1、第六章第六章 振動測試振動測試 信信信信信信號號號號號號調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)理理理理理理處處處處處處理理理理理理與與與與與與分分分分分分析析析析析析6.1 概述概述6.2 振動特性振動特性6.3 振動測量傳感器振動測量傳感器6.4 振動測試系統(tǒng)及其標(biāo)定振動測試系統(tǒng)及其標(biāo)定6.5 振動的激勵(lì)振動的激勵(lì)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容信信信信信信號號號號號號調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)調(diào)理理理理理理處處處處處處理理理理理理與與與與與與分分分分分分析析析析析析振動測試目的振動測試目的:1）測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動；）測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動；2）測量設(shè)備或結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。方法是對該設(shè)備）測量設(shè)備或結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。方法是對該設(shè)備或

2、結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動，然后測或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動，然后測量其振動響應(yīng)，通過激勵(lì)和響應(yīng)信號的關(guān)系得量其振動響應(yīng)，通過激勵(lì)和響應(yīng)信號的關(guān)系得到動態(tài)特性。到動態(tài)特性。6.1 概述概述振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性6.2.1 單自由度系統(tǒng)的振動分類單自由度系統(tǒng)的振動分類 mzkc自由振動自由振動 1）自由振動的運(yùn)動方程）自由振動的運(yùn)動方程 022kzdtdzcdtzdm6.2 振動特性振動特性自由振動自由振動受迫振動受迫振動質(zhì)量塊受力引起的受迫振動質(zhì)量塊受力引起的受迫振動基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性

3、性性2）質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動）質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動質(zhì)量塊受力引起的受迫振動質(zhì)量塊受力引起的受迫振動 運(yùn)動方程式：運(yùn)動方程式： )(22tfkzdtdzcdtzdmkcsmssH21)(傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)： )(2)(1 /1)(2nnjkHkjcmH21)(kmmkcjkmkH22)1 (/1)(2令：mknmkc2振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性幅頻特性：幅頻特性： 222)2()(1 /1)(nnkA振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性當(dāng)當(dāng)小于小于n時(shí)，幅值較大，成線性變化；當(dāng)時(shí)，幅值較大，成線性變化；當(dāng)大于大于n時(shí)，幅值

4、較小，成線性變化；當(dāng)時(shí)，幅值較小，成線性變化；當(dāng)接近于接近于n時(shí)，幅值時(shí)，幅值大，且與阻尼比大，且與阻尼比大小相關(guān)。大小相關(guān)。振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性3）由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動）由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動運(yùn)動方程式：運(yùn)動方程式： 0)()(1010202yykdtyydcdtydm基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動 振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性相對位移相對位移: 1001yyy則：則： 21201012012dtydmkydtdycdtydma. 若以基礎(chǔ)的絕對位移為輸入，質(zhì)量塊的相對位移為若以基礎(chǔ)的絕對位移為輸入，質(zhì)量塊的相對位移

5、為 輸出輸出振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性kcsmsmssH22)(傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)： kjcmmH22)()(2)(1 )()(22nnnjH幅頻特性：幅頻特性： 2222)2()(1 )()(nnnA振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性幅頻特性曲線幅頻特性曲線 當(dāng)當(dāng) n時(shí)，時(shí)， 01y接近接近0，說明相對位移小，說明相對位移小，當(dāng)當(dāng) n時(shí)，時(shí)， 接近接近1，說明質(zhì)量塊絕對靜止。，說明質(zhì)量塊絕對靜止。 振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性即質(zhì)量塊與基礎(chǔ)一起振動。即質(zhì)量塊與基礎(chǔ)一起振動。 01yb. 若以基礎(chǔ)的速度為輸入，

6、質(zhì)量塊的相對位移為輸出21201012012dtydmkydtdycdtydm基礎(chǔ)的絕對速度： dtdyv11運(yùn)動方式式為：dtdvmkydtdycdtydm01012012)(2)(1)(22nnnjjHkcsmsmssH2)(傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)： kjcmjmH2)(振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性c. 若以基礎(chǔ)的位移為輸入，質(zhì)量塊的相對速度為輸出21201012012dtydmkydtdycdtydm質(zhì)量塊的相對速度： dtdyv0101運(yùn)動方式式為：212010101dtydmdtvkcvdtdvm)(2)(1)(223nnnjjHkcsmsmssH23)(傳遞函數(shù)

