1、第九章 机械振动的测试本章要点:1.机械振动的类型2.振动的激励和激振器3.测振传感器原理及选择4.振动参数的测量第一节 概 述振动产生原因：（1）力的变化、零部件之间的碰撞和冲击。如回转件不平衡、负载不均匀、润滑不良、间隙等（2）能量传递、存贮和释放等诱发激励振动。振动的危害：（1）破坏机器正常工作和原有性能，如影响精度、寿命、可靠性甚至损坏。（2）产生噪声，恶化环境和工作条件，危害健康。振动的有效利用：如输送、清洗、磨削、监测等。无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声
2、的要求，这些都离不开振动的测量。提出了低振级和低噪声的要求，这些都离不开振动的测量。研究机械振动的意义：研究机械振动的意义：（1）对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，确保设）对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，确保设备安全运行及产品质量；备安全运行及产品质量；（2）对机械结构进行振动分析和设计，提高和改善机械设）对机械结构进行振动分析和设计，提高和改善机械设备的抗振能力。备的抗振能力。（3）通过对振动信号的监测，及时对工作环境实施控制。）通过对振动信号的监测，及时对工作环境实施控制。振动测试应用：振动测试应用：作为现代技术手段，广泛应用于机械制造、建筑工程、作为现代技术手段，广泛应用于
3、机械制造、建筑工程、地球物理勘探、生物及医疗等领域。地球物理勘探、生物及医疗等领域。电动机的在线识别例：下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。上图分别为典型的合格品与废品的振动频谱。从图中可知，废品频谱图中往往在某一频率有较大幅值。基本概念：基本概念：振动振动：狭义上讲，把具有时间周期性的运动称为振动。：狭义上讲，把具有时间
4、周期性的运动称为振动。广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动（如机械振动、电磁振动）。变化，都称为振动（如机械振动、电磁振动）。机械振动机械振动：物体在一定：物体在一定位置位置附近作附近作周期性周期性往复运动。往复运动。机械振动系统机械振动系统：指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系：指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。统，单摆就是一种简单的机械振动系统。构成机械振动系统的基本要素有构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性惯性、恢复性和和阻尼阻尼。惯。惯性就是能使系统当前运动持续
5、下去的性质，恢复性就是能使系性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度、刚度K和阻尼和阻尼c表征。表征。机械振动测试的内容（两类）：机械振动测试的内容（两类）：（1 1）测量设备在运行时的）测量设备在运行时的振动参量振动参量 目的：目的：了解振动状态，评定振动等级和寻找振源以便进行了解振动状态，评定振动等级和寻找振源以便进行 监测、诊断、识别及评估监测、诊断、识别及评估（2 2）施
6、加外加激励，求取被测对象的振动）施加外加激励，求取被测对象的振动力学参量或动态性能力学参量或动态性能 分类：分类：振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验被测对象测振传感器功率放大器激振器 显示记录仪器振动分析仪器测量电路信号发生器 机械振动测试系统组成框图机械振动测试系统的基本要求：机械振动测试系统的基本要求：（1 1）幅频特性和相频特性在测试范围内满足不失真条件；）幅频特性和相频特性在测试范围内满足不失真条件；（2 2）注意各环节间的匹配。比如：传输环节的阻抗匹配；）注意各环节间的匹配。比如：传输环节的阻抗匹配；（3 3）系统稳定可靠。如防止
7、屏蔽、接地等措施排除电磁干扰，）系统稳定可靠。如防止屏蔽、接地等措施排除电磁干扰，合理滤波排除或削弱信号干扰。合理滤波排除或削弱信号干扰。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 如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可以求出系统的数学模型，也即以求出系统的数学模型，也即动态特性动态特性。振动系统测试振动系统测试就是就是求取系统系统动态特性的一种试验方法。求取系统系统动态特性的一种试验方法。一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：1)激励部分激励部分 功
