传感器与测试技术7-振动的测量课件.ppt

2014 Page 2学习导航学习导航7.1 概述（概述（Summary）7.2 测振传感器（测振传感器（Vibration Pick-up）7.3 常用的测振放大器（常用的测振放大器（Frequently-used Vibration Ampfilier ）7.4 振动的激励与激振器（振动的激励与激振器（Excitation of Vibration and Vibration Generators）7.5 振动检测方法及实例（振动检测方法及实例（Detective Methods and examples of Vibration）Page 37.17.1概述概述 机械振动是一种特殊的运动形式，它是指机械的零部机械振动是一种特殊的运动形式，它是指机械的零部件、整个机械结构在其件、整个机械结构在其平衡位置附近平衡位置附近所作的所作的往复运动往复运动。在大多数情况下机械振动是在大多数情况下机械振动是有害的有害的，影响机械的工作性，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，能及其寿命，造成零、部件的过早失效破坏，甚至造成甚至造成机毁人亡的灾难性事故机毁人亡的灾难性事故 。因此，必须予以控制或消除。因此，必须予以控制或消除。利用机械振动的特点来完成各项利用机械振动的特点来完成各项有益的工作有益的工作，例如振动例如振动筛、振动搅拌器、振动输送机，振动夯实机等，筛、振动搅拌器、振动输送机，振动夯实机等，这时必这时必须正确选择振动参数，充分发挥机械的振动性能。须正确选择振动参数，充分发挥机械的振动性能。Page 47.1.1振动测试的内容与目的振动测试的内容与目的 (1)内容内容测量机械设备或结构在工作状态时的振动，如振动的测量机械设备或结构在工作状态时的振动，如振动的位移位移、速度速度、加速度加速度、频率和相位频率和相位等，了解被测对象的振动状态、评定等，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；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、固有频率、阻尼比、刚度、振型刚度、振型等模态参数等模态参数。7.1概述概述Page 5Page 67.1.2振动测量系统的基本组成和各部分功能振动测量系统的基本组成和各部分功能激振激振设备设备被测被测系统系统分析分析设备设备记录记录显示显示仪器仪器测振测振传感传感器器测振测振放大放大器器振动测量系统的基本组成振动测量系统的基本组成 7.1概述概述Page 7 各部分功能：各部分功能：（1 1）激振设备）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，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）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。和激振锤两类。（2 2）测振传感器）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、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。器、压电式传感器、应变式传感器、电涡流传感器等。7.1概述概述Page 8 （3 3）测振放大器）测振放大器 它将测振传感器转换后的电信号加以放大它将测振传感器转换后的电信号加以放大 ，以便分析设，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。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。大器等。（4 4）分析设备）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。主要有频谱分析仪，可分为模拟式和数字式两大类。（5 5）记录显示仪器）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。带记录仪、绘图仪、打印机、计算机磁盘等。7.1概述概述Page 9Page 10惯性式传感器的力学原理惯性式传感器的力学原理根据牛顿第二定律，有根据牛顿第二定律，有7.2测振传感器测振传感器Page 11 整理后，有整理后，有 频响函数频响函数 幅频特性幅频特性式中传感器静态灵敏度，即式中传感器静态灵敏度，即7.2测振传感器测振传感器Page 12Page 13 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。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。来确定。讨论：讨论：位移传感器位移传感器，低频只能保证幅值精度，无法保证低频只能保证幅值精度，无法保证相位不失真。相位不失真。7.2测振传感器测振传感器Page 14Page 15惯性式位移传感器的相频特性惯性式位移传感器的相频特性7.2测振传感器测振传感器Page 16速度传感器速度传感器 动态特性与位移传感器相同动态特性与位移传感器相同 加速度传感器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质量元件相对壳体的位移与被测振动加速度成正比。7.2测振传感器测振传感器Page 17Page 187.2.2常用振动传感器常用振动传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器磁电式绝对速度传感器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绝对（惯性）式速度传感器安装在测量对象上。线线圈圈与与磁磁铁铁相相对对运运动动，磁磁通通变变化化，感感应应电电动动势势，电电动动势势与与线线圈圈的的运运动动速速度度成成正正比比。动圈式速度传感器动圈式速度传感器7.2测振传感器测振传感器Page 19磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器 磁电式相对速度传感器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。