機(jī)械系統(tǒng)振動測試

1、振動是日常生活及工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。所謂機(jī)械振動是物體在平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動。振動具有雙重性，某些情況下振動會帶來一些危害，有時又有有利的一面。振動測試技術(shù)是一門集振動理論、機(jī)械、電子線路、數(shù)據(jù)處理等為一體的多科性學(xué)科，已成為解決大型、精密及復(fù)雜工程振動問題的主要手段。作為動力學(xué)的一個分支，振動測試技術(shù)是以振動理論為基礎(chǔ)，用實(shí)驗(yàn)手段分析和解決工程振動問題，其工程應(yīng)用領(lǐng)域非常寬闊。本實(shí)驗(yàn)就旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)中的振動信號進(jìn)行時域和頻域分析。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庹駝訙y試基本方法掌握渦流式電位移傳感器的使用了解振動測試基本分析方法二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)、電渦

2、流式位移傳感器、前置放大器、直流穩(wěn)壓電源、電腦。三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理1.研究對象機(jī)械系統(tǒng)根據(jù)其運(yùn)動特性分往復(fù)式機(jī)械系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)研究對象為旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)，如圖1，系統(tǒng)由電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速箱、扭矩傳感器、磁粉制動器組成。電動機(jī)是該系統(tǒng)唯一動力源，其額定轉(zhuǎn)速910r/min，磁粉制動器作負(fù)載。減速箱的轉(zhuǎn)動比i=1:20。旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因主要是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻，其次系統(tǒng)中存在裝配誤差。2.振動測試方法對于已知系統(tǒng)的振動測試按照測量過程的物理性質(zhì)分，通常分三類：一、機(jī)械式測量方法，它是將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后進(jìn)行測量、記錄。此法常用的儀器有杠桿

3、式測振儀和蓋格爾測振儀，能測量的頻率較低，精度也較差，但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。二、光學(xué)式的測量方法，它是將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和紀(jì)錄。常用儀器有讀書顯微鏡和激光測振儀等，目前主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于振動儀器系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。三、電測方法（圖2），它是將工程振動的參量轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄，是目前應(yīng)用最廣發(fā)的測量方法。與前兩種方法相比，有許多優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用電渦流式的位移傳感器進(jìn)行拾振，首先將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號量，經(jīng)前置放大器進(jìn)行電信號放大，采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，借助于虛擬儀器進(jìn)行時域和頻域信號記錄本實(shí)驗(yàn)提供兩種測試系統(tǒng)，一種是南京汽輪機(jī)

4、公司開發(fā)的CRAS（The Random Signal and Vibration Analysis System）該系統(tǒng)具有下列功能模塊：(1) 信號采集(2) 頻域分析、相關(guān)分析(3) 實(shí)時模態(tài)分析(4) 靈敏度分析(5) 巡回檢測(6) 沖擊響應(yīng)譜另一種就是用 Labview自編的虛擬儀器測試系統(tǒng)采樣頻率的確定虛擬儀器處理的都是數(shù)字信號量，而我們用傳感器拾振得到的仍然是模擬信號量。這之間就需要進(jìn)行信號采集和A/D轉(zhuǎn)換。要實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化處理，首先需要對連續(xù)的時間歷程信號x(t)進(jìn)行采樣離散化。一般采樣都是以時間間隔t 取值，得到離散信號x(n),x(n)是從x(t)中采樣出來的一部分值，

5、但是必須滿足采樣定理，才可以從x(n)中復(fù)原出連續(xù)信號x(t)。采樣定理寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式為： t 全部信息均包含在它的采樣間隔小于或等于 的均勻采樣信號里?；蛘哒f當(dāng)以大于或等于2fm的頻率對x(t)進(jìn)行采樣時,采樣值x(n)中包含了x(t)在每一時刻的信息。采樣定理有很多種表述方式，最多的是時域采樣定理和頻域采樣定理。采樣定理在時域上和頻域上要區(qū)別理解，對于時域來講，采樣頻率為被測信號的五倍以內(nèi)時會出現(xiàn)包絡(luò)失真，需要用SINC函數(shù)插值得到完整的時域信號。一般采樣頻率設(shè)置為被測信號的10倍以上才能得到比較好的時域信號，可以說進(jìn)行時域分析時，采樣頻率越大越好。對于頻域來講，從頻譜圖上可以看出，隨著頻

6、率的增大，振動能量降低，如果采用很大的采樣頻率進(jìn)行采集，通常會影響高頻段的精度，一般情況下fs稍微大于頻域范圍內(nèi)的最大頻率的兩倍即可根據(jù)采樣定理，在實(shí)際采樣時應(yīng)該注意下面兩點(diǎn)：1） 采樣前要用抗混疊低通濾波器對模擬信號濾波，使信號滿足帶限的要求，同時濾去高頻成分。9、 人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。21.11.421.11.4Thursday, November 04, 202110、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。16:56:2016:56:2016:5611/4/2021 4:56:20 PM11、人總是珍惜為得到。21.11.416:56:2016:56Nov-214-Nov-2112

