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1、第七章 振动的测试,第一节 概述,振动是质点或物体相对于固定参考点的振荡运动。,物体仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动。,物体在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动,振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过程特征和振动系统特性的有用信息。,机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复运动。,激振,机械系统,响应,振动测试的基本参数,振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。频率不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振
2、源，采取相应的措施。相位振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。,振动测试方式：一、激振测量是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，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。二、在线测量测量机械或结构在工作状态下的振动，如位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。,第二节 惯性式传感器的力学模型,振动测试的力学原理、力学模型,构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复
3、性和阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。,一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析,1)质量块受力产生的受迫振动,f(t)激振动,k弹簧刚度,c阻尼系数,m质量,z振动位移,f(t)激振动,Z(t)振动位移,振动系统,这是一个典型的二阶系统,幅频特性：,相频特性：,相频特性,幅频特性,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。,率,2.由基础运动所引起的受迫振动,振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称
4、位移激励。设基础的绝对位移为Z1，质量块m的绝对位移为ZO，如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，则M的相对位移的(ZO-Z1)。其运动方程为：,这是一个典型的二阶系统,幅频特性,相频特性,由幅频特性图可见，当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而当激振频率远高于固有频率时，A()接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,在振动测量时，应合理选择测量参数。,第三节 振动测量传感器,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
5、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。,测振传感器常称拾振器。,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。,相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对振动。,绝对式传感器是以大地为参考 基准，即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。,测振时拾振器将固定在被测物上，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。,惯性式测振传感器的力学模型,拾振器的质量mt造成被测系统加速度和固有频率的变化可用下式来 估计：,为装上拾振器之前、后被测系统
6、的加速度,为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率,m为被测系统原有质量,只有当mtm时，mt的影响才可忽略。,常用测振传感器,一、电涡流式位移传感器,电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，涡流传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙（位移）变化。,传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。,二、电容式位移传感器,电容式位移传感器是一种非接触式测振传感器，传感器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙（位移）变化。,三、磁电式速度（计）传感器,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,磁
7、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，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势来。,磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量块与壳体的相对速度变换成电压信号输出。,被测体振动速度,连接,顶杆运动速度,线圈切割磁力线,电动势输出,磁电式绝对速度计,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性 系统的质量块并在磁场中运动。,被测体振动速度,固定,壳体运动速度,线圈切割磁力线,电动势输出,四、压
8、电式加速度（计）传感器,1 压电式加速度计的结构,(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型,S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。,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。,在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。,2 压电式加速度计的灵敏度,惯性力,惯性力加于压电元件,电压灵敏度,电荷灵敏度,压电式传感器的前置放大器有：
9、电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。,工作原理,被测加速度a ma F(惯性力)Q U,等效质量块m,晶片,电荷放大器,压电式加速度计的幅频特性曲线,加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。,加速度计与试件的各种固定方法,采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率
10、的最好方法。,阻抗头,在对机械结构进行激振试验时，为了测量机械结构每一部位的阻抗值(力和响应参数的比值)，需要在结构的同一点上激振并测定它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定激振点的受力及加速度响应的特殊传感器。,它集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体,阻抗头的原理及结构图,阻抗头的安装面与被测机械紧固在一起，激振器的激振力输出顶杆与阻抗头的激振平台紧固在一起。激振器通过阻抗头将激振力传递并作用于被测结构上，激振力使阻抗头中检测激振力的压电晶片受压力作用产生电荷并从激振力信号输出口输出。机械受激振力作用后产生受迫振动，其振动加速度通过阻抗头中的惯性质量块产生惯性力，使检测加速度的晶
11、片受力作用产生电荷，从加速度信号输出端口输出。,随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。,测振传感器的合理选择,振动量的测量 振动量通常指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。,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,A(),v,x,微/积分放大器,根据振动频率范围而推荐选用振动量测量的范围,拾振器的被测量为振动位移、速度或加速度，它们是的等比数列，可通过微积分电路来实现它们之间的换算。由于换算存在一定的误差，应尽量以最直接、最合理的方式获得最重要的参数