7、：頻率響應(yīng)函數(shù)： kjcmjmH23)(等號左右兩邊對時(shí)間t一次微分：31301012012dtydmkvdtdvcdtvdm振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性d. 若以基礎(chǔ)的絕對位移為輸入，質(zhì)量塊的絕對位移為輸出若以基礎(chǔ)的絕對位移為輸入，質(zhì)量塊的絕對位移為輸出110002kydtdyckydtdycdtydmkcsmskcssH2)(傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：0)()(1010202yykdtyydcdtydm振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性e. abcd等情況的頻率響應(yīng)均可查教材等情況的頻率響應(yīng)均可查教材P192 表表7-1)(2)(1 12)(2nnnjjH頻率響

8、應(yīng)函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)： kjcmkjcH2)(振振振振振振動動動動動動特特特特特特性性性性性性振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器6.3 振動測量傳感器振動測量傳感器6.3.1 測量方法測量方法目前廣泛采用電測法，將被測件的振動量轉(zhuǎn)換成電目前廣泛采用電測法，將被測件的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量。量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量。6.3.2 傳感器傳感器振動傳感器也稱為拾振器振動傳感器也稱為拾振器分類：分類：1）接觸式和非接觸式）接觸式和非接觸式2）絕對式和相對式（絕對式輸出被測物的絕對振動，）絕對式和相對式（絕對式輸出被測物的絕對

9、振動，相對式輸出兩被測物之間的相對振動）相對式輸出兩被測物之間的相對振動）振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器相對式的殼體和測桿分別和不同被測件相連，其輸出相對式的殼體和測桿分別和不同被測件相連，其輸出描述兩試件間的相對振動。描述兩試件間的相對振動。絕對式的殼體固定在被測件上，其內(nèi)部利用一個(gè)彈絕對式的殼體固定在被測件上，其內(nèi)部利用一個(gè)彈簧簧質(zhì)量塊系統(tǒng)來感受振動。質(zhì)量塊系統(tǒng)來感受振動。1） 渦流位移傳感器渦流位移傳感器電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器電渦流位移傳感器測量軸的振動電渦流位移傳感器測量軸的振動 振振振振振振動動動動動動測測測測測測量

10、量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器a. 渦流式傳感器原理渦流式傳感器原理見第三章見第三章相對式拾振器相對式拾振器相對式拾振器相對式拾振器相對式拾振器相對式拾振器b. 為什么稱為位移傳感器？為什么稱為位移傳感器？因?yàn)檩斎胫凳俏灰?，輸出與輸入（位移）成比例關(guān)系。因?yàn)檩斎胫凳俏灰?，輸出與輸入（位移）成比例關(guān)系。c. 優(yōu)點(diǎn)：線性范圍大，靈敏度高，頻率范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)點(diǎn)：線性范圍大，靈敏度高，頻率范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，不受油污，非接觸式測量。適宜測量運(yùn)動部件與相對靜止部件不受油污，非接觸式測量。適宜測量運(yùn)動部件與相對靜止部件間的間隙變化。用于回轉(zhuǎn)軸系的振動監(jiān)測、故障診斷。間的間隙變化

11、。用于回轉(zhuǎn)軸系的振動監(jiān)測、故障診斷。被廣泛用來測量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動、被廣泛用來測量汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)軸系的振動、軸向位移、轉(zhuǎn)速等軸向位移、轉(zhuǎn)速等 振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器2）磁電式速度計(jì)）磁電式速度計(jì)振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器磁電式相對速度計(jì)磁電式相對速度計(jì)a. 磁電式傳感器原理磁電式傳感器原理線圈在磁場中作直線運(yùn)動，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：線圈在磁場中作直線運(yùn)動，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：WBlve 輸出輸出e與線速度與線速度v成正比，成正比，v為線圈與

12、磁場的相對速度。為線圈與磁場的相對速度。b. 傳感器安放傳感器安放絕對式速度計(jì)：殼體（包括磁鋼）緊固于被測物上，絕對式速度計(jì)：殼體（包括磁鋼）緊固于被測物上， 線圈振動，屬于基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫線圈振動，屬于基礎(chǔ)運(yùn)動引起的受迫 振動。振動。相對式速度計(jì)：殼體（包括磁鋼）緊固在被測物相對式速度計(jì)：殼體（包括磁鋼）緊固在被測物1上，上， 頂桿（包括線圈）壓緊在被測物頂桿（包括線圈）壓緊在被測物2上，上， 線圈與磁鋼的相對速度即為兩被測物線圈與磁鋼的相對速度即為兩被測物 的相對振動速度。的相對振動速度。振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器輸入量被測物的絕

