1、工程测试技术第第8 8章章 振动测试振动测试1、机械振动定义、机械振动定义 物体在一定位置附近所做的周期性往复运动物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。2、机械振动产生的物理原因、机械振动产生的物理原因 机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测试的研究内容、振动测试的研究内容p 测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找振源；振源；p 对设备激振，测试其受迫振动，以求得被
2、测对象的动态性能，对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。如固有频率、阻尼、机械阻抗等。工程测试技术钟表、振动筛、振动沉桩机等钟表、振动筛、振动沉桩机等。4、振动的利弊、振动的利弊工程测试技术磨损，减少寿命，影响强度；磨损，减少寿命，影响强度；引起噪声，影响劳动条件；引起噪声，影响劳动条件；消耗能量，降低精度等。消耗能量，降低精度等。工程测试技术机械振动测试，用于不同目的，大致可分为两类：工程测试技术 1)寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所存在的振动。2)测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振能力。8.2 8.2 机械振动
3、的电测法及测试系统的机械振动的电测法及测试系统的构成构成工程测试技术 机械振动的电测方法：将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。机械振动测试系统组成框图8.2 8.2 机械振动的电测法及测试系统的机械振动的电测法及测试系统的构成构成工程测试技术电测法有以下几方面的优点：（1）具有较宽的频带；（2）具有较高的灵敏度和分辨率；（3）具有较大的动态测量范围：（4）振动传感器可以做得很小，以减小传感器对试验对象的附加影响，还可以做成非接触式的测量系统；（5）可以根据被测参量的不同来选用不同的振动传感器；（6）能进行远距离测量；（7）便于对测得的信号进行贮存，以便作进一步分析；（8）
4、适合于多点测量和对信号进行实时分析。8.2 8.2 机械振动的电测法及测试系统的机械振动的电测法及测试系统的构成构成工程测试技术电测方法包括拾振环节、测量线路、显示及记录环节。电测法测量系统示意图电测法测量系统示意图8.2 8.2 机械振动的电测法及测试系统的机械振动的电测法及测试系统的构成构成工程测试技术（1）拾振环节。把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器或拾振器。（2）测量线路。测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器和电荷放大器等；专配电阻、电容和电感变换原理的传感器的有各种测量
5、电桥和调制线路等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路和归一化装置等等。（3）显示及记录环节。从测量线路输出的电压信号，可按测量的需要送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、X 一Y 记录仪）及信号分析仪等。也可在必要时重放记录在磁带上的信号，并输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。8.3 8.3 测测振传感器振传感器工程测试技术按是否与被测件接触可将传感器分为两类：接触式和非接触式。分类分类按所测的振动性质可将传感器分为：绝对式和相对式。传感器样式传感器样式（1）磁电式速度传感器（2）涡流位移传感器（3）电感式振动传感器（4）电阻式振
6、动传感器（5）电容式加速度传感器（6）压电式加速度传感器（7）磁致伸缩是振动传感器（8）激光速度传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。对恒磁通磁电式传感器恒磁通磁电式传感器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种：（a）动圈式；）动圈式；（b）动铁式）动铁式 一一、磁磁电式速度传感器电式速度传感器工程测试技术1弹簧弹簧 2壳体壳体 3阻尼环阻尼环 4磁钢磁钢 5线圈线圈 6芯轴芯轴要尽量降低n，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。
7、810eBNlv1n属于的受迫振动磁电式绝对速度传感器工程测试技术1顶杆顶杆 2弹簧片弹簧片 3磁钢磁钢 4线圈线圈 5引出线引出线 6壳体壳体磁电式相对速度传感器磁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；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，使传感壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接，使传感器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。工程测试技术二、涡流位移传感器 非接触测量结构简单，测非接触测量结构简单，测量动态范围大；可测振幅量动态范围大；可测振幅范围为几十微米到几
