振動(dòng)的檢測(cè)及傳感器

1.機(jī)械振動(dòng)2.產(chǎn)生原因3.振動(dòng)檢測(cè)的研究?jī)?nèi)容4.振動(dòng)類型5.4.1基本知識(shí)第1頁(yè)/共49頁(yè)第一頁(yè)，共50頁(yè)。1.機(jī)械振動(dòng)：物體在一定位置附近所做的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)2.產(chǎn)生原因旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等3.振動(dòng)檢測(cè)的研究?jī)?nèi)容I.

測(cè)量設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)參量，尋找振源；第2頁(yè)/共49頁(yè)第二頁(yè)，共50頁(yè)。某外圓磨床在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作臺(tái)的橫向振動(dòng)記錄曲線經(jīng)過頻譜分析可以估計(jì)振源27.5Hz頻率成分為砂輪不平衡所引起的振動(dòng)；329Hz頻率成分為油泵脈動(dòng)引起的振動(dòng)；50Hz、100Hz和150Hz的頻率成分都和工頻（電網(wǎng)的頻率，即發(fā)電機(jī)的工作頻率）和電機(jī)的振動(dòng)有關(guān)；500Hz以上的高頻振動(dòng)原因比較復(fù)雜，有軸承噪聲及其它振源。第3頁(yè)/共49頁(yè)第三頁(yè)，共50頁(yè)。II.

對(duì)設(shè)備激振，以求得被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、機(jī)械阻抗等可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速工作范圍第4頁(yè)/共49頁(yè)第四頁(yè)，共50頁(yè)。a.從產(chǎn)生振動(dòng)的方式來分：自由振動(dòng)：僅受初始條件（初始位移、初始速度）激勵(lì)而引起的振動(dòng)受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在持續(xù)外力激勵(lì)下的振動(dòng)4.機(jī)械振動(dòng)的類型第5頁(yè)/共49頁(yè)第五頁(yè)，共50頁(yè)。b.從振動(dòng)的規(guī)律來分：

簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合周期振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)第6頁(yè)/共49頁(yè)第六頁(yè)，共50頁(yè)。以無阻尼自由振動(dòng)的彈簧振子為例：xok簡(jiǎn)諧振動(dòng)vtxa第7頁(yè)/共49頁(yè)第七頁(yè)，共50頁(yè)。(1)

單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)位移隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，故稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。(2)自由振動(dòng)的頻率與初始條件無關(guān)，僅由系統(tǒng)本身參數(shù)確定。稱為(系統(tǒng)的固有頻率)(3)自由振動(dòng)的振幅A和初相角φ由初始條件所確定。第8頁(yè)/共49頁(yè)第八頁(yè)，共50頁(yè)。復(fù)合周期振動(dòng)

由兩個(gè)或兩個(gè)以上頻率之比為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合而成。第9頁(yè)/共49頁(yè)第九頁(yè)，共50頁(yè)。準(zhǔn)周期振動(dòng)

由頻率比不全為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成第10頁(yè)/共49頁(yè)第十頁(yè)，共50頁(yè)。瞬態(tài)振動(dòng)瞬態(tài)振動(dòng)：在極短時(shí)間內(nèi)僅持續(xù)幾個(gè)周期的振動(dòng)。第11頁(yè)/共49頁(yè)第十一頁(yè)，共50頁(yè)。隨機(jī)振動(dòng)

不能用確定的數(shù)學(xué)式來描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的振動(dòng)。與一般的隨機(jī)信號(hào)處理方法一樣。第12頁(yè)/共49頁(yè)第十二頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.2振動(dòng)的激勵(lì)如果知道了系統(tǒng)的輸入（激勵(lì)）和輸出（響應(yīng)），就可以求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。第13頁(yè)/共49頁(yè)第十三頁(yè)，共50頁(yè)。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括：

激勵(lì)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振器組成拾振部分檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式（通常為電信號(hào)）。它主要由傳感器、放大器組成。

分析記錄部分將拾振部分傳來的信號(hào)記錄下來供分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備(或計(jì)算機(jī))組成。第14頁(yè)/共49頁(yè)第十四頁(yè)，共50頁(yè)。一.激勵(lì)信號(hào)1.穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)激勵(lì)信號(hào)：穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號(hào)測(cè)出激勵(lì)大小和響應(yīng)大小系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)激勵(lì)系統(tǒng):正弦信號(hào)發(fā)生器+功率放大器+激振器缺點(diǎn)：較長(zhǎng)的測(cè)試周期(多個(gè)頻率+穩(wěn)態(tài))第15頁(yè)/共49頁(yè)第十五頁(yè)，共50頁(yè)。2.瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)

