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1、第六章 振动测试,信号调理处理与分析,6.1 概述6.2 振动特性6.3 振动测量传感器6.4 振动测试系统及其标定6.5 振动的激励,本章主要内容,信号调理处理与分析,振动测试目的1）一类是测量设备和结构所存在的振动；2）另一类是对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动，目的是研究设备或结构的力学动态特性。,6.1 概述,振动特性,6.2.1 单自由度系统的振动分类 分为自由振动和受迫振动,自由振动,1）自由振动的运动方程,受迫振动：1）质量块受力引起的受迫振动；2）基础运动所引起的受迫振动,6.2 振动特性,振动特性,2）质量块受力所引起的受迫振动,质量块受力引起的受迫振动,
2、运动方程式：,传递函数：,频率响应函数：,令：,振动特性,幅频特性：,振动特性,当小于n时，幅值较大，成线性变化；当大于n时，幅值较小，成线性变化；当接近于n时，幅值大，且与阻尼比大小相关。,振动特性,3）由基础运动所引起的受迫振动,运动方程式：,基础运动所引起的受迫振动,振动特性,相对位移:,则：,a.若以基础的绝对位移为输入，质量块的相对位移为输出,振动特性,传递函数：,频率响应函数：,幅频特性：,振动特性,幅频特性曲线,当,时，,接近0，说明相对位移小，,当,时，,接近1，说明质量块绝对静止。,振动特性,质量块与基础一起振动。,b.若以基础的速度为输入，质量块的相对位移为输出,基础的绝对
3、速度：,运动方式式为：,传递函数：,频率响应函数：,振动特性,c.若以基础的位移为输入，质量块的相对速度为输出,质量块的相对速度：,运动方式式为：,传递函数：,频率响应函数：,等号左右两边对时间t一次微分：,振动特性,d.若以基础的绝对位移为输入，质量块的绝对位移为输出,传递函数：,振动特性,e.abcd等情况的频率响应均可查教材P192 表7-1,频率响应函数：,振动特性,振动测量传感器,6.3 振动测量传感器,6.3.1 测量方法目前广泛采用电测法，将被测件的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量。,6.3.2 传感器振动传感器也称为拾振器分类：1）接触式和非接触式2）绝对式和相对式
4、（绝对式输出被测物的绝对振动，相对式输出两被测物之间的相对振动）,振动测量传感器,相对式的壳体和测杆分别和不同被测件相连，其输出描述两试件间的相对振动。,绝对式的壳体固定在被测件上，其内部利用一个弹簧质量块系统来感受振动。,1）涡流位移传感器,电涡流式位移传感器,电涡流位移传感器测量轴的振动,振动测量传感器,a.涡流式传感器原理,见第三章,相对式拾振器,b.为什么称为位移传感器？因为输入值是位移，输出与输入（位移）成比例关系。c.优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，不受油污，非接触式测量。适宜测量运动部件与相对静止部件间的间隙变化。用于回转轴系的振动监测、故障诊断。被广泛用来
5、测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等,振动测量传感器,2）磁电式速度计,振动测量传感器,磁电式相对速度计,a.磁电式传感器原理,线圈在磁场中作直线运动，所产生的感应电动势为：,输出e与线速度v成正比，v为线圈与磁场的相对速度。,b.传感器安放绝对式速度计：壳体（包括磁钢）紧固于被测物上，线圈振动，属于基础运动引起的受迫 振动。相对式速度计：壳体（包括磁钢）紧固在被测物1上，顶杆（包括线圈）压紧在被测物2上，线圈与磁钢的相对速度即为两被测物 的相对振动速度。,振动测量传感器,输入量被测物的绝对速度，输出为线圈与被测物的相对速度，查表7-1得幅频特性为：,振动测量传感器,磁电
