振动的测试学习.pptx

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1、三、振动测试内容1.振动基本参数的测量 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、和振动频率，以判别振动的强度（振级），找出振动根源，加以克服或改进。第1页/共90页2.结构或部件动态特性的测定（激振实验）输入输入激振力激振力系统系统响应响应确定被测件的确定被测件的 n n、f fn n、对测试对象施加某种预定要求的激振力，使它产生强迫振动，同时测量激振力和被测对象的响应。根据它们的幅值和相位得出频率响应函数，进而确定被测对象的固有频率、阻尼比、刚度等振动参数，这种试验方法就称为“机械阻抗”试验或频率响应试验。目的：通过动特性测定，研究设备或结构的力学动态特性 第2页/共90页四、振动测量分类测

2、量原理机械式机械式 适用被测振动频率较低、振幅适用被测振动频率较低、振幅较大和精度不高的场合。较大和精度不高的场合。光学式光学式 可实现无接触测量，但只能作可实现无接触测量，但只能作相对测量，故需良好隔振。相对测量，故需良好隔振。电气式电气式 是瞬态、冲击和随机振动等复是瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的唯一测量手段。杂参数的唯一测量手段。振动测量参考坐标振动测量参考坐标绝对式绝对式 选选惯性空间（大地）作惯性空间（大地）作测量时的参考坐标测量时的参考坐标相对式相对式 选空间动点或不动点作选空间动点或不动点作测量时的参考坐标测量时的参考坐标第3页/共90页五、一般振动测试系统的组成1.振动参数测

3、量系统被测振动被测振动传感器传感器中间变换器中间变换器预处理电路预处理电路振动振动分析仪器分析仪器显示显示第4页/共90页2.2.频率响应实验测量系统频率响应实验测量系统第5页/共90页例：典型机床频响测试系统例：典型机床频响测试系统第6页/共90页在振动测试中要注意两个问题：在振动测试中要注意两个问题：1.干扰 振动分析仪器应能在噪声背景下检测出有用的信息。2.匹配 振动分析仪器中得到的各环节串联而成的整个系统的特征。最理想的各个环节应是 A()=A0 ()=0第7页/共90页单自由度系统单自由度系统单自由度系统是一种最简单的力学模型该系统可以用二阶常系数微分方程表述单自由度系统振动研究是多

4、自由度系统的基础一些实际的工程结构可以简化为一个单自由度系统 以单自由度振动系统模型来介绍惯性式传感器的特性2-22-2惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型(P.188)(P.188)第8页/共90页正弦激励是一种最简单的激励正弦激励是一种最简单的激励复杂信号分解成谐波分量合成系统具有叠加性正弦信号正弦信号系统系统响应响应第9页/共90页一、由作用在质量块上的力所引起的 受迫振动力平衡方程式式中：式中：cc 阻尼系数阻尼系数kk 弹簧刚度弹簧刚度f(t)f(t)系统输入系统输入zz 振动位移，系统输出振动位移，系统输出（P.189P.189）第10页/共90页动态特性有关知识回顾动态特

5、性 测试装置对随时间变化的输入量的响应特性。频率响应函数 动态特性描述方法之一第11页/共90页频率响应函数的物理意义频率响应函数的物理意义H(j)是当系统输入各个不同频率的正弦信号时，其达到稳态后的输出与输入之比。（包括幅值比和相位差）幅频特性幅频特性相频特性相频特性第12页/共90页受力激振时，以位移为响应时的频率响应特受力激振时，以位移为响应时的频率响应特性性幅频特性幅频特性相频特性相频特性式中式中 振动系统的阻尼比，振动系统的阻尼比，激振力的圆频率激振力的圆频率 n n振动系统的固有频率，振动系统的固有频率，（P.55P.55图图2-152-15）第13页/共90页位移共振频率位移共振

