振動測量原理

第5章振動測量技術(shù)

5.1振動和振動測量系統(tǒng)

5.2振動參量的測量5.3機(jī)械阻抗測量

5.4振動信號的頻譜分析

振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設(shè)備的精度，壽命和可靠性都會產(chǎn)生影響。當(dāng)然，振動也有可以被利用的一面，如輸送、清洗、磨削、監(jiān)測等。

無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值。隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種儀器設(shè)備提出了低振級和低噪聲的要求，以及對主要生產(chǎn)過程或重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、診斷，對工作環(huán)境進(jìn)行控制等等。這些都離不開振動的測量。5.1振動和振動測量系統(tǒng)5.1.1振動信號分類

振動信號按時間歷程的分類如圖5.1所示，即將振動分為確定性振動和隨機(jī)振動兩大類。

確定性振動可分為周期性振動和非周期性振動。周期性振動包括簡諧振動和復(fù)雜周期振動。非周期性振動包括準(zhǔn)周期振動和瞬態(tài)振動。準(zhǔn)周期振動由一些不同頻率的簡諧振動合成，在這些不同頻率的簡諧分量中，總會有一個分量與另一個分量的頻率之比值為無理數(shù)，因而是非周期振動。

隨機(jī)振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性?？煞譃槠椒€(wěn)隨機(jī)振動和非平穩(wěn)隨機(jī)振動。平穩(wěn)隨機(jī)振動又包括各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)振動和非各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)振動。一般來說，儀器設(shè)備的振動信號中既包含有確定性的振動，又包含有隨機(jī)振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術(shù)化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。

機(jī)械振動非周期的隨機(jī)的確定性的的周期的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧振動復(fù)雜周期振動準(zhǔn)周期振動瞬態(tài)和沖擊各態(tài)歷經(jīng)的非各態(tài)歷經(jīng)

圖5.1振動信號的分類5.1.2振動測量系統(tǒng)1.振動測量方法分類振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機(jī)械法和光學(xué)法。其簡單原理和優(yōu)缺點(diǎn)見表5.1。名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機(jī)械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多表5.1振動測量方法分類2.

電測法振動測量系統(tǒng)

圖5.2振動測量系統(tǒng)的一般組成框圖

激振系統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器由于振動的復(fù)雜性，加上測量現(xiàn)場復(fù)雜，在用電測法進(jìn)行振動量測量時，其測量系統(tǒng)是多種多樣的。圖5.2所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。

下面分別就這些組成環(huán)節(jié)作一簡單介紹。

(1)測振傳感器 拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。

根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運(yùn)動所引起的。如圖5.3所示。設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0則質(zhì)量塊的運(yùn)動方程為:（5.1）mz。kc圖5.3由載體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)

質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:

（5.2）則上式可改寫成:

（5.3）設(shè)載體的運(yùn)作為諧振動，即:則式（5.3）可寫成:

（5.4）

考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：

(1)z01相對于載體的振動位移z1，此時相當(dāng)于測振儀處于位移計(jì)工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.5）

（5.6）

其幅頻特性曲線曲線如圖5.4所示。圖5.4由載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)(2)z01相對于載體振動速度

，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計(jì)的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.7）

(5.8)

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5-6和圖5-5所示。圖5.6由載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖5.7由載體運(yùn)動引起的加速度響應(yīng)(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速度計(jì)的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.9）

(5.10)其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5.7和圖5.5所示。從圖5.4~圖5.7可以看出：① 測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。在位移計(jì)狀態(tài)下，其工作條件為>>1，即工作在過諧振區(qū)。對于加速度計(jì)來說，其工作條件為<<1，即工作在亞諧振區(qū)。對于速度計(jì)來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。② 阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。對位移計(jì)和加速度計(jì)而言，當(dāng)取值在0.6~0.8范圍內(nèi)時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。對于速度計(jì)而言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計(jì)測量振動速度的響應(yīng)時，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。(2)

激振器

激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。表5.3列舉了部分常用的激振器。

名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動力驅(qū)動固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體相連，線圈通電產(chǎn)生電動力使振動臺體作機(jī)械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產(chǎn)生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設(shè)備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動臺面產(chǎn)生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負(fù)載大，易于自控和多臺激振，設(shè)備復(fù)雜表5.3部分常用的激振設(shè)備(3)

