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1、第7章 振动测试,1、掌握单自由度系统受迫振动的基本原理，常用测振传感器的原理和应用；2、理解振动激励的方法和设备，机械振动的参数估计；3、了解振动测量系统及其应用实例。,本章学习要求:,第一节、机械振动概述,机械振动的危害性：低机器性能，缩短使用寿命，事故机械振动被利用的一面：振动筛，夯实，粉碎，脱水从狭义上说，通常把具有时间周期性的运动称为振动。从广义上说，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动。机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动。机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。,一、振动的概念,振动在某中程度上
2、反映机器运行状况。振动的测量是为了了解振动系统的特性和对运行设备进行监测、诊断和控制。,1、幅值(位移、速度、加速度)：振动强 度大小,2、频率：频谱分析寻找振源,3、相位：确定共振点、振型测量等,二、振动的基本参数,三、振动测量的目的,演示:悬臂梁振型的测量,四、机械振动的类型,五、振动测试的分类,1、测量设备和结构所存在的振动。2、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；此类振动的目的是研究设备或结构的力学动态特性。对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动频率。有时则需要对所测的信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固有频
3、率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提提供依据。,小轿车的乘坐舒适性试验框图,第二节、单自由度系统的受迫振动,一、质量块受力所引起的受迫振动,在外力f(t)的作用下，质量块 m 的运动(位移)方程为：,c为粘性阻尼系数；k为弹簧刚度；位移y(t)为振动系统的输出。,这是一个典型的二阶系统，其系统频率响应函数H(w)和幅频特性A(w)、相频特性j(w)分别为：,n固有圆频率,阻尼比,幅频特性曲线,相频特性曲线,振动幅频特性曲线上幅值极大的频率称为共振频率,对A(w)求一阶导数并令其为零，可以得到共振频率wr（在wn的偏左）为：,可见，质量块受
4、力产生的受迫振动其共振频率wr总是小于系统的固有频率wn，阻尼越小，两者越靠近，因此，在小阻尼情况下可以采用wr作为的wn估计值；而在相频特性图上，不管系统的阻尼比为多少，在wr/wn=1时，位移始终落后于激振力90，这是判别共振频率的一个十分有用的指标。,系统响应特性类似于低通滤波器。,二、由基础运动所引起的受迫振动,在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引起的。设基础的绝对位移为y1(t)，质量块m的绝对位移为y0(t)，则质量块 m 的运动方程为:,y01(t)=y0(t)-y1(t)为质量块m 对基础的相对位移，则系统频率响应函数H(w)和幅频特性A(w)、相频特性j(w)分别
5、为：,幅频特性曲线,相频特性曲线,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(位移)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。当激振频率远高于固有频率时，A(w)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。,第三节、振动的激励,如果知道了系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就是求取系统输入和输出的一种试验方法。为了获得振动系统的动态特性，需要对被测对象施加一定的外力(激振力)，让其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：,1
6、)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)。它主要由测振传感器、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。,见：ZK4VIC型虚拟测试振动与控制实验装置,一、振动激励方法,激振方式的分类,稳态正弦激振,随机激振,瞬态激振,稳态正弦激振是最普遍的激振方法，主要优点：激振功率大、信噪比高，能保证测试的精确度；缺点是：测试周期长。,随机激振是宽
