机械振动测试系统的设计.docx

机械振动测试系统的设计1概述工程振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。随着生产技 术的开展，动力结构又向大型化，高速化，复杂化和轻量化开展的趋势，由此 而带来的工程震动问题更为突出。工程震动在当今不仅作为基础科学的一个重要 分支，而且正走向工程科学开展的道路，他在机械，航空，航天，船舶，车辆， 建筑和水利等工业技术部门中占有越来越重要的地位。因此，掌握工程测试震 动技术的基本概念，原理和方法，从而解决现代科学技术和工程实际问题中的振 动和动态问题是十分重要的。解决工程振动问题一般是2种方法。一种是解析的方法，即计算方法。他主要是 通过建立理论模型的运动微分方程组，通过理论求解得到动力系统的响应，从而 到达解决振动问题的目的。另一种方法是工程测试的方法。它某种激励的方法使 系统产生一定的振动响应，或通过现场实测，利用有关仪器。设备直接得到系统 的响应，从而到达解决振动问题的目的或者利用所得到的响应结果，进行参数 识别，从而验证第一种方法的正确性，推动理论分析的开展。机械状态监测技术研究是国家重点的攻关工程，目的是提高大型旋转机械的 产品质量，减少突发性事故，防止重大经济损失。50年代，各种类型和性能的 传感器和测振仪相继研制成功，并开始应用于科学研究和工程实际。六七十年 代，数字电路、电子计算机技术的开展、“信号数字分析处理技术”的形成， 推动了振动检测技术在机械设备上的应用。70年代至80年代，机械设备的状 态监测与故障诊断技术在许多兴旺国家开始研究。随着电子计算机技术、现代 测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断技术等现代科学技术开展, 机械设备的监测研究跨入系统化的阶段，并把实验室的研究成果逐步推广到核 能设备、动力设备以及其它各种大型的成套机械设备中去，进入了蓬勃开展的 阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统” （machinery health monitoring,简称MHM）,美国西屋公司的“可移动诊断中心”（mobile diagnosi s center,简称MDC）,丹麦B&K公司的2500型振动监测系统等，都具备了机 组信号数据的采集、分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专项诊断 软件。先进的状态监测系统把表达机械动态特性的振动、噪声作为主要监测和 分析的内容。由于振动、噪声是快速的随机性信号，不仅对测试系统要求高， 而且在分析中要进行大量的数 据处理，国内外在80年代用小型计算机或专用 数字信号处理机作为主机完成机械动态特性的数据处理（如:HP5451C）,该类 主机不仅价格昂贵（一般价格为数十万元）而且对工作环境要求苛刻（需要专 用机房），因而通常采用离线监测与分析的方式。作的测量也属这种性质。振动量测量按振动信号和转换方式可分为电测法、光测 法和机械测振法，其中以电测法应用最为广泛。图1为一个较完整的振动量电测 系统。测振传感器（拾振器）将机械振动量转换为与它成比例的电量。常用的测 振传感器有发电型（如压电式、电动式和磁电式等）和电参数变化型（如电感式、 电容式、电阻式和涡流式等）两类。不同类型的传感器需要配接不同类型的中间 测量变换装置（图2）o中间测量变换装置对传感器输出的电信号进行前置变换 （电阻抗变换）、微积分运算、放大、调制和解调等，以便驱动后接的分析或显示、 记录设备。分析设备完成对信号的频率分析。显示、记录设备给出振动信号（经 过分析的或未经过分析的）的波形，并用数字或模拟方式指示出测量结果，以便 于储存、分析信号和进行数据处理。S1 振动置电测系货大 放中间测量 一变换装，显示记录设备大放M2 传感龄与中间消量交换装置的配挂系统特征参数的测定 主要是应用机械阻抗测试技术，以获得机械阻抗数 据（有时亦称频率响应数据），从而得到系统的特征参数如固有频率、阻尼、刚 度、质量和振型等；还可通过模态分析求取系统在各阶模态下的特征参数，既模 态参数。这一测试过程称为模态参数识别。这种测定通常在机械系统的非工作状 态或模型试验情况下进行，以求全面了解其动态响应特性。假设在工作状态下进行,10 那么常称为在线识别。在机械阻抗测试技术中，施加的激励有简谐、瞬态和随机3 种类型，故机械阻抗测试也相应地分3类。振动环境模拟试验 研究或考核试验对象在强度、寿命和功能方面的抗振 性。这种模拟试验分为周期性振动试验、随机振动试验和冲击试验3种。周期 性振动试验一般采用耐共振、耐扫频和耐预定频率试验3种形式。在进行振动 寿命试验时，为了缩短试验时间常采用提高振动量级的方法，即强化试验。提高 的程度，即强化系数，应根据试件的振动响应特性和疲劳强度分析来考虑。试验 根据不同试验对象按相应的试验规范进行，并用模拟振动试验机来实现。测试系统的校准和定度 为了保证测试结果的可靠性和测试精度,对所使 用的仪器，尤其是测振传感器必须进行定期校准和定度。在进行重要的或特殊的 试验前，常直接对整套测试系统进行现场校准和定度。测试系统最基本的校准项 目包括灵敏度、频率响应和线性度。此外，根据需要还可进行某些特殊的校准， 如所测振级变化范围大时，应校准动态线性范围；高温下测试时，应校准温度的 影响等。测振传感器的校准在测试系统的校准中具有特别重要的意义。