工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)02-第2章-工程振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)概述課件

1、工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)劉習(xí)軍 教授天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系第2章 工程振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)概述振動(dòng)測(cè)試技術(shù)作為解決工程振動(dòng)問(wèn)題的一種有效手段，工程振動(dòng)測(cè)試方法有許多種，根據(jù)不同的測(cè)試目的、不同的測(cè)試參數(shù)、不同的測(cè)試功能和不同的測(cè)試方法，就有不同的測(cè)試系統(tǒng)的組成，它的組成結(jié)果直接影響工程振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果，必須引起高度重視。學(xué)習(xí)目的：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，掌握工程技術(shù)中常見(jiàn)的解決機(jī)械振動(dòng)的基本原則和方法。學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集原理和軟硬件使用方法，振動(dòng)數(shù)字信號(hào)在時(shí)域、頻域的分析方法。振動(dòng)測(cè)試技術(shù)是振動(dòng)力學(xué)的逆向思維物理特性模態(tài)特性響應(yīng)特性正過(guò)程響應(yīng)模型位移、速度加速度 時(shí)間歷程力學(xué)模型質(zhì) 量阻 尼剛 度模態(tài)模型固有頻率

2、模態(tài)阻尼、模態(tài)矢量模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量逆過(guò)程2.1 工程振動(dòng)測(cè)試原理 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)（逆過(guò)程） 由響應(yīng)求物理特性 由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展、快速傅里葉變換的應(yīng)用，各種基于數(shù)字信號(hào)處理原理的頻率分析儀、以計(jì)算機(jī)為核心的多功能信號(hào)分析軟件涌現(xiàn)（虛擬儀器），使工程振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域及頻域分析功能更加完善。 現(xiàn)已發(fā)展成為科學(xué)研究、解決工程問(wèn)題的重要手段之一。2.2 工程振動(dòng)測(cè)試方法按各種參數(shù)的測(cè)量方法及物理性質(zhì)可分成三類。1、機(jī)械式的測(cè)量方法 將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，頻率較低，精度也較差。但簡(jiǎn)單方便。2 光學(xué)式的測(cè)量方法 將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如激光測(cè)振儀等。3 電測(cè)方法

3、將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。高精確度、高靈敏度、高響應(yīng)速度，可以連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)控制。電測(cè)法和激光測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以將許多不同的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)加以測(cè)量，從而可以使用相同的測(cè)量和記錄顯示儀器。(2)輸出的電信號(hào)可以做遠(yuǎn)距離傳輸，利于遠(yuǎn)距離操作和自動(dòng)控制。(3) 可以對(duì)變化中的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，因此可以測(cè)量和記錄瞬時(shí)值及變化過(guò)程。(4)易于使用許多后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析儀器，特別是與計(jì)算機(jī)通信，從而能對(duì)復(fù)雜的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行快速的運(yùn)算和分析處理以及提供反饋控制。2.3 測(cè)試系統(tǒng)的組成及配置測(cè)量系統(tǒng)是指由有關(guān)器件、儀器和裝置有機(jī)組合而成的，一般包含激勵(lì)設(shè)備，傳感器，測(cè)量

4、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)分析處理裝置四部分。測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。圖2.2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖1激勵(lì)設(shè)備激勵(lì)設(shè)備的作用是人為地模擬某種條件，把被測(cè)系統(tǒng)中的某種信息激發(fā)出來(lái)，以便檢測(cè)，如用激勵(lì)裝置作用在機(jī)械裝置上，然后把機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率、幅值、應(yīng)力變化等信息激發(fā)出來(lái)，由后續(xù)裝置檢測(cè)后對(duì)它的性能進(jìn)行分析研究。2傳感器把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。傳感器的作用是把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量接收下來(lái)并轉(zhuǎn)換為后續(xù)設(shè)備能夠接收的信號(hào)。它是獲得信息的主要手段，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中占有重要地位。3測(cè)量線路及放大器振動(dòng)傳感器輸出的信號(hào)一般都很微弱，需經(jīng)放大后才能推

5、動(dòng)后續(xù)設(shè)備。并且由于各類振動(dòng)傳感器的特性各不相同，所以要求的測(cè)量系統(tǒng)也各不相同。為此，就需要有各種不同的測(cè)量系統(tǒng)。4數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理裝置有時(shí)為了與計(jì)算機(jī)通信方便，需將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)或其他形式。從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如磁盤、磁帶記錄儀、XY記錄儀等）等。然后再輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。1電動(dòng)式測(cè)振系統(tǒng)2壓電式測(cè)振系統(tǒng)3應(yīng)變式測(cè)振系統(tǒng)4電渦流式測(cè)振系統(tǒng)5激光測(cè)振系統(tǒng)6綜合測(cè)振系統(tǒng)2.4 工程測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)性能測(cè)試系統(tǒng)不同，則相應(yīng)的技術(shù)性能不同，一般來(lái)說(shuō)，工程測(cè)振儀

