速度计主要由三部分组成：压电元件Ｐ、质量块Ｍ和附加件（附加件包括压紧弹簧Ｓ和机座Ｂ）。10.2测振传感器压电加速度计的常见结构：压电加速度计的典型结构10.2测振传感器

中间固定型中间固定型共振频率高。基座变形直接影响输出。温度变化影响压电元件，并使预紧力变化，易引起温度漂移。外缘固定型外缘固定型弹簧沿外缘与壳体紧固在一起。易受外界温度与噪声的影响。10.2测振传感器倒置中间固定型倒置中间固定型中心轴不直接固于基座，可避免安装时基座的影响，但由于壳体成为弹簧的一部分，故固有频率低。10.2测振传感器环形剪切型环形剪切型结构简单，能做成极小型、高共振频率。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。三角剪切型三角剪切型夹持环，三角形中心柱。感受轴向振动时，承受剪切应力。对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，高共振频率和良好的线性。10.2测振传感器

2)主要特性①灵敏度

可看成电压源或电荷源，电压灵敏度

电荷灵敏度

用作为加速度单位。

对给定的压电材料，其灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。尺寸越大，固有频率越低。10.2测振传感器

②横向灵敏度横向灵敏度表示对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度。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。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％。10.2测振传感器③频率响应特性灵敏度随频率的变化特性。固有频率越高，频率范围越宽，下限受到一定限制。各种加速度计的典型频率特性10.2测振传感器3)安装方法加速度计的安装方式安装方法影响工作频率范围。

例如螺栓固定法，31kHz，加云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz；手持法，2kHz；永久磁铁，7kHz。10.2测振传感器粘结法可测频率不超过5KHz手持探针法只能用于1kHz以下的近似探测螺栓固定法最好的方法，尤其对冲击波及测高频振动。但使用时应防止螺栓过分拧紧，以免引起机座的变形，影响加速度计的输出。磁吸法可测频率比粘结方法稍差，但使用方便，可以随时移动加速度计的位置，便于多点测量。在加速度计与被测物之间涂一层硅胶，可改善冲击状态，有利于高频响应。常用的安装方法10.2测振传感器10.2.3接触式测振传感器的校准

⑴绝对法

拾振器固定在校准用的标准振动台上，由正弦信号发生器发出标准信号，经功率放大器放大，推动振动台，用激光干涉振动仪直接测量振动台的振幅，在与被校准拾振器的输出进行比较，从而确定拾振器的灵敏度。可以同时测量频率响应。这种方法只适合计量单位和测振仪器制造厂家使用。10.2测振传感器激光干涉仪的绝对校准法10.2测振传感器

⑵相对法又称背靠背法。将待校准的传感器和严格校准过的传感器背靠背地（或仔细地并排地）安装在振动试验台上。严格校准过的传感器起着“振动标准传递”的作用，通常称为参考传感器，也称标准传感器。背靠背比较校准法10.2测振传感器10.3常用测振放大器

压电式传感器（一般为压电式加速度计）的前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种。电压放大器，高输入阻抗、低输出阻抗。电路较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响。电荷放大器以电容作负反馈，基本不受电缆电容的影响。通常用高质量的元器件，输入阻抗高，价格较贵。压电加速度计电缆电压放大器输入端10.3.1电压放大器电压放大器（又称阻抗变换器）把传感器产生的电荷量转变成电压，再测量其电压值（将压电加速度计的高输出阻抗变成较低阻抗，并将微弱信号进行放大）。10.3常用测振放大器