8、能：实现对被测系统的激励功能：实现对被测系统的激励(输入输入)，使系统发生振动。，使系统发生振动。组成：主要由组成：主要由激励信号源激励信号源、功率放大器功率放大器和和激振装置激振装置组成。组成。激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受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。被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。2)拾振部分拾振部分 功能：检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号功能：检测并放大被测系统的输入、输出信号
9、，并将信号 转换成一定的形式转换成一定的形式(通常为电信号通常为电信号)。组成：主要由组成：主要由传感器传感器、可调放大器可调放大器组成。组成。拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往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。决定了整个仪器或系统的性能。3)分析记录部分 功能：将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接进行分析处理并记下处理结果。组成：主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。拾振器检测到的振动信号和激振点检测到的力信号要经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚拟频谱分析
10、仪等。a.测振仪：振仪是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的 峰值、峰峰值、平均值或均方值的仪器。b.频率分析仪：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。c.FFT分析仪：是以微处理器为核心、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。d.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
11、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。第二节 机械振动的类型一、振动的类型及其表征参数机械振动确定性振动随机振动非周期振动周期振动平稳性非平稳性简谐振动周期振动准周期振动瞬态振动各态历经非各态历经按产生振动的原因分：自由振动：系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而 引起的振动。（反映系统内部结构所有信息，是研究 强迫振动的基础）受迫振动：系统在持续的外作用力激励下的振动自激振动：无外部激励作用，由系统本身原因产生的振动。按振动规律分：(一)简谐振动(单自由度无阻尼系统的自由振动)2 4 6 8 10 12 14-
12、1-0.5 0.5 1 v t x a)sin()(txtxm)2sin()cos(/)(tvtxdtdxtvmm)sin()cos(/)(222tatxdtxdtamm结论：(1)单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函数或统称为谐波函数表示的，故称为简谐振动；(2)自由振动的角频率即系统的自然频率仅由系统本身的参数所确定，而与外界激励、初始条件等均无关。(3)无阻尼自由振动的周期为(4)自由振动的振幅X和初相角由初始条件所确定。(5)单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。kmT/2已知x(t)、v(t)、a(t)、f中任意两个，可推算其它两个振动参数应根据实际需要予以选择：位移是研究
