傳感器測試基礎(chǔ)第七章振動測試

傳感器測試基礎(chǔ)第七章振動測試第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1概述小轎車的乘坐舒適性試驗框圖

第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械振動定義機(jī)械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往復(fù)的運動。機(jī)械振動系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復(fù)運動的機(jī)械系統(tǒng)，例如單擺。構(gòu)成機(jī)械振動系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運動持續(xù)下去的性質(zhì)，恢復(fù)性就是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。三個基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生的物理原因機(jī)械在運動時，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，產(chǎn)生各種振動。振動研究所涉及的問題測量設(shè)備運行時的振動參量，了解被測對象的振動狀態(tài)，尋找振源；對設(shè)備激振，測試其受迫振動，以求得被測對象的動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、機(jī)械阻抗等。第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械振動測試系統(tǒng)的一般組成框圖

機(jī)械振動測量方法

按振動信號的轉(zhuǎn)換方式分:電測法機(jī)械測量法光測法第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月振動的分類(1)從產(chǎn)生振動的方式來分：

自由振動：僅受初始條件(初始位移、初始速度)激勵而引起的振動；受迫振動：系統(tǒng)在持續(xù)外力激勵下的振動。自激振動：在沒有外激勵作用的情況下，由系統(tǒng)自身激發(fā)所產(chǎn)生的一種振動(2)從振動的規(guī)律來分

簡諧振動復(fù)合周期振動瞬態(tài)振動隨機(jī)振動(3)按系統(tǒng)自由度分單自由度振動多自由度振動連續(xù)彈性體振動▲第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2振動的基本知識力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)質(zhì)量m在外力的作用下的運動方程為c—粘性阻尼系數(shù)；k——彈簧剛度；?(t)—系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入；z(t)—系統(tǒng)的輸出。拉氏變換ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)傳遞函數(shù)為(1)單自由度系統(tǒng)的受迫振動第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月令s=jw，則力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)系統(tǒng)的固有頻率系統(tǒng)的阻尼率第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月幅頻曲線相頻曲線第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月在幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為位移共振頻率

隨著的阻尼的增加，共振峰向原點移動；幅頻曲線當(dāng)無阻尼時，位移共振頻率wr即為固有頻率wn

當(dāng)系統(tǒng)的阻尼x很小時，位移共振頻率wr接近系統(tǒng)的固有頻率wn，可用作為的估計值。第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在w/wr=1時位移始終落后于激振力90o，此現(xiàn)象稱為相位共振。相頻曲線利用相頻特性來確定固有頻率比較準(zhǔn)確幅頻曲線第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)由基礎(chǔ)運動所引起的受迫振動單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動

設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為Z1，質(zhì)量m的絕對位移為Z0，則系統(tǒng)的振動可用方程式表示為：拉氏變換并，令s=jw

，得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月幅頻曲線相頻曲線第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)多自由度系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)的振動方程式一般是相互耦合的常微分方程組；通過坐標(biāo)變換，可以把系統(tǒng)的振動方程變成一組相互獨立的二階常微分方程組，其中的每一個方程式可以獨立求解；系統(tǒng)參數(shù)由若干個固有頻率、阻尼率、當(dāng)量剛度、當(dāng)量質(zhì)量、主振型等參數(shù)；多自由度系統(tǒng)在特定條件下，都按某一階固有頻率進(jìn)行簡諧振動，這種振動稱為主振型。第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)機(jī)械阻抗的概念機(jī)械阻抗:線性動力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵的情況下，在頻域內(nèi)激勵與響應(yīng)之比

K(s)=F(s)/Y(s)

K(w)=F(w)/Y(w)傳遞函數(shù)

H(s)=Y(s)/F(s)

頻率響應(yīng)函數(shù)H(w)=Y(w)/F(w)機(jī)械阻抗為系統(tǒng)傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù)

機(jī)械阻抗的倒數(shù)為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納機(jī)械系統(tǒng)框圖▲

