机械工程测试技术（第3版）课件：振动的测量

振动的测量各种各样的机械振动内燃机的转动曲轴钟摆的摆动琴弦的振动§7.1振动的概念一、振动的特点1.振动现象的普遍性。2.振动多数是有害的。3.振动可以利用。二、机械振动系统的3个要素1.惯性－－使系统持续运动的性质2.恢复性－－能使系统恢复到平衡状态的性质3.阻尼－－使系统能量消耗掉的性质这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。三、振动测试的内容w机械结构或部件已振时：测量振动位移、

速度、加速度、频率和相位等，寻找振源，进行监测、分析、诊断和预测；w机械设备或结构未振时：先施加某种激励，让其作受迫振动，测量固有频率、阻尼、

刚度、响应和振型等。一.简谐振动1.定义:

以正弦或余弦函数(统称为谐波函数)表示的振动，称为简谐振动。§7.2机械振动的类型二、复合周期振动由两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合

而成的振动。三、准周期振动由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成。四、瞬态振动、冲击振动瞬态振动是指在极短时间内仅持续几个周期的振动。单个脉冲是冲击振动(过程突然发生、持续时间短)。五、随机振动没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系。以弹簧振子为例得出普遍结论：1.力学模型F合=

-

kx

由

F合

=ma

=一kx2.运动学方程

k

2m3.微分方程x

2kmo

x§7.3单自由度无阻尼自由振动+O

x

=0

dt

2a

=一x

=一O

x

mdO

=kk2(2)振幅A

A

=

x0

2(3)初相位Q

tanQ

=

一系统的固有性质与初始条件无关、与振幅无关Q与何时开始计时有关4.三个特征量A

、O

、

Q(O

t+Q)

—相位(1)角频率2+

v0

OxkmO

=0§7.4单自由度系统的受迫振动一、由作用在质量块上的外力引起的受迫振动二、由基础运动所引起的受迫振动在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引起的。

这种情况称位移激励。设基础的绝对位移为y1(t)，质量块m

的绝对位移为y0(t)则质量块M相对于基础的相对位移为(y0-y1)其运动方程为：§7.5振动的激励振动的测试一般包括三个主要部分：1)激励(输入)部分实现对被测系统的激励，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。2)拾振部分检测并放大输入、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、可调放大器组成。3)分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来，进行分析处理。它主要由各种记录设备和频谱分析仪组成。当Fi以简谐规律变化

时，作用在激振对象

上的力F也为同频率的

简谐力，在使用时，

往往在顶杆与激振对

象之间加一个力传感

器，以精确地测出激

振力F(t)一、激振器(一)电动式激振器由通入线圈中

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。电磁激振器是非接触式的，其频率上限约为500~800Hz。(二)

电磁式激振器在激振大型结

构时，需要很

大的激振力，

可采用电液式

激振器。(三)电液式激振器1—顶杆

2—

电液伺服阀

3—活塞(四)

脉冲锤脉冲锤是一种产生瞬态

激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成。在锤体和锤头之间装有力传感器，

以测量被测系统所受锤击力的大小。为了能调整激励频率范围，通常使用一套不同材料的锤头。二

振动的激励方法分类：稳态正弦激振、瞬态激振、随机激振1、稳态正弦激振w

借助激振设备给被测系统施加一个稳定的单一频率的正弦激振力ƒ(t)=F0sinωtw

在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差。w测试时间相对较长激振系统一般由正弦信号发生器、功率放大

器和电磁激振器组成，测量系统由跟踪滤波

器、峰值电压表和相位计组成。2

、瞬态激振给被测系统的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供各个频率成份的能量、使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激振方法有：w快速正弦扫描w

脉冲锤击w阶跃松弛激励3.随机激振w随机激振是一种宽带激振，一般用白噪

声或伪随机信号作为激励信号。w白噪声的自功率谱密度函数幅值恒为1，

自相关函数是一个单位脉冲函数。§7.6测振传感器分类：w接触式和非接触式w

按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。和振动相关的物理量有：振动位移、速度、加速度等，所以振动测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。一、惯性式测振传感器(一)力学模型

惯性式位移

传感器的输

出位移zm反

映被测振动

的位移量xm(二)惯性式位移传感器的响应条件二、

压电式加速度传感器当壳体连同基座、被测对

象一起运动时，惯性质量

块(高密度合金制成)相

对于壳体或基座产生一定

的位移，由此位移产生的

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。压电式传感器通常不用

阻尼元件，且其元件的内

部阻尼也很小(<0.02)，系统可视为无阻尼压电式力传感器较加速度传感器简单，其结构如图所示。要测量的力通过钢球1及钢板2传递给压电石英片3与4

。产生的电荷由导线5及壳体6引出，送入前置放大器。产生的电荷直接与力F成正比。为获得较大的电荷灵敏度，亦可将多片压电片并联。三、压电式力传感器四、磁电式速度传感器Ø磁电式速度传感器动圈式动磁式1.绝对式振动传感器1－弹簧片2－永磁铁3－阻尼环4－支架5－中心轴6－外壳7－线圈传感器与被测物体刚性连接，物体振动时传感器外壳和永久磁铁随之振动，架空的中心轴、线圈、阻尼环因惯性不随之振动。因此，磁路空气隙中的线圈切割磁力线产生正比于振动速度的感应电势，通过引线输出到测量电路。2.相对振动速度传感器1－顶杆2－弹簧片3－永磁铁4－线圈5－引线6－壳体7－导磁体磁电式速度传感器§7.7振动参数的测量w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。w只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。一、振动量的测量振动量通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和振动加速度

的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。二、固有频率和阻尼的测量1.自由振动法一个单自由度振动系统，若给予初始冲击(其初速度为dz(0)／dt)或初始位移z0

)，则系统将在阻尼作用下作衰减振动。阻尼振动的曲线如图所示2

T

Od

n

1

2dO

=O

=2.共振法单自由度系统的受迫振动，当激振频率接近于

系统的固有频率时，振动响应就急剧增大。对于小阻尼系统：位移共振：§7.8振动的控制1.消振①消除或减弱振源，这是治本的方法。eg.车刀的颤振，可通过加冷却剂的方法，减小切削时，车

刀与工件的摩擦力，破坏出现颤振的条件。②抵消振动－－由可控制的振动来抵消振源发出的振动。

eg.电子吸振器，就是利用电子设备产生一个与原来振动的振幅相

等、相位相反的振动，来抵消原来振动以达到降低振动的目的。2.隔振：在振源与需保护设备之间串加一个子系统(称为隔振器)。弹簧隔振器3.吸振在需要保护的对象上，附加一个动力吸振器，由该

动力吸振器产生吸振力，以减小被保护设备对振源

激励的