机械工程测试技术基础第7章振动测试课件.pptx

1、第七章 振动的测试 本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解惯性式传感器的力学模型了解惯性式传感器的力学模型 2.2.掌握测振传感器、激振设备及激振信号掌握测振传感器、激振设备及激振信号 3.3.掌握振动测量系统及其标定掌握振动测量系统及其标定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、润滑机械在运动时，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。不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测

2、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。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。7.2 7.2 单自由度系统的受迫振动单

3、自由度系统的受迫振动一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析1 1、质量块受力所引起的受迫振动、质量块受力所引起的受迫振动zkz22dtzdmdtdzc)(22tfkzdtdzcdtzdm222)2()(11)(nnkA2)(12arctan)(nnmknkmc2位移共振：位移共振：速度共振：速度共振：加速度共振：加速度共振： 共振时位移相位始终落后于激振力共振时位移相位始终落后于激振力9090 221nrnv221/na2、由基础运动所引起的受迫振动、由基础运动所引起的受迫振动0)()(1010202zzkzzdtdzcdtzdm 质量块 m的相对位移为：Z01=Z0-Z1212010120

4、12dtzdmkzdtdzcdtzdm)/(2/1)/()(22nnnjH222221)/()(nnnA212)(nnarctg单自由度系统的基础激励单自由度系统的基础激励Z1基础绝对位移Z0质量块绝对位移基础激励时，以质量块对基础的相对位移为响应时的频率响应特性基础激励时，以质量块对基础的相对位移为响应时的频率响应特性 当激振频率远高于固有频率时， 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。 )(A位移测量位移测量101/zzAA单自由度系统的基础激励单自由度系统的基础激励输入：基础绝输入：基础绝 对位移对位移Z1

5、输出：质量块输出：质量块 相对位移相对位移Z01基础激励时，以质量块对基础的相对速度为响应时的频率响应特性基础激励时，以质量块对基础的相对速度为响应时的频率响应特性当 时，质量块在绝对空间近乎静止，质量块和被测物之间的相对速度（输出）和被测物的绝对速度（输入）近于相等。 速度测量速度测量v1v01AA/单自由度系统的基础激励单自由度系统的基础激励输入：基础输入：基础 绝对速度绝对速度V1输出：质量块输出：质量块 相对速度相对速度V01n磁电式速度计：磁电式速度计：V1V01 e由基础激励引起的速度响应图由基础激励引起的速度响应图2222)2()(1)(nnnAncmAn21)(当当 时，时，

6、速度测量速度测量101/vzAAn/输入：基础输入：基础 绝对速度绝对速度V1输出：质量块相对位移输出：质量块相对位移Z01传感器：传感器：V1Z01 e由基础激励引起的加速度响应由基础激励引起的加速度响应当当 时，时，nkmAn21)(2222)2()(11)(nnnA加速度测量加速度测量1201/anzAAn/压电加速度传感器：压电加速度传感器：a1Z01 F e输入：基础输入：基础 绝对加速度绝对加速度a1输出：质量块相对位移输出：质量块相对位移Z01 测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。 位移传感器的工作范围在频率位移传感

7、器的工作范围在频率 的区域。的区域。 加速度传感器的工作范围在频率加速度传感器的工作范围在频率 的区域。的区域。 第一种速度传感器的工作范围在频率第一种速度传感器的工作范围在频率 的区域。的区域。 第二种速度传感器的工作范围在频率第二种速度传感器的工作范围在频率 的区域。的区域。nnnn 为了完成测试任务，测试系统包括下述三个主要部分：为了完成测试任务，测试系统包括下述三个主要部分：v 激励部分激励部分 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、功率放大器和激振器组成。激励信号源、功率放大器和激振器组成。v 拾振部分

8、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、放大器组成。的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。v 分析记录部分分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。将拾振部分传来的信号记录下来供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。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。7.3 7.3 振动测量传感器振动测量传感器按是否与被测件接触按是否与被测件接触接触式接触式 非接触式非接触式按所测振动性质按所测振动性质绝对式绝对式相对式相对