顶杆接触测量对象，输出与固定壳体的相对运动速度。7.2测振传感器测振传感器Page 20电涡流式位移传感器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涡流式位移传感器的主要特点之一是非接触测量非接触测量。测量装置包括测量装置包括探头和适配器（前置放大器）探头和适配器（前置放大器）。适配器一。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。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涡流传感器的探头和适配器7.2测振传感器测振传感器Page 21 涡流位移传感器具有涡流位移传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及等介质影响以及非接触测量非接触测量等特等特点。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。影响。7.2测振传感器测振传感器Page 22涡流位移传感器测量轴涡流位移传感器测量轴振动示意图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。转轴系的振动、轴向位移及转速等的测量。测量时，两个涡流传感测量时，两个涡流传感器互成直角，可以得出转子器互成直角，可以得出转子的的轴心轨迹轴心轨迹。轴心轨迹是指机器在给轴心轨迹是指机器在给定的转速下，轴心相对于轴定的转速下，轴心相对于轴承座在其与轴线垂直平面内承座在其与轴线垂直平面内的运行轨迹。是一平面曲线。的运行轨迹。是一平面曲线。涡流位移传感器广泛应用涡流位移传感器广泛应用7.2测振传感器测振传感器Page 23Page 24 图中的轴心轨迹变成长椭圆形，表示该机器已出现不对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。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轴心轨迹和两个传感器的时域波形图7.2测振传感器测振传感器Page 25 应变式加速度计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。测量应变梁表面的应变。当工作频率远小于固有频率，并且阻尼比等于当工作频率远小于固有频率，并且阻尼比等于0.70.7左右，应左右，应变值与壳体的加速度成正比。变值与壳体的加速度成正比。适用于适用于低频测量低频测量惯性应变式加速度计惯性应变式加速度计7.2测振传感器测振传感器Page 26 压电式加速度传感器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。器。被测振动频率被测振动频率远低于远低于远低于远低于加速度计的固有频率时，力的变化与加速度计的固有频率时，力的变化与被测加速度成正比。被测加速度成正比。1)结构与特点结构与特点压电加速度计主要由三部分组成：压电元件、质量块压电加速度计主要由三部分组成：压电元件、质量块和附加件（附加件包括压紧弹簧和机座）。和附加件（附加件包括压紧弹簧和机座）。7.2测振传感器测振传感器Page 27Page 28中间固定型中间固定型中间固定型中间固定型共振频率高。基座变共振频率高。基座变形直接影响输出。温度变形直接影响输出。温度变化影响压电元件，并使预化影响压电元件，并使预紧力变化，易引起温度漂紧力变化，易引起温度漂移。移。外缘固定型外缘固定型外缘固定型外缘固定型弹簧沿外缘与壳体紧弹簧沿外缘与壳体紧固在一起。易受外界温度固在一起。易受外界温度与噪声的影响。与噪声的影响。7.2测振传感器测振传感器Page 29倒置中间固定型倒置中间固定型 倒置中间固定型倒置中间固定型中心轴不直接固于基中心轴不直接固于基座，可避免安装时基座的座，可避免安装时基座的影响，但由于壳体成为弹影响，但由于壳体成为弹簧的一部分，故固有频率簧的一部分，故固有频率低。低。7.2测振传感器测振传感器Page 30Page 31 2)主要特性主要特性灵敏度灵敏度可看成电压源或电荷源，电压灵敏度可看成电压源或电荷源，电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度 用作为加速度单位。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。的增多而增大。尺寸越大尺寸越大，固有频率越低。，固有频率越低。7.2测振传感器测振传感器Page 32横向灵敏度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。感程度。常以主灵敏度（即加速度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。的百分比表示。一般在壳体上用小红点标一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个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优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的应小于主灵敏度的3。7.2测振传感器测振传感器Page 33频率响应特性频率响应特性灵敏度随频率的变化特性。灵敏度随频率的变化特性。固有频率越高，频率范围越固有频率越高，频率范围越宽，宽，下限受到一定限制。下限受到一定限制。各种加速度计的典型频率特性各种加速度计的典型频率特性7.2测振传感器测振传感器Page 343)安装方法安装方法加速度计的安装方式加速度计的安装方式安装方法影响工作频率范围。安装方法影响工作频率范围。例如螺栓固定法，例如螺栓固定法，31kHz，加云母垫片，加云母垫片28kHz，涂簿蜡，涂簿蜡层层29kHz；手持法，；手持法，2kHz；永久磁铁，；永久磁铁，7kHz。7.2测振传感器测振传感器Page 35粘结法粘结法可测频率不超过可测频率不超过5KHz手持探针法手持探针法只能用于只能用于1kHz以下的近似探测以下的近似探测螺栓固定法螺栓固定法最好的方法，尤其对冲击波及最好的方法，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，过分拧紧，以免引起机座的变形，影响加速度计的输出。