6、频率位移共振频率 输入为力，输出为振动位移时，幅频特性上幅值最大处的频率rz；响应是位移的幅频特性：响应是位移的幅频特性：位移共振频率：位移共振频率：第14页/共90页速度共振频率速度共振频率速度共振频率 输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率rv。响应是振动速度的幅频特性：响应是振动速度的幅频特性：速度共振频率：速度共振频率：第15页/共90页加速度共振频率加速度共振频率加速度共振频率 输入为力，输出为振动加速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率ra。响应是振动加速度的幅频特性：响应是振动加速度的幅频特性：加速度共振频率：加速度共振频率：第16页/共90页幅频特性中n

7、的估计值 从幅频特性上看，当 很小，即小阻尼时，rz n，ra n，故常采用r作为n的估计值。第17页/共90页相位共振相位共振 从相频特性上看，不管系统的阻尼比是多少，在（/n）=1时位移始终落后于激振力900，这种现象称为相位共振，一般固有频率的估计用相频特性曲线比较准确，因为这段曲线比较陡峭，频率稍有偏移，相位就明显偏移900。第18页/共90页二、由基础运动所引起的受迫振动力平衡方程式Z Z1 1(t)(t)基基础的绝对位移础的绝对位移Z Z0 0(t)(t)质质量量mm的绝对位移的绝对位移Z Z0101(t)(t)质质量量mm对基础的对基础的相对位移相对位移zz0101=z=z0 0

8、-z-z1 1 幅频特性、相频特性：幅频特性、相频特性：（P.189P.189）第19页/共90页幅频特性和相频特性特性分析1.在使用时，一般取 /n(35)，这时 A()1，()180 2.当=0.60.7时，使幅频特性平坦部分扩展，相频曲线 /n=1附近接近直线，称为最佳阻尼。3.这种传感器测量上限理论上是无限的，但在实际应用中受到具体一起结构和元器件的限制，因此上限不能太高。（P.190P.190）第20页/共90页激励方式激励方式激励方式激励方式稳态正弦激振稳态正弦激振随机激振随机激振瞬态激振瞬态激振2-3振动的激励(P.210)(P.210)第21页/共90页一、稳态正弦激振一、稳态

9、正弦激振1.逐点正弦激振单一频率正弦力单一频率正弦力系统系统稳态响应稳态响应幅频特性、相频特性幅频特性、相频特性将将响响应应记记录录下下来来，然然后后作作图图第22页/共90页逐点正弦激振的优缺点逐点正弦激振的优缺点优点：激振功率大，信躁比高，测试精确度高。缺点：(1)工作量大，要得到动态特性需在整个频率范围一个一个的用单一频率激振；(2)测试周期长，特别是小阻尼，达到“稳态”时间需很长。第23页/共90页正弦激振的机械阻抗测试系统正弦激振的机械阻抗测试系统 第24页/共90页2.2.慢速扫频激振慢速扫频激振 信号发生器采用无级或有级地改变正弦激振力的频率，即频率扫描，这样激振频率随时间而变化

10、，严格讲这是一种瞬态的激振，但采用足够缓慢的扫描速度，使分析仪器有足够的响应时间，使被测对象处于稳定振动状态，这样可近似逐点正弦激振。第25页/共90页二、随机激振二、随机激振1.1.白噪声激振白噪声激振白噪声的性质：1)频谱相当于所有频率成分均有；2)自相关函数=0时为陡峭的峰，稍偏离0就很快衰减；3)自功率谱密度函数接近于常数。白噪声发生器产生的随机信号是完全随机的，不能重复产生。第26页/共90页2.2.伪随机激振伪随机激振 用伪随机信号发生器或用计算机产生伪随机码来产生随机激振信号。伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号又完全相同。第27页/共90页

11、3.3.实际随机激振实际随机激振 随机激振测试系统虽有可实现快速甚至“实时”测试的优点，但设备复杂，价格昂贵。许多机械或结构在工作时所受到的干扰力和动载荷往往具有随机的性质。如果能用传感器测出这种随机干扰力和系统的响应，就可利用分析仪器对工作中的机械作“在线”分析。第28页/共90页随机激振测试系统随机激振测试系统第29页/共90页三、瞬态激振三、瞬态激振 1.1.快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振式中式中a=(fa=(fmaxmax-f-fminmin)/T)/T，b=fb=fminminffmaxmax、f fminmin 信号发生器所供信号发生器所供信号的上、下截信号的上、下截止频率止频率