又称为阻抗变换器，起阻抗匹配作用（高阻抗输入变成低阻抗输出），输出电压给主放大器进行放大。

等效电路等效电容

等效电阻等效电路10.3常用测振放大器

传感器产生的总电荷量为：式中使电容充电到电压的电荷；经电阻漏掉的电荷，在电阻上产生压降，其值相当于；

压电晶体的压电系数；作用于压电晶体上的周期力10.3常用测振放大器

对上式进行微分，则有

整理得：

解此微分方程，得一阶系统10.3常用测振放大器其中或

电导

即电压放大器的输入电压与压电传感器、电缆的参数有关，还与、有关。10.3常用测振放大器

讨论：⑴时，，即不能测量静态参数，只能测动态参数；

⑵时，，即振动体的频率足够大时，输入电压与所测频率无关；

⑶时，，即放大器的输入电压是振动频率的函数，随的降低而降低。

一般下限截止频率规定为电压放大器的输入电压比高频时的输入电压下降到（即）处的频率，也称下降半功率点。10.3常用测振放大器

因为、很大，电荷不可能从这两个电阻漏掉，故可略去不计，则电压放大器的输入电压为：

当传感器、放大器选定后，与是一定的，所以只取决于（电缆的电容）。

电缆越长，分布电容越大，则输入电压就越小，测量信号可能被干扰信号淹没。连接电缆不能太长，一般有专用的短的低噪音电缆。10.3常用测振放大器优点线路简单；线性度好；稳定性好。缺点电压灵敏度是阻抗的函数，且随电缆的长度而变化。10.3常用测振放大器10.3.2电荷放大器电荷放大器是基于适当增加总电容量，使很低，并不受电缆分布电容的影响而设计的。压电加速度计电缆电荷放大器输入端10.3常用测振放大器

因为、都很大，可略去不计，则电荷放大器的输入电压为：

负反馈网络的电容上的电荷量为：

电荷放大器的输出电压为：10.3常用测振放大器

因，并，则电荷放大器的输出电压改为：

电荷放大器的输出电压与输入电荷量成正比。且与负反馈网络的电容有关，与电缆的分布电容无关。故可以采用长导线（上千米）测量。下限截止频率：

（证明略）

10.3常用测振放大器电荷放大器的频率下限取决于负反馈网络的参数与，一般频率下限可达，甚至达量级。10.3常用测振放大器优点低频性能好，＜；与电缆长度无关（但也不宜过长）；有上限可调的低通滤波，可去掉无用的高次谐波；信噪比好于电压放大器。有适调开关，有归一化输出，用于随机振动测量及信号处理非常方便；但结构复杂、价格贵、使用要求高。10.3常用测振放大器

电荷放大器的使用应注意以下几点：（1）电荷放大器的输入端不能直接接入像磁电式传感器、信号发生器或直流电压等类的电压信号；（2）电荷放大器的输入端绝缘电阻要求很高，因此要保持输入插座及电缆插头的清洁与干燥，甚至不允许用手触摸；（3）电荷放大器的输入阻抗极高，因此不能在仪器接通电源后再装卸输入插头，以免损坏仪器，仪器的输出端也不能短接；

10.3常用测振放大器（4）电荷放大器不受连接电缆的限制，但这只是在理想的情况下，因此输入端的连接电缆也不宜过长；（5）要合适地选择上下限频率范围（根据被测振动体的振动频率范围），这样有助于减少噪声和干扰。10.3常用测振放大器10.4振动的激励与激振器10.4.1振动的激励

⑴稳态正弦激振借助激振设备施加频率可控制的简谐激振力。稳态正弦激振要求在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差。测试时间相对较长。

⑵随机激励

宽带激振，白噪声或伪随机信号。快速测试，设备复杂，价格高

⑶瞬态激振

①快速正弦扫描激振

激振信号频率在扫描周期中呈线性增大变化。一般扫描时间为

1～2s，因而可以快速测试出被测对象的频率特性。快速正弦扫描函数及其频谱10.4振动的激励与激振器激振函数式中

激振信号的上、下限频率与扫描周期视试验要求而定。10.4振动的激励与激振器

②脉冲激振用脉冲锤敲击被测对象。脉冲的持续时间取决于锤端的材料，材料越硬，值越小，则频率范围越大。用脉冲锤激振简便高效。但是在敲击点的位置、敲击力的大小、方向的控制等方面，需要有熟练的技巧。10.4振动的激励与激振器各种材料的锤头的频响曲线1钢；2铝；3尼龙；4橡胶锤头越硬，频谱越宽，但是，其单位频率的能量却越小。所以在满足最大频率要求的前提下，尽可能选软一些的材料。10.4振动的激励与激振器400018001510820750频率上限（Hz）钢钢铝钢铝试件钢铝铝尼龙尼龙锤头单点激振，多点测量；多点激振，单点测量。