影响加速度计的输出。磁吸法磁吸法可测频率比粘结方法稍差，但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使用方便，可以随时移动加速度计的位置，便于多点测量。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。态，有利于高频响应。常用的安装方法常用的安装方法7.2测振传感器测振传感器Page 367.2.3接触式测振传感器的校准接触式测振传感器的校准绝对法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。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。这种方法只适合计量单位和测振仪器制造厂家使用。7.2测振传感器测振传感器Page 37激光干涉仪的绝对校准法激光干涉仪的绝对校准法7.2测振传感器测振传感器Page 38 相对法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。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严格校准过的传感器起着“振动标准传递振动标准传递”的作用，通常的作用，通常称为参考传感器，也称标准传感器。称为参考传感器，也称标准传感器。背靠背比较校准法背靠背比较校准法7.2测振传感器测振传感器Page 397.37.3常用测振放大器常用测振放大器 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电压放大器和和电荷放大器电荷放大器两种。两种。电压放大器，高输入阻抗、低输出阻抗。电路较简单，但电压放大器，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。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。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。通常用高质量的元器件，输入阻抗高，价格较贵。Page 40压电加速度计压电加速度计电缆电缆电压放大器输入端电压放大器输入端7.3.1电压放大器电压放大器电压放大器（又称电压放大器（又称阻抗变换器阻抗变换器）把传感器产生的把传感器产生的电荷量转变成电压电荷量转变成电压，再测量其电压值（将压电加速度计的，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）。高输出阻抗变成较低阻抗，并将微弱信号进行放大）。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 41 又称为阻抗变换器，起阻抗匹配作用（高阻抗输入变成又称为阻抗变换器，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。低阻抗输出），输出电压给主放大器进行放大。等效电路等效电路等效电容等效电容等效电阻等效电阻等效电路等效电路7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 42传感器产生的传感器产生的总电荷量总电荷量为：为：式中使电容充电到电压的电荷；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，其值经电阻漏掉的电荷，在电阻上产生压降，其值相当于；相当于；压电晶体的压电系数；压电晶体的压电系数；作用于压电晶体上的周期力作用于压电晶体上的周期力7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 43对上式进行微分，则有对上式进行微分，则有整理得：整理得：解此微分方程，得解此微分方程，得一阶系统一阶系统7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 44其中其中或或 电导电导即电压放大器的输入电压与压电传感器、电缆的参数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。有关，还与、有关。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 45 讨论：讨论：时，即不能测量静态参数，只能测动态时，即不能测量静态参数，只能测动态参数；参数；时，即振动体的频率足够大时，即振动体的频率足够大时，输入电压与所测频率无关；时，输入电压与所测频率无关；时，即放大器的输入电压时，即放大器的输入电压是振动频率的函数，随的降低而降低。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，也称时的输入电压下降到（即）处的频率，也称下降半功率点下降半功率点。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 46因为、很大，电荷不可能从这两个电阻漏掉，故可略去因为、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：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）。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。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。连接电缆不能太长，一般有专用的短的低噪音电缆。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 47优点优点线路简单；线性度好；稳定性好。线路简单；线性度好；稳定性好。缺点缺点电压灵敏度是阻抗的函数，且随电电压灵敏度是阻抗的函数，且随电缆的长度而变化。缆的长度而变化。