12、 第30页/共90页2.2.脉冲激振（冲击激振）脉冲激振（冲击激振）第31页/共90页脉冲激励法测振系统脉冲激励法测振系统 用脉冲锤对被测对象进行敲击，脉冲力信号及各点响应信号经过电荷放大器放大，输入传递函数分析仪，从而得到传递函数的幅值、相位等特性。第32页/共90页3.3.阶跃（张弛）激振阶跃（张弛）激振第33页/共90页激振设备及其要求：激振设备及其要求：激振设备对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。对激振设备要求：1)能在要求的一定频率范围内产生波形良好、幅值足够且稳定的交变力；2)有时要求产生一个稳定力；3)尽量要求体积小、重量轻。2-4激振设备(P.206)(P.20

13、6)第34页/共90页常用的激振设备常用的激振设备电动式激振器（台）电磁式激振器（振动台）电液式振动台第35页/共90页一、电动式激振器一、电动式激振器原理：通电线圈在磁场中受力（P.208P.208）第36页/共90页电动式激振器模型（绝对激振）电动式激振器模型（绝对激振）只有激振器可动部分质量相对很小，且与试件刚性连接，顶杆系统刚性也好时可近似认为两者相等。一般使顶杆通过一只力传感器去激励试件，以便更精确测出激振力的大小和相位。交流电流交流电流线圈线圈 电动力电动力 激振力激振力 电动力电动力 第37页/共90页电动式激振器分类电动式激振器分类永磁式：多用于小型激振器，激振力较小永磁式：多

14、用于小型激振器，激振力较小励磁式：多用于较大型激振器，即激振台，励磁式：多用于较大型激振器，即激振台，永磁体用直流线圈代替永磁体用直流线圈代替 第38页/共90页电动式激振器安装方式电动式激振器安装方式安装要求：激振器壳体在空间基本保持静止。安装方式安装方式 刚性安装刚性安装垂直激振垂直激振(a)a)水平激振水平激振(c)c)柔性安装柔性安装适用于较高频激振适用于较高频激振要求：要求：激振器固有频率激振器固有频率f fn n1/3f3f3fmaxmax（激振最高频率）激振最高频率）（P.209P.209）(b)(b)适用于低频激振适用于低频激振第39页/共90页二、电磁式激振器二、电磁式激振器

15、原理：励磁线圈通电后，铁芯对衔铁产生吸力，利用该电磁力作为激振力。当励磁线圈通过电当励磁线圈通过电流时，铁芯和衔铁之间流时，铁芯和衔铁之间便产生一正弦激振力便产生一正弦激振力（电磁吸力），值得注（电磁吸力），值得注意的是，如果没有直流意的是，如果没有直流励磁线圈，则得不到一励磁线圈，则得不到一个比较理想的正弦波形个比较理想的正弦波形的激振力。的激振力。第40页/共90页电磁吸力电磁吸力铁芯产生的电磁吸力铁芯产生的电磁吸力 F=FF=F0 0+F+F1 1+F+F2 2 固定分量（静态力）固定分量（静态力）一次分量一次分量 二次分量二次分量 AA铁芯截面积铁芯截面积 0 0真空导磁系数真空导磁系

16、数B B0 0直流直流I I0 0产生的不变磁感应强度产生的不变磁感应强度B B1 1交流交流I I1 1产生的交变磁感应强度产生的交变磁感应强度 B=BB=B0 0+B+B1 1coscos t t第41页/共90页电磁力和磁感应强度的关系电磁力和磁感应强度的关系讨论：1)当I0=0时，B0=0，则F1=0，fF=2fB，所以波形严重失真；2)有I0时，工作点移到B0处，F-t与B-t波形基本相同；3)二次分量与一次分量幅值比为B1/4B0，若取B0B1，则可忽略二次份量的影响。第42页/共90页直流线圈的作用：直流线圈的作用：1)可以消除二次正弦分量，取得良好的激振波形；2)同样交流电流激

