(48)--第7章第四节 振动测试机械工程测试技术.ppt

1、机械振动定义、机械振动定义物体在一定位置附近所做的周期性往复运动物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。2、机械振动产生的物理原因、机械振动产生的物理原因机机械械在在运运动动时时，由由于于旋旋转转件件的的不不平平衡衡、负负载载的的不不均均匀匀、间间隙隙、润润滑滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测试的研究内容、振动测试的研究内容p 测测量量设设备备运运行行时时的的振振动动参参量量，了了解解被被测测对对象象的的振振动动状状态态，寻寻找找振源；振源；p 对对设设备备激激振振，测测试试其其受受迫迫振振动动，以以求求得得被被测测对对象象的的动动态态性性能能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。如固有频率、阻尼、机械阻抗等。4.1 机械振动的概念机械振动的概念4.1.1 振动的分类（1）从产生振动的方式来分：）从产生振动的方式来分：自自由由振振动动：仅仅受受初初始始条条件件（初初始始位位移移、初初始始速速度度）激激励而引起的振动；励而引起的振动；受迫振动：受迫振动：系统在持续外力激励下的振动。系统在持续外力激励下的振动。4.1 机械振动的类型机械振动的类型（2）从振动的规律来分：）从振动的规律来分：简谐振动简谐振动复合周期振动复合周期振动瞬态振动瞬态振动随机振动随机振动第二节第二节 机械振动的类型机械振动的类型以以无阻尼自由振动的无阻尼自由振动的弹簧振子为例得出普遍结论：弹簧振子为例得出普遍结论：xok微分方程特征微分方程特征 运动学特征运动学特征由由 (一）一）简谐振动简谐振动4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型加速度加速度速速 度度vtxa解解 可得可得位位 移移振动方程振动方程4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型常数常数A和和j j 的确定的确定说明：说明：(1)一般来说一般来说j j 的取值的取值在在-和和(或或0和和2)之之间；间；由初始条件：由初始条件：结论：结论：（1）单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函数表示的，故称为简谐振动。（2）自由振动的角频率即系统的固有频率仅由系统本身参数确 定，与外界激励、初始条件无关。（3）自由振动的振幅A和初相角由初始条件所确定。（二）（二）复合周期振动复合周期振动由两个或两个以上由两个或两个以上频率之比为有理数频率之比为有理数的简谐振动复合而成。的简谐振动复合而成。4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型（三）（三）准周期振动准周期振动由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成。由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成。4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型（四）（四）瞬态振动、冲击瞬态振动、冲击n瞬态振动：在极短时间内瞬态振动：在极短时间内仅持续几个周期仅持续几个周期的振动。的振动。n冲击是冲击是单个脉冲单个脉冲。n特点：特点：过程突然发生，持续时间短，能量很大。过程突然发生，持续时间短，能量很大。通常由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。通常由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型（五）（五）随机振动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。的随机信号处理方法一样。4.14.1 机械振动的类型机械振动的类型4.1.2 4.1.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动1.1.由作用在质量块上的力所引起的受迫振动由作用在质量块上的力所引起的受迫振动1.不管系统的阻尼比是多少，在 时位移始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。2.对于无阻尼系统，对于无阻尼系统，M的极大值产生在，M与的值为：M的极大值相位差此时的称为位移共振频率设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为x(t)x(t)，质量块，质量块m m的绝对位移为的绝对位移为y(t)y(t)，质量块，质量块M M对对基础的相对运动为基础的相对运动为(y-x)(y-x)。其运动方程为：。其运动方程为：2.2.由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动4.1.2 4.1.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动4.24.2 振动的激励和激振器振动的激励和激振器根据第二章的讨论，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。振动系统测试就是求取系统动态特性的一种试验方法。为了完成上述测试任务，测试系统包括下述三个主要部分：v 激励部分激励部分 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。