13、强度和变形的主要依据；加速度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；速度决定了噪声的高低，又与能量和功率有关，并决定了力的动量；人对振动的敏感程度很大频率范围内由速度决定；频率则是寻找振源和分析振动的主要依据。振动在受振机械上的效果与振动频率和系统固有频率有很大关系。(二)复合周期振动 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。(三)准周期振动 准周期振动是由频率比不全为有理数的简谐振动迭加而成。(四)瞬态振动、冲击瞬态振动是指在极短时间内仅持续几个周期的振动。冲击是指单个脉冲。特点：过程突然发生，持续时间极短，能量却很大。通常由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。(
14、五)随机振动 没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系。统计参数通常有均值、方均值、方差、相关函数和功率谱密度函数等。二、单自由度系统的受迫振动(一)由作用在质量块上的力所引起的受迫振动)(22tfkydtdycdtydm当 f(t)=F0sin(t-)时，)sin(202222tYydtdydtydnnn特解：y(t)Y sin（t-）22220)/(4)/(1 nnYY2)/(1/2arctannnmkn/固有频率kmc 2/阻尼比静力F0产生的位移 Y0=F0/k22220)/(4)/(1 1nnYYM放大因子共振曲线性质：共振曲线只取决于/n和；/n0时，M1，0；/n时,M0,18
15、0；/n=1时，位移始终落后于激励力90现象，称相位共振（与阻尼比无关，可用相位确定n）。此时M=1/2；1/2=0.707时,无极大值；=0时，/n=1处M=；M的极大值和相位差 2max12/1M)/21arctan(2221nr位移共振频率(二)由基础运动所引起的受迫振动位移激励:振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。设基础的绝对位移为x(t)，质量块m的绝对位移为y(t)，质量块m对基础的相对位移为(y-x)。其运动方程为：0)()(22xykdtxydcdtydm设基础运动x(t)X sint，则稳态振动的解为y(t)Y sin（t-）222222)/(4)/(1)/(41nnn
16、XY2222)/(4)/(1)/(2arctannnn定义Y/X为传递率xdtdxydtdydtydnnnn222222当/n=时，传递率为1，与阻尼比无关22)2/(11/XY当/n 0时，而当/n时，18当当/n=l 时，时，=arctan（1/2）三、振动计量器具检定系统（P203）(一一)振动计量基准器具振动计量基准器具国家振动基准装置国家振动基准装置：复现按正弦规律振动的位移、速度、：复现按正弦规律振动的位移、速度、加加速度单位的基准装置。速度单位的基准装置。国家振动副基准装置国家振动副基准装置：用于振动量值传递。：用于振动量值传递。按频率分类按频率分类：低、中、高频国家振动基准装置
17、：低、中、高频国家振动基准装置组组 成成：激励振动系统、精密位移测量系统、频率测量系：激励振动系统、精密位移测量系统、频率测量系统统包括振动计量标准和仪器的定度规程两部分内容频段频率范围激振方式位移测量方法频率测量低频0.160Hz电动式直接记数法（迈克尔逊干涉仪）频率计中频202000Hz电动式多周期记数法（迈克尔逊干涉仪）高频250kHz压电式贝塞尔函数法、相位圆细分法国家振动基准装置的结构及频率范围(二)低频国家振动基准装置（1）激励振动系统分类：垂直向激振系统、水平向激振系统组成：正弦信号发生器、功率放大器、振动台提高精度措施：a.振动台运动件（动圈弹簧）为空气弹簧（橡胶气囊），与活动
18、质量配合可得到较低自振频率；橡胶阻尼性好，隔离干扰振源和吸收高次谐波；调节气囊压力，可保证活动系统线性工作。b.空气静压轴承，对动圈导向。不产生机械摩擦，噪声小，减小横向和扭曲振动，从而减小台面失真度。c.增加导向装置，保证动圈上、下平稳；（2）位移测量系统（迈克尔逊干涉仪）振动一个周期内光强变化N次，即干涉条纹数：N=4n=8Xm/则振动振幅：Xm=N /8（3）频率测量 通过高精度频率计测量信号发生器的频率。(三)中频国家振动基准装置（1）激励振动系统范围：202000Hz结构：与低频装置基本相同。a.为提高共振频率，需减小动圈质量，动圈骨架为氮化硅材料。b.密度小，可提高共振频率，降低功