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 487.3.2电荷放大器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。受电缆分布电容的影响而设计的。压电加速度计压电加速度计电缆电缆电荷放大器输入端电荷放大器输入端7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 49因为因为、都很大，可略去不计，则电荷放大器、都很大，可略去不计，则电荷放大器的输入电压为：的输入电压为：负反馈网络的电容上的电荷量为：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：电荷放大器的输出电压为：7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 50因，并，则电荷放大器的输出电压改因，并，则电荷放大器的输出电压改为：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。千米）测量。下限截止频率：下限截止频率：（证明略）（证明略）7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 51 电荷放大器的频率下限取决于负反馈网络的参数电荷放大器的频率下限取决于负反馈网络的参数 与与，一般频率下限可达，甚至达量，一般频率下限可达，甚至达量级。级。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 52优点优点低频性能好，；低频性能好，；与电缆长度无关（但也不宜过长）；与电缆长度无关（但也不宜过长）；有上限可调的低通滤波，可去掉无用有上限可调的低通滤波，可去掉无用的高次谐波；的高次谐波；信噪比好于电压放大器。信噪比好于电压放大器。有适调开关，有归一化输出，用于随有适调开关，有归一化输出，用于随机振动测量及信号处理非常方便；机振动测量及信号处理非常方便；但结构复杂、价格贵、使用要求高但结构复杂、价格贵、使用要求高。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 53 电荷放大器的使用应注意以下几点：电荷放大器的使用应注意以下几点：（1 1）电荷放大器的输入端不能直接接入像磁电式传感器、）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；信号发生器或直流电压等类的电压信号；（2 2）电荷放大器的输入端绝缘电阻要求很高，因此要保持）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；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 3）电荷放大器的输入阻抗极高，因此不能在仪器接通电）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；接；7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 54（4 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）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；下，因此输入端的连接电缆也不宜过长；（5 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）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。率范围），这样有助于减少噪声和干扰。7.3常用测振放大器常用测振放大器Page 557.47.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器7.4.1振动的激励振动的激励稳态正弦激振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。值比和相位差。测试时间相对较长测试时间相对较长。随机激励随机激励 宽带激振，白噪声或伪随机信号。宽带激振，白噪声或伪随机信号。快速测试，设备复杂，价格高快速测试，设备复杂，价格高Page 56瞬态激振瞬态激振快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 激振信号频率在激振信号频率在扫描周期中呈线性增扫描周期中呈线性增大变化。大变化。一般扫描时间为一般扫描时间为 12s，因而可以快，因而可以快速测试出被测对象的速测试出被测对象的频率特性。频率特性。快速正弦扫描函数及其频谱快速正弦扫描函数及其频谱7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 57激振函数激振函数式中式中激振信号的上、下限频率与扫描周期视试激振信号的上、下限频率与扫描周期视试验要求而定。验要求而定。7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 58脉冲激振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。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。大小、方向的控制等方面，需要有熟练的技巧。7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 59各种材料的锤头的频响曲线各种材料的锤头的频响曲线1钢；钢；2铝；铝；3尼龙；尼龙；4橡胶橡胶锤头越硬，频谱越宽，锤头越硬，频谱越宽，但是，其单位频率的能量却但是，其单位频率的能量却越小。所以在满足最大频率越小。所以在满足最大频率要求的前提下，尽可能选软要求的前提下，尽可能选软一些的材料。一些的材料。7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 60400018001510820750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；单点激振，多点测量；多点激振，单点测量。