7、带激振方法。优点：可以实现快速“实时”测试；缺点：所需设备复杂，而且价格昂贵。,瞬态激振也是宽带激振方法。按照激振方式的不同又可以分为:,快速正弦激振,脉冲激振,阶跃激振,1、稳态正弦激振,稳态正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激振设备对被测对象施加一个频率可控的正弦激振力，并测定振动响应与正弦力的幅值比与相位差。其优点是激振功率大，信噪比高，能保证响应测试的精度。为了测得整个频率范围内的频率响应，必须用多个频率进行试验以得到系统的响应数据，这一过程称为扫频或扫描。需要注意的是在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试，这对于小阻尼系统尤为重要，因此测试时间相对较长。,2、随机激振
8、,随机激振是一种宽带激振，一般用白噪声(white noise)或伪随机信号为激励信号。白噪声在整个频谱内每个频点的能量为常数，并基本恒定。白噪声的自相关函数是一个单位脉冲函数，即除t=0 处以外，自相关函数等于零，在t=0 时，自相关函数为无穷大，而其自功率谱密度函数幅值恒为1。,白噪声及其频谱,演示：newwave白噪声,理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。只要在有限的频率范围内X()曲线变化平缓，可以把它当做白噪声，这叫有限带宽“白噪声”。实际测试中，当白噪声通过功率放大并控制激振器时，由于功放和激振器的通频带是有限的，所以实际的激振力频谱不能在整个
9、频率域中保持恒值（此时就不是白噪声），但如果在比所关心的有用频率范围宽得多的频域内具有相等的功率密度时，就可视为白噪声信号。,在工程上，为了能够重复试验，常采用伪随机信号作为测试信号，把它作为测试的输入激励信号。伪随机信号是一种有周期性的随机信号，将白噪声在时间T内截断，然后按周期T重复，即形成伪随机信号，见下图。伪随机信号的自相关函数与白噪声的自相关函数相似，但是它有一个重复周期T，即伪随机信号的自相关函数 Rx(t)在t=0,T,2T,.以及-T,-2T,.各点取值a2，而在其余各点之值均为零。采用伪随机信号激励的测试方法，既具有纯随机信号的真实性，又因为有一定的周期性，而在数据处理中避免
10、了统计误差。许多机械或结构在运行状态下所受到的干扰力或动载荷往往都具有随机的性质，如果用传感器测出这种干扰力及其系统的响应，就可以利用分析仪器对正在运行中的被测对象作“在线”分析。,3、瞬态激振,瞬态激振为对被测对象施加一个瞬态变化的力，是一种宽带激励方法。常用的激励方式有以下几种：（一）快速正弦扫描激振 激振信号由信号发生器供给，其频率可调，激振力为正弦力。但信号发生器能够作快速扫描，激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持不变，见图。快速正弦扫描激振力信号的函数表达式为：,式中：T为信号的周期；a=(fmax-fmin)/T；b=fmin；fmax,fmin为扫描的上下限频率。扫描
11、频率的上下限频率和周期根据试验要求可以改变，一般扫描时间为12s，因而可以快速测试出被测对象的频率特性。,（二）脉冲激振 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 t,t 则取决于锤端的材料，材料越硬 t 越小，则频率范围越大。脉冲锤激振简便高效，因此常被选用。但在着力点位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟练的技巧，否则会产生很大的随机误差。（三）阶跃（张弛）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
12、，然后突然切断张力弦，这相当于对被测对象施加一个负的阶跃激振力。阶跃激振属于宽带激振，在建筑结构的振动测试中被普遍应用。,常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种，此外还有用于小型、薄壁结构的电致伸缩式（压电晶体激振器）、高频激振的磁致伸缩式（磁致伸缩激振器）和高声强激振器等。,1、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。永磁式多用于小型激振器，励磁式（由直流供电）用于较大型的激振器，如对振动台激振。,二、常用激振器,驱动线圈和顶杆相固连，正好位于磁极与铁芯的气隙中。当线圈通过经功率放大后的交变电流i时，根据磁场中载流体受力 的原理，通电线圈受到与电流i成正比的电动
13、力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。频率范围：110000Hz。,打开演示,电动式激振器安装形式,为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接。一般在顶杆的一端串联着力传感器，以便能够同时 测量出激振力的幅值和相位角。,2、电磁式激振器,电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合，特别是对回转件的激振。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（电磁吸力），实现两者之间无接触的相对激振。,打开演示,力检测线圈5检测激振力,位移
