1、第第4 4章章 振动信号的测试振动信号的测试 在工程实际中,特别是将振动技术应用于机械设备或结构的故障诊断时,经常采用的则是通过对实测振动信号的分析处理,借助一定的诊断策略,以此来判断所测对象的运行状态.振动实测是一种不可缺少的振动分析手段,更是机械故障振动诊断的关键步骤之一 以下几个振动测试 一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。信息转换信息转换信息提取信息提取 机械系统中，回转体
2、不平衡引起的振动，往往是一种周期性运动。例如，下图是某钢厂减速机上测得的振动信号波形(测点3)，可以近似地看作为周期信号。信号的时域描述只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除只有一个频率分量的简谐波外,一般很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的大小。信号中不同频率成分通过测量系统后的输出 振动测量方法分类振动测量方法分类 振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法电测法、机械法机械法和光学法光学法。其简单原理和优缺点见表名称原理优缺点及应用电测法将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目前最广泛采用的
3、方法机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多电测法振动测量系统电测法振动测量系统图所示为用电测法测振时系统的一般组成框图。由图可见，一个一般由图可见，一个一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置等
4、环节所组成显示记录装置等环节所组成。激 振系 统测振传感器中间变换电路功 放振动分析仪器显示记录反馈控制干扰信号发生器(1)(1)测振传感器测振传感器:将机械或结构的振动参量转变为将机械或结构的振动参量转变为适于电测的电参数适于电测的电参数 测振用的传感器又称拾振器，它有接触测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。容式、霍尔式、光电式等。拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。根据所
5、测振动参量和频响范围的不同,习惯上常将测振传感器分为振动位移传感器、振动速度传感器、振动加速度传感器三大类。典型的频响范围：0-10khz电涡流位移传感器、10-2khz磁电式速度传感器、0-50khz压电加速度传感器振动传感的选择原则 测量范围（量程）测量范围（量程）它是保证传感器有用的首要指标，超量程不仅意味着测量结果的不可靠，而且有时会造成传感器的永久损坏。对于振动加速度传感器，这个问题显得不那么重要，一个好的加速度传感，可承受10000g的冲击，一般性能的传感也能承受50g左右的振动 频响范围频响范围 振动参量的最显著特征就是其频率构成特性，一个振动信号往往是由许多频率不同的信号叠加而
6、成。要求用于振动测试的传感器的频响特性要好，即其幅频特性的水平范围尽可能宽，相频特性尽可能线性。同时要求传感器的频率下限尽可能低，以检测缓变的机械振动信号，频率上限尽可能高，以检测高频冲击信号。实际中结合测试目的和费用，传感器的工作频响范围应覆盖需要测试的信号频段。灵敏度灵敏度 一般，总是希望传感器的灵敏度尽量高，以便检测微小信号。须注意的几个问题：外界噪声的混入会因为传感器灵敏度提高而变得容易，故要求传感器的信噪比要高，以便在充分放大被测信号的同时，有效地抑制噪声信号；应同时考虑测量范围，使传感器工作在线性区；对于多维向量的测量，交叉灵敏度越小越好。精度精度 精度是影响测试结果真实性的主要指
7、标。传感器的精度与价格对应，精度提高一级，价格成倍增长；定性分析可选择低精度，而定量分析选择相对高精度的传感器；应考虑同一测试系统中的设备，尽量使它们属同一精度等级，以优化测试成本；稳定性稳定性 环境稳定性：温度、湿度、灰尘、电磁场等环境因素是任何传感器都要考虑的问题，以避免降低传感器的性能；时间稳定性：这时长期工况监测的传感器所要重点考虑的问题；此外，传感器的工作方式、外形尺寸、重量等也是选用传感器时需要考虑的因素。产品产品加速度计加速度计力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器（2）振动测量原理 根据线性系统的叠加原理，振动的响应是根据线性系统的叠加原理，振动的响应是振动系统拾振部分对各
8、个谐振动响应的叠加。振动系统拾振部分对各个谐振动响应的叠加。在许多情况下，例如惯性式测振传感器，振动系统的振动是由载体的运动所引起的。如图5.3所示。设载体的绝对位移为z1，质量块m的绝对位移为z0则质量块的运动方程为:0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdmmz。kc202dtzdm)()(1010zzdtdckzz由载体运动引起的振动响应 质量块m相对于载体的相对位移为:则上式可改写成:设载体的运作为谐振动，即:写成:1001zzz21201012012dtzdmkzdtdzcdtzdmtzmkzdtdzcdtzdmmsin1201012012,sin)(11tztzm考虑这样
9、几种情形下的响应特性：(1)z01相对于载体的振动位移z1，此时相当于测振仪处于位移计工作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为:其幅频特性曲线曲线如图所示。2222101)/2()/(1)/(nnnmmdzzAd2)/(1)/(2arctgnn 图 由载体运动引起的位移响应(2)z01相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为:其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图-所示。221014)/(1nnnmmzzA2)/(1)/(22nnVarctg 由载体运动引起的速度响应图 由载体运动引起的加速度响应(3)z01相对于载体的振动加速度，此时相当于测振仪