激勵(lì)信號(hào)：瞬態(tài)信號(hào)寬頻帶激勵(lì)：一次同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)快速測(cè)試(常用)常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法有快速正弦掃描脈沖錘擊階躍松弛激勵(lì)第16頁(yè)/共49頁(yè)第十六頁(yè)，共50頁(yè)。(1)快速正弦掃描正弦激勵(lì)信號(hào)在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描（可為數(shù)秒）：激振信號(hào)頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定第17頁(yè)/共49頁(yè)第十七頁(yè)，共50頁(yè)。T:掃描周期fmax,fmin：上下限頻率可以快速測(cè)試研究對(duì)象的頻率特性具有類似正弦的形式，但頻率變化，屬于瞬態(tài)激振第18頁(yè)/共49頁(yè)第十八頁(yè)，共50頁(yè)。(2)脈沖錘擊激勵(lì)方法：用脈沖錘對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，施加一個(gè)脈沖力，使之發(fā)生振動(dòng)。錘擊力脈沖：在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，近似半正弦波。1.有效頻率范圍取決于脈沖持續(xù)時(shí)間，錘頭墊越硬，時(shí)間越短，頻率范圍越大：錘頭墊的材料頻帶寬度2.錘頭配重的質(zhì)量和敲擊速度激振力的大小第19頁(yè)/共49頁(yè)第十九頁(yè)，共50頁(yè)。

(3)階躍（張弛）激勵(lì)1.在激振點(diǎn)，用一根剛度大、重量輕的弦經(jīng)過力傳感器對(duì)待側(cè)結(jié)構(gòu)施加張力，使之產(chǎn)生彈性變形2.然后突然切斷弦負(fù)的階越激振力(寬帶激振)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試tf(t)第20頁(yè)/共49頁(yè)第二十頁(yè)，共50頁(yè)。3.隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)(1)純隨機(jī)激勵(lì)純隨機(jī)信號(hào):高斯分布的白噪聲在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。(白噪聲發(fā)生器或計(jì)算機(jī))第21頁(yè)/共49頁(yè)第二十一頁(yè)，共50頁(yè)。(2)偽隨機(jī)激勵(lì)偽隨機(jī)信號(hào)：周期性的隨機(jī)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是純隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是完全相同的(偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器或計(jì)算機(jī))將白噪聲在T內(nèi)截?cái)?，然后按周期T反復(fù)重復(fù)第22頁(yè)/共49頁(yè)第二十二頁(yè)，共50頁(yè)。第23頁(yè)/共49頁(yè)第二十三頁(yè)，共50頁(yè)。二.激振器

對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，激起試件振動(dòng)的裝置（1）電動(dòng)式激振器一般使用時(shí)在頂桿與激振對(duì)象之間加一個(gè)力傳感器，以精確地測(cè)出激振力線圈通過交流電，則線圈將受到與電流成正比的電動(dòng)力的作用，此力通過頂桿傳到試件上磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法：永磁式(小型激振器)；勵(lì)磁式(振動(dòng)臺(tái))第24頁(yè)/共49頁(yè)第二十四頁(yè)，共50頁(yè)。（2）電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，沒有附加質(zhì)量和剛度的影響，頻率上限約為500-800Hz。激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而被測(cè)對(duì)象作為銜鐵，在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)．第25頁(yè)/共49頁(yè)第二十五頁(yè)，共50頁(yè)。（3）脈沖錘(力錘)常用的激振方法，設(shè)備最簡(jiǎn)單脈沖錘由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力；

錘擊力的大小由錘擊質(zhì)量和錘擊被測(cè)系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度決定。

激勵(lì)的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，上限頻率ω越高。為了能調(diào)整激勵(lì)頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。測(cè)量大小不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)選用不同大小的錘子a.輕小型的結(jié)構(gòu),5g左右b.中型結(jié)構(gòu)[汽車車架、發(fā)動(dòng)機(jī)等小型機(jī)械]，240g左右c.大中型結(jié)構(gòu)[如機(jī)床、小型坦克等],1400g左右d.重型結(jié)構(gòu)[如建筑物、大型發(fā)動(dòng)機(jī)、船等]，5~6kg左右第26頁(yè)/共49頁(yè)第二十六頁(yè)，共50頁(yè)。北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所MSC系列彈性試驗(yàn)力錘第27頁(yè)/共49頁(yè)第二十七頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.3測(cè)振傳感器一.類型接觸式：磁電式速度傳感器、壓電式加速度計(jì)非接觸式：渦流式位移傳感器接觸式：按殼體的固定方式分為a.相對(duì)式：把儀器固定在不動(dòng)的支架上，使觸桿與被測(cè)物體的振動(dòng)方向一致，并借彈簧的彈性力與被測(cè)物體表面相接觸，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，觸桿就跟隨它一起運(yùn)動(dòng)第28頁(yè)/共49頁(yè)第二十八頁(yè)，共50頁(yè)。1—頂桿

