精密测量理论与技术基础第11章-机械振动的测试课件.ppt

1、第一节 概述机械振动是机械系统中运动量的振荡现象机械振动是机械系统中运动量的振荡现象:是指机械的某些物理量或运动参数如位移、是指机械的某些物理量或运动参数如位移、速度、加速度等的强度相对给定的参考坐速度、加速度等的强度相对给定的参考坐标系随时间变化，与其平均值或平衡位置标系随时间变化，与其平均值或平衡位置相比，时大时小交替变化的现象。相比，时大时小交替变化的现象。机械振动在自然界、工程技术领域和日常机械振动在自然界、工程技术领域和日常生活中普遍存在。生活中普遍存在。第一节 概述:机械振动的危害使构件的内应力增加，承受动力载荷或重复载荷，导使构件的内应力增加，承受动力载荷或重复载荷，导致磨损、疲

2、劳和缩短寿命。致磨损、疲劳和缩短寿命。机械振动消耗能量，降低效率。机械振动消耗能量，降低效率。影响（精密）机器和设备的工作性能，造成误差以致影响（精密）机器和设备的工作性能，造成误差以致不能工作。不能工作。机械振动会通过连接的构件和机座使地面振动，从而机械振动会通过连接的构件和机座使地面振动，从而扰动周围和邻接的其他设备。扰动周围和邻接的其他设备。机械振动直接或通过介质伴生噪声，恶化环境和劳动机械振动直接或通过介质伴生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的情绪和健康。条件，危害人们的情绪和健康。第一节 概述：机械振动的作用用作测量仪器的工作原理：如调制信号的振子，振动用作测量仪器的工作原理：如调

3、制信号的振子，振动陀螺，振弦、振膜、振筒、振梁式各种传感器等等；陀螺，振弦、振膜、振筒、振梁式各种传感器等等；利用振动还可测定材料的弹性模量和阻尼，进行探伤利用振动还可测定材料的弹性模量和阻尼，进行探伤和地质矿产勘查等。和地质矿产勘查等。机械振动理论是动态测试仪器设计和性能研究的重要机械振动理论是动态测试仪器设计和性能研究的重要基础之一。基础之一。机械振动测试技术和仪器已经发展成为一个独立和完机械振动测试技术和仪器已经发展成为一个独立和完整的体系，是国际和国家计量标准项目之一。整的体系，是国际和国家计量标准项目之一。第一节 概述:机械振动测试的目的和内容测试设备在运行时的振动参量，目的是了解被

4、测对象的振动状态，评定振动量级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和评估。对设备或部件进行某种激励，对其受迫振动进行测试，以便求得被测对象的动态性能。如固有如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测试又频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测试又可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验等响应试验等第二节 机械振动的类型一、机械振动分类振动的原因：自由振动、受迫振动、自激振动振动的规律：简谐振动、周期振动、非周期振动、随机振动振动系统结构参数特性：线性振动、非线性振动振动系统的自由度：单自由度振动、多自由度振动从测量的观点，通常按振动量随时间的

5、变化规律将振动分类机械振动的类型1.1.简谐振动简谐振动位移表达式:速度(Velocity)和加速度(Acceleration)表达式:)sin()(txtxm)sin()sin()()2sin()cos()(222tatxdtxdtatvtxdtdxtvmmmm简谐振动简谐振动位移位移是研究强度和变形的重要依据。是研究强度和变形的重要依据。加速度加速度与作用力或载荷成正比，是研究疲劳和动力强与作用力或载荷成正比，是研究疲劳和动力强度的重要依据。度的重要依据。速度速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的；速度又与能量和

6、功很大频率范围内是由速度决定的；速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。率有关，并决定了力的动量。频率频率则是寻找振源和分析振动的主要依据，振动在受则是寻找振源和分析振动的主要依据，振动在受振机械上所产生的效果与振动频率和受振机械的固有振机械上所产生的效果与振动频率和受振机械的固有频率之比有很大的关系。频率之比有很大的关系。机械振动的类型2.复合周期振动(Compound Periodic Vibration)由两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合而成内燃机活塞加速度波形曲线和频谱图准周期振动频谱图机械振动的类型3.3.准周期振动准周期振动 由频率之比不全为有理数的简谐振动叠加而成

7、；如果忽略其相位角，也可用离散频谱来表征。4.4.瞬态振动、冲击瞬态振动、冲击 瞬态振动是在极短时间内仅持续几个周期的振动，冲击是指单个脉冲。过程发生突然，持续时间极短，能量很大机械振动的类型5.5.随机振动随机振动 没有确定周期，且振动量与时间也无一定的联系。路面的不平对车辆的激励；加工工件表面层几何物理状况的不均匀对机床刀具的激励；波浪对船舶的激励；大气湍流对飞行器的激励等。随机振动的时间历程曲线统计参数：均值、方差、相关函数、功率谱密度等振动的动态特性)(22tfkydtdycdtydm222022sinnnnd ydyyYtdtdt1.由作用在质量块上的力引起的受迫振动二、动态特性（单