第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3振動的測量

如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵)和輸出(響應(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗方法。為了完成上述測試任務(wù)，一般說來測試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個主要部分：被測對象傳感器測量電路振動分析儀顯示記錄激振器功率放大器信號發(fā)生器機(jī)械振動測試系統(tǒng)組成框圖第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月激勵部分實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振裝置組成。拾振部分檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號)。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。分析記錄部分將拾振部分傳來的信號記錄下來供以后分析處理或直接近行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)備組成。第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)振動的激勵穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法激勵信號是一個具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號，測出激勵大小和響應(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點處的頻率響應(yīng)的大小。瞬態(tài)激勵方法激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個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)。是一種快速測試方法?？焖僬覓呙杳}沖錘擊階躍松弛激勵隨機(jī)激勵方法純隨機(jī)激勵偽隨機(jī)激勵第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月瞬態(tài)激勵方法快速正弦掃描正弦激勵信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描（數(shù)秒內(nèi)完成），激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵的目的。快速正弦掃頻信號及其頻譜第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖錘擊激勵用脈沖錘對被測系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，施加一個脈沖力，使之發(fā)生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵方法。特點：階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。階躍松馳激勵實現(xiàn)：在實際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月隨機(jī)激勵方法純隨機(jī)激勵理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個時間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)的，但各個周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點在于試驗的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月激振器電動式激振器當(dāng)Fi以簡諧規(guī)律變化時，則作用在激振對象上的力F也為同頻率的簡諧力。使用時在頂桿與激振對象之間加一個力傳感器，以精確地測出激振力F(t)．電動式激振器1-彈簧；2-殼體；3-磁鋼；4-頂桿；5-磁極；6-鐵心；7-驅(qū)動線圈第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁式激振器激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場，而被測對象作為銜鐵，在交變磁場作用下產(chǎn)生振動。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。電磁激振器1-底座；2-鐵心；3-勵磁線圈；4-銜鐵；5-力檢測線圈；6-位移傳感器第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖錘脈沖錘由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，產(chǎn)生瞬態(tài)激勵力；錘擊力的大小由錘擊質(zhì)量和錘擊被測系統(tǒng)時的運動速度決定。激勵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)時間越短，上限頻率w越高。為了能調(diào)整激勵頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。

T<2p/w，w是所感興趣的頻率上限。脈沖錘第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)測振傳感器(拾振器)分類：接觸式和非接觸式接觸式：按殼體的固定方式分為相對式：殼體固定在基礎(chǔ)上，測桿和被測對象相聯(lián)，敏感被測對象相對于基座的振動；絕對式：殼體固定在被測對象上，彈簧支撐一個慣性體感受振動，又稱為慣性式測振傳感器；振動測試：對振動位移、振動速度、振動加速度這些振動量的檢測，它們反映了振動的強(qiáng)弱程度。第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)拾振器的工作原理慣性式拾振器內(nèi)的慣性系統(tǒng)可以看出由基礎(chǔ)運動引起質(zhì)量塊的受迫振動。慣性式拾振器的力學(xué)模型幅頻曲線相頻曲線第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由幅頻圖，只有當(dāng)w/wn>>1，即w>>wn的情況下，A(w)≈1，滿足測試幅值不失真的條件；當(dāng)系統(tǒng)的阻尼率x接近0.7時，A(w)更接近直線由相頻圖，當(dāng)w>>wn

時，沒有一條相頻曲線為近似斜率為負(fù)的直線，故不能滿足動態(tài)測試相位不失真的條件；而當(dāng)w>(7~8)wn時，相位差接近-180o，此時滿足測試相位不失真的條件。設(shè)計和使用慣性式拾振器時使慣性式拾振器的固有頻率較低，同時使系統(tǒng)的阻尼率在0.5~0.7之間，這樣可以保證工作頻率的下限到w=1.7wn，幅值誤差不超過5％當(dāng)使用w>(7~8)wn進(jìn)行相位測試時，需要用移相器獲得相位信息。幅頻曲線相頻曲線第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)測振傳感器電渦流位移傳感器電容加速度傳感器壓阻加速度傳感器磁電式速度計壓電加速度計光學(xué)測振儀1-頂桿;2-彈簧片;3-磁鋼;4-線圈;5-引出線;6-殼體磁電式相對速度計第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)光程差每變化半個光波波長時，明暗條紋變化一次。設(shè)一個振動周期內(nèi)，計得干涉條紋變化數(shù)為N，則：邁克爾遜干涉儀第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月激光多普勒測振原理第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)振動信號分析儀器振動計頻率分析儀頻率特性與傳遞函數(shù)分析儀數(shù)字信號處理系統(tǒng)第3