6、的技術(shù)性能包括靈敏度、分辨率、線性度、通頻帶、精確度、最大量程等。1.靈敏度單位輸入量變化所引起的輸出量的變化稱為靈敏度，通常用輸出量y(t)與輸入量x(t)的變化量的比值來(lái)表示，即(a)線性系統(tǒng)靈敏度 (b)非線性系統(tǒng)靈敏度圖2-9 靈敏度的定義 值得注意的是，測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度并非越高越好，通常情況下，靈敏度越高，測(cè)量范圍越窄，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越差。加速度靈敏度速度靈敏度位移靈敏度應(yīng)注意，不同類型的儀器，靈敏度的表達(dá)方式不同，另外有些測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度不是固定不變的，而是可以根據(jù)測(cè)試的要求進(jìn)行設(shè)置。2.分辨率分辨率是指測(cè)量系統(tǒng)所能檢測(cè)出來(lái)的輸入量的最小變化量，通常是以最小單位輸出量所對(duì)應(yīng)的輸入

7、量來(lái)表示。一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率越高，表示它所能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量越小。丹麥B&K儀器公司規(guī)定，最低可測(cè)信號(hào)電平與噪聲電平比值的分貝值為式中：S為被測(cè)信號(hào)電平；N為噪聲電平。這時(shí)被測(cè)信號(hào)電壓約為噪聲電壓的1.77倍。3 線性度定標(biāo)曲線與擬合直線的偏離程度稱為線性度。定標(biāo)曲線與擬合直線 的最大偏差；滿量程輸出。4通頻帶通頻帶一般是指儀器靈敏度的變化不超過(guò)某一規(guī)定百分比的條件下，儀器的使用頻率范圍。一臺(tái)儀器的頻率范圍可能取決于傳感器本身的電氣性能或機(jī)械性能，也可能取決于附加線路或配合儀表的性能。5精確度精確度是指測(cè)量?jī)x器的測(cè)量值和被測(cè)量實(shí)際值的接近程度。精確度受諸如靈敏度、分辨率等一系列因素

8、的影響，反映測(cè)量中各類誤差的綜合。2.5 工程振動(dòng)測(cè)量中參量和儀器的選擇工程振動(dòng)測(cè)量中參量和儀器的選擇是測(cè)試過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，必須充分了解工程振動(dòng)的特點(diǎn)，選擇測(cè)試的頻率范圍和振動(dòng)幅值的區(qū)間，才能正確地進(jìn)行測(cè)試工作。例如對(duì)于低頻振動(dòng)的物體測(cè)量以位移為宜；對(duì)于沖擊振動(dòng)以速度參量為宜；模型振動(dòng)試驗(yàn)可根據(jù)需要選取參量。也可根據(jù)現(xiàn)有的分析手段、所關(guān)心的物理量與振動(dòng)參量之間的關(guān)系選擇參量。在測(cè)振儀器的選擇方面，不能片面的迫求某項(xiàng)高指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)所研究對(duì)象的頻率范圍、幅值范圍和振動(dòng)狀態(tài)選擇儀器。1工程振動(dòng)的特點(diǎn)在諸如機(jī)械及橋梁等工程振動(dòng)測(cè)量中，由于頻率成份的差異、振動(dòng)幅值的不同，振動(dòng)狀態(tài)的多樣性，參量和儀器的

9、選擇十分重要，否則將不能獲得理想的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)機(jī)械振動(dòng)的頻率較高、幅值較小，建筑工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率較低(頻率范圍大約在0.5100Hz)，振動(dòng)幅值的變化范圍大。振動(dòng)測(cè)量應(yīng)根據(jù)最關(guān)心的振動(dòng)參量、分析手段、研究對(duì)象的固有頻率和幅值范圍選擇儀器，否則可能誤差很大，甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)果。對(duì)于沖擊振動(dòng)等體系的振動(dòng)測(cè)量，更應(yīng)慎重。2測(cè)量參量的選擇原則：被測(cè)物體固有頻率低、加速度值很小的情況下選擇位移參量；被測(cè)物體固有頻率高，位移幅值很小的情況下選擇速度參量或加速度參量；根據(jù)現(xiàn)有分析手段選擇參量。(1)機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)測(cè)量由于振動(dòng)狀態(tài)基本是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，參量的換算關(guān)系非常方便，故可根據(jù)需要和現(xiàn)有條件選取參量