8、自由度系统的受迫振动）外力作用下的质量弹簧阻尼单自由度系统0()sinf tFt改写为如下形式：为振动系统的固有频率为阻尼比，为激励力的频率/nk m/(2)Ckm(Y0=F0/k)由作用在质量块上的力引起的受迫振动方程的特解稳态振动：()sin()y tYt222022sinnnnd ydyyYtdtdt2222041nnYY212arctannn振幅相位差结论：稳态振动的频率与激励力的频率相同，相位角不同。由作用在质量块上的力引起的受迫振动共振曲线22220411nnYYM振幅放大因子：根据相位差和放大因子绘出的曲线称为共振曲线。共振曲线的性质：(1)共振曲线取决于和/n(2)/n 0时，

9、M1，00；(3)/n 时，M0，1800；(4)/n=1时，M=1/(2)，=900（与无关），称为相位共振相位共振；由作用在质量块上的力引起的受迫振动2/12n 共振曲线21 2arctan(5)当0.707时，无极大值；(6)当 时，max2121M此时，称为谐振频率。此时振幅为212rn0max2()21rFYYk由作用在质量块上的力引起的受迫振动当/n=1时，M ，振幅趋于无穷大，称为共振共振共振曲线(7)对于无阻尼系统对于无阻尼系统，=0，211nM振动的动态特性2.基础运动所引起的受迫振动 位移激励下的质量弹簧阻尼单自由度系统振动系统的受迫振动是由基座的运动所引起，这种情况称为位

10、移激励。设基础的绝对位移为x(t)质量块的绝对位移为y(t)考察质量块相对基础的运动z(t)022kzdtdzcdtydmxzdtdzdtzdnn22222基础运动所引起的受迫振动得到稳态振动的解：0()sinx tXt设基础振动为：)sin()(tZtz22220241nnnXZ212arctannnnnnjjH21)(22基础运动所引起的受迫振动位移激励时的共振曲线共振曲线的性质：(3)/n 0时，00；/n 时，1800(1)当 时，A()0，质量块随着基础一起振动；(2)当 时，A()1，质量块在惯性坐标系中处于静止状态nn第三节 机械振动测试系统各测量装置的幅频和相频特性在整个系统的

11、测试频率各测量装置的幅频和相频特性在整个系统的测试频率范围内应满足不失真测量条件的要求。范围内应满足不失真测量条件的要求。充分注意各仪器之间的匹配充分注意各仪器之间的匹配。组成框图组成框图振动的激励和激振器 为了研究和实测机械结构的动态特性，需要对被测对象施加一定的外加激励，使其作受迫振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激励方式：稳态正弦激励、瞬态激励、随机激励激振器：电动式、电磁式、电液式振动的激励和激振器1.稳态正弦激振借助激振设备，对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力，又称为简谐激振目的是要在稳态下测定响应与激励的幅值比和相位差为了能够测量某个频率范围内的响应，可以有级或无级的

12、改变激振力的频率，这一过程称为频率扫描。这种频率随时间而变化的正弦激励，又称为扫描激振。一、振动的激励方式振动的激励2.瞬态激振对被测对象施加一个瞬态变化的力(1)快速正弦扫描激振：激振力为正弦力，幅值恒定，频率在扫描范围内快速线性增加TffaTttfatFtf/)(0)(2sin)(minmaxmin振动的激励(2)脉冲激振：以一个力脉冲作用在被测对象上，激振力的频谱在一定范围内可看作是连续恒定的，也被称为“锤击法”(3)阶跃激振：激振力使被测结构产生初始变形，然后突然撤掉激振力，常用于建筑结构的振动测试振动的激励3.随机激振 许多机械或结构在运行状态下所受到的干扰力或者动载荷往往都具有随机

13、的性质，使用白噪声或者伪随机信号作为激励信号可以模拟被测物的工作状态，进行“在线”分析。伪随机信号是一种有周期性的随机信号。用随机信号激励时，输入和输出只符合统计规律。振动的激励和激振器按要求对被测对象施加激振力的装置。要求：具有良好的波形；足够的强度；稳定的交变力常用的激振器有：电动式电磁式电液式二、激振器激振器：电动式激振器：电磁式 二次分量（交变分量）一次分量（静态力）固定分量tABtBABBBAF2cos4sin2202101021200tBBBABFsin21002激振器：电液式第四节 振动特性参数测量一、振动量的测量指反映振动强弱程度的量。指x(t)，v(t)，a(t)的大小，三者

14、互为微积分关系，且它们的幅值关系与频率有关。)sin()(txtxm)sin()sin()()2sin()cos()(222tatxdtxdtatvtxdtdxtvmmmm第四节 振动特性参数测量在实际测量中，具体选用哪个量进行测量，目前尚无统一规定，要视具体情况而定，如现有仪器类型，测量的要求，频率范围及习惯等。在低频，考虑强度和变形时常采用位移测量，如：房屋、建筑、桥梁的振动、地震等；速度和振动物体的动能直接相关，在测量物体的振动强度，研究物体的减振效果时常采用速度测量；加速度和干扰力直接有关，在研究疲劳和高频条件下结构承受的振动能力时常采用加速度测量。选择合适被测量的参数范围固有频率和阻