14、传感器6测量激振器与衔铁之间的相对位移。,电磁激振器的特点是与被激对象不接触，没有附加质量和刚度的影响，频率上限约为500800Hz左右。,3、脉冲锤,脉冲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。锤击力的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、电液式激振器,在激振大型结构时，为得到较大的响应，有时需要很大的激振力，这时可采用电液式激振器。
15、信号发生器的信号经过放大后，经由电动式激振器、操纵阀和功率阀所组成的电液伺服阀2，来控制油路使活塞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静，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静。电液式激振器的优点是激振力大，行程亦大。,拾取振动信息的装置通常称拾振器(vibration transducer),第四节、测振传感器,1、按所测的振动性质将拾振器分,（1）绝对式拾振器：输出描述被测物体的绝对振动。,（2）相对式拾振器：输出描述测物体之间的相对振动。,2、按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为,接触式拾振器和非接触式拾振器,一、
16、惯性式传感器,测试时，传感器壳体和被测物体联接(用胶接或机械方法)，使壳体与被测物体之间无相对的振动，传感器内惯性系统受被测振动件运动的激励，产生受迫振动。,惯性式测振传感器力学模型,令:,设基础振动输入:,惯性式位移传感器的幅频特性和相频特性的表达式为：,幅频特性曲线和相频特性曲线如下图：,1、惯性式位移传感器的正确响应条件：,要使惯性式位移度传感器输出位移(相对振动)能正确地反映被测振动的位移量，则必须满足下列条件：,位移传感器的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。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
17、制，使n不能太小。因此位移传感器的频率范围是有限的。,例：,2、惯性式速度传感器的正确响应条件：,惯性式速度传感器质量块的相对位移 与被测振动的速度 成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性的表达式为：要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反应被测振动的速度，则必须满足如下条件：惯性式速度传感器的使用频率范围很小，实际很少采用。,3、惯性式加速度传感器的正确响应条件：,惯性式加速度传感器质量块的相对位移 与被测振动的加速度 成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特性的表达式为：要使惯性式加速度传感器的输出量能正确地反应被测振动
18、的加速度，则必须满足如下条件：,二、压电式加速度传感器,压电式加速度传感器属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，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。,在工作频率范围内，压电加速度计的输出电荷 与被测加速度 成正比,电荷灵敏度,由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本
19、。机械工程振动测试通常使用的压电加速度计的工作频率上限为4000Hz6000Hz。近年发展了在压电式加速度传感器的基础上，增加了积分电路，实现了速度输出。这种传感器具有替换磁电式速度传感器的趋向。,三、电阻应变式、压阻式加速度传感器,电阻应变式加速度传感器和压阻式加速度传感器由于具有低频特性好和较高的性能价格比，因而也广泛应用在振动测量领域内。,电阻应变式加速度传感器,三角形弹性板的端部装有一个质量为m的惯性锤。传感器安装在被测振动物体上，受到一个上下方向的振动。设物体的振幅位移为x、惯性锤上下振动幅度为y，且振动物体的振动频率为f，系统的固有频率为f0，则当f0f时，y与d2x/dt2（即振
20、动加速度）成正比；当f0f时，y与dx/dt（即振动速度）成正比。,它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面。,压阻式加速度传感器,压阻式加速度传感器的机械结构，绝大多数都采用悬臂梁，悬臂梁可用金属材料，也可用单晶硅。前者在其根部的上下两对称面上各粘贴两对半导体应变计，当悬臂梁自由端的惯性质量受到振动产生加速度时，梁受弯曲而产生应力，使四个电阻发生变化。其应力大小为：,压阻加速度计结构原理图,梁根部的应变为：=6mLa/Ebh2 a 加速度为了保证好的线性度，梁的根部应变不应超过400500,四、电涡流式位移传感器,根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中