8、毫米范围为几十微米到几毫米；频率范围为；频率范围为DC20Hz。不受油污等介质的影响，不受油污等介质的影响，抗干扰能力强抗干扰能力强。灵敏度与被测对象的电导灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。率和导磁率有关。适用旋转轴的径向和轴向适用旋转轴的径向和轴向振动测量振动测量。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：020kHz典型线性范围：02mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)轴振动的测点布置工程测试技术三、电感式振动传感器工程测试技术图 带有气隙的电感元件右图，它是一个带有工作气隙的电感元件。对于任何一个有铁芯的线圈，其阻抗都可以表示为：MZWfjRZ22如果忽略漏磁通的影响，则：
9、5MMCOMZZZMCOlZAM0ZAAAWjRZ021三、电感式振动传感器工程测试技术由上式可以看出，电感传感器有二种形式，一是可变间隙的，二是可变导磁面积的。如下图所示：（a）可变间隙示意图 （b）可变面积示意图图 电感元件参量变化形式示意图四、电阻式振动传感器工程测试技术 电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。应变片变形效应图00KllKRR0KRR 四、电阻式振动传感器工程测试技术为了增大应变灵敏度和提高测量精度，一般是把具有较大电阻值的细长金属丝盘绕或光刻腐蚀成回线形式的敏感栅构架，并
10、通过粘结剂固定在树脂基底上，再用引出线连接两端点，共同构成电阻应变片。电阻应变片结构示意图如下图所示。基片及覆盖绝缘层引出线金属箔(b)箔式应变片引出线 电阻丝 基片绝缘覆盖层(a)丝式应变片四、电阻式振动传感器工程测试技术电阻应变式传感器实际上是惯性式传感器，如下图，它的质量块由弹性梁悬挂在外壳上，当质量块相对于仪器外壳发生相对运动时，弹性梁就发生变形，贴在弹性梁上的应变片的电阻值由于变形而产生变化。然后再通过电阻动态应变仪测得电阻值的变化量及变化规律，再经过计算，从而可求出有关的振动参量。五、电容式加速度传感器工程测试技术差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器五、电容式加速度传感器工
11、程测试技术ADXL50电容式集成加速度传感器电容式集成加速度传感器在传感器固定极片上加有1MHz的方波脉冲信号，当传感器没有受到加速度作用时，由于C1和C2的电容量相等，加到固定极片上的脉冲信号由于相位相反而互相抵消，输出信号为零，信号波形如图下图。六、压电式加速度传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。测量非转动部件的绝测量非转动部件的绝对振动的加速度。对振动的加速度。适应高频振动和瞬态适应高频振动和瞬态振动的测量。振动的测量。传感器质量小，可测传感器质量小，可测很高振级。很高振级。工程测试技术固定加速度计的
12、方法固定加速度计的方法工程测试技术七、磁致伸缩式振动传感器工程测试技术 利用磁弹性效应这一现象可用来制造磁致伸缩或磁弹性振动传感器图8.22磁致伸缩式传感器1-芯子；2-线圈；3-保护管 探测器的芯是由一块铁氧体或由一叠铁磁性铁片组成。芯子中间绕制有一线圈。当芯子上作用有一交变压力时，它的磁通密度改变，从而在其周围的线圈中感应出交变电压来。八、激光速度传感器工程测试技术由图可见，激光光束经一分光镜后被分成两束各为50光能的光束，分别导致两反射镜上。两束光被反射后返回到分光镜，每束光的一部分穿过一光阑到达一光电检测器。由于光程差的关系，两束光在拾捡器中发生干涉，从而产生明暗交替的干涉条纹。八、激
13、光速度传感器工程测试技术这种传感器的典型应用有：1、内燃机进气管道热表面的速度监测；2、振动膜片的速度监测；3、旋转机械转轴的轨道分析；4、对那些不能连接地震式传感器的机器零件的速度监测。8.4 8.4 激振试验设备及激振信号简介激振试验设备及激振信号简介l 对激振设备要求对激振设备要求v 为被测系统提供输入为被测系统提供输入能量，使之发生振动。能量，使之发生振动。v 交变力交变力 要求的频率范围；要求的频率范围；波形良好；波形良好；幅值足够和稳定幅值足够和稳定激激振振设设备备v力力锤锤v机械惯性式激振器机械惯性式激振器v电动力式激振器电动力式激振器v液压式激振台液压式激振台（1 1）力锤力锤
14、 由由锤体、手柄和可以调换的锤头锤体、手柄和可以调换的锤头和配重和配重组成，锤体和锤头之间装有一组成，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个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。击力的大小。锤击力大小由锤击质量和锤击被锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。测系统时的运动速度决定的。激励的频率范围由接触表面刚度激励的频率范围由接触表面刚度决定，锤头材料越硬则脉冲的持续时决定，锤头材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率间越短，上限频率fe越高。越高。力锤力锤（2 2）机械惯性式激振器）机械惯性式激振器工程测试技术激振力的大小：2F2mecost这种激振器的优点是