校准方法 主要有两种：一是绝对校准法，二是比拟校准法。无论是对测振传感器或对组成 测试系统的仪器和对整个测试系统的校准，最基本的要求是：在其工作频率范围 内的幅频特性平坦、相频特性呈线性关系，以保证输出电信号的幅值和相位均不 失真。测试结果的分析和数据处理 测试结果所获得的原始数据有两种表现形 式：一种是模拟量，如电压和电流等；一种是数字量。对不同的数据形式，分析 处理方法也不相同。对模拟量可直接分析处理，也可将其转换为数字量后分析处理。前者设备较 简单，后者精度和速度较高。当模拟量是振动的时间历程，即用时域描述的振动量时，分析处理的主要内 容就是进行各种频谱分析，以了解测试对象在频率域内的振动特性。常用的频谱 分析仪有恒定百分比带宽式、恒定带宽式、采用压缩时间历程的实时分析仪和具 有并联滤波器的实时分析仪等。当模拟量是频率响应时，可归结为对机械阻抗数 据的分析处理。测得的机械阻抗数据通常以幅频特性曲线和相频特性曲线、实部 和虚部频率特性曲线或幅相频率特性曲线（Nyquist图）3种形式表达，统称为机11械阻抗曲线。因此分析处理的主要内容是：根据机械阻抗曲线，通过模态分析， 识别测试对象在选定频率范围内的各阶模态参数和建立它的数字模型。模拟量的数字分析处理是将测得的振动模拟量信号，经过模-数转换器变为 相应的数字量，然后输入数据处理机进行各种必要的分析。当测试结果直接以数 字量表示时，那么可利用软件在电子计算机上分析处理。3机械振动测试系统设计任何一个可以用时间的周期函数来描述的物理量，都称之为振动。机械振动 是最常见的一种振动形式，在振动过程中，机械系统总是围绕着平衡位置作往复 运动。本章将主要介绍振动测试参数的基本概念。工程振动测试的主要参数有：位移、速度、加速度、激振力、振动频率和 振幅等。按照描述振动规律的特点，可将振动分为确定性振动和随机振动两大类, 其中确定性振动又分为简谐振动、复杂周期振动和准周期振动。一、简谐振动中的测试参数位移、速度和加速度为时间谐和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简 单最基本的振动。其函数表达式为：位移、速度和加速度为时间谐和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简单最基 本的振动。其函数表达式为：位移速度加速度z( £ ) = Asin( cot) = Asin(2n/it)v( f) = a)Acos( st) = ujAsin(2久 +)a (Z ) = _ a>2Asin( st) = co2 Asin(2n/r + “)式中 A 位移幅值（cm或mm）;s振动圆频率（1/s）;,.f 一振动频率（Hz）。R（r）wQ）和4（，）三者之间的相位依次相差 m 如图7 - 1所示c假设令：速度幅值V = sA,加速 度幅值ao=/A,那么有 -a0 = cvV = J 八=（2nf）2A（7-2）由此可见，位移幅值A和频率0（或f）是两个十分重要的特征量，速度和加速度 的幅值V和a。可以直接由位移幅值A和频率/导出。在测量中，振动测试参 数的大小常用其峰值、绝对平均值和有效值来表示。所谓峰值是指振动量在给定 区间内的最大值，均值是振动量在一一个周期内的平均值，有效值即均方根值， 它们从不同的角度反映J振动信号的强度和能量。在测量仪表上，峰值一般用 Peak-peak （峰一峰）表示，而有效值那么用RMS （Root mean square）表示。振动的分类：（1）从产生振动的原因来分：12T系统仅受到初始条件（初始位移、初始速度）的激励而引起的振动称为自由振 动，系统在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动.自由振动问题虽然比强 迫振动问题单纯但自由振动反映了系统内部结构的所有信息、，是研究强迫振动的 基础.（2）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通过数学分析，求出在自由振动情况下的模态特性（固有频率、模态质量、 模态阻尼、模态刚度和模态矢量等），并在激振力的作用下求出相应的强迫振动 响应特性。因此，它也被称为解决振动问题的正过程，如图引1所示。但对于较 复杂结构的物理参数往往并不十分清楚,有些因素更难以确定，例如系统的阻尼、 部件的连接刚度、边界条件等等。因此，对于在实际工程中遇到的问题建立一个 符合实际的力学模型。力与校电施破阳尼W度力与校电施破阳尼W度一模力固有较奉模.恭阳尼、模态如廿 模态刚度、模态质M位移、速度、 加速度的 时间所理用引1工程振动向速求蝌过程示意图解决振动的另一种方法是实验方法,它是第一种方法的逆过程，如图引所示。 它主要是通过某种激励方法，使实验对象产生一定的振动响应，继而通过测振仪 器直接测量出激励力与系统振动的响应特性，例如：位移、速度、加速度等函数 的时间历程，然后通过模拟信号分析或数字信号分析得到系统的模态特性。假设 利用模态坐标的逆变换，便可获得系统的物理特性。用实验方法解决振动问题经历了半个世纪的开展过程，直到70年代以后， 振动测试技术才进入一个重要的开展时期。在这一时期，由于计算机的快速开展 以及快速傅里叶变换的普遍应用，各种基于数字信号处理原理的频率分析仪以及 以计算机为核心的多功能信号分析软件大量涌现，从而大大加强/对工程振动信13号的时域及频域分析功能。