1、11.1 工程振动测试方法及分类工程振动测试方法及分类一、机械式的测量方法一、机械式的测量方法 测量的频率较低，精度也较差。测量的频率较低，精度也较差。二、光学式的测量方法二、光学式的测量方法 激光测量方法激光测量方法 动态云纹法动态云纹法 第第11章章 振动传感器的工作原理振动传感器的工作原理 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques三、电测方法三、电测方法 应用于工程测试。优点：应用于工程测试。优点： 1. 具有较宽的频带；具有较宽的频带； 2. 具有较高的灵敏度和分辨率；具有较高的灵敏度和分辨率； 3. 具有较大的动态测量范围；具有较大的动态测量范围；
2、 4. 可减小对试验对象的附加影响，可做成非可减小对试验对象的附加影响，可做成非接触式的测量系统；接触式的测量系统； 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques5. 可以根据被测参量的不同选用不同的振动传可以根据被测参量的不同选用不同的振动传感器；感器； 6. 能进行远距离测量；能进行远距离测量； 7. 便于对测得的信号进行贮存，以便作进一便于对测得的信号进行贮存，以便作进一步分析；步分析； 8. 适合于多点测量和对信号进行实时分析。适合于多点测量和对信号进行实时分析。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 工工 程程
3、振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques电测法中的电测法中的部分振动测量系统部分振动测量系统 测量系统基本包含拾振、测量放大线路和测量系统基本包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。显示记录三个环节。 1、拾振环节。、拾振环节。 2、测量线路。、测量线路。 3、显示及记录环节。、显示及记录环节。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.2 11.2 传感器的机械接收原理传感器的机械接收原理振动传感器是将机械振动量转换为电振动传感器是将机械振动量转换为电量的特殊装置。量的特殊装置。振动传感器的基本作用是接收被测的振动传感器的基本
4、作用是接收被测的机械量或力学量，并转换成与之有确定机械量或力学量，并转换成与之有确定性关系的电量，然后提供给测试系统的性关系的电量，然后提供给测试系统的后续设备后续设备. . 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques振动传感器由两部分组成，即机械接收部分和振动传感器由两部分组成，即机械接收部分和机电变换部分。机电变换部分。电测法的工作核心是传感器，由于它是一种机电测法的工作核心是传感器，由于它是一种机电转换装置。所以也称它为换能器、拾振器等。电转换装置。所以也称它为换能器、拾振器等。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Technique
5、s11.2.1 相对式机械相对式机械 接收原理接收原理 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques特点特点: : 相对式机械接收部分所测得的结果是相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动。被测物体相对于参考体的相对振动。 但需要测绝对振动时，又找不到不动但需要测绝对振动时，又找不到不动的参考点，相对式机械接收原理就无的参考点，相对式机械接收原理就无用武之地。用武之地。 行驶的车辆的振动。在行驶的内燃机行驶的车辆的振动。在行驶的内燃机车的内燃机车的振动，在地震时楼房车的内燃机车的振动，在地震时楼房的振动的振动等，都不存在一个不动的等，都不存
6、在一个不动的参考点。参考点。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.2.2 11.2.2 惯性式机械接收原理惯性式机械接收原理 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 动坐标系动坐标系 xr 固结在外壳上。静坐标系固结在外壳上。静坐标系O x与地面相固连。与地面相固连。1. 1.惯性式测振仪的动力分析惯性式测振仪的动力分析 为研究惯性质量为研究惯性质量块块m与外壳的相对振与外壳的相对振动规律，取惯性质量动规律，取惯性质量块块m为研究对象。为研究对象。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Tech
7、niques 惯性质量块的相对运动微惯性质量块的相对运动微分方程为：分方程为：mgxcxmxkmgRQFxmrrr )( F=k(xr ) 弹性力弹性力Q=m 牵连惯性力牵连惯性力R=c 阻尼力阻尼力mg=k 其中，其中， 为弹簧的静伸长，为弹簧的静伸长，x rx 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques经整理得：经整理得：xmkxxcxmrrr 设设2n=c / m， 被测振动物体的运动规被测振动物体的运动规律为：律为：x=xmsin t，得：，得：mkn txxxnxmrnrrsin222 )sin()sincos(txtctcexrmnnntr21方程
