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1、1,机械振动的测量,2,机械振动现象普遍。机械设备运动时，都存在不同程度的振动。有害：大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使用寿命，机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康。,机械振动的测量,振动：物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用，就会在其平衡位置周围作往复运动，这种每隔一定时间的往复机械运动即振动。,3,有利：振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行工作的。,机械振动的测量,4,机械振动的测量,现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振动设计；为了保证大型机电设备正常、有效的运
2、行，必须对其振动信息进行监测、故障诊断。振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要,5,机械振动的测量,振动给料机,水泥回转窑,6,1 概述,一、振动的类型1、按振动的规律分类（1）稳态振动（确定性振动）一般分为以下几种：,7,1 概述,一、振动的类型1、按振动的规律分类（2）随机振动一般分为以下几种：,8,（1）自由振动（2）受迫振动,一、振动的类型,2、按振动的原因分类,3、按振动系统的自由度数目分类 （1）单自由度振动 （2）两自由度、多自由度系统振动,9,一、振动的类型,振动的基本参数,幅值、 频率、相位称为振动三要素。只要测定这3 个要素，也就决定了整个振动运动,幅值：反映振动强、弱程
3、度，可以用振动的峰值、平均值、有效值来描述；通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源；利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件的平衡、有源振动的控制等。,10,一、振动的类型,振动的基本参数,幅值、 频率、相位,简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个量与时间关系来表征。,11,(1)测量机械设备或结构工作状态下的振动如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊断和预测。(2)测量机械设备或结构动态特性施加某种激
4、励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、响应和模态等。振动的测量方法：机械法、电测法、光测法。,二、振动的测试内容及测量方法,测试的内容包括两方面：,12,三、振动测试系统的构成,被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数字处理技术，检测出有用的信息。工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的特性是由各个环节串联而成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一定的影响。,13,2
5、 常用测振传感器,测振传感器的种类很多。（1）按测振参数 位移传感器、速度传感器、加速度传感器。（2）按传感器与被测物位置关系 接触式传感器、非接触式传感器。 接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式； 非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。（3）按测试参考坐标 相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。,14,2 常用测振传感器,相对式测振 传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对 于基准点的相对振动。绝对式测振 传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体相对于大地的绝对振动， 因此传感器又称为惯性式测振传感器，如 惯性式位移传感器、 压电式加速度传感器等， 这类传
6、感器在振动测量使用普遍。,15,2 常用测振传感器,一、绝对式测振传感器原理,x(t)为被测物体振动位移；y(t)为惯性质量块的振动位移；z(t)为壳体相对惯性质量块的振动位移；m为质量块质量；k 为支撑质量块的弹簧刚度；c为阻尼系数。则惯性质量块的动力方程式可写成:,力学模型,16,2 常用测振传感器,一、绝对式测振传感器原理,力学模型,设,17,一、绝对式测振传感器原理,设,解方程,惯性系统阻尼比；惯性系统的固有角频率。,传感器输出的辐值和相位角均与/n和有关。,18,一、绝对式测振传感器原理,1、测振幅当测振传感器的输出量z正确感受和反映的是被测体振动的振幅量xm时，,幅频特性：,相频特