10、处于加速度计的工作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为:其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图所示。2222101)/2()/(1/1nnmmazzA2)/(1/2nnaarctg从可以看出：测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。在位移计状态下，其工作条件为1，即工作在过谐振区。对于加速度计来说，其工作条件为1，即工作在亚谐振区。对于速度计来说，则要求其工作在=1，即谐振区附近。阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性都有较大的影响。对位移计和加速度计而言，当取值在0.60.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线。对于速度计而言，则
11、是阻尼比越大，可测量的频率范围越宽，因此，在选用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。(3)(3)激振器激振器 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。下表列举了部分常用的激振器。名称工作原理适用范围及优缺点永磁式电动激振器装置于永磁体磁场中的驱动线圈与支承部件固联，线圈通电产生电动力驱动固联于支承部件的试件产生周期性正弦波振动频率范围宽，振动波形好，操作调节方便励磁式电动振动台利用直流励磁线圈来形成磁场，将置于磁场气隙中的线圈与振动台体相连，线圈通电产生电动力使振
12、动台体作机械振动频率范围宽、激振力大、振动波形好，设备结构较复杂电磁式激振器交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性的交变吸力，作为激振力用于非接触激振，频率范围宽、设备简单，振动波形差，激振力难控制电液式激振器用小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制油缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动激振力大，频率较低，台面负载大，易于自控和多台激振，设备复杂 表 部分常用的激振设备q 为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上,在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止：q 在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；q 在低频激振时，则将激振器的基座与静止的
13、地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。激振器安装原则：激振器安装原则：高频激振高频激振低频激振低频激振。按激励方式的不同，测试方法通常分为稳态稳态正弦激励测试正弦激励测试、随机激励测试随机激励测试和瞬态激励测试瞬态激励测试三种。稳态正弦激励测试稳态正弦激励测试 稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力，是最常用的一种激励方式。它具有能量它具有能量集中、精度高等优点，可分为单点激励和多点激集中、精度高等优点，可分为单点激励和多点激励。励。单点激励就是采用一个激振器，对结构上某单点激励就是采用一个激振器，对结构上某一点进行激励。一点进行激励。多点激励是用两个或两个以上的激振器对
14、被多点激励是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励。测物同时进行激励。下图是对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图。被测试件按实际工作条件固定。在其上选择激励点和测量点，激励点和测量点应避开各阶模态的节点或节线。激振器用橡皮绳悬吊，阻抗头与激振器之间用一个柔性杆连接（以减小激振器对试件非激励方向的附加刚度约束）。信号器输出单一频率的正弦信号经功率放大器推动激振器，使试件产生受迫振动。振动信号与力信号分别通过电荷放大器放大，并转变为电压信号输入分析仪进行分析运算，结果由记录仪或打印机输出。图 稳态正弦激励测试原理框图激振器功放信号发生器机械阻抗分析仪X-Y记录仪打印机电荷放大器加速
15、度计柔性杆力传感器被测试件 。分析仪器的作用是对激励及响应信号进分析仪器的作用是对激励及响应信号进行采样、变换、运算，从而求出传递函数的幅行采样、变换、运算，从而求出传递函数的幅值、相位或实部、虚部。值、相位或实部、虚部。稳态正弦激励测试常用的分析仪器有两类，即模拟量跟踪滤波器式模拟量跟踪滤波器式和数字相关积分式分析仪数字相关积分式分析仪，也可用FFT分析仪。瞬态激励测试 磁带记录仪电荷放 大 器器传递函数分析仪脉冲锤加速度计微型计算机X-Y绘图仪打印机去计算机中心图 脉冲锤击法测试原理框图瞬态激励方法 瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统
16、提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，下面分别讨论和介绍。快速正弦扫描 这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内成线内成线性增加，而幅值保持恒定性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。阶跃松驰激励 1、阶跃松弛激励定义 2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响
17、应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。3、实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。目前常用的瞬态激励方法为脉冲锤击法，它是用带有力传感器的手锤敲击试件，给试件一脉冲力。用装在试件上的加速度计或位移传感器测量响应，将力及响应信号同时送入分析仪以求出传递函数。锤击法测试原理如图所示。脉冲锤是锤击法的主要激振设备，其结构如图所示。它由锤头、测力计、附加质量和锤柄四它由锤头、测力计、附加质量和锤柄四部分组成。部分组成。锤头装在测力计上，敲击时直接与试件接触。为了得到不同的脉冲宽度，锤头可用不同的材料制成，根据测试频响要求，进行更换。锤