v 拾振部分拾振部分 检测并放大被测系统的输入、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、放大器组成。v 分析记录部分分析记录部分 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组成。4.3 4.3 振动的激励振动的激励一、稳态正弦激励方法一、稳态正弦激励方法激激励励信信号号是是一一个个具具有有稳稳定定幅幅值值和和频频率率的的正正弦弦信信号号，测测出出激激励励大大小小（激激振振力力大大小小）和和响响应应大大小小，便便可可求求出出系系统统在在该该频率点处的频率响应的大小。频率点处的频率响应的大小。激激励励系系统统一一般般由由正正弦弦信信号号发发生生器器、功功率率放放大大器器（恒恒流流输输出）和激振器组成；出）和激振器组成；测量系统测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。二、瞬态激励方法二、瞬态激励方法p激激励励信信号号是是一一种种瞬瞬态态信信号号，它它属属于于一一种种宽宽频频带带激激励励，即即一一次次同同时时给给系系统统提提供供频频带带内内各各个个频频率率成成份份的的能能量量，使系统产生相应频带内的频率响应使系统产生相应频带内的频率响应。p一种一种快速测试快速测试方法。常在生产现场使用。方法。常在生产现场使用。p常用的瞬态激励方法有常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描快速正弦扫描脉冲锤击脉冲锤击阶跃松弛激励阶跃松弛激励(一一)快速正弦扫描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（数秒内完成），即激激振振信信号号频频率率在在扫扫描描周周期期T内内成成线线性增加，而幅值保持恒定性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。激励的目的。T：扫描周期(二二)脉冲锤击激励脉冲锤击激励用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉脉冲冲力力，使之发生振动。由于脉冲锤击力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、随机激励方法三、随机激励方法n纯随机激励纯随机激励理理想想的的纯纯随随机机信信号号是是具具有有高高斯斯分分布布的的白白噪噪声声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上是一条几乎平坦的直线。输入输出的互谱与频率响应输入输出的互谱与频率响应函数成正比。函数成正比。只要测得互谱就可代表频率只要测得互谱就可代表频率响应函数。响应函数。n伪随机激励伪随机激励v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的优点在于试验的可重复性试验的可重复性。v将白噪声在将白噪声在T内截断，然后按周期内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信反复重复，即形成伪随机信号。号。三、随机激励方法三、随机激励方法4.3 4.3 激振器激振器（一）电动式激振器（一）电动式激振器当当F Fi i以以简简谐谐规规律律变变化化时时，则则作作用用在在激激振振对对象象上上的的力力F F也也为同频率的简谐力。为同频率的简谐力。使使用用时时在在顶顶杆杆与与激激振振对对象象之之间间加加一一个个力力传传感感器器，以以精精确确地测出激振力地测出激振力F(t)F(t)。q为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上,在激振时最好让激振器壳体在空间基本上保持静止；q在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的13；q在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。激振器安装原则：激振器安装原则：4.3 4.3 激振器激振器高频激振高频激振低频激振低频激振4.3 4.3 激振器激振器（二）电磁式激振器（二）电磁式激振器电电磁磁激激振振器器是是非非接接触触式式的的，没没有有附附加加质质量量和和刚刚度度的的影影响响，频频率率上上限限约约为为500-800Hz500-800Hz。激激振振器器是是由由通通入入线线圈圈中中的的交交变变电电流流产产生生交交变变磁磁场场，而而被被测测对对象象作作为为衔衔铁铁，在在交交变变磁磁场场作作用用下下产生振动产生振动。4.3 4.3 激振器激振器由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，即:为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与交流两部分组成，即:（二）电磁式激振器（二）电磁式激振器4.3 4.3 激振器激振器4.3 4.3 激振器激振器（二）电磁式激振器（二）电磁式激振器（三）（三）脉冲锤脉冲锤p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；p锤击力的大小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。p激激励励的的频频率率范范围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。