2—彈簧片

3—磁鋼

4—線圈

5—引出線

6—?dú)んw磁電式相對(duì)速度傳感器第29頁(yè)/共49頁(yè)第二十九頁(yè)，共50頁(yè)。b.絕對(duì)式：殼體固定在被測(cè)對(duì)象上，殼體的振動(dòng)等于被測(cè)物的振動(dòng)，質(zhì)量塊對(duì)殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，供機(jī)電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電量，又稱為慣性式測(cè)振傳感器；拾振器的質(zhì)量成為附加質(zhì)量，改變振動(dòng)特性第30頁(yè)/共49頁(yè)第三十頁(yè)，共50頁(yè)。1.壓電式加速度傳感器殼體和被測(cè)對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊相對(duì)于殼體產(chǎn)生位移(第一次轉(zhuǎn)換：輸入加速度相對(duì)位移)位移產(chǎn)生的彈性力加于壓電元件上，在壓電元件的兩個(gè)端面上就產(chǎn)生了極性相反的電荷(第二次轉(zhuǎn)換：相對(duì)位移電荷)。基礎(chǔ)的加速度質(zhì)量塊與基礎(chǔ)的相對(duì)位移成正比第31頁(yè)/共49頁(yè)第三十一頁(yè)，共50頁(yè)。墊圈應(yīng)盡量薄用螺栓固定是最好的方法，尤其適用于測(cè)沖擊波及高頻振動(dòng)。不得全部擰入基座螺孔，以免基座變形安裝面涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性

多點(diǎn)測(cè)試，誤差較大，重復(fù)性差，上限頻率不高于1kHz使用方便，低頻薄臘層第32頁(yè)/共49頁(yè)第三十二頁(yè)，共50頁(yè)。某加速度計(jì)不同固定方法的共振頻率<粘接第33頁(yè)/共49頁(yè)第三十三頁(yè)，共50頁(yè)。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)第34頁(yè)/共49頁(yè)第三十四頁(yè)，共50頁(yè)。2.磁電式速度傳感器

磁電式絕對(duì)速度計(jì)1—彈簧

2—?dú)んw

3—阻尼環(huán)

4—磁鋼

5—線圈

6—芯軸阻尼環(huán)和線圈質(zhì)量塊電壓正比于質(zhì)量塊與基礎(chǔ)的相對(duì)速度第35頁(yè)/共49頁(yè)第三十五頁(yè)，共50頁(yè)。相對(duì)速度近似于被測(cè)物的速度；盡量降低固有頻率，固有頻率：10~15Hz第36頁(yè)/共49頁(yè)第三十六頁(yè)，共50頁(yè)。3.電渦流位移傳感器旋轉(zhuǎn)機(jī)械中監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量

第37頁(yè)/共49頁(yè)第三十七頁(yè)，共50頁(yè)。半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱為壓阻效應(yīng)4.壓阻式加速度傳感器第38頁(yè)/共49頁(yè)第三十八頁(yè)，共50頁(yè)。頻率范圍也可從直流信號(hào)到測(cè)量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)第39頁(yè)/共49頁(yè)第三十九頁(yè)，共50頁(yè)。具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多5.電容式加速度傳感器第40頁(yè)/共49頁(yè)第四十頁(yè)，共50頁(yè)。二.測(cè)振傳感器的選擇1.直接測(cè)量參數(shù)的選擇:s/v/a

a.信噪比高頻加速度低頻位移b.最重要的參數(shù)：慣性力的破壞(a);振動(dòng)環(huán)境(v);位置變化(s)第41頁(yè)/共49頁(yè)第四十一頁(yè)，共50頁(yè)。2.綜合考慮傳感器的指標(biāo)(頻率范圍/量程/靈敏度等)[例：壓電式加速度計(jì)—超低振級(jí)(m>100g)/高振級(jí)(m:幾克/0.幾克)]重量大上限頻率低；輕高第42頁(yè)/共49頁(yè)第四十二頁(yè)，共50頁(yè)。a.應(yīng)變式測(cè)量頻率:0~幾千Hz；測(cè)量加速度b.磁電式測(cè)量頻率:十幾~幾百Hz;常測(cè)位移，可測(cè)速度/加速度；地震測(cè)試(抗干擾性強(qiáng))c.壓電式高頻，常測(cè)加速度；可測(cè)速度/位移d.非接觸式電容/電感/渦流靈敏度高；非接觸性測(cè)量第43頁(yè)/共49頁(yè)第四十三頁(yè)，共50頁(yè)。3.對(duì)具體使用的考慮環(huán)境/價(jià)格/壽命/可靠性/維修/校準(zhǔn)激光測(cè)振：高分辨率/高精確度；環(huán)境要求極嚴(yán)/設(shè)備昂貴；實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)量或校準(zhǔn)電渦流/電容式：非接觸式環(huán)境要求低[高溫/油污/蒸汽介質(zhì);長(zhǎng)期可靠][汽輪發(fā)電機(jī)組/壓縮機(jī)組等的振動(dòng)監(jiān)測(cè)]第44頁(yè)/共49頁(yè)第四十四頁(yè)，共50頁(yè)。4.其他a.接觸式測(cè)量：減輕被測(cè)對(duì)象的負(fù)載效應(yīng);

非接觸式測(cè)量：靈敏度/初始安裝間隙b.估計(jì)被測(cè)量的頻率范圍，是否落入幅頻曲線的工作頻帶c.估計(jì)被測(cè)系統(tǒng)的最大振級(jí)，額定最大沖擊值的1/3d.估計(jì)被測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)方向正確按裝傳感器e.估計(jì)工作環(huán)境，溫度/磁場(chǎng)/聲場(chǎng)[防范措施]第45頁(yè)/共49頁(yè)第四十五