13、對速度，輸出為線圈與被測物的相輸入量被測物的絕對速度，輸出為線圈與被測物的相對速度，查表對速度，查表7-1得幅頻特性為：得幅頻特性為： 2222)/2()/(1 )/()(nnnA振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器磁電式絕對速度計(jì)分析：磁電式絕對速度計(jì)分析：若若 n， 01Z接近接近0； 若若 n， 01Z接近接近1； 因此，因此， n大較好，即彈簧大較好，即彈簧+線圈組成的質(zhì)量塊的質(zhì)量線圈組成的質(zhì)量塊的質(zhì)量m大，大，彈簧的剛度彈簧的剛度k小，則小，則n小，小，n大大保證頂桿不脫落被測物，線圈的最大加速度保證頂桿不脫落被測物，線圈的最大加速度a

14、max不能小于被測不能小于被測物的加速度物的加速度a，所以被測物的加速度，所以被測物的加速度a要求較小，而要求較小，而a=2xF，xF為被測物的振幅，因此，為能測量較大的振幅，為被測物的振幅，因此，為能測量較大的振幅，要小，即要小，即所被測物的振動頻率不能太大。所被測物的振動頻率不能太大。振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器磁電式相對速度計(jì)分析：磁電式相對速度計(jì)分析：3）壓電式加速度傳感器）壓電式加速度傳感器a. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) B: 基座基座 P: 壓電材料壓電材料 M: 質(zhì)量塊質(zhì)量塊 S: 彈簧彈簧 b. 原理：基座和被測振動物體緊密連接，原理：基

15、座和被測振動物體緊密連接，被測物振動，對傳感器施加力，帶動質(zhì)被測物振動，對傳感器施加力，帶動質(zhì)量塊振動，質(zhì)量塊和基座間產(chǎn)生相對位量塊振動，質(zhì)量塊和基座間產(chǎn)生相對位移，對壓電材料施加壓力，產(chǎn)生電荷。移，對壓電材料施加壓力，產(chǎn)生電荷。 c. 輸入值是力（即加速度），輸出值是質(zhì)量塊的相對位移輸入值是力（即加速度），輸出值是質(zhì)量塊的相對位移 d. 查表查表7-1得幅頻特性為：得幅頻特性為：2222)/2()/(1 /1)(nnnA振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器壓電加速度計(jì)的幅頻特性壓電加速度計(jì)的幅頻特性分析分析1 ：n21)(nAn共振共振 n0)

16、(A結(jié)論：結(jié)論： n不僅有較好的線性，并且幅值較大不僅有較好的線性，并且幅值較大 振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：上限頻率取固有頻率的上限頻率取固有頻率的1/3，幅值誤差低于，幅值誤差低于1dB（即（即12%），上限頻率取固有頻率的），上限頻率取固有頻率的1/5，幅值誤，幅值誤差小于差小于0.5dB（即（即6%）。）。 此外，由壓電材料的電荷泄漏特性可得，若振此外，由壓電材料的電荷泄漏特性可得，若振動頻率很小，則電荷泄漏大，壓電式加速度計(jì)不動頻率很小，則電荷泄漏大，壓電式加速度計(jì)不適宜測量適宜測量1Hz以下的振動頻率。以下

17、的振動頻率。 振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器分析分析2：若：若m增大，則增大，則n減小，減小， )(A但根據(jù)壓電加速度計(jì)的幅頻特性可知，上但根據(jù)壓電加速度計(jì)的幅頻特性可知，上限頻率將降低（即可測量的最大頻率變限頻率將降低（即可測量的最大頻率變?。Ｒ虼?，?。?。因此，作超低頻振動測量選用質(zhì)量作超低頻振動測量選用質(zhì)量大（超過大（超過100g）而靈敏度高的加速度計(jì)，）而靈敏度高的加速度計(jì)，作高頻振動測量選用質(zhì)量?。◣卓俗鞲哳l振動測量選用質(zhì)量?。◣卓肆泓c(diǎn)幾零點(diǎn)幾克）的加速度計(jì)克）的加速度計(jì)。 即傳感器的靈敏度增大，即傳感器的靈敏度增大，振振振振振振