8、通解为：方程通解为： 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques自由振动很块就被衰减掉。特解为自由振动很块就被衰减掉。特解为xr=xrmsin( t- )422222224)1 (nnmnrmnxx2212nntan其中：其中： 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 此式表达了质量元件与外壳的相对振动位移幅此式表达了质量元件与外壳的相对振动位移幅值值xrm 与外壳振动的位移幅值与外壳振动的位移幅值xm之间的关系及它们之间的关系及它们之间相位差的大小。之间相位差的大小。2222241)(mrmxx2112tan如果引入频率
9、比如果引入频率比 及阻尼比及阻尼比 则则 = 其中其中cc = 2 临界阻尼系数。临界阻尼系数。 ccc=kmn 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques2. 位移传感器位移传感器（1）构成位移传感器的条件。）构成位移传感器的条件。2222241)(mrmxx2222241）(mrmxx以以 为横坐标，为横坐标， 为纵坐标，绘制幅频特性曲线。为纵坐标，绘制幅频特性曲线。mrmxx将将改写为改写为 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques位移传感器的幅频曲线示意图位移传感器的幅频曲线示意图若满足条件：若满足条件： = 时，时
10、，xrm xm， 1m1ccc 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques注：注：阻尼比阻尼比 对传感器性能的影响对传感器性能的影响适当增大阻尼比适当增大阻尼比 ，传感器在共振区（，传感器在共振区（ =1=1）附近）附近的幅频特性曲线会平直起来，从而增大了传感器的幅频特性曲线会平直起来，从而增大了传感器的测量范围，其中以的测量范围，其中以 =0.6=0.60.70.7比较理想。比较理想。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques以以 为横坐标，为横坐标， 为纵坐标，为纵坐标，绘制相频特性绘制相频特性曲线。曲线。 记录到的振动
11、位移波形将与被测物体的振动记录到的振动位移波形将与被测物体的振动位移波形成正比，因此称为位移传感器。位移波形成正比，因此称为位移传感器。满足条件满足条件： = = 时，时， ，简化为：简化为：1m1ccc)sin(txxmr 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques3. 加速度传感器加速度传感器 构成加速度传感器的条件构成加速度传感器的条件被测物体的加速度被测物体的加速度 与位移与位移x的关系为：的关系为：x=xm sin t=xm 2 sin( t+ )或或= m sin( t+ ) m=xm 2x x x x x 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试
12、Testing Techniques 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques2222241 )(mrmxx将将改写为以下形式：改写为以下形式：22222411）(mrmxx 因为因为 = = 所以得所以得 n22222411）(nmrmxx 以以 为横坐标为横坐标， 为纵坐标，绘制幅频特性曲线。为纵坐标，绘制幅频特性曲线。 2nmrmxx 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques txxnmrsin2 当当 1时，时， 1，即，即xr m 所以所以1n2nmrmxx 2nmx 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Te
13、sting Techniques 注：注： （1）传感器的相对振幅是被测加速度幅值的）传感器的相对振幅是被测加速度幅值的1/ n倍，且当传感器确定后，倍，且当传感器确定后， n是一个常数值。是一个常数值。 （2）在相位上，当）在相位上，当 1， 1时，时， 0。xr = sin t （3）由于记录到的振动波形将与被测物体的加）由于记录到的振动波形将与被测物体的加速度波形成正比，于是，就构成了一个加速度传感器速度波形成正比，于是，就构成了一个加速度传感器。2nmx 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques4. 测量非简谐振动时应该注意的问题测量非简谐振动时应该
14、注意的问题 (1)、复杂周期振动的测量、复杂周期振动的测量110)sin(2)(nnntnxxtx11)sin(nnnrmrtnxxn复杂周期振动的表达式复杂周期振动的表达式稳态解为稳态解为位移传感器当位移传感器当时，有时，有 nrmxx ，11)(nttnnnn111)sin(nnnrmrnttnxxn11)(sin(nnnrmttnxn 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques110)sin(2)(nnntnxxtx111)sin(nnnrmrnttnxxn11)(sin(nnnrmttnxn 以上两式相比存在相位差，但它是一个常量，即相当于移动了以上两
