振動測量原理ppt課件

1、 第第5章章 振動測量技術振動測量技術n5.1 振動和振動測量系統(tǒng)振動和振動測量系統(tǒng) n5.2 振動參量的測量振動參量的測量n5.3 機械阻抗測量機械阻抗測量 n5.4 振動信號的頻譜分析振動信號的頻譜分析 1；. 振動是工程技術和日常生活中常見的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設備的精度，壽命和可靠性都會產生影響。當然，振動也有可以被利用的一面，如輸送、清洗、磨削、監(jiān)測等。 無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值。 隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對各種儀器設備提出了低振級和低噪聲的要求，以及對主要生產過程或重要設備進行監(jiān)測

2、、診斷，對工作環(huán)境進行控制等等。這些都離不開振動的測量。2；.5.1 振動和振動測量系統(tǒng)振動和振動測量系統(tǒng)5.1.1 振動信號分類振動信號分類 振動信號按時間歷程的分類如圖5.1所示，即將振動分為確定性振動確定性振動和隨機振動隨機振動兩大類。 確定性振動確定性振動可分為周期性振動周期性振動和非周期性振動非周期性振動。周期性振動包括簡諧簡諧振動振動和復雜周期振動復雜周期振動。非周期性振動包括準周期振動準周期振動和瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動。準周期振動由一些不同頻率的簡諧振動合成，在這些不同頻率的簡諧分量中，總會有一個分量與另一個分量的頻率之比值為無理數(shù)，因而是非周期振動。3；. 隨機振動隨機振動是一種非確

3、定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性。可分為平穩(wěn)隨機振動平穩(wěn)隨機振動和非平穩(wěn)隨機振動非平穩(wěn)隨機振動。平穩(wěn)隨機振動又包括各態(tài)歷經的平穩(wěn)各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動隨機振動和非各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動非各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動。 一般來說，儀器設備的振動信號中既包含有確定性的振動確定性的振動，又包含有隨隨機振動機振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。4；.機械振動非 周 期的隨機的確定性的的周期的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧振動復雜周期振動準周期振動瞬態(tài)和沖擊各態(tài)歷經的非各態(tài)歷經 圖5.1 振動信號的分類5；.5.1.2 振動測量系統(tǒng)振動測量

4、系統(tǒng)1.振動測量方法分類振動測量方法分類 振動測量方法按振動信號轉換的方式可分為電測法電測法、機械法機械法和光學法光學法。 其簡單原理和優(yōu)缺點見表5.1。6；.名稱原理優(yōu)缺點及應用電測法將被測對象的振動量轉換成電量，然后用電量測試儀器進行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負荷，影響測試結果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應等進行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于

5、對質量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標定中用得較多表5.1 振動測量方法分類7；.2. 電測法振動測量系統(tǒng)電測法振動測量系統(tǒng) 圖5.2 振動測量系統(tǒng)的一般組成框圖 激 振系 統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功 放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器8；. 由于振動的復雜性，加上測量現(xiàn)場復雜，在用電測法進行振動量測量時，其測量系統(tǒng)是多種多樣的。圖5.2所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成變換電路、振動分析儀

6、器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。 下面分別就這些組成環(huán)節(jié)作一簡單介紹。(1) (1) 測振傳感器測振傳感器 拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。9；. 根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應是振動系統(tǒng)拾振部分對各根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應的疊加。個諧振動響應的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運動所引起的。如圖5.3所示。設載體的絕對位移為z1，質量塊m的絕對位移為z0則質量塊的運動方程為: （5.1）0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdm10；.mz。kc202dtzd

7、m)()(1010zzdtdckzz圖5.3 由載體運動引起的振動響應 11；.質量塊m相對于載體的相對位移為: （5.2）則上式可改寫成: （5.3）設載體的運作為諧振動，即:則式（5.3）可寫成: （5.4）1001zzz21201012012dtzdmkzdtdzcdtzdmtzmkzdtdzcdtzdmmsin1201012012,sin)(11tztzm12；.考慮這樣幾種情形下的響應特性：(1)z01相對于載體的振動位移z1 ，此時相當于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.5） （5.6） 其幅頻特性曲線曲線如圖5.4所示。2222101)/2 ()/

8、(1 )/(nnnmmdzzAd2)/(1)/(2arctgnn13；. 圖5.4 由載體運動引起的位移響應14；.(2)z01相對于載體振動速度 ，此時相當于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.7） (5.8) 其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5-6和圖 5-5所示。221014)/(1nnnmmzzA2)/(1)/(22nnVarctg15；.圖 5.6由載體運動引起的速度響應圖 5.7由載體運動引起的加速度響應16；.(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.9） (5.10)其