由于有关软件功能的不断完善，在测试过程中只要掌 握振动理论，并熟悉有关仪器、设备的工作原理以及操作步骤和要求，根据激励 和响应的关系，就能很容易地通过计算机软件进行模态分析而得到各阶振动模态 特性。因此它是一种解决工程振动问题的好方法。随着科学技术的开展，它已成 为一门多科性学科，并深入到科技和生产领域成为解决结构设计、设备运行和产 品试制中有关振动问题的必不可少的手段。因此，掌握工程振动测试技术是十分 必要的。3.1 机械系统设计根据振动系统所涉及的要求，我们做出机械系统的设计。振动测试与控制实 验台由弹性体系统（包括简支梁、悬臂梁、薄壁圆板、单自由度系统、二自由度 系统、多自由度系统模型）配以主动隔振、被动隔振用的空气阻尼减震器、单式 动力吸振器、复式动力吸振器等组成。是完成振动与振动控制等近30个实验的 试验平台。b-A li i -BLJ3.2 实验装置的选型3. 2.1传感器选用现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结 果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分14 析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的 传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，那么需要根据被测量的特点和传 感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的 要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量; 传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的 具体性能指标。2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵 敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比拟大，有利于信号处理。但要 注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放 大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员 减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较 高，那么应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，那么要求传感 器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保 持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越 好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影 响，机械系统的惯性较大，固有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产 生过火的误差。4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内， 灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，那么其量程越大，并且能保证一定的测 量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要 求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所 要求测量精度比拟低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看 作线性的，这会给测量带来极大的方便。155、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器 长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使 传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择 合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定， 以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传 感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的 一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满 足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量 目的的诸多传感器中选择比拟廉价和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对 量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等 级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，那么需自行设计制造传感器。