15、式相比存在相位差，但它是一个常量，即相当于移动了一个时间常量一个时间常量tn（超前或滞后），不会使输出波形发生畸变。（超前或滞后），不会使输出波形发生畸变。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 结论：对于位移传感器、加速度传感器当满足它们的工作条结论：对于位移传感器、加速度传感器当满足它们的工作条件时，它们的相频曲线都可以近似为在线性关系，所测的复杂件时，它们的相频曲线都可以近似为在线性关系，所测的复杂周期振动信号，不会引起波形畸变。周期振动信号，不会引起波形畸变。 同理，对于准周期振动，也可得到同样的结论。同理，对于准周期振动，也可得到同样的结论。工工
16、 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques(2)(2)、非周期振动测量的简单介绍、非周期振动测量的简单介绍 在非周期振动中，信号的各阶谐波分量在整个频率在非周期振动中，信号的各阶谐波分量在整个频率域上是连续分布的，即：非周期振动是由频率从域上是连续分布的，即：非周期振动是由频率从0 0的所有的简谐振动的合成振动。的所有的简谐振动的合成振动。 为了能够正确地反映和记录非周期振动，要求惯性为了能够正确地反映和记录非周期振动，要求惯性式传感器在低频区（即式传感器在低频区（即 1 1的区域）具有良好的幅的区域）具有良好的幅频特性。频特性。 工工 程程 振振 动动 与与 测
17、测 试试Testing Techniques 但在共振区（但在共振区（ =1=1附近）和高频区（附近）和高频区（ 1 1），已超），已超出它的工作范围。为了克服这个缺点，可以选择固出它的工作范围。为了克服这个缺点，可以选择固有频率很高的加速度传感器，并采用适当的措施，有频率很高的加速度传感器，并采用适当的措施，如可合理地确定需要测定的如可合理地确定需要测定的“最高最高”谐振频率，并谐振频率，并配置相应的低通滤波器及增大加速度传感器的阻尼配置相应的低通滤波器及增大加速度传感器的阻尼等。等。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3 11.3 传感器的机
18、电变换原理传感器的机电变换原理 传感器的种类繁多，应用范围极其广泛。以电传感器的种类繁多，应用范围极其广泛。以电测法为例，其测试系统示意框图如图示。测法为例，其测试系统示意框图如图示。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques振动传感器按其功能可有以下几种分类方法振动传感器按其功能可有以下几种分类方法。表 111 振动传感器的分类 按机械接收原理分 1.相对式：顶杆式，非接触式 2.惯性式（绝对式） 按机电变换原理分 1.电动式（磁电式） 4.电感式 2.压电式 5.电容式 3.电涡流式 6.电阻式 按所测机械量分 1.位移传感器 5.应变传感器 2.速度传
19、感器 6.扭振传感器 3.加速度传感器 7.扭矩传感器 4.力传感器 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.1 11.3.1 相对式电动传感器相对式电动传感器 传感器由固定部分、可动部分以及三组拱传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片所组成。形弹簧片所组成。 三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。应注意满足跟随条件。应注意满足跟随条件。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques传感器的跟随条件：传感器的跟随条件： 以顶杆质量块以顶杆质量块m为研究为研究对象，如受力图所示。对象
20、，如受力图所示。运运动微分方程为：动微分方程为： 满足的条件是满足的条件是N 0，可得可得 FNxm 0FxmN 由于，由于，1、当、当 = 0时，条件自然满足。时，条件自然满足。 max max 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques相对电动式传感器也是一种速度传感器。相对电动式传感器也是一种速度传感器。mFmaFam0m0 0或由于由于x ，则，则F1F0，所以，所以F F0。因此传感器因此传感器的跟随条件为：的跟随条件为：a、 预压力预压力F0=K 。b、弹性恢复力、弹性恢复力F1=kxx 2、当、当am= 0，由于弹，由于弹性力性力F=F0+F1
21、工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 相对式电动传感器相对式电动传感器工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.2电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。测量物体的振动位移或幅值的。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 工作原理：电涡流传感器中有一线圈，通以高频工作原理：电涡流传感器中有一