17、励条件下，力幅比较大；3)产生稳定力，以满足实际的需要，也可消除装置的间隙。第43页/共90页三、电液式振动台三、电液式振动台信号功放电液伺服阀 活塞作往复运动活塞作往复运动 激振试件激振试件 顶杆顶杆 电动激振器电动激振器操纵阀操纵阀功率阀功率阀 信号发生器信号发生器（P.207P.207）第44页/共90页电液伺服振动台工作原理电液伺服振动台工作原理（P.207P.207）第45页/共90页特点：特点：激振力大，体积大，行程大，但输出波形差，且高频特性较差（频率范围只有0 100Hz，最高1000Hz）；结构复杂，制造精度要求高，还需一套液压系统。第46页/共90页其它激振器其它激振器压电

18、晶片激振器：用于小型、薄壁试件磁致伸缩激振器：用于高频高声强激振器 第47页/共90页一、振动的测量方法一、振动的测量方法目前广泛使用的振动测量方法是电测法。按所测振动性质按所测振动性质绝对式绝对式 输出描述被测物的绝对振动输出描述被测物的绝对振动相对式相对式 输出描述两试件间的相对振动输出描述两试件间的相对振动2-5振动测量方法及测振传感器(P.193)(P.193)第48页/共90页1.1.相对式测振相对式测振选择结构上的动点或不动点作为测量中的参考坐标。直接式直接式 接触式接触式非接触式非接触式 跟随式跟随式 接触式接触式 第49页/共90页跟随式相对振动传感器使用条件：测量过程中顶杆始

19、终与被测对象接触 0 0预压缩量预压缩量 nn固有频率固有频率 被测振动频率被测振动频率x xmm被测振幅被测振幅在预压缩量一定的情况下在预压缩量一定的情况下若被测系统的幅值大，则测振频率低，即若被测系统的幅值大，则测振频率低，即x xmm，若被测系统的幅值小，则测振频率高，即若被测系统的幅值小，则测振频率高，即x xmm，要求弹簧有预压要求弹簧有预压缩量缩量第50页/共90页2.2.绝对式测振绝对式测振 （惯性式拾振器）力学模型就是由基础运动引起的受迫振动的模型当选择参数当选择参数 n n、不同时，可以做成振不同时，可以做成振幅计（位移计）、速幅计（位移计）、速度计和加速度计度计和加速度计（

20、P.193P.193）第51页/共90页三种工作状态三种工作状态振幅计工作状态：输入位移 输出位移速度计工作状态：输入速度 输出位移加速度计工作状态：输入加速度 输出位移第52页/共90页构成振幅计的条件构成振幅计的条件其幅频、相频特性分别如下：其幅频、相频特性分别如下：第53页/共90页构成加速度计的条件构成加速度计的条件其幅频、相频特性分别如下：其幅频、相频特性分别如下：第54页/共90页构成速度计的条件构成速度计的条件其幅频、相频特性分别如下：其幅频、相频特性分别如下：第55页/共90页该速度计的状态一般不用 从速度计的使用条件来看，只有在共振状态下产生A Av v()=A)=A0 0，

21、故这种状态一般不用，（因为其灵敏度由阻尼决定，且，灵敏度，但频宽，一般用于测定阻尼或 n n等场合）。实际使用时是利用位移传感器为基础，然后通过磁电转换变成速度。第56页/共90页安装传感器后的系统参数安装传感器后的系统参数 由于绝对式测振时，拾振器固定在被测物体上，因此其质量将成为被测振动系统的附加质量，使该系统振动特性产生变化。传感器参数+被测对象参数系统参数 式中式中 f fn n、f fn n 装上拾振器之前、后被测系统的固有频率；装上拾振器之前、后被测系统的固有频率；a a、a a 装上拾振器之前、后被测系统的加速度；装上拾振器之前、后被测系统的加速度；mm 被测系统原有质量；被测系