7、、人亂于心，不寬余請。16:56:2016:56:2016:56Thursday, November 04, 202113、生氣是拿別人做錯的事來懲罰自己。21.11.421.11.416:56:2016:56:20November 4, 202114、抱最大的希望，作最大的努力。2021年11月4日星期四下午4時56分20秒16:56:2021.11.415、一個人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。2021年11月下午4時56分21.11.416:56November 4, 202116、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2021年11月4日星期四16時56分20秒16:56:204 November

8、 202117、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。下午4時56分20秒下午4時56分16:56:2021.11.49、 人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。21.11.421.11.4Thursday, November 04, 202110、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。16:56:2016:56:2016:5611/4/2021 4:56:20 PM11、人總是珍惜為得到。21.11.416:56:2016:56Nov-214-Nov-2112、人亂于心，不寬余請。16:56:2016:56:2016:56Thursday, November 04, 202113、生氣是拿別人做錯的事來

9、懲罰自己。21.11.421.11.416:56:2016:56:20November 4, 202114、抱最大的希望，作最大的努力。2021年11月4日星期四下午4時56分20秒16:56:2021.11.415、一個人炫耀什么，說明他內(nèi)心缺少什么。2021年11月下午4時56分21.11.416:56November 4, 202116、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2021年11月4日星期四16時56分20秒16:56:204 November 202117、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。下午4時56分20秒下午4時56分16:56:2021.11.42） 采樣頻率應(yīng)滿足 式中f

10、c 為抗混疊低通濾波器的截止頻率（信號中的最高頻率）。上式實(shí)際上是采樣定理的另一種形加窗與窗函數(shù)采用傅立葉變換或者離散傅立葉變換對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，他的結(jié)果并不完美，尤其是處理以固定采樣頻率獲得的離散數(shù)據(jù)，常常發(fā)生泄漏。抑制因截斷而引起的泄漏效應(yīng)有以下兩個途徑：1)選擇合適的采樣長度T=Nt。對于周期性隨機(jī)信號或確定性周期函數(shù)，應(yīng)使T正好等于信號的基本周期T0或其整數(shù)倍mT0。2)選擇合適的窗函數(shù)。加窗實(shí)質(zhì)上就是對被分析信號 x(t)在不同時刻加不同的權(quán)值，以使信號截斷的影響盡可能小。窗口寬度和窗口形狀決定了窗函數(shù)的基本特征，因此對窗函數(shù)的基本要求是：(1) 窗函數(shù)的頻率主瓣寬度應(yīng)盡可能小。

11、(2) 主瓣與第一旁瓣的高度之比應(yīng)盡可能大，并且旁瓣的高度衰減越快越好。事實(shí)上，上述這兩種要求是相互矛盾的。主瓣寬度越小，頻率分辨率越高，但幅值精度降低；主瓣與旁瓣的高度比越大，提高了幅值精度，但降低了頻率分辨率。所以在選取窗函數(shù)時，只能以折衷的方式對幅值和頻率分辨率進(jìn)行適當(dāng)?shù)募骖?，?quán)衡處理。一般來說，加窗處理是以犧牲頻率分辨率來換取泄漏的減少的。5.傳感器振動測試中用到的傳感器通常有加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器。但是前兩種一般都是接觸式的傳感器，而位移傳感器既有接觸式又有非接觸式。在振動測試時一般根據(jù)以下幾個方面進(jìn)行選擇傳感器：一、被測振動量的大??；二、振動信號的頻域范圍，低頻信號通

12、常選用位移傳感器，中頻信號選用速度傳感器，高頻信號選用加速度傳感器；三、振動測試現(xiàn)場環(huán)境本實(shí)驗(yàn)選用電渦流式的位移傳感器，屬于非接觸式傳感器。其靈敏度K=2.5v/mm。其結(jié)構(gòu)如圖4，電渦流位移傳感器由傳感器本題和同軸電纜構(gòu)成，在傳感器本體殼體螺紋里面有一個空心圓筒線圈，該線圈固定在由陶瓷或者聚四氟乙烯制作的固定材料上。給渦流式位移傳感器通上高頻電流，在被測金屬材料表面上形成渦流（圖5），根據(jù)楞次定律該渦流抵消傳感器探頭里面磁場的變化量，因此必然使渦流式位移傳感器的等效電路的阻抗Z產(chǎn)生變化，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探頭離被測金屬件表面的距離在一定范圍內(nèi)，傳感器的等效阻抗Z與被測表面距離d成正比。四、實(shí)