9、幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5.7和圖5.5所示。2222101)/2 ()/(1 / 1nnmmazzA2)/(1/2nnaarctg17；.從圖5.4圖5.7可以看出：測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。 在位移計狀態(tài)下，其工作條件為1，即工作在過諧振區(qū)。 對于加速度計來說，其工作條件為1，即工作在亞諧振區(qū)。 對于速度計來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。18；.阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。 對位移計和加速度計而言，當取值在0.60.8范圍內時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內也幾乎是直線。 對于速度計而

10、言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計測量振動速度的響應時，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。19；.(2)(2) 激振器激振器 激振器是對試件施加某種預定要求的激振力，使試件受到可控的、按預定要求振動的裝置。為了減少激振器質量對被測系統(tǒng)的影響，應盡量使激振器體積小、重量輕。表5.3列舉了部分常用的激振器。20；.名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產生電動力驅動固聯(lián)于支承部件的試件產生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體

11、相連，線圈通電產生電動力使振動臺體作機械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設備結構較復雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅動臺面產生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負載大，易于自控和多臺激振，設備復雜 表5.3 部分常用的激振設備21；.(3)(3) 振動分析儀器振動分析儀器 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需經過適當?shù)姆治鎏幚恚蕴崛〕龈鞣N有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT

12、分析儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀測振儀測振儀是用來直接指示位移、速度、加速度等振動量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的儀器。2.頻率分析儀頻率分析儀模擬量頻譜分析儀目前仍是振動測量較常用的分析設備。振動信號轉換成電信號后，經中間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動掃描就可完成所需頻帶的頻譜分析。22；.3.FFT分析儀分析儀 隨著計算機技術和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，用數(shù)學技術處理振動測量信號的方式已廣泛被采用。以微處理器為核心和以快速傅里葉變換（FFT）算法為基礎的數(shù)字分析儀，精度高、動態(tài)范圍大、功能多、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強。4.4.虛擬頻譜分析儀虛擬頻譜分析儀 虛擬儀器的核心是具備各種功

13、能的軟件系統(tǒng)，通常包括計算機圖形軟件，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測量結果的測試系統(tǒng)軟件等。當然也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計算機與儀器硬件相連的總線結構等。和傳統(tǒng)的FFT分析儀相比，具有頻譜分析功能的虛擬儀器可以更加靈活地選擇窗口，采樣速率和頻譜二進制數(shù)，且價格低，技術更新快，具有靈活的開放功能等。 23；.5.2 振動參量的測量振動參量的測量 振動參量是指振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。振動參量是指振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。1. 振幅的測量振幅的測量振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、峰峰值、有效值和平均絕對值來振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、峰峰值、有效值和平均

14、絕對值來表示。表示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰值到負峰值之間的距離。24；. 在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。有效值和平均絕對值分別定義為: Z Z有效有效 = Zrms Zrms = （5.11） Z Z平均平均 = Z = Z = （5.12） 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關系為: (5.13) 式中，Zf 為振動峰值。TdttzT02)(1TdttzT0| )(|1frmszzz212225；.2. 諧振動頻率的測量諧振動頻率的測量 諧振動的頻率是單一頻率，測量方法分直接法直接法和比較法比較法兩種。 直接法直接法是將拾振器

15、的輸出信號送到各種頻率計或頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。26；. 在缺少直接測量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測得頻率。常用的比較法有錄波比較法錄波比較法和李沙育圖形法李沙育圖形法。 錄波比較法錄波比較法是將被測振動信號和時標信號一起送入示波器或記錄儀中同時顯示，根據(jù)它們在波形圖上的周期或頻率比，算出振動信號的周期或頻率。 李沙育圖形李沙育圖形法則是將被測信號和由信號發(fā)生器發(fā)出的標準頻率正弦波信號分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據(jù)熒火屏上呈現(xiàn)出的李沙育圖形來判斷被測信號的頻率。27；.3. 相位角的測量相位角的測量相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意義。相位差角只有在頻率相同的

16、振動之間才有意義。測定同頻兩個振動之間的相位差也常用直讀法直讀法和比較法比較法。 直讀法是利用各種相位計直接測定。直讀法是利用各種相位計直接測定。 比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。錄波比較法利用記錄在同一坐標紙上的被測信號與參考信號之間的時間差求出相位差； （5.14）李沙育圖測相位法則是根據(jù)被測信號與同頻的標準信號之間的李沙育圖形來判別相位差。360T28；.5.3 機械阻抗測量機械阻抗測量 振動測量從本質上說屬動態(tài)測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激勵振動測量的一個主要目的就是通過