21、作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。,金属板,线圈,铁心,电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应，导致线圈阻抗发生变化，传感器线圈的厚度越小，其灵敏度越高。,电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，还与线圈与导体间的距离 有关。因此，传感器线圈受涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：,原线圈的等效阻抗Z变化：,如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测
22、出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,电涡流式位移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。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变化。,线圈,五、磁电式速度传感器,磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定。根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量的变化率，即 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线
23、圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为：式中：l每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度；S每匝线圈的平均截面积.在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,磁电式速度传感器为惯性式速度传感器，其工作原理为：当有一线圈在穿过其磁通发生变化时，
24、会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比。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。,磁电式振动速度传感器的优点是不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可远距离传送，这在实际长期监测中是十分方便的。另一方面，由于磁电式振动速度传感器中存在机械运动部件，它与被测系统同频率振动，不仅限制了传感器的测量上限，而且其疲劳极限造成传感器的寿命比较短。在长期连续测量中必须考虑传感器的寿命，要求传感器的寿命大于被测对象的检修周期。,五、测振传感器的合理选择,设备振动按频率分类。根据振动的频
25、率，设备振动可以分为以下几种：1）超低频振动，振动频率在10Hz 以下。2）低频振动，振动频率在10Hz 至1000Hz。3）中高频振动，振动频率在1000Hz 至10000Hz。4）高频振动，振动频率在10000Hz 以上。,(1)直接测量参数的选择作为拾振器的被测量是位移、速度或加速度。,(2)传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围。对于惯性式拾振器，一般质量大的拾振器上限频率低、灵敏度高；质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度计为例，作超低振级测量的都是质量超过100g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
26、点几克的加速度计。,(3)使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修。例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确度，由于对环境（隔振）要求极严、设备又极昂贵，它只适用于实验室作精密测量或校准。电涡流和电容传感器均属非接触式，但前者对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中。如大型汽轮发电机组、压缩机组振动监测中用的拾振器、要能在高温、油污、蒸汽介质的环境下长期可靠地工作，常选用电涡流传感器。对相位有严格要求的振动测试项目（如作虚实频谱，幅相图、振型等测量），除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器，特别是带微积分网络放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性，因为测得的激励和