10、。(2)橋梁、工民建等結(jié)構(gòu)工程的振動(dòng)測(cè)量這些結(jié)構(gòu)的自振頻率一般較低，約在0.510 Hz頻率范圍內(nèi)，并且振幅較大。因此應(yīng)采用位移參量或速度參量。3振動(dòng)測(cè)量?jī)x器的選擇(1)合理選擇儀器的通頻帶若結(jié)構(gòu)的自振頻率較低，或頻率高達(dá)10kHz的情況，應(yīng)特殊考慮超低頻、超高頻的測(cè)試情況。(2)合理選擇儀器量程若工程振動(dòng)的幅值變化范圍很大，則在工程振動(dòng)測(cè)量中，需要大量程的測(cè)振儀，應(yīng)盡可能的選用動(dòng)態(tài)范圍大的測(cè)振儀。 (3)根據(jù)振動(dòng)狀態(tài)選用儀器對(duì)于周期振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)，可根據(jù)頻率范圍、振動(dòng)幅值大小選擇測(cè)量?jī)x器。對(duì)于沖擊振動(dòng)等振動(dòng)，還應(yīng)十分注意考慮儀器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。2.6 工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的任務(wù)線性振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)

11、方程：為此，解決振動(dòng)問(wèn)題有以下幾個(gè)方面的任務(wù)： 1、已知F、M、K、C，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出x、 、 ，通過(guò)測(cè)試及數(shù)字信號(hào)分析可求出振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振型以及在實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)水平。因此，它也被稱為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這是工程振動(dòng)測(cè)試中的正問(wèn)題。 2、已知F，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出x、 、 。最終通過(guò)模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、振型、阻尼等）求出M、K、C。稱為“參數(shù)識(shí)別”和“系統(tǒng)識(shí)別”。也稱為第一類反問(wèn)題。這類反問(wèn)題對(duì)振動(dòng)測(cè)試的要求，除了要精確測(cè)量外，還要應(yīng)用模態(tài)分析的方法來(lái)識(shí)別參數(shù)，以便正確地建立系統(tǒng)的力學(xué)模型，并完成從模態(tài)參數(shù)到物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換，這樣就能弄清結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分地實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 3、已知M

12、、C、K，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出x、 、 ，求出F。這是“載荷識(shí)別”問(wèn)題，這是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的第二類反問(wèn)題。 這類問(wèn)題對(duì)振動(dòng)測(cè)試的要求，除了精確測(cè)出系統(tǒng)振動(dòng)位移列陣，速度列陣，加速度列陣外，還要先在已知激振力列陣F0 的情況下進(jìn)行第一類反問(wèn)題的計(jì)算與測(cè)試，以求得振動(dòng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，然后再進(jìn)行載荷識(shí)別。通過(guò)這類反問(wèn)題的研究，可以查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律，以便采取措施來(lái)控制振動(dòng)。4.建立振動(dòng)方程。對(duì)于比較復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，可以利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立振動(dòng)方程。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)是決定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的主要參數(shù)。利用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)直接得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即可直接建立一個(gè)模態(tài)動(dòng)力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際載荷

13、作用下的響應(yīng)，以及進(jìn)行振動(dòng)校核和必要的結(jié)構(gòu)修改。5.為理論計(jì)算(有限元法)提供技術(shù)參數(shù)。在工程實(shí)際的理論計(jì)算中，有限元法是一種極為有力的計(jì)算工具，它適用于計(jì)算各種類型結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，且易于修改有關(guān)物理參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難直接建立一個(gè)符合實(shí)際的有限元計(jì)算模型。模態(tài)試驗(yàn)的必要性不僅提供了一組可靠的模態(tài)參數(shù)，而且還提供了某些只有通過(guò)試驗(yàn)手段才能獲得的重要數(shù)據(jù)，比如有關(guān)結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)等。將理論計(jì)算(有限元法)和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(模態(tài)分析試驗(yàn))進(jìn)行相互校核和修正，最后才可得到一組比較真實(shí)可靠的模態(tài)參數(shù)。6. 故障診斷與監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)機(jī)器設(shè)備工作狀況是否穩(wěn)定、正常及診斷設(shè)備故障等。機(jī)器、設(shè)備在工作過(guò)程中發(fā)生不正常的運(yùn)轉(zhuǎn)或故障，往往會(huì)使系統(tǒng)的振動(dòng)水平發(fā)生變化，因此，對(duì)機(jī)器進(jìn)行實(shí)測(cè)分析可得到機(jī)器是否正常工作的重要信息，進(jìn)一步可對(duì)機(jī)器可能存在的潛在故障做出預(yù)測(cè)。在一些大型關(guān)鍵性機(jī)器設(shè)備上，比如發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機(jī)