7、性：,19,一、绝对式测振传感器原理,1、测振幅,幅频特性：,/n,幅频特性曲线近似为常数，A()接近于1，zmxm ,表明传感器的输出正比于被测物体振动的位移。一般：,20,一、绝对式测振传感器原理,1、测振幅,相位差接近180，相频特性也接近直线。一般：,21,一、绝对式测振传感器原理,2、测振动速度,测振传感器的振动参数是速度时，有：,速度传感器的工作区域是/n=1，此区域幅频特性没有平坦段。相频特性曲线也不接近直线，当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方法来测量振动速度。,22,一、绝对式测振传感器原理,3、测振动加速度,测振传感器的振动参数是加速度时，有：,随
8、着n增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低，因此。n不宜选得太高。一般取：,固有频率是被测频率的35 倍，,使传感器输出z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：(1) ，幅频特性曲线趋于平坦，此时,23,一、绝对式测振传感器原理,3、测振动加速度,测振传感器的振动参数是加速度时，有：,使传感器输出z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：(2) ，出现共振峰值，选择恰当的阻尼比可抑制它。一般,则保证幅值误差不超过5 % ，此时相频特性曲线接近直线。,24,一、绝对式测振传感器原理,位移传感器的工作区域为以/n l , 且l ，一般/n取35 ；速度传感器工作区域是/=1 ；加速度
9、传感器工作区域为/n l , 且0.6左右。绝对式测振传感器工作时，固定在被测体上，因而它的质量将影响被测体振动的大小和固有频率。只有当传感器的质量远小于被测体质量时，其影响才可以忽略。,简单总结：,25,二、相对式测振传感器原理,相对式测振传感器分接触式和非接触式两种。接触式：电感式位移传感器、磁电式速度传感器等；非接触式：电涡流式、电容式等。,26,磁电式速度传感器,1-顶杆 2-弹簧 3-输出 4-线圈 5-磁钢 6-限幅器,它可以直接检测振动速度。测量时，传感器安装在静止基座上，活动顶杆压在被测物体上，使弹簧产生一定的变形和压力，顶杆与被测物体接触，跟随被测物体一起运动。固定在顶杆上的
10、线圈在磁场里运动，产生感应电势，其感应电势正比于物体振动速度。,设传感器活动部分的质量为m，弹簧刚度为k ，弹簧变形后的恢复力为F ，根据牛顿定律恢复力能产生的最大加速度为,正确反映被测物体振动的关键是活动顶杆要跟上被测振动。,为了保证被测振动良好传递及顶杆与被测物休始终接触，恢复力产生的最大加速度必须大于被测振动的最大加速度，即,27,磁电式速度传感器,设被测振动是简谐振动:,则加速度为：,所以：,即：,满足该式，顶杆才能正确地传递振动,28,磁电式速度传感器,可以看出：传递和跟随条件与被测振动频率、振幅和传感器活动部分的固有频率有关。如果弹簧的预压量L不够，或被测振动的频率较高时，则顶杆不
11、能满足跟随条件，与被测物体之间发生撞击。因此，传感器使用范围与被测最大位移和频率有关。,若把活动部分的质量和弹簧看成一个振动系统，其固有角频率,则,29,三、测振传感器的选择,主要涉及：频率特性、量程范围和灵敏度。(1) 不同类型的传感器测量范围不同，只有在恰当的频率测量范围内传感器才能正确反映被测物休的振动规律。据前分析：低频振动场合，加速度幅值不大，通常选择振动位移的测量；高频振动场合，且固有频率高出被测频率5 倍以上，加速度幅值较大，通常选择振动加速度的测量。,30,三、测振传感器的选择,(2) 对于惯性式测振器，灵敏度的选择与惯性质量块的质量有关。一般：质量大的测振器上限频率低、灵敏度
12、高；质量轻的测振器上限频率高、灵敏度低。如压电式加速度计： 作超低振级测量的质量超过100 g,灵敏度很高的加速度计，作高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。,31,三、测振传感器的选择,(3) 对相位有严格要求的振动测试（如作虚实频谱、幅相图、振型等测量），除了应注意测振传感器的相频特性外，还要注意测试系统中其他环节和仪器的相频特性，如放大器，特别是带微积分网络放大器的相频特性。,32,3 振动的激励与激振器,一、振动的激励,测量动态特性时，首先要激励被测对象，让其按测试的要求作受迫振动或自由振动。,激励方式通常3 种：,稳态正弦激振瞬态激振随机激振,33,一、振动的激励,
13、1、稳态正弦激振 对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力。 优点：激振功率大、信噪比高，能保证低频响应对象的测试精度。 缺点：需要很长的测试周期才能得到足够精度的测试数据，特别是对小阻尼对象，为了达到“稳态”，要有足够的时间。,34,一、振动的激励,对被测对象施加一个瞬态变化的力。,2、瞬态激振,(1)脉冲激振用一个装有传感器的锤子（又称脉冲锤）敲击被测对象，对被测对象施加一个脉冲力。其有效频率范围取决于脉冲的持续时间 ，则取决于锤端的材料，材料越硬越小，而频率范围越大。(2)阶跃激振在激振点处用一根刚度大、质量轻的弦通过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
14、张力弦，相当于对被测对象突然卸载，施加一个负的阶跃激振力。,35,一、振动的激励,3、随机激振,一般用白噪声或伪随机信号作为信号源，是一种宽带激振。特点：随机激振测试系统具有快速、实时测试的优点。 所用设备要复杂，价格较昂贵。许多机械结构在工作时受到的干扰力或动载荷往往都具有随机的性质。,36,二、激振器,由信号源输出的各类激振电信号经功率放大后，需通过转换装置转换为激振力信号，才能对机械系统进行激振。这类执行装置称为激振器。要求激振器：在其频率范围内良好波形、幅值，足够和稳定的交变力。常用激振器：电动式、电磁式、电液式,37,二、激振器,电动激振器主要用于绝对激振方式。低频激振时可将激振器刚