27、响应之间的相位差包括了测试系统中所有仪器的相移。,第六节、振动的分析方法与仪器,一、压电式测振系统,二、磁电式测振系统,三、动态应变测振系统,动态应变测量系统将电阻应变片贴在结构的测振点处，或直接制成应变片式位移计或加速度计，安装在测振点处(demo)，将应 变片接入电桥，电桥由动态应变仪的振荡器供给稳定的载波电压。测振时由于振动位移引起电桥失衡而输出一电压，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。,四、振动频谱分析系统,频谱分析系统可以分成模拟量频谱分析系统和数字频谱分析系统。a）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。系统的核心是模拟式频谱
28、分析仪，它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；,b）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。,某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动记录曲线，它是用磁电式速度传感器测得的。图a为振动信号的时域曲线，表明振动信号中含有复杂的频率成分，但很难对其频率和振源作出判断。图b为该信号的频谱图，经过频谱分析可以估计振动的根源和干扰。结合磨床
29、的实际结构，可判明27.5Hz频率成分为砂轮不平衡所引起的振动；329Hz频率成分为油泵脉动引起的振 动；50Hz、100Hz和150Hz的频率成分都和工频（电网的频率，即发电机的工作频率）和电机的振动有关；500Hz以上的高频振动原因比较复杂，有轴承噪声及其它振源。,五、振动测试的应用案例,1汽车振动的相关分析,汽车在行驶中，某一座位上的振动较大，这种振动由四个车轮，通过各机械环节传递到此座位上。为了消除座位振动过大引起乘坐者的不适，首先需找到四个车轮中对该座位振动影响最大的一个。为此，在该座位上及四个车轮的轴端各安装一测振传感器，将各轮所测得的振动信号与座位上所测得的振动信号作互相关处理，
30、在所得到的综合相关曲线上，可以看到各轮振动对座位总振动的影响。,2、滚动轴承振动测试案例,deep groove ball bearing：6203-2RS JEM SKF,轴承特征频率计算,NTN轴承频率计算软件,正常轴承,采样频率fs=12000；采样点数是N=4096；转速n=1750r/min。,内圈故障,采样频率fs=12000；采样点数是N=4096；转速n=1755r/min。故障频率是fn=144.7Hz,故障频率不明显,EMD分解,EMD分解后Hilbert包络谱,故障频率明显,滚珠故障,采样频率fs=12000；故障频率是fn=116.3Hz；采样点数是N=121719，转
31、速n=1755r/min,故障频率不明显,小波包分解,EMD分解后Hilbert包络谱,故障频率明显,滚动轴承故障诊断口诀,内圈外圈滚动体，特征频率要牢记确有轴承故障存，频率成分难再隐先看频谱低频处，非同步的看有无若有非同步成分，故障已可定三分特征频率谐波存，对应故障无疑问再看频谱高频处，调制存在故障明外圈特征转频调，松动现象无疑问内圈故障转频调，亦可作证据成分特殊情况特殊看，诊断故障有分寸单一频率若存在，是否轴承需辨认高频也是很重要，早期故障高频分低频没有高频有，时常跟踪要勤奋损坏若是很严重，高频抬起有空洞及时更换莫侥幸，时刻避免事故生故障机理把握清，是是非非要分明润滑状况常检测，调试装配莫
32、放松诊断轴承有诀窍，相信科学错不了,六、机械阻抗的测试,机械阻抗的测量，要求测出在一定频率范围之内的激振力与响应两组数据（包括幅值和相位差）。可以设想，把这一频率范围分为n个离散点，如果用其中的某一个频率 i给一个激振力Fisin(it)，测得系统的稳态响应Xisin(it-i)，那么，就可算得该频率的阻抗Z(i)。包括它的:位移阻抗，速度阻抗，加速度阻抗 幅值:|Fi/Xi|,|Fi/Vi|,|Fi/ai|相角:i。改变频率重复这种测量直到求得所有的Z(i)，则可得到一组机械阻抗的离散值。当分点无限增加时，由这些离散点数据就可画出幅频曲线和相频曲线。这种测量方法速度太慢。,加速度和力复合型传
33、感器（阻抗头）,7加速度输出接口,4力输出接口,现代机械阻抗测量系统框图,扫描信号发生器产生正弦信号，经过功率放大器、激振器后激励被测系统。利用装在激振器顶部的力传感器及被测系统上的加速度计，获得力和加速度信号，经过前置放大后送入跟踪滤波器，滤去信号中的噪声分量，仅仅取出同激振频率一致的信号。经滤波后的两个信号，再经过对数转化器、运算回路，就可得到机械阻抗的幅值。如果要得到加速度阻抗，在运算器中只要进行一次减法运算：,要得到速度阻抗时，应做以下运算：,要得到位移阻抗，也只需要做加减运算：,减量滤波后同一频率的两个信号的相位差，便得到阻抗的幅角。阻抗的幅值与幅角可以通过记录器记录或直接画成幅频图