3. 2. 2压力检测与变送一、概述压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产政党运行，必须对压力进 行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强， 即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压 力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量 绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压 力，用符号pq表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压 力之差。称为表压力，用符号pb表示。即pb=a-pq。当绝对压力值小于大气压 力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符 号pz表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空16度的仪表叫压力真空表。二、压力的测量与压力计的选择压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等 等。压力计测量压力范围宽广可以从超真空如133x10-13Pa直到超高压 280MPao压力计从结构上可分为实验室型和工业应用型。压力计的品种繁多。 因此根据被测压力对象很好地选用压力计就显得十分重要。1 .就地压力指示当压力在2.6Kpa时，可采用膜片式压力表、波纹管压力表和波登管压力表。 如接近大气压的低压检测时，可用膜片式压力表或波纹管式压力表。2 .远距离压力显示假设需要进行远距离压力显示时，一般用气动或电动压力变压器，也可用电气 压力传感器。当压力范围为140280MPa时，那么应采用高压压力传感受器。当 高真空测量时可采用热电真空计。3 .多点压力测量进行多点压力测量时，可采用巡回压力检测仪。假设被测压力到达极限值需报警的，那么应选用附带报警装置的各类压力计。正确选择压力计除上述几点考虑外，还需考虑以下几点。（1）量程的选择根据被测压力的大小确定仪表量程。对于弹性式压力表，在测 稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值应 不超过满量程的2/3。最低测量压力值应不低于全量程的1/3o（2）精度选择根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原那么确定仪表的 精度级。一般工业用压力表1.5级或2.5级已足够，科研或精密测量用0.5级或 0.35级的精密压力计或标准压力表。（3）使用环境及介质性能的考虑环境条件恶劣，如高温、腐蚀、潮湿、振动 等，被测介质的性能，如温度的高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等等，以此 来确定压力表的种类和型号。（4）压力表外形尺寸的选择现场就地指示的压力表一般外表直径为（p100mm, 在标准较高或照明条件关差的场合用外表直径为p200（p250mm的，盘装压力 表直径为（p150mm,或用矩形压力表。常用弹性式压力表规格见表2-1-13。三、压力变送器17需要在控制室内显示压力的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器，对于 爆炸危险场所，常选用气动压力变送器、防爆型电动n型或in型压力变送器；对 于微压力的测量，可采用微差压变送器；对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀强的介质, 宜选用带法兰的膜片式压力变送器；在大气腐蚀场所及强腐蚀性等介质测量中， 还可选用1151系列或820系列压力变送器。压力变送器测量局部的测压敏感元件所产生的测量力的大小范围约为 50100,最高不超过150N。根据这一要求，敏感元件的选择依据由制成的波纹 管，其结构原理如图2-1-12所示。当被测压力p进入测量室后，经测量波纹管 转换成测量力，通过推杆用在主杠杆上，传递到气动转换局部。测量中、高压 2.510MPa,10-60 MPa）的敏感元件一般采用铭机钢制成的包端管，它的测量原 理是利用包端管末端产生的径向分力，通过推杆2作用在主杠杆3的下端，带动变 送器的气动转换局部动作323传感器的选择分类：接触式和非接触式按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相关的物理量有振 动位移、振动速度、振动加速度等，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1、惯性式测振传感器的力学模型和特性分析（一）力学模型和运动方程式x （O = xm sinorfAz 2寿+2初瓦+访（art 一0）（art 一0）18惯性式测振传感器力学模型（二）惯性式位移传感器的响应条件1990年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计 算方法不断优化，使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测 技术创造了条件。