4.3 4.3 激振器激振器4.3 4.3 激振器激振器4.4测振传感器测振传感器p分类：接触式和非接触式分类：接触式和非接触式p接触式：按壳体的固定方式分为接触式：按壳体的固定方式分为p相对式：相对式：壳体固定在基础上，测杆和被测对象相联，敏感被测对象相对壳体固定在基础上，测杆和被测对象相联，敏感被测对象相对于基座的振动；于基座的振动；p绝对式：绝对式：壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体感受振动，又称壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体感受振动，又称为惯性式测振传感器；为惯性式测振传感器；p振动测试：对振动测试：对振动位移振动位移、振动速度振动速度、振动加速度振动加速度这些振动量的检测，这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。它们反映了振动的强弱程度。4.4.14.4.1惯性式测振传感器的力学模型和特性分析（绝对式）（一）力学模型和运动方程式（一）力学模型和运动方程式（二）惯性式位移传感器的响应条件（二）惯性式位移传感器的响应条件惯性式位移传感器的惯性式位移传感器的输出位移输出位移zm反映反映被测振动被测振动的位移量的位移量xm。n位移传感器的上限测量频率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元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。n下限测量频率下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。n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（三）惯性式加速度传感器的响应条件惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的质质量量块块相相对对位位移移Zm与与被被测测振振动动的的加加速速度度成成正正比比，因因而而可可用用质质量量块块的的位位移移来反映被测振动的加速度大小。来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器幅频特性的表达式加速度传感器幅频特性的表达式:1.惯惯性性式式加加速速度度传传感感器器的的最最大大优优点点是是它它具具有有零零频频率率持持性性,理理论论下下限限测测量量频频率率为为零零，实实际际下下限限测测量量频频率极低。率极低。2.为为使使 n远远大大于于被被测测振振动动频频率率，加加速速度度传传感感器器的的尺尺寸寸、质质量量可可做做得得很很小小（小小于于1g），从从而而对对被被测对象的附加影响也小。测对象的附加影响也小。3.传感器的影响：传感器的影响：固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统的振动特性发生变化。4.4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器n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。n属于惯性式传感器属于惯性式传感器 其中k1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，为等效刚度，M为折算质量为折算质量。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（(C+Cf)K为放大器的开环放大倍数灵敏度：质量块灵敏度：质量块质量越大，灵敏度越高；质量越大，灵敏度越高；频频率率响响应应范范围围：传感器的固有频率越高，则其可测频率范围越宽，目前可测的最低频率达0.1Hz。压电式加速度计常用的安装方法：压电式加速度计常用的安装方法：安装状态直接影响可测的频率范围安装状态直接影响可测的频率范围。一般用粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。压电式加速度传感器的主要特性压电式加速度传感器的主要特性4.4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器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。4.4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式阻抗头的结构和安装安装表面激振平台4.4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器4.4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。对恒恒磁磁通通磁磁电电式式传传感感器器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种：（a）动圈式；）动圈式；（b）动铁式）动铁式常用的是动圈式。1弹簧弹簧2壳体壳体3阻尼环阻尼环4磁钢磁钢5线圈线圈6芯轴芯轴要尽量降低n，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。属于的受迫振动磁电式绝对速度传感器4.4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器1顶杆顶杆2弹簧片弹簧片3磁钢磁钢4线圈线圈5引出线引出线6壳体壳体磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器测量振动系统中两部件之间的相对振动速度；测量振动系统中两部件之间的相对振动速度；壳壳体体固固定定于于一一部部件件上上，而而顶顶杆杆与与另另一一部部件件相相连连接接，使使传传感感器器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。