15、性地安装在地面或刚性很好的架子上。有时必须在激振器与被激对象之间用一根激励力向上、刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接，以保证传递激振力。,1、电动式激振器,永磁式：用于小型激振器激磁式：用于较大型的振动台工作频率范围：5Hz2000Hz。,驱动线圈固装在顶杆上，并由弹簧支承在壳休中，驱动线圈位于磁极与铁芯的气隙中。当驱动线圈通入交变电流时，将产生交变的电动力，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。,38,二、激振器,2、电磁式激振器,利用电磁铁的磁力作为激振力，常川于非接触激振场合，,它由铁芯、激励线圈（包括一组直流线圈和一组交流线圈）、力检测线圈和底座组成,激励线圈通电，产生磁通，从而在铁芯
16、和衔铁之间产生电磁力。将铁芯和衔铁分别固定在两个被测对象上，可实现两者间无接触相对激振衔铁也可以由导磁材料的被测对象充当。测力线圈检测激振力。位移传感器测量激振器与衔铁之间的相对位移。,39,2、电磁式激振器,激励线圈通过电流时，铁芯对衔铁产生的吸引力为：,B：气隙的磁感强度， A：铁芯截面积， u0：真空磁导率，,B0：直流电流I0 产生的不变磁感应强度；B1：交流电流I1 产生的磁感应强度的峰值,得电磁吸力为,静态电磁力,交变电磁力F1,二次谐波交变电磁力F2,40,当直流电流I0=0时，则B0=0 , 一次分量消失。由式可知，F -B 曲线是非线性，如图，且无论B1是正是负，F总是正的，
17、因此B 变化半周而力F 变化一周，后者的频率为前者的两倍，且波形严重失真，幅值也很小。当加上直流电流后，直流磁感应强度B0不再为零，将工作点移到F-B 近似直线的中段B0处，这时产生的电磁交变吸力F1 的波形与交变磁感应波形基本相同。由于存在二次分量，电磁吸力的波形有一定失真，二次分量与一次分量的福值比为B14B0，若取B0B1 ，则可忽略二次分量的影响。,2、电磁式激振器,电磁激振器频率上限500800Hz,41,特点：激振力大，行程大。高频特性差。结构复杂。制造精度要求高，成本高。一般只适用于较低的频率范围，为零点几赫到数百赫。,3、电液式激振器,信号发生器的信号经过放大后，操纵电液伺服阀
18、控制油路，使活塞作往复运动，输出很大的位移和激振力，并以顶杆去激励被激对象。,42,激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动，振动的幅值与激振力成正比，加速度传感器检测振动的位移。依次改变激振信号频率，可绘出加速度幅频特性曲线，根据加速度曲线，找出系统的固有频率。,4 振动系统特性测试,以双简支梁为例，测量系统的固有频率,43,5 机械振动参数的估计,机械振动参数主要是指 固有领率、阻尼比等模态参数实际系统大多是 多自由度振动系统， 具有多个固有频率，在频率响应曲线上会出现多个峰值根据线性振动理论。对于多自由度线性系统，在它任何一点的振动响应可以认为是反映系统特性的多个单自由度响应的叠加
19、。本节讨论单自由度系统：固有频率和阻尼比的测试。方法：自由振动法、共振法,44,单自由度振动系统，若给系统以初始冲击，则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动，,5 机械振动参数的估计,1、自由振动法,其表达式为,m质量；c粘性阻尼系数k 弹簧的刚度系数,设,系统的固有角频率；,系统的阻尼比；,45,5 机械振动参数的估计,1、自由振动法,衰减振动角频率；,阻尼比 的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定。,根据衰减振动记录曲线，周期T可通过曲线确定，可得：,在系统阻尼小的时候，可以认为,46,5 机械振动参数的估计,1、自由振动法,阻尼比的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定：,
20、Mi和Mi+1分别为自由振动记录曲线的相邻超调量 。,47,2、共振法,单自由度系统受迫振动，当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值会急剧增大。对系统进行稳态正弦激振，通过改变激励频率可以得到一系列响应曲线，如图,幅频特性曲线,相频特性曲线,48,2、共振法,在小阻尼时，可以直接用共振峰对应的频率r来近似地估计固有频率n.,(1) 利用幅频曲线进行参数估计,当对单自由度系统进行正弦扫描激励，幅值最大处的频率为位移共振频率r,49,2、共振法,(1) 利用幅频曲线进行参数估计,单自由度受迫振动系统的幅频特性可以表示为,50,2、共振法,(1) 利用幅频曲线进行参数估计,51,2、共振法,(1) 利用幅频曲线进行参数估计,处作一条水平线，交曲线a、b两点，它们对应的频率1、 2， 其阻尼比的估计值为,必须指出：这种估计方法仅适用于小阻尼系统。,因此，可在幅频曲线峰值,52,2、共振法,(2) 利用相频曲线进行参数估计,根据相频特性曲线得知,从所测得相频特性曲线，求=n处的斜率，就可以直接估计阻尼比,