6、式绝对速度计分析：,因此，,大较好，即弹簧+线圈组成的质量块的质量m大，,弹簧的刚度k小，则,小，,大,保证顶杆不脱落被测物，线圈的最大加速度amax不能小于被测物的加速度a，所以被测物的加速度a要求较小，而a=2xF，xF为被测物的振幅，因此，为能测量较大的振幅，要小，即所被测物的振动频率不能太大。,振动测量传感器,磁电式相对速度计分析：,3）压电式加速度传感器,a.结构 B:基座 P:压电材料 M:质量块 S:弹簧,b.原理：基座和被测振动物体紧密连接，被测物振动，对传感器施加力，带动质量块振动，质量块和基座间产生相对位移，对压电材料施加压力，产生电荷。,c.输入值是力（即加速度），输出值
7、是质量块的相对位移,d.查表7-1得幅频特性为：,振动测量传感器,压电加速度计的幅频特性,分析1：,共振,结论：,不仅有较好的线性，并且幅值较大,振动测量传感器,经验总结：上限频率取固有频率的1/3，幅值误差低于1dB（即12%），上限频率取固有频率的1/5，幅值误差小于0.5dB（即6%）。此外，由压电材料的电荷泄漏特性可得，若振动频率很小，则电荷泄漏大，压电式加速度计不适宜测量1Hz以下的振动频率。,振动测量传感器,分析2：若m增大，则,减小，,但根据压电加速度计的幅频特性可知，上限频率将降低（即可测量的最大频率变小）。因此，作超低频振动测量选用质量大（超过100g）而灵敏度高的加速度计，
8、作高频振动测量选用质量小（几克零点几克）的加速度计。,即传感器的灵敏度增大，,振动测量传感器,增大，,e.压电式加速度计的安装,振动测量传感器,4）三类传感器比较,a.涡流位移传感器测量范围：因为高频的位移量往往小，信号弱，不用来测量高频；优点：相对测量，适用于回转体振动测量和在恶劣环境下使用。,b.磁电速度传感器,测量范围：根据幅频图，有下限频率，所以不能测低频率；又受本身结构影响，不能测高频率。通常,优点：幅值较大。,振动测量传感器,c.加速度传感器,测量范围：因为低频的加速度值往往小（低频变化慢），信号不显著；并且，若频率低，则电荷泄露大，所以比较不适宜测量低频振动。又固有频率很高，所以
9、可测量比较高的频率。优点：质量小，灵敏度高。缺点：信号幅值小，用电荷放大器可解决该问题。,振动测量传感器,d.结论：振动传感器的选用原则高频率加速度（包括力等）用加速度传感器测，低频用位移传感器测；对压电式加速度计，高频用质量大的传感器（上限频率高），低频用质量小的传感器（灵敏度高）；考虑具体使用的环境要求。如非接触式，高温、油污等环境，用涡流传感器；激光测振器价格高、对环境要求严格，用于实验室做精密测量。,振动测量传感器,振动测试系统及其标定,6.4.1 振动测试系统的组成,加速度计电荷放大器滤波器A/D转换计算机,6.4.2 振动测试系统的标定,6.4 振动测试系统及其标定,振动的激励,6
10、.5 振动的激励,1）稳态正弦激励信号：幅值稳定的单一频率正弦激振力。特点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精度缺点：测试时间长（需要用多个频率的正弦信号测试）,2）宽带激振（非周期信号，频谱宽）a.随机激振信号：白噪声（完全随机信号）伪随机信号发生器：模拟产生随机信号，由于可重复，所以称为伪随机信号。,6.5.1 激励信号,振动的激励,b.瞬态激振快速正弦扫描激振。用频率不断增大的正弦信号。,振动的激励,c.脉冲激振用装有测力传感器的锤子来敲击试件,振动的激励,6.5.2 激振实验设备,1）力锤（目前最常用）2）激振器要求：在需要的频率范围内提供波形良好，幅值足够和稳定的交变力。体积小，质量轻,电动式激振器,振动的激励,电动式激振器,振动的激励,电磁式激振器,振动的激励,振动的激励,电液式激振器,振动的激励,本章小结,