4.4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器灵敏度：灵敏度：频率范围：频率范围：下限：下限：10-15Hz，上限：，上限：1000Hz非线性度：非线性度：速度越大，失真越严重速度越大，失真越严重温度误差：温度误差：温度变化引起温度变化引起B、L、R都会变化，使灵敏都会变化，使灵敏度下降。度下降。4.4.3磁电式速度传感器磁电式速度传感器性能指标：4.4.4电涡流测振传感器电涡流测振传感器4.4.5激光测振仪激光测振仪当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周期内，计得干涉条纹变化数为期内，计得干涉条纹变化数为N，则：，则：迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪4.5振动测量系统振动测量系统4.5.1振动量的测量振动量的测量振动量：振动量：通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动振动位移位移，振动速度振动速度和振动加速度振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。究竟测量哪个振动量是振动测量中必须考虑的问题之一。加速度加速度速速 度度位位 移移振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之间的关系与频率有关。在低频振动场合，加速度的幅值不大，宜选用振动位移测量；在中频振动场合，宜选择振动速度测量，在高频振动场合，加速度幅值较大，宜选择加速度测量。4.5振动测量系统振动测量系统（1）正弦测量系统）正弦测量系统振动量测量通常有以下几种系统：振动量测量通常有以下几种系统：正弦测量系统图正弦测量系统图n正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。正弦测量系统适用于按简谐振动规律的系统。n应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。力的相位差，以及观察振动波形的畸变情况。4.5振动测量系统振动测量系统（2）动态应变测量系统）动态应变测量系统动动态态应应变变测测量量系系统统将将电电阻阻应应变变片片贴贴在在结结构构的的测测振振点点处处，或或直直接接制制成成应应变变片片式式位位移移计计或或加加速速度度计计，安安装装在在测测振振点点处处，将将应应变变片片接接入入电电桥桥，电电桥桥由由动动态态应应变变仪仪的的振振荡荡器器供供给给稳稳定定的的载载波波电电压压。测测振振时时由由于于振振动动位位移移引引起起电电桥桥失失衡衡而而输输出出一电压，经放大并转一电压，经放大并转换成电流，由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。换成电流，由表头指示，或由光学示波器、计算机记录。图图8.23动态应变测量系统的组成动态应变测量系统的组成4.5振动测量系统振动测量系统4.5振动测量系统振动测量系统模拟量频谱分析系统模拟量频谱分析系统传感器经微/积分放大器后，进入模拟量频谱分析仪。模拟式频谱分析仪，由跟踪滤波器或一系列窄带带通滤波器构成，随着滤波器中心频率的变化，信号中的相应频率的谐波分量得以通过，从而可以得到不同频率的谐波分量的幅值或功率的值，由仪表显示或记录；数字频谱分析系统数字频谱分析系统现代振动分析系统大都是数字式分析系统。将来自传感器的模拟信号经过A/D转换，把模拟信号转换成数字序列信号，然后通过快速傅里叶（FFT）的运算，获得被测系统的频谱。（3）频谱分析系统）频谱分析系统4.5振动测量系统振动测量系统5.2机械振动参数的估计机械振动参数的估计:单自由度系统固有频率和阻尼的测量单自由度系统固有频率和阻尼的测量1.自由振动法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自由振动。机械振动参数估计的目的是用以确定被测结构的固有频率、阻尼比、振型等振动模态参数。u自由振动法自由振动法u共振法共振法4.5振动测量系统振动测量系统4.5振动测量系统振动测量系统阻尼比：阻尼比：Mi、Mi+1分别为阻尼自由振动的相邻超调量。d为阻尼自由振动的圆频率，为阻尼自由振动的圆频率，4.5振动测量系统振动测量系统2.共振法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。位移共振：位移共振：4.5振动测量系统振动测量系统例例1:惯性式位移传感器具有1HZ的固有频率，认为是无阻尼的振动系统，当它受到频率为2HZ的振动时，仪表指示振幅为1.25mm，求该振动系统的真实振幅是多少？（1）惯性式位移传感器的幅频特性（2）W=2Hz，Wn=1Hz，c=0，y0=1.25mm例例2：图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知，传 感 器 的 灵 敏 度 为 100（pC/g），电 荷 放 大 器 的 反 馈 电 容C=0.01(F)，测 得 输 出 电 压 的 峰 值 Uom=0.4(V)，振 动 频 率 为100(HZ)。(1)求机器振动加速度的最大值A(m/s2);(2)假定振动为正弦波，求振动速度v(t);(3)求振动幅度的最大值X.（2）已知 a(t)=Asinwt,w=2f=628(rad/s)（3）（1）振幅X=0.001(m)作业：作业：思考题：思考题：7-1,7-2,7-4,7-5，7-6主观题：设计两种分别测量汽车运行速度和汽主观题：设计两种分别测量汽车运行速度和汽车座椅舒适性的测量系统，请选择合适的传感车座椅舒适性的测量系统，请选择合适的传感器，给出测量系统组成框图，简述测量原理器，给出测量系统组成框图，简述测量原理