18、動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器增大，增大，e. 壓電式加速度計(jì)的安裝壓電式加速度計(jì)的安裝 31kHz 28kHz 29kHz 2kHz 7kHz 磁鐵振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器4）三類傳感器比較）三類傳感器比較a. 渦流位移傳感器渦流位移傳感器測量范圍：因?yàn)楦哳l的位移量往往小，信號弱，測量范圍：因?yàn)楦哳l的位移量往往小，信號弱，不用來測量高頻不用來測量高頻；優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：相對測量，：相對測量，適用于回轉(zhuǎn)體振動測量和在惡適用于回轉(zhuǎn)體振動測量和在惡劣環(huán)境下使用劣環(huán)境下使用。b. 磁電速度傳感器磁電速度傳感

19、器測量范圍：根據(jù)幅頻圖，有下限頻率，所以測量范圍：根據(jù)幅頻圖，有下限頻率，所以不能不能測低頻率測低頻率；又受本身結(jié)構(gòu)影響，；又受本身結(jié)構(gòu)影響，不能測高頻率不能測高頻率。通常通常53n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：幅值較大幅值較大。振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器c. 加速度傳感器加速度傳感器測量范圍：因?yàn)榈皖l的加速度值往往小（低頻變測量范圍：因?yàn)榈皖l的加速度值往往?。ǖ皖l變化慢），信號不顯著；并且，若頻率低，則電荷化慢），信號不顯著；并且，若頻率低，則電荷泄露大，所以泄露大，所以比較不適宜測量低頻振動比較不適宜測量低頻振動。又固有。又固有頻率很高，所以頻率很高，

20、所以可測量比較高的頻率可測量比較高的頻率。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量小，靈敏度高質(zhì)量小，靈敏度高。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：信號幅值小信號幅值小，用電荷放大器可解決該問題。，用電荷放大器可解決該問題。 振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器d. 結(jié)論：振動傳感器的選用原則結(jié)論：振動傳感器的選用原則高頻率加速度（包括力等）用加速度傳感器測，低頻高頻率加速度（包括力等）用加速度傳感器測，低頻用位移傳感器測；用位移傳感器測；對壓電式加速度計(jì)，高頻用質(zhì)量大的傳感器（上限頻對壓電式加速度計(jì)，高頻用質(zhì)量大的傳感器（上限頻率高），低頻用質(zhì)量小的傳感器（靈敏度高）；率高），低頻用質(zhì)量小的傳感

21、器（靈敏度高）；考慮具體使用的環(huán)境要求。如非接觸式，高溫、油污考慮具體使用的環(huán)境要求。如非接觸式，高溫、油污等環(huán)境，用渦流傳感器；激光測振器價(jià)格高、對環(huán)境等環(huán)境，用渦流傳感器；激光測振器價(jià)格高、對環(huán)境要求嚴(yán)格，用于實(shí)驗(yàn)室做精密測量。要求嚴(yán)格，用于實(shí)驗(yàn)室做精密測量。振振振振振振動動動動動動測測測測測測量量量量量量傳傳傳傳傳傳感感感感感感器器器器器器振振振振振振動動動動動動測測測測測測試試試試試試系系系系系系統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)及及及及及及其其其其其其標(biāo)標(biāo)標(biāo)標(biāo)標(biāo)標(biāo)定定定定定定6.4.1 振動測試系統(tǒng)的組成振動測試系統(tǒng)的組成加速度計(jì)加速度計(jì)電荷放大器電荷放大器濾波器濾波器A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 6.4.2 振動測試系統(tǒng)的標(biāo)定振動測試系統(tǒng)的標(biāo)定6.4 振動測試系統(tǒng)及其標(biāo)定振動測試系統(tǒng)及其標(biāo)定振振振振振振動動動動動動的的的的的的激激激激激激勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì)勵(lì)6.5 振動的激勵(lì)振動的激勵(lì)1）穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)）穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)信號：幅值穩(wěn)定的單一頻率正弦激振力。信號：幅值穩(wěn)定的單一頻率正弦激振力。特點(diǎn)：激振功率大，信噪比高，能保證測試精度特點(diǎn)：激振功率大，信噪比高，能保證測試精