22、线圈，通以高频激励电流激励电流i，并产生磁通量为，并产生磁通量为 i的高频交变磁场，在的高频交变磁场，在其作用下振动体表面产生电涡流其作用下振动体表面产生电涡流ie，这个电涡流又产，这个电涡流又产生的磁通生的磁通 e穿过原来的线圈，它总是抵抗主磁场的变穿过原来的线圈，它总是抵抗主磁场的变化。因此，传感器线圈与涡流相当于两个互感线圈。化。因此，传感器线圈与涡流相当于两个互感线圈。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques )1 ( 22dKdKLLRLLRRee； 当电流的频率甚高时，即当电流的频率甚高时，即Re Le时，等效图中时，等效图中的的R 、L 近似
23、为近似为 为耦合系数，为耦合系数，M（d）为互感系数。）为互感系数。 eLLdMdK工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 因此，间隙因此，间隙d的变化就转换为的变化就转换为L 的变化，然后再的变化，然后再通过测量线路将通过测量线路将L 的变化转换为电压的变化转换为电压ui 的变化。因此的变化。因此，只要测定，只要测定ui的变化，也就间接地求出了间隙的变化，也就间接地求出了间隙d的变的变化。化。 )1 ( 22dKdKLLRLLRRee； 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniquesl优点：电涡流传感器具有频率范围宽（优点：
24、电涡流传感器具有频率范围宽（010 kHZ)，线性工作范围大、灵敏度高、结构简单以，线性工作范围大、灵敏度高、结构简单以及非接触式测量等。及非接触式测量等。 应用：静位移的测量、振动位移的测量、旋转机应用：静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量等各方面。械中监测转轴的振动测量等各方面。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques线圈框架支架衬套电缆插头电缆螺母填料保护套壳体框架线圈（a）（b）电涡流传感器结构示意图电涡流传感器结构示意图 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 电涡流传感器电涡流传感器工
25、工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.3 电感式传感器电感式传感器电感式传感器是一个带有工作气隙电感式传感器是一个带有工作气隙 的电感元件。的电感元件。R线圈的直流电阻，线圈的直流电阻， 工作电压的频率，工作电压的频率，W线圈的匝数，线圈的匝数，l和和 分分别是铁心和气隙的工别是铁心和气隙的工作长度，作长度， 和和 0分别分别是铁心和空气的导磁是铁心和空气的导磁率，率，A是铁心面积。是铁心面积。阻抗表达式阻抗表达式 AAjRZW02工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniquesl振动参数振动参数A（t）、）、 （t）的
26、变化转换成电参量）的变化转换成电参量Z（t）的变化。的变化。二种形式：二种形式： （a）可变间隙的。）可变间隙的。 （b）可变导磁面积的。）可变导磁面积的。 AAjRZW02工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques可变间隙传感器的可变间隙传感器的输出电参数特性。输出电参数特性。 AAjRZW02可得到在可得到在=(0.10.15) 0 0范围内的线性工作区。范围内的线性工作区。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 对于差动式传感器的特性曲线，可以获得在对于差动式传感器的特性曲线，可以获得在= (0.30.4） 0 0
27、范围内的线性工作区。范围内的线性工作区。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 当把差动式电感传感器的两个线圈放到高速旋当把差动式电感传感器的两个线圈放到高速旋转轴的两侧，就构成了非接触式电感传感器。它转轴的两侧，就构成了非接触式电感传感器。它可测量轴心轨迹。可测量轴心轨迹。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.4 电容传感器电容传感器 C电容量，电容量，A公共面积，公共面积， 极板间的距离，极板间的距离，K介电常数。介电常数。)(AKC 两个平行导体极板间的电容量表示为两个平行导体极板间的电容量表示为工
28、工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques FCC0 电容传感器的两种型式。电容传感器的两种型式。1、可变间隙，、可变间隙，2、可变、可变公共面积。公共面积。 由于电容量由于电容量C和间距和间距 的关系是双曲线的关系，只的关系是双曲线的关系，只有当有当 0 时，根据时，根据K及及A的值来适当地选择的值来适当地选择 0时。公时。公共面积共面积A为常数，可得为常数，可得工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques FCC电容传感器是非接触型的位移传感器。电容传感器是非接触型的位移传感器。对于间距对于间距 是固定的，当是固定的，当 /2