15、尼的测量1.自由振动法(Free Vibration)二、固有频率和阻尼的测量（动力学参量）单自由度振动系统，给予初始冲击（速度为dz(0)dt）或初始位移为 z0，使系统在阻尼作用下作衰减自由振动0(0)()cossintnntddddzez tz ettdt固有频率和阻尼的测量阻尼自由振动曲线1222ln4iiMM阻尼比可根据阻尼自由振动的记录曲线相邻峰值的衰减比值来确定当阻尼较小时，近似认为n=d 2dT21dn固有频率和阻尼的测量2.共振法(Resonance)对单自由度系统进行正弦扫描激励，振动幅值最大时出现位移共振，此时的振动频率：21 2rn对于小阻尼系统，可以直接用共振峰对应的

16、频率来近似估计固有频率n（1）半功率点法21 2rn固有频率和阻尼的测量对于小阻尼系统阻尼比 可以根据幅频曲线半功率点处的频率按下式求出：n212幅频曲线固有频率和阻尼的测量（2）分量法受迫振动的频率响应函数：jjH2)1(1)(2/n 222221Re()(1)4H j 22222Im()(1)4H j 实部分量：虚部分量：固有频率和阻尼的测量实部和虚部分量法n=(2-1)/2 在=1处，即=n处，实部为零，虚部出现极小值，由曲线坐标可以得到n；根据实频曲线两个极值的间隔可以计算出振动的抑制 带来危害的振动 1旋转质量的不平衡 广义而言，机械设备中旋转的部件都可称为“转子”当转子的质量中心与

17、其回转轴线不重合，即出现偏心时，就会产生惯性离心力，离心力对设备构成谐波激振。振动的抑制 2.传动系统的缺陷或误差 制造不良或安装不正确的传动机构，如齿轮、蜗轮、丝杆等传动机构，会产生周期性的激振力传动皮带的接缝通过皮带轮或张紧轮时，也会引起周期性的冲击此外，链轮等传动装置其工作原理本身就包含传动的不均匀性，从而会引起周期性的激振力。振动的抑制 3工作载菏的波动 机器工作载荷的波动会引起各种类型的激振力象冲床、锻锤一类的设备，其工作载荷是“陡起陡落”的，因而会产生一种“冲击”激励；每一次冲击之后会激起一种衰减的自由振动振动的抑制 路面的不平对汽车车轮悬挂系统的激励，海浪对船体的激励，风力对大型

18、建筑的激励等等，属于此类这类激励多属随机性的。4.外界环境引起的激励振动的抑制方法 增加重量，提高构建刚度，减少振动和振幅 不适用轻量化和高速旋转的场合 抑制共振引起的大振幅的产生 对只有单一频率或一两个振源的场合，有明显效果。方法是避免工作在共振区，或快速通过共振区。安装减震装置 隔振 在振源和振动体之间设置隔振系统或隔振装置，以减小或隔离振动的传递有两类隔振，一是隔离机械设备通过支座传至地基的振动，以减小动力的传递，称为主动隔振；另一种是防止地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪器仪表，以减小运动的传递，称为被动隔振第五节 振动传感器或测量仪器检定（校准）一、主要技术参数灵敏度S：输出

19、电量与输入机械量之比（Sd Sv Sa）频率响应：幅频特性和相频特性。传感器灵敏度随频率的变化；不同频率时输入信号和输出信号之间的相位差 幅值线性度：输入振动频率不变，灵敏度随输入振动量变化的情况 横向灵敏度：传感器在垂直于灵敏轴方向的最大灵敏度与 灵敏轴方向的灵敏度之比 电阻抗；温度特性；湿度、辐射、抗电磁干扰等国家级检定：一般采用绝对法（0.5%2.0%)地方级检定：一般采用相对法（5%)检定方法4/2xn二、检定方法二、检定方法 1.1.绝对法绝对法激光干涉法（1%）2(2)afx检定方法二、检定方法二、检定方法 1.1.绝对法绝对法莫尔条纹法（1mm，1%）4nxN2(2)afxn一个

20、周期内接收到的脉冲数N每毫米光栅刻线数检定方法1122aaSUUS2.比较法比较法1被检加速度计2标准加速度计3刚性支架1212检定方法2.比较法比较法动态范围大的传感器，如压电加速度计，动态范围大的传感器，如压电加速度计，利用共振梁可以产生数百个利用共振梁可以产生数百个g以内的各种以内的各种振动强度振动强度共振梁校准法EIln24.22检定方法3.冲击法冲击法 加速度计稳态振动的校准数据不能应用于冲击测量状态；加速度计稳态振动的校准数据不能应用于冲击测量状态；对加速度计进行大加速度值的线性校准对加速度计进行大加速度值的线性校准速度改变法1212vvUgdtStta检定方法3.冲击法冲击法冲击力法mmmaF 检定方法3.冲击法冲击法冲击弹性波法（g）cv2dtdcdtdva252 10