丹麦、美国、德国、日本等兴旺国家的专家学者对旋转机械 工作状态监测技术进行了深入研究，研制出不同系统。该类系统以丹麦B&K公 司的2520型振动监测系统、美国BENTLY公司的3300系列振动监测系统、美国 亚特兰大公司的M6000系统为代表已经到达较高的水平。在功能上比拟典型的 系统之一是丹麦B&K公司的2520型振动监测系统(vibrati on monitor-type 2520),主要功能有：自动谱比拟并进行故障预警报警；对6%和23%恒百 分比 带宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示；三维谱图显示；振动总均方根值 (振动烈度)计算；支持局域网。美国IRD公司的IQ2000系统可认为是至今为 止有报道的功能最齐全的监测与诊断系统。我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作起步于1986年，在此之前 从国外引进的大型 机组，一般都购置了监测系统。而在自行研制的国产设备上, 假设选用国外的监测系统，由于价格异常昂贵而难以接受。80年代中后期以来， 我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究旋转机械状态监测技 术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得了成果，并开发出相 应的旋转机械状态监测系统。如：西安交通大学、浙江大学、北京理工大学、 北京机械工业学院等。国内主要有几种类型：a.哈尔滨工业大学等单位联合研制的3MD- I .3MD-II. 3MDTH系统；b.西安交通大学机械监测与诊断研究室的RMMDS系统； c.西安交通大学润滑理论及轴承研 究室的RB20-1系统；d.郑州工学院的RMMDS 系统；e.重庆太笛公司的CDMS系统；f.浙江大学 的CMD-1型及H型系统；g. 西北工业大学的MD3905系统;h.北京机械工业学院的BJD-Z I、BJ D-ZII > BJD-ZIII系统。其中比拟典型的系统有：1985年10月通过鉴定的由哈尔滨工业 大学等单位联合研制的3MD- I微机化“汽轮发电机组振动监测与故障诊断系 统”，以及后来进一步开发的汽轮机故障诊断专家系统3MD-II、3MD-III； 1987 年通过鉴定的由西安交通大学机械 故障诊断研究室研制的RMMD-S化肥五大机 组“微机状态监测与故障诊断系统”等。这些系统的主要功能有：轴振动监测, 包括轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰-峰值计算；壳体振动监测；频谱 分析，包括频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预、报 警；故障特征提取及诊断。以上系统的软件功能比拟丰富，硬件性能也不断改进，但基本上仍处于研究 开展阶段，且价 格依然昂贵，这些系统主要应用于国家重点企业中关键设备的 监测或特定设备的监测，如大型汽轮机组、大型水轮机组等。从技术开展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段。惯性式位移传感器的输出位移zm反映被测振动的位移量xmo o o O 8 5 2 9 I 1 tF二二20rTst惯性测振传感器幅频特性曲线位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和20元器件特性.后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。下限测量频率那么受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使3n不 能太小。因此位移传感器的频率范围是有限的。（三）惯性式加速度传感器的响应条件惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm与被测振动的加速度成正比，因 而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器的幅频特性的 表达式：惯性式加速度传感器幅频特性曲线1 .惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频率持性，即理论上它的下限 测量频率为零，实际上是下限测量频率极低。2 .此外，为使con远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸、质量可作得很 小（小于1g）,从而对被测对象的附加影响也小。212、压电式加速度传感器内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基座和被测对象一 起运动时: 惯性质量块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（己0.02）,系 统可视为无阻尼。3）t>)压电式加速度传感器原理图1弹簧2惯性质量3压电元件4壳体d2x为被测振动的位移；3： = K/M=（5+左2）（他+叫）/ （叫现 K = k、+ hM =f ）22其中kl为弹簧刚度，k2为压电元件的刚度；其中ms为惯性质量，mb为壳体或 其座的质量。