17、對激勵和響應信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有和響應信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振型、模態(tài)質量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動測量是結構模態(tài)分析和設備故障診斷的基礎。29；.(1)(1)機械阻抗與機械導納機械阻抗與機械導納機械阻抗與機械導納的一般定義為: (Z)= （5.23） (M)= = (5.24)機械阻抗)()(RF響應激勵機械導納)()(RF激勵響應Z130；. 機械系統(tǒng)的激勵一般是力，系統(tǒng)的響應可用位移、速度和加速度來表達，故機械阻抗和機械導納又各有三種形式。位移阻抗又稱為動剛位移阻抗又稱為

18、動剛度，位移導納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速度導納簡稱導納，度，位移導納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速度導納簡稱導納，加速度阻抗又稱為視在質量，加速度導納又稱為機械慣性。加速度阻抗又稱為視在質量，加速度導納又稱為機械慣性。 機械阻抗是復量，可寫成幅值、相角、或實部、虛部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。31；. 在評價結構抗振能力時常用動剛度，在共振區(qū)動剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動對人體感受影響時，常用速度阻抗；在分析振動引起的結構疲勞損傷時，常用機械慣性；在分析車廂等振動、噪聲時則常用速度導納。 機械阻抗測試是在結構上施加激振力，同時測量力和響應，所得

19、機械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質無關。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨機激勵隨機激勵測試測試和瞬態(tài)激勵測試瞬態(tài)激勵測試三種。32；.(2)(2)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的一種激勵方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激勵。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激勵。 單點激勵就是采用一個激振器，對結構上某一點進行激勵。單點激勵就是采用一個激振器，對結構上某一點進行激勵。 多點激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進行激勵。多點激勵是用兩個或兩個以上

20、的激振器對被測物同時進行激勵。33；. 圖5.11是對某被測試件進行單點穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試的原理框圖。被測試件按實際工作條件固定。在其上選擇激勵點和測量點，激勵點和測量點應避開各階模態(tài)的節(jié)點或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個柔性桿連接（以減小激振器對試件非激勵方向的附加剛度約束）。信號器輸出單一頻率的正弦信號經功率放大器推動激振器，使試件產生受迫振動。振動信號與力信號分別通過電荷放大器放大，并轉變?yōu)殡妷盒盘栞斎敕治鰞x進行分析運算，結果由記錄儀或打印機輸出。34；.圖5.11 穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激 振器功放信號發(fā)生器機械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機電荷放大器加速度計柔 性桿

21、力 傳 感器被 測 試件35；. 阻抗頭是一個高精度、由力傳感器和加速度計同軸安裝構成的傳感器，如圖5.12所示。它裝在激振器頂桿和試件之間，前端是力傳感器，后面為測量激振點響應的加速度計。在構造上應使兩者盡量接近，質量塊為鎢合金制成，殼體用鈦制造。為了使力傳感器的激振平臺具有剛度大、質量小的性能，采用鈹來制造。 分析儀器的作用是對激勵及響應信號進行采樣、變換、運算，分析儀器的作用是對激勵及響應信號進行采樣、變換、運算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或實部、虛部。從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或實部、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關積分式

22、分析數(shù)字相關積分式分析儀儀，也可用FFT分析儀。 36；. 圖5.12阻抗頭 1力敏壓電片；2加速度信號輸出； 3安裝面；4外殼；5質量塊；6-加速度敏壓電片；7力信號輸出； 8硅橡膠密封圈；9驅動端面37；.(3)瞬態(tài)激勵測試 磁帶記錄儀電荷放 大器器傳 遞 函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計微型計算機X-Y繪圖儀打印機去 計 算 機中心圖5.13 脈沖錘擊法測試原理框圖38；. 目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳感器的手錘敲擊試件，給試件一脈沖力。用裝在試件上的加速度計或位移傳感器測量響應，將力及響應信號同時送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測試原理如圖5.13所示。 脈沖錘是錘擊法的

23、主要激振設備，其結構如圖5.14所示。它由錘頭、測它由錘頭、測力計、附加質量和錘柄四部分組成。力計、附加質量和錘柄四部分組成。錘頭裝在測力計上，敲擊時直接與試件接觸。 為了得到不同的脈沖寬度，錘頭可用不同的材料制成，根據(jù)測試頻響要求，進行更換。錘頭的材料越軟，其脈沖頻譜越窄；反之錘頭材料越硬，則脈沖頻帶越寬。幾種常用錘頭材料及使用頻率范圍見表5.4。39；. 脈沖錘的質量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與脈沖力的大小及激勵頻帶寬度有關。若力錘太小，能量不夠；力錘太大，靈敏度低。所以應根據(jù)試件剛度和質量大小、頻率范圍等選擇力錘的適當大小。 錘頭力 傳 感器錘柄附 加 配重圖5.14脈沖錘結構40；. 表5.4 常用錘頭材料及使用范圍 材料橡皮尼龍66有機玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500以下5001000以下1k3k2k5k41；.(4)(4)隨機激振隨機激振 隨機激振一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源，也