振動分析儀器 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點(diǎn)檢測到的力信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT分析儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀 測振儀是用來直接指示位移、速度、加速度等振動量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的儀器。2.頻率分析儀 模擬量頻譜分析儀目前仍是振動測量較常用的分析設(shè)備。振動信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動掃描就可完成所需頻帶的頻譜分析。3.FFT分析儀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)學(xué)技術(shù)處理振動測量信號的方式已廣泛被采用。以微處理器為核心和以快速傅里葉變換（FFT）算法為基礎(chǔ)的數(shù)字分析儀，精度高、動態(tài)范圍大、功能多、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。4.虛擬頻譜分析儀虛擬儀器的核心是具備各種功能的軟件系統(tǒng)，通常包括計(jì)算機(jī)圖形軟件，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測量結(jié)果的測試系統(tǒng)軟件等。當(dāng)然也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計(jì)算機(jī)與儀器硬件相連的總線結(jié)構(gòu)等。和傳統(tǒng)的FFT分析儀相比，具有頻譜分析功能的虛擬儀器可以更加靈活地選擇窗口，采樣速率和頻譜二進(jìn)制數(shù)，且價格低，技術(shù)更新快，具有靈活的開放功能等。

5.2振動參量的測量振動參量是指振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。1.

振幅的測量

振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、峰峰值、有效值和平均絕對值來表示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰值到負(fù)峰值之間的距離。在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。有效值和平均絕對值分別定義為:

Z有效=Zrms

=（5.11）

Z平均=Z=（5.12） 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關(guān)系為:(5.13)

式中，Zf

為振動峰值。2.

諧振動頻率的測量

諧振動的頻率是單一頻率，測量方法分直接法和比較法兩種。

直接法是將拾振器的輸出信號送到各種頻率計(jì)或頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。

在缺少直接測量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測得頻率。常用的比較法有錄波比較法和李沙育圖形法。

錄波比較法是將被測振動信號和時標(biāo)信號一起送入示波器或記錄儀中同時顯示，根據(jù)它們在波形圖上的周期或頻率比，算出振動信號的周期或頻率。

李沙育圖形法則是將被測信號和由信號發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)頻率正弦波信號分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據(jù)熒火屏上呈現(xiàn)出的李沙育圖形來判斷被測信號的頻率。3.

相位角的測量

相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意義。測定同頻兩個振動之間的相位差也常用直讀法和比較法。

直讀法是利用各種相位計(jì)直接測定。

比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。錄波比較法利用記錄在同一坐標(biāo)紙上的被測信號與參考信號之間的時間差τ求出相位差；（5.14） 李沙育圖測相位法則是根據(jù)被測信號與同頻的標(biāo)準(zhǔn)信號之間的李沙育圖形來判別相位差。5.3機(jī)械阻抗測量

振動測量從本質(zhì)上說屬動態(tài)測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應(yīng)信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激勵和響應(yīng)信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動測量是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。(1)機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納的一般定義為:(Z)=（5.23）(M)= =(5.24)

機(jī)械系統(tǒng)的激勵一般是力，系統(tǒng)的響應(yīng)可用位移、速度和加速度來表達(dá)，故機(jī)械阻抗和機(jī)械導(dǎo)納又各有三種形式。位移阻抗又稱為動剛度，位移導(dǎo)納稱為動柔度，速度阻抗稱為機(jī)械阻抗，速度導(dǎo)納簡稱導(dǎo)納，加速度阻抗又稱為視在質(zhì)量，加速度導(dǎo)納又稱為機(jī)械慣性。 機(jī)械阻抗是復(fù)量，可寫成幅值、相角、或?qū)嵅?、虛部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。

在評價結(jié)構(gòu)抗振能力時常用動剛度，在共振區(qū)動剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動對人體感受影響時，常用速度阻抗；在分析振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷時，常用機(jī)械慣性；在分析車廂等振動、噪聲時則常用速度導(dǎo)納。 機(jī)械阻抗測試是在結(jié)構(gòu)上施加激振力，同時測量力和響應(yīng)，所得機(jī)械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質(zhì)無關(guān)。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨機(jī)激勵測試和瞬態(tài)激勵測試三種。(2)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試

穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的