9、式一、涡流位移传感器v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毫米；范围为几十微米到几毫米；频率范围为频率范围为DC20Hz。 。v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。v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。v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)轴振动的测点布置二、电容传感器二、电容传感器磁电式传感器是利用电磁感

10、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 三、磁电速度传感器三、磁电速度传感器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。810eBNlv1n属于的受迫振动磁电式绝对速度传感器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

11、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，使传感器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。内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。 四、压电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，

12、可测传感器质量小，可测很高振级。很高振级。固定加速度计的方法固定加速度计的方法 装在激振器顶杆和试件之间。装在激振器顶杆和试件之间。 前端是前端是力传感器力传感器； 后面为测量激振点响应的后面为测量激振点响应的加速度计加速度计。 五、阻抗头五、阻抗头 测振传感器的合理选用测振传感器的合理选用 直接测量参数的选择。直接测量参数的选择。 综合考虑传感器的频率范围、量程、综合考虑传感器的频率范围、量程、 灵敏度。灵敏度。 考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性等因素。考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性等因素。7.4 7.4 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

13、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 振动台振动台v 激振器激振器v 力锤力锤一、激振设备一、激振设备 （1 1）振动台）振动台机械振动台机械振动台电磁式振动台电磁式振动台电电液伺服振动台液伺服振动台（2 2）激振器）激振器 电磁式激振器电磁式激振器 电动式激振器电动式激振器（3 3）力锤）力锤 由由锤体、手柄和可以调换的锤体、手柄和可以调换的锤头和配重锤头和配重组成，锤体和锤头组成，锤体和锤头之间装有一个力传感器

14、，以测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。量被测系统所受锤击力的大小。 锤击力大小由锤击质量和锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决锤击被测系统时的运动速度决定的定的。 激励的频率范围由接触表激励的频率范围由接触表面刚度决定，锤头材料越硬则面刚度决定，锤头材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频脉冲的持续时间越短，上限频率率fe越高。越高。力锤力锤 1 1、稳态正弦激励方法、稳态正弦激励方法 激励信号激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小（激振力大小）和响应大小，便可求出系统在出激励大小（激振力大小）和响应大小，便

15、可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。该频率点处的频率响应的大小。 激励系统激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器（恒流一般由正弦信号发生器、功率放大器（恒流输出）和激振器组成；输出）和激振器组成； 测量系统测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。二、常用激振信号二、常用激振信号p 激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量，一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量，使系统产生相应频带内的频率响应使系统产生相应频带内的频率响应。p 一种一种快速测试快

16、速测试方法。常在生产现场使用。方法。常在生产现场使用。p 常用的瞬态激励方法有常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描快速正弦扫描脉冲锤击脉冲锤击阶跃松弛激励阶跃松弛激励2 2、瞬态激励、瞬态激励（1 1）快速正弦扫描激励）快速正弦扫描激励v 正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫激振信号频率在扫描周期描周期T T内成线性增加，而幅内成线性增加，而幅值保持恒定值保持恒定。v 扫描信号的频谱曲线几乎几乎是一根平坦的曲线是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。快速正弦扫描信号及其频谱快速正弦扫描信号及其频谱（2 2）脉冲锤击激励）脉冲锤击激励 脉冲锤对被测系统进

17、行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由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。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。快速激励方法。 敲击力及其频谱（3 3）阶跃松驰激励）阶跃松驰激励 特点：特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。也是一种宽频带激励方法。 实现：实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大

18、质量在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。然切断张力弦。3 3、随机激励、随机激励 （1 1）白噪声激励）白噪声激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。一条几乎平坦的直线。( )( )( )xyxSfH f Sf 实际白噪声的自谱 （2 2）伪随机激励）伪随机激励v 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一伪随机信号

19、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。完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。v 将白噪声在将白噪声在T T内截断，然后按周期内截断，然后按周期T T反复重复，即反复重复，即形成伪随机信号。形成伪随机信号。伪随机信号及其功率谱频率响应函数测量系统激振器功放信号发生器动态信号分析仪电荷放大器加速度计柔性杆力传感器被测试件显示设备7.57.5振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定一、振动测量系统的组成一、振动测量系统的组成二、测试系统的标定二、测试系统的标定加速度传感器的校准加速度传感器的校准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