特点：

①可重复试验，多次平均，以减少随机误差；②可移动激振点，而固定加速度计；③激振点可移动，以避免激振点处于节点位置；④磁带记录仪记录，便于频谱分析。频率范围上限表●●10.4振动的激励与激振器电荷放大器电荷放大器磁带记录仪加速度计被测件脉冲锤（激振锤）脉冲激振测试框图10.4振动的激励与激振器

③阶跃激振阶跃激振的激振力来自一根刚度大、重量轻的弦。试验时，在激振点处，力传感器将弦的张力施加于被测对象上，使之产生初始变形，然后突然切断张力弦，相当于施加一个负的阶跃激振力。阶跃激振也属于宽带激振，在建筑结构的振动测试中被普遍应用。10.4振动的激励与激振器电动式激振器10.4.2激振器⑴电动式激振器按照其磁场的形成方法分有永磁式和励磁式。前者用于小型激振器，后者用于较大型的激振器，即振动台。10.4振动的激励与激振器电动激振器的安装方式

⑴高频激振，加配重降低固有频率，低于激振频率1/3以上。

⑵

低频激振，固定在刚性基础上。

⑶水平激振，悬挂成单摆，固有频率与摆长有关。电动激振器的安装⑴⑵⑶10.4振动的激励与激振器

⑵电磁式激振器直接利用电磁力，非接触激振，特别对回转件激振。因为不与被激对象接触，故无附加质量和刚度，频率上限约为500～800Hz。

电磁激振器10.4振动的激励与激振器励磁线圈由一组直流线圈和一组交流线圈组成。直流励磁线圈使工作点移到B0，即F－B曲线的线性区。交流励磁线圈产生交变磁感应强度，激振力。电磁力与磁感应强度10.4振动的激励与激振器

⑶电液式激振器用于激振大型结构。

优点：激振力大，行程长，结构紧凑。

缺点：高频特性差，用于低频500～1000Hz以下的激振。

电液激振器的工作原理顶杆顶杆电液伺服阀●●●10.4振动的激励与激振器10.5.1振型的测量方法

所谓振型就是振动时，系统中各质点的振幅比。

简支梁与悬臂方板的振型图

10.5振动测量方法及实例10.5振动测量方法及实例

下面介绍两种测量（或寻找）节点、节线的方法。

(1)细砂颗粒跳动法这种方法只能找到处于水平面上的节线，故适用于板类被测振动体的振型测定。即将振动体激振，使其达到某阶共振，在物体表面撒上细砂粒，只要振动加速度超过重力加速度g，表面上的砂粒就会跳动，集中移动到节线附近。从而显示出节线的位置和形状来。10.5振动测量方法及实例(2)示波器测量法

用示波器测振型节点的测量系统框图

10.5振动测量方法及实例

测量原理是：节点（节线）上的位移、速度始终为零，节线两边的位移、速度、加速度必反相。当激振力的频率等于梁的某一阶固有频率时，梁便以该阶振型振动。信号发生器产生的同一频率信号输入示波器的轴，将加速度传感器拾振信号通过测振仪输入到示波器的轴，此时示波器的屏幕上出现椭圆图象。当传感器放在梁上不同位置时，示波器的椭圆图象将发生变化，如图所示。10.5振动测量方法及实例

当传感器放在节点上时，椭圆变成了轴上的一条横线，当传感器放在节点左侧或右侧时，椭圆长轴的方位发生变化。根据上述现象，只要将传感器在梁的长度方向逐点移动，便可找到节点的位置。图像随位置变化图形

10.5振动测量方法及实例探头安装示意图

在每个测点应安装两个传感器探头，两个探头分别安装在轴承两边的同一平面上，相隔90°（±5°）。通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°，定义为探头（水平方向）和探头（垂直方向）。通常从原动机端看，探头应