多点激振，单点测量。特点：特点：可重复试验，多次平均，以减少随机误差；可重复试验，多次平均，以减少随机误差；可移动激振点，而固定加速度计；可移动激振点，而固定加速度计；激振点可移动，以避免激振点处于节点位置；激振点可移动，以避免激振点处于节点位置；磁带记录仪记录，便于频谱分析。磁带记录仪记录，便于频谱分析。频率范围上限表频率范围上限表7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 61电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器磁带记录仪磁带记录仪加速度计加速度计被测件被测件脉冲锤（激振锤）脉冲锤（激振锤）脉冲激振测试框图脉冲激振测试框图7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 62阶跃激振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，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。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。普遍应用。7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 63电动式激振器电动式激振器7.4.2激振器激振器电动式激振器电动式激振器按照其磁场的形成按照其磁场的形成方法分有方法分有永磁式永磁式和和励磁励磁式式。前者用于小型激振前者用于小型激振器，后者用于较大型的器，后者用于较大型的激振器，即振动台。激振器，即振动台。7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 64电动激振器的安装方式电动激振器的安装方式高频激振，加配重降低固有频率，低于激振频率高频激振，加配重降低固有频率，低于激振频率1/3以上。以上。低频激振，固定在刚性基础上。低频激振，固定在刚性基础上。水平激振，悬挂成单摆，固有频率与摆长有关。水平激振，悬挂成单摆，固有频率与摆长有关。电动激振器的安装电动激振器的安装7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 65 电磁式激振器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，频率上限约为不与被激对象接触，故无附加质量和刚度，频率上限约为500800Hz。电磁激振器电磁激振器7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 66励磁线圈由一组励磁线圈由一组直流线圈和一组交流直流线圈和一组交流线圈组成。线圈组成。直流励磁线圈直流励磁线圈使使工作点移到工作点移到B0，即，即FB曲线的线性区。曲线的线性区。交流励磁线圈交流励磁线圈产生交变磁感应强产生交变磁感应强度，激振力。度，激振力。电磁力与磁感应强度电磁力与磁感应强度7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 67电液式激振器电液式激振器用于激振大型结构。用于激振大型结构。优点：优点：激振力大，行程激振力大，行程长，结构紧凑。长，结构紧凑。缺点：缺点：高频特性差，用高频特性差，用于低频于低频5001000Hz以下的激振。以下的激振。电液激振器的工作原理电液激振器的工作原理顶杆顶杆顶杆顶杆电液伺服电液伺服阀阀7.4振动的激励与激振器振动的激励与激振器Page 687.5 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例7.5.1 7.5.1 振幅的测量方法振幅的测量方法(1)(1)读数显微镜法读数显微镜法1-1-振动台；振动台；2-2-支架；支架；3-3-显微镜；显微镜；4-4-目标；目标；5-5-振动体振动体读数显微镜测幅装置示意图读数显微镜测幅装置示意图 Page 69读数显微镜的目标刻划与测量读数显微镜的目标刻划与测量 光通过读数显微镜，就可以光通过读数显微镜，就可以测量出振动体的位移峰值。测量出振动体的位移峰值。读数显微镜可以测量的读数显微镜可以测量的振幅范围，主要是由读数显振幅范围，主要是由读数显微镜的放大倍数来确定。常微镜的放大倍数来确定。常用的有用的有0.5m 1mm；1m 1mm；50m 50mm等等几种类型几种类型。测量时，读数显微镜必须严格固定在不动的支架上。在测量时，读数显微镜必须严格固定在不动的支架上。在振动体上安装一个能被照亮的目标，在此目标上划一细痕，振动体上安装一个能被照亮的目标，在此目标上划一细痕，或粘上一个贴有人造彩色蛛丝的微小反射镜，也可贴上一小或粘上一个贴有人造彩色蛛丝的微小反射镜，也可贴上一小块金刚砂纸，在灯光照射下，反射光通过读数显微镜，反射块金刚砂纸，在灯光照射下，反射光通过读数显微镜，反射7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 70GZGZ型测振仪原理方框图型测振仪原理方框图 (2)(2)电测法电测法 CD-1CD-1型磁电式速度传感器的输出电势正比于被测振动体型磁电式速度传感器的输出电势正比于被测振动体的振动速度，而且能提供比较大的测量功率。因此，针对配的振动速度，而且能提供比较大的测量功率。因此，针对配用磁电式速度传感器的用磁电式速度传感器的GZGZ型测振仪就不用设置阻抗变换器。型测振仪就不用设置阻抗变换器。使用积分网络即可测得振动体的位移；使用微分网络则可测使用积分网络即可测得振动体的位移；使用微分网络则可测得振动体的加速度。得振动体的加速度。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 717.5.2 7.5.2 振动频率的测量方法振动频率的测量方法（1 1）比较法）比较法 李萨如图形法李萨如图形法 李萨如图形法振动测量频率的框图李萨如图形法振动测量频率的框图 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 72录波比较法录波比较法录波比较法测量频率的测量系统框图录波比较法测量频率的测量系统框图 把被测振动信号和时标信号（信号发生器提供一个等把被测振动信号和时标信号（信号发生器提供一个等间距的脉冲信号，称为时标信号）一起输入到记录和分析间距的脉冲信号，称为时标信号）一起输入到记录和分析仪器（如计算机中的数据采集卡）的两路，再对该两路信仪器（如计算机中的数据采集卡）的两路，再对该两路信号的周期（周期的倒数是频率）进行比较，从而确定被测号的周期（周期的倒数是频率）进行比较，从而确定被测信号的频率。