K为等效刚度，M为折算质量。作用在压电元件上的力F为：*1-图 1压电元件外表产生的电荷Q为:压电元件外表产生的电荷Q为:压电式加速度计和测量电路连接后的等效电路1- Vai.23二2 二一2彳？ 9n二2 二一2彳？ 9nd3及工单位：pC/g 或 pC/ (cm/s2)csita X ID"(pC/g)压电式传感器的主要形式根据实验的需要，我们选择适合的传感器形式，压电式传感器的结构简图如 下所示：24226压电式力传感器较加速度传感器简单，其结构如下图。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。3. 2.4电荷和电压放大器.单通道电荷转换器(VP-CP01)VP-CP01单通道电荷转换器是一种简易的小型电荷放大器，它与其他型 号的电荷放大器相比，具有体积小，携带方便，抗干扰能力强等特点。1 .多通道电荷和电压放大器(VP-CVP24/26/28)VP-CVP24/26/28多通道电荷电压滤波积分放大器除具有通用电荷放大器功能 外，还具有抗混滤波、电压放大功能。1、多通道微机控制、数字显示转折频率，准确清晰。2、每通道除了具备通用电荷放大器的性能外，还具有抗混滤波器，特别适合在 信号处理系统中做前置放大器使用。3、具有电压输入功能，使仪器可以配接电压输出型传感器。4、具有一次积分功能。配接压电加速度传感器，除了测量加速度外，还可测速 度；配接速度传感器，除了测速度，还可以测位移。5、体积小、重量轻、稳定可靠。2 .3振动的激励一、稳态正弦激励方法这是一种测量频率响应的经典方法，它提供给被测系统的激励信号是 一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统 在该频率点处的频率响应的大小。激励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。25二、瞬态激励方法瞬态激励方法给被测系统提供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。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设 备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方 法，下面分别讨论和介绍。（一）快速正弦扫描这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（在数秒钟 内完成），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。扫描信 号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能到达宽频带激励的目的。（«）时间历程W族谱快速正弦信号26（二）脉冲锤击激励脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使 之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是 一种宽频带的快速激励方法。（三）阶跃松弛激励1、阶跃松弛激励定义2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉 冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。3、实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传 感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。三、随机激励方法（一）纯随机激励理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机 的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。u7TSq（/） =（二）伪随机激励伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它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。这种方法的优点在于试验的可重 复T生o将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。27伪随机信号及其功率谱4系统实验结果及其分析4.1 操作步骤1按正弦激振的要求接好实验系统的线路。注：通道A作为激励信号通道B作为响应信号.翻开计算机。2 .单击桌面上的“信号数据采集与分析”（实验版）。3 .进入实验窗口。4 .单击菜单中的“频响测试”。选择“正弦激振”。5 .单击菜单中的“设置”按钮。进行采样设置：输入信号通道A选择参考信号'，通道B选择'加速度'.电荷放大器灵敏度：通道B设置为20. 8mv/g单击“确定”按钮。6 .然后分别单击“幅频特性”和“相频特性”的左上角的“坐标设置”按 钮。在对话框中设置坐标轴范围为“自动设置”，然后单击“确定”。7 .翻开功率放大器和电荷放大器的电源开关，使电荷放大器灵敏度显示20.8,然后调节功率放大器的“增益调节旋钮”，使悬臂梁有轻微振动。9 .在正弦激振'对话框：频段选择为“低频段”，扫频范围：起始频率设置为40Hz,终止频率设置为60Hz,28扫描间隔设置为0.5o10 .