22、统原有质量；mmt t 拾振器质量拾振器质量第57页/共90页二、常用测振传感器二、常用测振传感器（一）、涡流式位移传感器（一）、涡流式位移传感器测量范围：0.5mm到 10mm不等 灵敏阈：测量范围的0.1%特点：线性范围大、灵敏度高、频率范围高、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量。（P.194P.194）第58页/共90页（二）、磁电式速度计（二）、磁电式速度计1.1.绝对式速度计（绝对式速度计（CD-1CD-1型）型）输出电压输出电压 线圈切割磁力线的速度线圈切割磁力线的速度 质量块相对壳体的运动速度质量块相对壳体的运动速度 第59页/共90页绝对式速度计绝对式速度计的频率特

23、性的频率特性磁电式绝对速度计的频率特性和绝对式位移拾振器是一样的。当当 n n时，质量块在绝对空间近乎静止，时，质量块在绝对空间近乎静止，振动件与质量块的相对位移就近似其绝对位移，振动件与质量块的相对位移就近似其绝对位移，相对速度近似其绝对速度。相对速度近似其绝对速度。第60页/共90页绝对式速度计绝对式速度计的工作范围的工作范围工作范围:=0.50.7 (78)n 第61页/共90页2.磁电式相对速度传感器（CD-2型）这种传感器fn500Hz较高，因此动态范围有限，且尺寸和重量都较大。但其灵敏度高，故可测微小振动且输出信号大，不易受干扰，性能稳定。（P.195P.195）第62页/共90页

24、（三）、压电式加速度计（三）、压电式加速度计 由于压电晶片较脆，因此不允许变形大，其工作状态为加速度的工作状态，即 n，=0.6 0.7，一般做成压缩型，也有剪切型。（P.196P.196）第63页/共90页幅频特性及工作范围理想工作范围：第64页/共90页压电式加速度计使用注意事项：压电式加速度计使用注意事项：（1）使用上限频率取决于结构固有频率和安取决于结构固有频率和安装固有频率装固有频率第65页/共90页固定加速度计的方法固定加速度计的方法（P.199P.199）第66页/共90页压电式加速度的安装方式和频响曲线第67页/共90页注意事项二注意事项二（2）使用下限频率取决于后继使用的前置

25、放大器的下限频率取决于后继使用的前置放大器的下限频率（P.198P.198）第68页/共90页注意事项三注意事项三（3）两个灵敏度电压灵敏度：电压灵敏度：K K0 0=K=K1 1+K+K2 2=m=m n n2 2C=CC=C0 0+C+CC C+C+Ci i只与电容有关，与被测频率无关只与电容有关，与被测频率无关电荷灵敏度：电荷灵敏度：与电容也无关与电容也无关 弹簧弹簧压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片电缆电缆负载负载 第69页/共90页注意事项四注意事项四（4）尽量避免横向振动的干扰（5）尽量保持接头部位的干燥和清洁（6）避免地回路电流的影响（7）避免电缆噪声第70页/共90页标定的目的标

26、定的目的 为了保证振动测试与试验结果的可靠性与精确度，也即为了保证机械振动测量的统一和传递，国家建立了振动的计量标准和测振传感器的检定标准并设有标准测振装置和仪器作为量值传递基准。2-6振动测试系统的标定（P.204P.204）第71页/共90页为何要标定为何要标定对于新生产的测振传感器都需要对其灵敏度、频率响应、线性度等进行校准，以保证测量数据的可靠性。由于测振传感器的某些电气性能和机械性能会因使用程度和随时间而变化，传感器使用一段时间后灵敏度会有所改变，因此测试仪器必须定期按它的技术指标进行全面严格的标定和校准。对于各类型的拾振器和放大器、记录设备配套使用时，进行重大测试工作之前常常需要作

27、现场校准或某些特性校准，以保证获得满意的结果。第72页/共90页标定的精度传递过程标定的精度传递过程标定的精度传递过程一般分为三级精度：国家计量院一级精度的标准传递一级精度的标准传递标准传感器标定标定二级精度二级精度出厂的传感器和出厂的传感器和其他方式使用的传感器其他方式使用的传感器标定标定三级精度三级精度第73页/共90页标定方法标定方法标准激振设备标准激振设备 激振信号激振信号 传感器传感器 已知其振源输出大小，且产生振幅和频率可调的振动已知其振源输出大小，且产生振幅和频率可调的振动 第74页/共90页1.1.绝对法绝对法 将被标定的传感器固定在标定振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台