15、，制造简单，能获得从较小到很大的激振力（0至几千公斤）；缺点是工作频率范围很窄，一般为0至100 Hz。（3 3）电动力式激振器）电动力式激振器工程测试技术1-保护罩；2-连接杆；3-螺母；4-连接骨架；5-上罩；6-线圈；7-磁极板；8-壳体；9-铁心；10-磁钢；11-承受弹簧；12-顶杆；13-地脚；14-下罩；15-手柄 驱动线圈6固装在顶杆12上，支承弹簧11支承在壳体8中，线圈6正好位于磁极板7与铁心9的气隙中，线圈6通人经功率放大后的交变电流时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到试件上便是所需的激振力。（4 4）液压式激振台）液压式
16、激振台工程测试技术 液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动的一种机械，其原理如下图。（4 4）液压式激振台）液压式激振台工程测试技术 液压振动台工作在闭环控制状态，它的控制系统方框图如下图所示。信号发生器产生的振动信号与各反馈回路传感器测量得到的阀位移、液压脉动及台面位移信号一起在控制部分进行处理，最后产生误差信号送到电动驱动装置的驱动线圈中，然后经控制阀和功率阀使振动台产生稳定的振动。（4 4）液压式激振台）液压式激振台工程测试技术 我国集中国产液压振动台的主要技术参数：8.58.5振动仪器的校准振动仪器的校准工程测试技术标定的过程一般分为三级精度：国家计量院进行的标定是一
17、级精度的标准传递。在此处标定出的传感器叫标准传感器，它具有二级精度。用标准传感器可以对出厂的传感器和其他方式使用的传感器进行标定，得到的传感器具有三级精度，也就是我们在试验现场所用的传感器。常用的灵敏度标定方法有：（1）绝对法 （2）相对法 （3）校准器法。加速度校准仪加速度校准仪加速度传感器加速度传感器电荷放大器电荷放大器毫伏表毫伏表读数显微镜读数显微镜频率计频率计振动控制台振动控制台1、绝对法、绝对法测振幅测振幅读数显微镜读数显微镜激光测振仪激光测振仪测频率测频率数字频率计数字频率计激光干涉仪激光干涉仪工程测试技术2、相对法、相对法背靠背比较标定法背靠背比较标定法rarauuSS 加速度校
18、准仪加速度校准仪电荷放大器电荷放大器毫伏表毫伏表频率计频率计振动控制台振动控制台被校准传感器被校准传感器电荷放大器电荷放大器毫伏表毫伏表参考传感器参考传感器工程测试技术8.6 8.6 车辆振动测量车辆振动测量工程测试技术车辆测试系统由两大部分组成：（1）传感器测量系统，它包括加速度传感器、电荷放大器及数据采集卡等，其作用是拾取表征车辆振动状态的各种信号或参数，并使之变成标准的模拟电信号和计算机能够识别的数字信号。（2）数据采集、显示、处理及分析系统，也就是虚拟仪器的核心部分，其作用是获得信号并显示具体振动值，同时进一步的相关分析、谱分析等分析处理。信号分析处理系统主要分析幅值谱、功率谱密度、冲
19、击响应谱，通过分析找出振动的来源以及引起振动的原因，从而进行该进或防护。8.7 8.7 动车组齿轮箱箱体模态测试动车组齿轮箱箱体模态测试工程测试技术 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。工程测试技术模态分析原理 模态试验时，一般希望将悬挂点选择在振振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点。模态试验时测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比，因此测试点不应该靠近节点
20、。在最佳测试点位置其ADDDOF（Average Driving DOF Displacement）值应该较大，一般可用EI（Effective Independence）法确定最佳测试点。8.7 8.7 动车组齿轮箱箱体模态测试动车组齿轮箱箱体模态测试工程测试技术 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。工程测试技术测试过程（1）激励方法验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。对动车组齿轮箱箱体的模态分析主要采用瞬态激励，即通过力锤敲击产生激励。（2）数据采集通过力锤上的力传感器采集激励信号，通过箱体上的ICP型加速度传感器同时高速采集响应信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据，如图所示。工程测试技术测试过程（3）根据激励与响应信号，得到频响数据工程测试技术测试过程（4）绘制振形，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态振型第1阶第2阶第3阶