单击“测试”按钮，系统自动扫描绘制其幅、相频特性曲线。11 .曲线扫描显示完毕后，单击'正弦激振'对话框中“停止”按钮。12 .观察幅、相频特性曲线。4. 2实验结果幅频特性曲线29第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的 常规技术开展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到了应用，它吸收了大量的 现代科技成果，传感器技 术的飞跃开展，使之可以利用振动、噪声、力、温度、 电、磁、光、射线等多种信息。由此产生了设备的振动、噪声、光谱、铁谱、 无损检测、热成像等监测和故障分析技术。信号分析与数值处理技术的开展， 结合微计算机技术的开展，使各种方法应运而生，如：状态空间分析、比照分 析、函数分析、逻辑分析、统计和模糊分析方法。近年来，各种数据处理软、硬 件的出现使实时在线监测及故障分析技术成为可能。人工智能技术为设备监测和故障分析的智能化开展提供了可能，使得现代监测技 术开展步入第二阶段。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生 着重大变化，以数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代， 开展了专家系统、神经网络和 模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。这阶 段起主导作用的将是人类 专家的知识，包括人类专家所拥有的领域知识、求解 问题的方法等。由于实现信号检测、数 据处理与知识处理的统一，使得先进技 术不再是少数专业人员才能掌握的技术，而是一般操作人员所能使用的工具。2系统方案的设计2.1振动测试的概念狭义的说是通过传感器、放大器以及显示或记录仪表，测量运动机械或 工程结构在外界激励或运行工况中其重要部位的位移、速度、加速度等运动 量，从而了解机械结构的工作状态。广义上说通过运动量的测量了解机械结构的动特性（频率、振型、阻尼及 动刚度）为工程结构的动力设计服务。机械振动是指物体在其稳定的平衡位置附近所作的往复运动。这是物体的一 种特殊形式的运动。运动物体的位移、速度和加速度等物理量都是随时间住 复变化的：机械振动是一种常见的物理现象，如桥梁、机床的振动.钟镁的摆动， 飞机机翼的颤抖，汽车运行时发动机和车体的振动等等。振动的存在会影响 机器的正常运转，使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降，严重的还会 引发机器或建筑结构的毁坏：止匕外，还会引发噪音、污染环境，这是不利的 一面。另一方面，人们利用机械振动现象的特征，设计制造了众多的机械设 备和仪器仪表，如振动筛选机、振动研磨机、振动输送饥、振动打桩机、混 凝土振捣器以及测量传感器、钟表计时仪器、振子示波器等等。随着机器设 备向着大型、高速高效和自动化诸方面开展，需要分析处理的振动问题愈来 愈重要。因此，掌握机械振动的基本理论，正确地运用它，对于设计制造安 全可靠和性能优良的机器、仪器仪表、建筑结构以及各种交通运输工具，并 有效地抑制、防止振动带来的危害是十分必要的；、为了便于研究振动现象的基本特征，需要将研究对象进行适当地简化和 抽象，形成一种分析研究振动现象的理想化模型，即所谓振动系统。振动系 统可以分为两大类：连续系统与离散系统。实际工程结构的物理参数（例如板fn系统固有频率fr位移共振频率C系统阻尼比当C很小时，3 n3 r o在幅频瞬中，弓4处所对醐濒率为3-孤，贝狂=用3302从相频曲线估计固有频率和阻尼比相频特性从单自由度受迫振动的相频表达式:和相频曲线中可以看出，不管阻尼大小如何，当激振频率和固有频率相同时, 位移的相位角滞后总是，因此通过所测得的相频曲线可以直接确定系统的固 有频率。确定系统的阻尼比：d（p _2（1 -而=一-4）'+4/"当 3=3。时 j H =1-d町 一 1而“飞3 .按理论公式计算:梁的固有频率31E=2. IXIOllPaIo=4. 85X10-10m4L=0.295mS=242. 55X10-6m2A=3. 52 （一阶）P=7. 8X103kg/m3和C o与用理论公式计算结果相比拟,式中E梁的弹性模量Io梁横截面惯性矩L悬臂梁长度S梁的横截面积A振型常数P梁材料单位体积质量4用坐标纸绘出：幅频曲线和相频曲线 5用幅频曲线和相频曲线确定系统的3n 分析误差产生的原因实验系统照片32参考文献1 黄文虎，等.设备故障诊断原理、技术及应用M.北京：科学出版社，1994.2 赵俊超.集成电路设计VHDL教程M.北京：希望电子出版社，2002.3 李方泽，刘馥清，王正.工程振动测试与分析M.北京：高等教育出版社，19924 胡时岳、朱继梅：机械振动与冲击测试技术，科学出版社，北京，19835闻邦椿顾家柳等.高等转子动力学一一理论、技术与应用M .北京:机械 工业出版社，2000.1-76.6陈德新 徐岚.灰度相关法在流动可视化图像解析中的应用J.华北水利 水电学院学报,2000,21( 1):47-50,55.7 万军,蒋世祥，蔡智勇；旋转机械振动信号的小波包分解及故障检测J;汽轮机技术;2002年02期8 江志农，李艳妮；旋转机械轴心轨迹特征提取技术研究J;振动、测试与诊断；2007 年 02 期；7-10+779 郭月强；振