信号的频率。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 73 (2)(2)直读法直读法 直读仪器有两种：指针式频率计和是数字式频率计。直读仪器有两种：指针式频率计和是数字式频率计。原理：用传感器将振动信号转变成交变的电压信号，再将原理：用传感器将振动信号转变成交变的电压信号，再将这一电压信号输入到频率计，便可测出其频率。这一电压信号输入到频率计，便可测出其频率。直读法测频系统框图直读法测频系统框图 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 747.5.37.5.3同频简谐振动相位差的测量方法同频简谐振动相位差的测量方法 测量同频简谐振动相位差的方法：线性扫描法、椭圆测量同频简谐振动相位差的方法：线性扫描法、椭圆法和利用相位计直接测量法（相位计法）等。法和利用相位计直接测量法（相位计法）等。目前通用的相位计有目前通用的相位计有指针式指针式和和数字式数字式两种。两种。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 75用相位计测相位差的测量系统框图用相位计测相位差的测量系统框图 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 76 测量时，必须采用两个相同型号的压电式加速度计和阻抗测量时，必须采用两个相同型号的压电式加速度计和阻抗变换器，并用同一台测振仪的两路来放大信号，最后将测振仪变换器，并用同一台测振仪的两路来放大信号，最后将测振仪输出的两个信号分别接到相位计的和通道。此时，在相位计上输出的两个信号分别接到相位计的和通道。此时，在相位计上显示出一个相位角数值，这就是显示出一个相位角数值，这就是 通道信号超前通道信号超前 通道信号通道信号的相位角。如果振动信号是由几个频率叠加而成时，就必须作的相位角。如果振动信号是由几个频率叠加而成时，就必须作滤波处理后再进行相位测量。滤波处理后再进行相位测量。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 777.5.47.5.4机械系统固有频率的测量方法机械系统固有频率的测量方法 (1)(1)固有频率和共振频率的定义固有频率和共振频率的定义 无阻尼单自由度振动系统无阻尼单自由度振动系统 有阻尼单自由度振动系统有阻尼单自由度振动系统 有阻尼单自由度受迫振动（激振力为有阻尼单自由度受迫振动（激振力为 ）7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 78稳态振动速度稳态振动速度 稳态振动加速度稳态振动加速度位移幅值位移幅值可以推断，在它的极值时取得最大值，则可求可以推断，在它的极值时取得最大值，则可求 的极值。于的极值。于是是解此式得解此式得7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 79同理得，速度幅值的极值条件同理得，速度幅值的极值条件 加速度幅值的极值条件加速度幅值的极值条件 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 80 共振：共振：指当激振频率达到某一频率时，振动的幅值达到最指当激振频率达到某一频率时，振动的幅值达到最大的现象。大的现象。振动的位移幅值、速度幅值和加速度幅值其各自达到极值振动的位移幅值、速度幅值和加速度幅值其各自达到极值（对单自由度系统来说，这里的极值就是最大值）时的频率是（对单自由度系统来说，这里的极值就是最大值）时的频率是互不相同的，只有互不相同的，只有“速度共振频率速度共振频率”等于无阻尼固有频率。由等于无阻尼固有频率。由此可见，在简谐激振力激振的条件下，可以有三种此可见，在简谐激振力激振的条件下，可以有三种“共振共振”频频率，分别称之为率，分别称之为“位移共振频率位移共振频率”、“速度共振频率速度共振频率”、“加加速度共振频率速度共振频率”。但是，在小阻尼情况下，上述四种频率相差。但是，在小阻尼情况下，上述四种频率相差极小。极小。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 81(2)(2)“速度共振速度共振”相位判别法相位判别法“速度共振速度共振”相位判别法测量系统框图相位判别法测量系统框图 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 82 根据图像来判别共振的方法可分以下两种情况：根据图像来判别共振的方法可分以下两种情况：磁电式速度传感器判别共振磁电式速度传感器判别共振 示波器的示波器的 轴与轴与 轴上的信号分别为：轴上的信号分别为：示波器上显示图像变化过程示波器上显示图像变化过程如右图所示。如右图所示。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 83 压电式加速度传感器判别共振压电式加速度传感器判别共振 示波器的示波器的 轴与轴与 轴上的信号分别为：轴上的信号分别为：示波器上显示图像变化过程示波器上显示图像变化过程如右图所示。如右图所示。7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 847.5.57.5.5阻尼的测量方法阻尼的测量方法 系统的阻尼是很难直接测量的，人们往往是通过测量衰减系统的阻尼是很难直接测量的，人们往往是通过测量衰减系数再来推算阻尼。系数再来推算阻尼。(1)(1)用自由振动波形图来测量衰减系数用自由振动波形图来测量衰减系数有阻尼自由振动波形图有阻尼自由振动波形图 7.5 振动检测方法及实例振动检测方法及实例Page 85 由波形可知其对数衰减比由波形可知其对数衰减比 为为 衰减振动周期衰减振动周期 振动波形图上量得振动波形图上量得