機械系統(tǒng)振動測試

機械系統(tǒng)振動測試振動是日常生活及工程實際中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。所謂機械振動是物體在平衡位置附近所作的往復運動。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、機械、電子線路、數(shù)據(jù)處理等為一體的多科性學科，已成為解決大型、精密及復雜工程振動問題的主要手段。作為動力學的一個分支，振動測試技術(shù)是以振動理論為基礎(chǔ)，用實驗手段分析和解決工程振動問題，其工程應用領(lǐng)域非常寬闊。本實驗就旋轉(zhuǎn)式機械系統(tǒng)中的振動信號進行時域和頻域分析。一、實驗目的了解振動測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、實驗設備和儀器旋轉(zhuǎn)式機械系統(tǒng)、電渦流式位移傳感器、前置放大器、直流穩(wěn)壓電源、電腦。三、實驗原理1.研究對象機械系統(tǒng)根據(jù)其運動特性分往復式機械系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)式機械系統(tǒng)。本實驗研究對象為旋轉(zhuǎn)式機械系統(tǒng)，如圖1，系統(tǒng)由電動機、聯(lián)軸器、減速箱、扭矩傳感器、磁粉制動器組成。電動機是該系統(tǒng)唯一動力源，其額定轉(zhuǎn)速910r/min，磁粉制動器作負載。減速箱的轉(zhuǎn)動比i=1:20。旋轉(zhuǎn)式機械系統(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、機械式測量方法，它是將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，經(jīng)機械系統(tǒng)放大后進行測量、記錄。此法常用的儀器有杠桿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、光學式的測量方法，它是將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學信號，經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和紀錄。常用儀器有讀書顯微鏡和激光測振儀等，目前主要在實驗室內(nèi)用于振動儀器系統(tǒng)的標定和校準。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，是目前應用最廣發(fā)的測量方法。與前兩種方法相比，有許多優(yōu)點。本實驗采用電渦流式的位移傳感器進行拾振，首先將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號量，經(jīng)前置放大器進行電信號放大，采集卡進行數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，借助于虛擬儀器進行時域和頻域信號記錄本實驗提供兩種測試系統(tǒng)，一種是南京汽輪機公司開發(fā)的CRAS（TheRandomSignalandVibrationAnalysisSystem）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)實時模態(tài)分析(4)靈敏度分析(5)巡回檢測(6)沖擊響應譜另一種就是用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。這之間就需要進行信號采集和A/D轉(zhuǎn)換。要實現(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)進行采樣離散化。一般采樣都是以時間間隔Δt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，但是必須滿足采樣定理，才可以從x(n)中復原出連續(xù)信號x(t)。采樣定理寫成數(shù)學表達式為：?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當以大于或等于2fm的頻率對x(t)進行采樣時,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，隨著頻率的增大，振動能量降低，如果采用很大的采樣頻率進行采集，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，在實際采樣時應該注意下面兩點：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。2）采采樣頻頻率應應滿足足式中fc為抗混混疊低低通濾濾波器器的截截止頻頻率（（信號號中的的最高高頻率率）。。上式式實際際上是是采樣樣定理理的另另一種種形加窗與與窗函函數(shù)采用傅傅立葉葉變換換或者者離散散傅立立葉變變換對對采樣樣數(shù)據(jù)據(jù)進行行處理理時，，他的的結(jié)果果并不不完美美，尤尤其是是處理理以固固定采采樣頻頻率獲獲得的的離散散數(shù)據(jù)據(jù)，常常常發(fā)發(fā)生泄泄漏。。抑制制因截截斷而而引起起的泄泄漏效效應有有以下下兩個個途徑徑：1)選擇合合適的的采樣樣長度度T=N?t。對于于周期期性隨隨機信信號或或確定定性周周期函函數(shù)，，應使使T正好等等于信信號的的基本本周期期T0或其整整數(shù)倍倍mT0。2)選擇合合適的的窗函函數(shù)。。加窗窗實質(zhì)質(zhì)上就就是對對被分分析信信號x(t)在不同同時刻刻加不不同的的權(quán)值值，以以使信信號截截斷的的影響響盡可可能小小。窗口寬寬度和和窗口口形狀狀決定定了窗窗函數(shù)數(shù)的基基本特特征，，因此此對窗窗函數(shù)數(shù)的基基本要要求是是：(1)窗函數(shù)數(shù)的頻頻率主主瓣寬寬度應應盡可可能小小。(2)主瓣與與第一一旁瓣瓣的高高度之之比應應盡可可能大大，并并且旁旁瓣的的高度度衰減減越快快越好好。事實上上，上上述這這兩種種要求求是相相互矛矛盾的的。主主瓣寬寬度越越小，，頻率率分辨辨率越越高，，但幅幅值精精度降降低；；主瓣瓣與旁旁瓣的的高度度比越越大，，提高高了幅幅值精精度，，但降降低了了頻率率分辨辨率。。所以以在選選取窗窗函數(shù)數(shù)時，，只能能以折折衷的的方式式對幅幅值和和頻率率分辨辨率進進行適適當?shù)牡募骖欘櫍瑱?quán)權(quán)衡處處理。。一般般來說說，加加窗處處理是是以犧犧牲頻頻率分分辨率率來換換取泄泄漏的的減少少的。。5.傳感器器振動測測試中中用到到的傳傳感器器通常常有加加速度度傳感感器、、速度度傳感感器和和位移移傳感感器。。但是是前兩兩種一一般都都是接接觸式式的傳傳感器器，而而位移移傳感感器既既有接接觸式式又有有非接接觸式式。在在振動動測試試時一一般根根據(jù)以以下幾幾個方方面進進行選選擇傳傳感器器：一一、被被測振振動量量的大大?。?；二、、振動動信號號的頻頻域范范圍，，低頻頻信號號通常常選用用位移移傳感感器，，中頻頻信號號選用用速度度傳感感器，，高頻頻信號號選用用加速速度傳傳感器器；三三、振振動測測試現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)環(huán)境本實驗選選用電渦渦流式的的位移傳傳感器，，屬于非非接觸式式傳感器器。其靈靈敏度K=2.5v/mm。其結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖4，電渦流流位移傳傳感器由由傳感器器本題和和同軸電電纜構(gòu)成成，在傳傳感器本本體殼體體螺紋里里面有一一個空心心圓筒線線圈，該該線圈固固定在由由陶瓷或或者聚四四氟乙烯烯制作的的固定材材料上。。給渦流流式位移移傳感器器通上高高頻電流流，在被被測金屬屬材料表表面上形形成渦流流（圖5），根據(jù)據(jù)楞次定定律該渦渦流抵消消傳感器器探頭里里面磁場場的變化化量，因因此必然然使渦流流式位移移傳感器器的等效效電路的的阻抗Z產(chǎn)生變化化，經(jīng)過過大量實實驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，探頭頭離被測測金屬件件表面的的距離在在一定范范圍內(nèi)，，傳感器器的等效效阻抗Z與被測表表面距離離d成正比。。四、實驗驗步驟1、減速前前和減速速后各選選一個被被測點進進行數(shù)據(jù)據(jù)采樣2、對采樣樣后數(shù)據(jù)據(jù)進行濾濾波3、加窗函函數(shù)五、測試試實驗結(jié)結(jié)果分析析（填入入表1）1.由實驗結(jié)結(jié)果計算算出振動動的最大大位移、、靜態(tài)偏偏置及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速2.分析基頻頻、倍頻頻3.頻譜分析析（畫出出頻譜））1)時域分析析2)頻域分