12、。,第四节 振动测量系统及其标定,一、振动测试系统的组成,振动系统测试就是求取系统输入和输出的一种试验方法。为了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：,1)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、功率放大器和激振装置组成。2)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、可调放大器组成。3)分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行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。,二、测量系统的标定,为了保证振动测试的可靠性和精确度，必须对
13、传感器及其测试系统进行校准。,1、绝对法,绝对法将拾振器固定在校准振动台上，由正弦信号发生器经功率放大器推动振动台，用激光干涉振动仪直接测量振动台的振幅，再和被校准拾振器的输出比较，以确定被校准拾振器的灵敏度，这便是用激光干涉仪的绝对校准法。,2、相对法,相对法此法又称为背靠背比较校准法。此法是将待校准的传感器和经过国家计量等部门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待校准传感器 的灵敏度。这时，严格校准过的传感器起着“振动标准传递”的作用。通常称为参考传感器。,第五节 激振试验设备及激振动信号简介,一、
14、振动台,有机械式振动台、电磁式振动台和电液伺服振动台。,1、机械式振动试验台,机械式振动试验台属低频大载荷振动试验台，频率为580Hz，载荷从50kg1000kg，位移为5mm左右，加速度为320g。适宜于低频定振试验或低频定位移扫频试验，不能作定加速度扫频试验，机械式振动试验台是一种开环式振动试验设备。一次装夹可实现垂直和水平两方向振动。,2、电磁式振动试验台,电动式振动试验台属高频、大位移、大推力振动试验台，频率范围为53000Hz，推力可达十六吨，位移可达25.4mm。适宜于任何形式的给定信号的振动及冲击试验。电磁式振动试验台是一种闭环式振动试验设备,3、电液式振动试验台,电液式振动试验
15、台属中低频大位移、大推力振动试验台，频率为2200Hz，推力可达数十吨，位移可达50mm左右。适宜于低频定振试验或中低频扫频试验及随机试验和冲击实验。电液式振动试验台是一种闭环式振动试验设备。,二、振动的激励激振动信号,振动的激励方式通常有稳态正弦激振、随机激振和瞬态激振三种。,1、稳态正弦激振,稳态正弦激振又称简谐激振，它是借助于激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。它的优点是激振功率大、信噪比高、能保证响应测试的精度。因而是一种应用最为普遍的激振方法。即(t)=F0sin(t)。该频率是可调的。,在一定频段内对被测系统进行逐点的给定频率的正弦激励的过程称扫描。在进行稳态正弦激振时
16、，一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段再进行稳态正弦激振获取严格的动态特性。,自动正弦扫描激振,2、瞬态激振,瞬态激振给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，瞬态振动是指在极短时间内的振动。过程突然发生，持续时间短，能量很大。通常它由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。,目前常用的瞬态激励方法有脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法,脉冲激振,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。,阶跃激振,阶跃激振的激振力来自一根刚度大、重量轻的弦。试验时，在激振点处，由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
17、张力弦，这相当于对被测对象施加一个负的阶跃激振力。,4、随机激振,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性。,随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，这是一种带宽激振方法。,三、激振器,将所需的激振信号变为激振力施加到被测对象上的装置称为激振器。激振器应能在所要求的频率范围内，提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力，在某些情况下还需提供定值的稳定力。交变力可使被测对象产生需要的振动，稳定力则使被测对象受到一定的预加载荷，以便消除间隙或模拟某种稳定力。常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种。,1
18、.电动式激振器,电动式激振器按其磁场的形成方法分有永磁式和励磁式两种。,根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流i成正比的电动力F的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。,交变电流i,电动力F,激振力,产生,传输,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基座在空间基本上保持静止：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l3；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。,水平绝对激振时的安装方法,较低频激振时的安装方法,高频激振时的安装方法,2.电磁式激振器,电磁式激振器直接利
19、用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。励磁线圈3包括一组直流线圈和一组交流线圈，当电流通过励磁线圈便 产生相应的磁通，从而在铁芯2和衔铁4之间产生电磁力，实现两者之间无接触的相对激振。激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动。,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)。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:,交变电流i,产生,电磁力F,激振力,3.电液式激振器,1顶杆 2电液伺服阀 3活塞,由电动激振器，操纵阀和
20、功率阀所组成的电液伺服阀2，控制油路使活塞3作往复运动，并以顶杆1去激励被激对象。活塞端部输入一定油压的油，形成静压力p*，对被激对象施加预载荷。用力传感器测量交变激励力p1和静压力p*。,电液式激振器的优点是激振力大，行程亦大，单位力的体积小。但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦，使电液式激 振器的高频特性变差，一般只适用于较低的频率范围。,电动激振器+液压系统,交变电流i,产生,电动力F,激振力,控制,液压系统,三、力锤,力锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。一般来说，锤击力的
21、大小是由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。激励的频率范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，上限额率fe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。,为了得到不同的脉冲宽度,锤头可用不同的材料制成,根据测试频响要求,进行更换.锤头的材料越软,其脉冲频谱越窄;反之锤头材料越硬,则脉冲频带越宽。脉冲锤的质量(包括锤头,力传感器及附加配重)大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关.若力锤太小,能量不够;力锤太大,灵敏度低.所以应根据试件刚度和质量大小,频率范围等选择力锤的适当大小。脉冲激振是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力脉冲，同时测量激励和被测对象。脉冲的形成及有效频率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，则频率范围越大。,