18、头的材料越软，其脉冲频谱越窄；反之锤头材料越硬，则脉冲频带越宽。几种常用锤头材料及使用频率范围见表。脉冲锤的质量（包括锤头、力传感器及附加配重）大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关。若力锤太小，能量不够；力锤太大，灵敏度低。所以应根据试件刚度和质量大小、频率范围等选择力锤的适当大小。锤头力传感器锤柄附加配重图脉冲锤结构 表常用锤头材料及使用范围 材料橡皮尼龙66有机玻璃铜钢使用频率（Hz）500以下5001000以下1k3k2k5k 当用脉冲锤进行冲击激励时，它相当于对被测系统施加了一个半正弦波的力脉冲，如图(a)所示。该类脉冲的频谱如图(b)所示，在小于上限频率fe的频段内，脉冲的频谱基本上
19、是平坦的，fe以后迅速下降。一般来说，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限额率额率fe越高越高。随机激振随机激振 随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，也是一种宽带激振方法。白噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数也是在=0处形成陡峭的峰，只要稍偏离零，自相关函数就很快衰减，其自功率谱密度函数也接近为常值。当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时，由于功放和激振器的通频带不是无限宽的，所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数，但它仍然是一种宽带激振，能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动。配合频谱分析仪，利用Sxy(f)=H(f
20、)Sx(f)式可以得到被测对象的频率响应。随机激励方法纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。()()()xyxSfH f Sf伪随机激励v 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。v 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。(4)(4)振动分析仪器振动分析仪器 从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。
21、目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚似频谱分析仪等。1.测振仪测振仪测振仪是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的仪器。2.频率分析仪频率分析仪模拟量频谱分析仪目前仍是振动测量较常用的分析设备。振动信号转换成电信号后，经中间变换电路输入频率分析仪，手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析。3.FFT分析仪分析仪 随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，用数学技术处理振动测量信号的方式已广泛被采用。以微处理器为核心和以快速傅里叶变换（FFT）算法为基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强。4.4.虚拟频谱分析仪
22、虚拟频谱分析仪 虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统，通常包括计算机图形软件，数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等。当然也包括少量的仪器硬件（例如数据采集硬件）以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。和传统的FFT分析仪相比，具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口，采样速率和频谱二进制数，且价格低，技术更新快，具有灵活的开放功能等。振动信号的频谱分析振动信号的频谱分析 在振动测量中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。利用信号处理技术，通利用信号处理技术，通过傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号加以过傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析。分
23、析的方法就称为频谱分析。频谱分析技术包括频谱分析技术包括幅值谱分析、自功率谱密度函数分析、互功率谱幅值谱分析、自功率谱密度函数分析、互功率谱密度函数分析、相干函数分析、倒频谱分析等。密度函数分析、相干函数分析、倒频谱分析等。振动信号经过频谱分析，可以求得信号的频率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断。图 电动机的在线识别 图表示在某电动机生产线上，利用响应频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。具体检测步骤如下：（1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上运送的电动机；（2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪；（3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较；（4）进行合格与否判断，输出判断信号。如图分别为典型的合格品与废品的振动频谱。从图中可以看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。主要传感器和测试仪器生产厂商主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动、振动/噪声传感器噪声传感器 丹麦丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/ 美国美国霍尼威尔霍尼威尔公司（有全球最大公司（有全球最大传感器传感器技术研究中心）技术研究中心）http:/ 美国国家仪器公司美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/