29、 25010KHZ绝缘螺栓连接，结合面涂薄层硅脂2508KHZ蜂蜡粘合407KHZ磁座吸合1501.5KHZ触杆手持不限0.4KHZ 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques（b b）中心配合中心配合压缩式压缩式 压电加速度传感器的结构示意图压电加速度传感器的结构示意图（a a）外圈配合外圈配合压缩式压缩式（c c）倒装中心配倒装中心配合压缩式合压缩式（d d）剪切式剪切式工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 压电加速度传感器压电加速度传感器工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques
30、工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.7 压电压电式式力传感器力传感器压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应制成。用来测量动态激振力。电效应制成。用来测量动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大和压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大和体积小、重量轻等优点，因而获得广泛应用。体积小、重量轻等优点，因而获得广泛应用。 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques bSPPPFkkkF在静态情况，晶体片上实在静态情况，晶体片上实际所受的力为：际所受的力为
31、：bPFF只有当只有当kP ks 时，时，工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques bbPbamFFtttPamFF在动态情况下，考虑传感器底部质量在动态情况下，考虑传感器底部质量mb和顶部质量和顶部质量mt的惯性力。的惯性力。 实际试件上的力为实际试件上的力为Ft=FPmtat，测到的力为，测到的力为FP。使用时使用时注意注意：必须将质量轻的一端与试件相联。：必须将质量轻的一端与试件相联。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques压电压电式式力传
32、感器力传感器11.3.8 阻抗头阻抗头阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体。器和压电式加速度传感器于一体。 阻抗头由两部分组成，阻抗头由两部分组成，a、力传感器，、力传感器，b、加速度传感器。、加速度传感器。作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。动响应。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques从从“力输出端力输出端”的信号测量激振力，从的信号测量激振力，从“加速度输出加速度输出端端”的信号测量加速度响应。的信号测量加速度响应。
33、阻抗头一般只能承受轻载荷，只可用于轻型的结构等阻抗头一般只能承受轻载荷，只可用于轻型的结构等的测量。的测量。 优点：保证响应的测量点就是激优点：保证响应的测量点就是激振点。振点。注：小头（测力端）连向结构。注：小头（测力端）连向结构。大头（测量加速度）连接激振器大头（测量加速度）连接激振器。力传感器和阻抗头，测量线路均力传感器和阻抗头，测量线路均是电荷放大器。是电荷放大器。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques11.3.9 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将被测的机械振动量转换成电阻式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化。传感元件电阻
34、的变化。mx 工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques 00KllKRRRKR0电阻应变式传感器的工作电阻应变式传感器的工作原理：长为原理：长为l、电阻值为、电阻值为R的应变片粘贴在某试件上的应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变时，试件受力变形，应变片就由原长片就由原长l变化到变化到l+ l ，应变片阻值则由，应变片阻值则由R变化变化到到R+ R ，变化关系为，变化关系为K0应变片的灵敏度系数；应变片的灵敏度系数；工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques应变片结构示意图应变片结构示意图 应变片加速度传感器结构应变片加速度传感器结构示意图示意图 底座底座应变片应变片接线板接线板悬臂梁悬臂梁阻尼液阻尼液密封垫密封垫接线板接线板工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniquesl电阻值的变化量及变化规律用电阻动态应变仪电阻值的变化量及变化规律用电阻动态应变仪测得，经过计算，从而可求出有关的振动参量。测得，经过计算，从而可求出有关的振动参量。 应变式加速度传感器应变式加速度传感器电阻应变式传感器实际上是惯性式电阻应变传感器。电阻应变式传感器实际上是惯性式电阻应变传感器。工工 程程 振振 动动 与与 测测 试试Testing Techniques