28、的振幅，再和被标定的传感器的输出比较，以确定被标定传感器的灵敏度。（P.205P.205）该方法一般是由国家计量院实行以及标定该方法一般是由国家计量院实行以及标定所用的方法。其校准误差是所用的方法。其校准误差是0.5%1%0.5%1%。第75页/共90页2.2.相对法相对法 相对法又称为背靠背比较标定法。将待标定的传感器和经过国家计量等部门严格标定过的标准传感器背靠背地(或仔细地并排地)安装在振动台上承受相同的振动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频率点被校准传感器的灵敏度。（P.205P.205）第76页/共90页概述概述 要使测量装置精确可靠，不仅测量装置的定度应精确，而且要定

29、期校准。定度和校准就其实验内容来说，就是对测量装置本身特性参数的测量。2-7机械系统振动参数的估计(动态特性参数的测试）(P.59)第77页/共90页机械系统振动的主要参数机械系统振动的主要参数 典型的单自由度系统 一阶系统：一阶系统：二阶系统：二阶系统：n n和和 多自由度系统多自由度系统f fnini各阶固有频率各阶固有频率 i i各阶等效阻尼比各阶等效阻尼比振型振型 第78页/共90页多自由度系统的频率特性多自由度系统的频率特性 在多自由度系统中，任何一个测点的振动响应可看成是多个单自由度系统的叠加。满足两个条件：满足两个条件：1 1）两共振峰相隔较远；）两共振峰相隔较远；2 2）系统阻

30、尼比较小）系统阻尼比较小。第79页/共90页一、自由振动法（瞬态激振）一、自由振动法（瞬态激振）二阶系统的脉冲响应二阶系统的脉冲响应:第80页/共90页1.1.的测定的测定 很小时很小时 较大时较大时(1)(1)(2)(2)第81页/共90页2.2.n n的测定的测定 自由振动法测特征参数的方法为：利用示波器观察振动系统对瞬态激振的响应，从中测出其周期Td及相邻或相隔几个峰的峰值Mi和Mi+n，然后根据（1）或（2）和（3）式计算得到 和 n。(3)第82页/共90页二、共振法二、共振法系统系统 作出幅频、相频特性曲线作出幅频、相频特性曲线 第83页/共90页1.总幅值法从幅频曲线进行估计（1

31、）估计 n当当 很小时，很小时，第84页/共90页（2 2）的估计的估计 (P.60)P.60)估计方法为：在幅频曲线中，在其共振峰的 处作一根水平线交于图中a、b两点，它们对应的频率为 1和 2，然后由（4）式计算得到 的估计值。(4)(4)称称为为半半功功率率点点第85页/共90页2.2.相位共振法相位共振法 利用相频曲线进行估计的方法。从相频曲线=n处的斜率可直接估计阻尼比。(P.55)P.55)第86页/共90页3.3.分量法分量法根据虚实部频率特性进行估计的方法。二阶系统的频率响应函数H(j)：实频和虚频特性实频和虚频特性：第87页/共90页实频曲线和虚频曲线实频曲线和虚频曲线 这种方法的优点是：虚、实频曲线中的任这种方法的优点是：虚、实频曲线中的任何一条曲线都包含幅频、相频的信息，且虚频何一条曲线都包含幅频、相频的信息，且虚频图窄尖、陡峭，故比实频图更方便。图窄尖、陡峭，故比实频图更方便。第88页/共90页讨论：讨论：1.在=1（=n）处，实部为零，虚部为(-1/2 k)（为极小值），因此 n可容易确定；2.实部曲线在 1处为最大值，在 2处为最小值，其两者间距离约为2；另外虚频曲线上对应 1、2的值非常接近 （-1/4 k），为峰值的一半，这样作一水平线后截得横坐标间距为2，因此很容易得到 值。第89页/共90页感谢您的观看！第90页/共90页