34、（采用双对数坐标标尺）及相频图（采用对数标尺，采用线性标尺）。上述测量值经模数转换后可送入计算机或直接由虚拟仪器进行分析，得到系统的动态特性参数，或画出虚频图、实频图以及阻抗复矢量的矢端轨迹图（Nyquist图）。机械阻抗的倒数即机械导纳。在工程实际中，有时机械导纳的测量要比机械阻抗的测量容易实施。,第七节、机械系统振动参数的估计,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。实际的一个机械结构或系统大都是多自由度振动系统，具有多个固有频率，在其频率响应曲线上会出现多个峰值，在奈魁斯特曲线中表现为多个圆环，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
35、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。对于小阻尼的系统，在某个固有频率附近，与其相应阶的振动响应就非常突出。本节将着重讨论单自由度振动系统的固有频率和阻尼的测试，这些方法可以用来近似估计多自由度的这两个参数。,一、自由振动法,一个单自由度振动系统，若给以初始冲击（其初速度为dy(0)/dt）或初始位移y0，则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动，其表达式为：,式中，wd为阻尼自由振动的圆频率。,根据阻尼自由振动的记录曲线，通过时标可以确定震荡周期T，从而可得wd=2/T。在系统阻尼小的时候，由知，可以用阻尼自由振动圆频率wd代替固有频率wn。当=0.3时，wd和wn相差不到5%。
36、阻尼比可以根据阻尼自由振动的记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定，,式中，Mi和Mi+1分别为阻尼自由振动记录曲线的相邻超调量。,二、共振法,单自由度系统在受迫振动过程中，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。根据所用的测试手段和所得记录，可以用下述方法求出系统的固有频率和阻尼比。（1）总幅值法 对单自由度系统进行正弦扫描激励，振幅可以用位移、速度或加速度计中的任何一种测量，改变扫描激励频率可以得到响应曲线图。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。,在幅频曲线峰值的70.7处作一根水平线，交幅频曲线于a、b两点，如图，它们对应的频率为1，2，其阻尼比可以
37、估计为：,a、b两点称为“半功率点”，因此这种估计方法又称为半功率点法。,（2）分量法 受迫振动的频率响应函数为:,其中，=/n，将其虚、实部分开写:,由实、虚部的表达式和曲线图可知：在=1 处，即=n 处，实部为零,虚部为-1/2，接近极小值。因此，可以依此来确定系统的固有频率n实频曲线在 处有最大值，而在 处有最小值。因而不难从曲线的两个峰值间隔距离来确定系统的阻尼比，即:虚频曲线在对应1和2点的值十分接近1/4。因此，在虚频曲线上峰值1/2的一半处作水平线，截得曲线横坐标间距约为2,可近似估计系统的阻尼比。从上述讨论看，实、虚部曲线都包含有幅频、相频信息。但虚部曲线具有窄尖、陡峭的特点，
38、在研究多自由度系统时，虚部曲线可以提供较精确的结果。,第八节、测振装置的校准,为了保证振动测试的可靠性和精确度，必须对传感器进行校准。传感器生产厂对于每只拾振器在出厂前都进行了检测，并给出其灵敏度等参数和频率响应特性曲线；传感器使用一定时间后，其灵敏度会发生变化。如压电材料的老化会使灵敏度每年降低2%5%。,（1）从计算标准和传递的角度来看，可以分成两类：一类是复现振动量值最高基准的绝对法，另一类是以绝对法标定的标准测振仪作为二等标准用比较法(背靠背法)标定工作测振仪。,（2）按照标定时所用输入量种类又可分为正弦振动法、冲击法和随机振动法等。,一、绝对法,绝对法将拾振器固定在校准振动台上，由正
39、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。此方法可以同时测量拾振器的频率响应。采用激光干涉仪的绝对校准法设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用，一般在工程上少用。,二、相对法（比较法）,相对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。设标准测振传感器和被标测振传感器在受到同一振动量
40、时输出分别为E0和E已知标准测振传感器的加速度灵敏度为Sk0，则被标测振传感器的加速度灵敏系数Sk为:Sk=ESk0/E0,第九节、抑制振动,激发振动的力源或运动源称为振源，抑制振源是消除或减小振动的最积极、最彻底的“治本”措施。1旋转质量的不平衡 广义而言，机械设备中旋转的部件都可称为“转子”当转子的质量中心与其回转轴线不重合，即出现偏心时，就会产生惯性离心力，离心力对设备构成谐波激振。如果转子的质量为m(kg)，偏心距为e(mm)，转动的角速度为(rads)那么产生的激振力可表示为：,2.传动系统的缺陷或误差 制造不良或安装不正确的传动机构，如齿轮、蜗轮、丝杆等传动机构，会产生周期性的激振
