機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試

1、機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試振動(dòng)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(dòng)是物體在平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)具有雙重性，某些情況下振動(dòng)會(huì)帶來一些危害，有時(shí)又有有利的一面。振動(dòng)測(cè)試技術(shù)是一門集振動(dòng)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(dòng)問題的主要手段。作為動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，用實(shí)驗(yàn)手段分析和解決工程振動(dòng)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(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庹駝?dòng)測(cè)試基本方法掌握渦流式電位移傳感器的使用了解振動(dòng)測(cè)試基本分析方法2二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)、電渦流式位移傳

2、感器、前置放大器、直流穩(wěn)壓電源、電腦。3三、實(shí)驗(yàn)原理1.研究對(duì)象機(jī)械系統(tǒng)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)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(duì)象為旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)，如圖1，系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速箱、扭矩傳感器、磁粉制動(dòng)器組成。電動(dòng)機(jī)是該系統(tǒng)唯一動(dòng)力源，其額定轉(zhuǎn)速910r/min，磁粉制動(dòng)器作負(fù)載。減速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)比i=1:20。旋轉(zhuǎn)式機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)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。42.振動(dòng)測(cè)試方法對(duì)于已知系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試按照測(cè)量過程的物理性質(zhì)分，通常分三類：一、機(jī)械式測(cè)量方法，它是將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后進(jìn)行測(cè)量、記錄。此法常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)

3、振儀，能測(cè)量的頻率較低，精度也較差，但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。二、光學(xué)式的測(cè)量方法，它是將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和紀(jì)錄。常用儀器有讀書顯微鏡和激光測(cè)振儀等，目前主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于振動(dòng)儀器系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。三、電測(cè)方法（圖2），它是將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，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(cè)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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)量，經(jīng)前置放大器進(jìn)行電信號(hào)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(shí)域和頻域信號(hào)記錄5本實(shí)驗(yàn)提供兩種測(cè)試系統(tǒng)，一種是南京汽輪機(jī)公司開發(fā)的CRA

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

5、樣定理，才可以從x(n)中復(fù)原出連續(xù)信號(hào)x(t)。采樣定理寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式為： t 7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(hào)里?；蛘哒f當(dāng)以大于或等于2fm的頻率對(duì)x(t)進(jìn)行采樣時(shí),采樣值x(n)中包含了x(t)在每一時(shí)刻的信息。采樣定理有很多種表述方式，最多的是時(shí)域采樣定理和頻域采樣定理。采樣定理在時(shí)域上和頻域上要區(qū)別理解，對(duì)于時(shí)域來講，采樣頻率為被測(cè)信號(hào)的五倍以內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)包絡(luò)失真，需要用SINC函數(shù)插值得到完整的時(shí)域信號(hào)。8一般采樣頻率設(shè)置為被測(cè)信號(hào)的10倍以上才能得到比較好的時(shí)域信號(hào)，可以說進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，采樣頻率越大越好。對(duì)于頻域來講，從頻譜圖上可以看出，隨著頻率的增大，

6、振動(dòng)能量降低，如果采用很大的采樣頻率進(jìn)行采集，通常會(huì)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9根據(jù)采樣定理，在實(shí)際采樣時(shí)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(duì)模擬信號(hào)濾波，使信號(hào)滿足帶限的要求，同時(shí)濾去高頻成分。102） 采樣頻率應(yīng)滿足 式中fc 為抗混疊低通濾波器的截止頻率（信號(hào)中的最高頻率）。上式實(shí)際上是采樣定理的另一種形11加窗與窗函數(shù)采用傅立葉變換或者離散傅立葉變換對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，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?cái)喽鸬男孤┬?yīng)有以下兩個(gè)途徑：1)選擇合適的采樣長(zhǎng)度T=Nt。對(duì)于周期性隨

7、機(jī)信號(hào)或確定性周期函數(shù)，應(yīng)使T正好等于信號(hào)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(duì)被分析信號(hào) x(t)在不同時(shí)刻加不同的權(quán)值，以使信號(hào)截?cái)嗟挠绊懕M可能小。12窗口寬度和窗口形狀決定了窗函數(shù)的基本特征，因此對(duì)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。(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(shí)，只能以折衷的方式對(duì)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，

8、加窗處理是以犧牲頻率分辨率來?yè)Q取泄漏的減少的。135.傳感器振動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)試時(shí)一般根據(jù)以下幾個(gè)方面進(jìn)行選擇傳感器：一、被測(cè)振動(dòng)量的大??；二、振動(dòng)信號(hào)的頻域范圍，低頻信號(hào)通常選用位移傳感器，中頻信號(hào)選用速度傳感器，高頻信號(hào)選用加速度傳感器；三、振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境14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(gè)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)表面距離d成正比。15四、實(shí)驗(yàn)步驟1、減速前和減速后各選一個(gè)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣2、對(duì)采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波