41、力。传动皮带的接缝通过皮带轮或张紧轮时，也会引起周期性的冲击。链轮等传动装置其工作原理本身就包含传动的不均匀性，从而会引起周期性的激振力,3工作载菏的波动 机器工作载荷的波动会引起各种类型的激振力。如冲床、锻锤一类的设备，其工作载荷是“陡起陡落”的，因而会产生一种“冲击”激励；我们知道，每一次冲击之后会激起一种衰减的自由振动,4.外界环境引起的激励 路面的不平对汽车车轮悬挂系统的激励，海浪对船体的激励，风力对大型建筑的激励等等，属于此类这类激励多属随机性的。,5、隔振 隔振就是在振源和振动体之间设置隔振系统或隔振装置，以减小或隔离振动的传递。有两类隔振：（1）是隔离机械设备通过支座传至地基的振
42、动，以减小动力的传递，称为主动隔振；,（2）是防止地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪器仪表，以减小运动的传递，称为被动隔振。,第十节、旋转机械振动故障诊断,一、系统共振 特点：振动值在某一转速附近突变，振动相位在某一转速下发生约180度相位翻转，振动波形近似于简单正弦波形。,二、基础松动 特点：信号具有丰富的高频谐波分量，振动具有明显的方向性，存在1X,2X,3X,4X,5X,6X,7X,8X等谐波分量。,三、质量不平衡 特点：1X频率成分大,A(1X)至少大于总振幅50%，相位稳定，幅值稳定。,四、不对中故障 特点：振动二倍频较大，负荷升高，振动逐渐增大。,五、轴初始弯曲故障 特点：
43、轴承1X幅频特性呈丘陵状，振动与负荷无关，相频非单调变化。,六、齿轮故障 1.齿轮特征频率计算,2.齿轮断齿故障 特点：啮合频率(GMF)或其谐波两侧出现转速的边带簇，时域信号有明显等间隔冲击，设备有冲击异音，时域波形峭度值大。,3.齿轮不对中 特点：存在齿轮高次啮合频率谐波,1啮合频率较小，但2啮合频率，3啮合频率振幅较大,啮合频率的边频距离可为2RPM，甚至为3RPM。4.齿面磨损 特点：信号存在齿轮自振频率，且该频率处存在边带，啮合频率或其谐波两侧出现转速的边带簇，存在较大的齿轮啮合频率。,七、滚动轴承故障 1.轴承特征频率计算,2.轴承部件缺陷(内圈,滚动体剥落,滚道剥落等)特点：轴承
44、缺陷频率和谐波成分丰富，时域波形有冲击，存在轴承内圈特征频率(BPFI)，存在轴承外圈特征频率(BPFO)，边带成分较明显或突出。,3.轴承间隙不当 特点：振动分量1X,2X,3X占主导地位，1X8X谐波成分丰富，轴承温度偏高，存在明显的(0.40.9)X范围的频率值。轴承新近调整安装，存在轴承外圈特征频率(BPFO)。4.轴承磨损 特点：轴承缺陷频率和谐波成分丰富，存在较宽的随机高频振动带，边带成分较明显或突出，轴承温度偏高。,九、滑动轴承故障（油膜振荡、涡动）特点：振动(0.42-0.49)X低频分量出现，轴心轨迹花瓣形，轴心轨迹正进动。进油温升高，振动减小。当转速增至某一值振动突然增大。
45、十、流体激振（湍流）特点：存在较宽的低频振动有色噪声带，振动值不稳定,忽大忽小，管道压力或流速变化,不稳定,振动测试系统及数据处理实例,汽车平稳性测试系统框图,汽车平稳性测试,汽车的平顺性测试过程框图,40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线,矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图,驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数,不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级,振动测试实例,某厂一台离心压缩机，结构如图所示。电动机转速1500r/min（转频为25 Hz）。该机自更换减速机后振动增大，A点水平方向振动值
46、为Vrms=6.36mm/s,位移D=150um,超出正常水平。,为了查明故障原因，首先对A点水平方可的振动信号作频谱分析，谱图为图a所示。,从频谱图上看出，A点水平方向l倍转频(25Hz)，2倍转频(50Hz)都很突出；此外还有3倍频(75Hz)和5倍频(129Hz)也有表现。呈现出典型的不对中频率特征，见图a。考虑到A点靠近联轴器，所以判断电动机与减速器轴线不对中。在停机检查时，发现联轴器对中性严重超差，在垂直方向，两轴心偏移量达015（）。通过调整改善联轴器的对中性后，A点振动值下降，Vrms=2.12s，D=6um。其时频谱结构也发生了显著的变化，3倍频已经消失，2倍频分量的幅值变得非常弱小，l倍频分量也大为减弱了，见图b。机组运行状态良好。,视频:振动测试及其在工程中的应用2.轧制板带振纹分析 1-53.齿轮箱振动测量 1-24.Mobius1故障模拟分析,