19、放功率和振动台面失真度。c.材料热膨胀系数小，故动圈变形小，动圈和空气轴承间的气隙小，从而减小台面横向振动量。（2）位移测量系统（迈克尔逊干涉仪）相比低频较大振幅，中频振幅要较小。记数方法采用多个周期记数的整数取平均，提高准确度。（3）频率测量 通过高精度频率计测量信号发生器的频率。(四四)高频国家振动基准装置高频国家振动基准装置（1）激励振动系统）激励振动系统范围：范围：520kHz设备：压电式振动台设备：压电式振动台（2）振幅测量系统）振幅测量系统 由于振幅较小，故在激光干涉仪的基础上采用由于振幅较小，故在激光干涉仪的基础上采用贝塞尔函数法贝塞尔函数法和和相位圆细分法相位圆细分法等。等。贝
20、塞尔函数法贝塞尔函数法：由贝塞尔函数可知，当振动位移达到最大值：由贝塞尔函数可知，当振动位移达到最大值(Xm)时，贝塞尔函数也达到最大值。若已知贝塞尔函数振幅关系式，时，贝塞尔函数也达到最大值。若已知贝塞尔函数振幅关系式，通过调节振动位移，使光电检测器输出信号达到极大值，反求振通过调节振动位移，使光电检测器输出信号达到极大值，反求振幅值。幅值。相位圆细分法相位圆细分法：将光强变化频率和振动频率之比用专用示波器分：将光强变化频率和振动频率之比用专用示波器分频，经负载转化为脉冲信号输出，计数器计数，计算后求振幅。频，经负载转化为脉冲信号输出，计数器计数，计算后求振幅。（3）频率测量）频率测量 通过
21、高精度频率计测量信号发生器的频率。通过高精度频率计测量信号发生器的频率。五、振动测量仪器的检定要求：制造单位严格检定，使用者定期校准、重要实验前定度。（一）振动传感器及其测量系统的主要技术参数（一）振动传感器及其测量系统的主要技术参数1.灵敏度灵敏度：输出电量（：输出电量（U、Q）与输入机械量之比）与输入机械量之比2.频率响应频率响应：包括幅频特性和相频特性：包括幅频特性和相频特性3.幅值非线性幅值非线性：规定测量范围内、输入频率不变情况下，传：规定测量范围内、输入频率不变情况下，传感器灵敏度随输入振动量变化的情况。反映动态工作范围感器灵敏度随输入振动量变化的情况。反映动态工作范围及在不同幅值
22、时的误差大小。及在不同幅值时的误差大小。4.横向灵敏度横向灵敏度：传感器在垂直于测量轴方向上的最大灵敏度：传感器在垂直于测量轴方向上的最大灵敏度与灵敏轴方向上的灵敏度之比，常以百分数表示。与灵敏轴方向上的灵敏度之比，常以百分数表示。5.电阻抗电阻抗；6.温度响应温度响应。(二)振动传感器及其测量系统的检定按照计量标准和传递方法分为：绝对法（也称直接定度法）按照计量标准和传递方法分为：绝对法（也称直接定度法）比较法（也称相对定度法）比较法（也称相对定度法）1.绝对法分类：直接法和互易法原理：按运动基本单位（时间和长度）测量，波形计算求参数（1）直接法（如读数显微镜法和激光干涉法）（2）互易法 1
23、）两只加速度计用刚性支架以“背靠背”方式装在振动台上，测量同一激振频率时的输出电压E1和E2之比值；2）将两只加速度计直接“背靠背”地固紧成一个整体，以其中之一作为激振器，通过分压器电阻R输入频率为的电流I1，测量第二只受激时产生的输出电压E2。采用互易法需要振动台，但不需附加质量块，测得灵敏度的准确度较高。1221211)(IEmmEESa三加速度计的互易法不需振动台，但结果的准确度较差。（3）灵敏度为：2.比较法设标准测振仪和被标测振仪在受到同一振动量时输出分别为E0和E；已知标准测振仪的加速度灵敏度为比为Sa0,则被标测振仪的加速度灵敏度Sa为:这是一种最常使用的标定方法，即将被标的测振
24、仪和标准测振仪相比较。标定时，将两传感器一起安装在标准振动台上，为使它们尽可能地靠近安装以保证感受的振动量相同，常采用“背靠背”法安装。00aaSEES 3.3.共振梁校准法共振梁校准法用途：满足动态范围较大的传感器测量用途：满足动态范围较大的传感器测量方法：被标加速度计和配重分别装在梁的两端，组成质量方法：被标加速度计和配重分别装在梁的两端，组成质量弹簧弹簧振动系统。将此系统用振动台激振，当激振频率与梁系统振动系统。将此系统用振动台激振，当激振频率与梁系统的固有振动频率重合时，梁产生共振，这时振动台所耗的的固有振动频率重合时，梁产生共振，这时振动台所耗的能量仅为供给系统阻尼所消耗的能量。采用
25、优质弹簧钢制能量仅为供给系统阻尼所消耗的能量。采用优质弹簧钢制成的梁可以达到数千成的梁可以达到数千g的加速度。的加速度。这种方法仅限于某一频率，这种方法仅限于某一频率，如需在不同频率下标定时，如需在不同频率下标定时，则需要尺寸不同的或固有频则需要尺寸不同的或固有频率可调节改变的共振梁。率可调节改变的共振梁。4.冲击校准对象：加速度计目的：对加速度计进行大加速度值的线性校准；原因：稳态振动数据不能用于冲击状态，必须进行冲击校准多采用速度随时间按半正弦规律变化的信号作为标准冲击信号主要参数：峰值加速度、冲击作用时间标准范围：几个g到几十万个g作用时间：几十微秒到几十毫秒冲击校准的方法（1）速度改变
26、法：通过突然改变运动速度以产生大的加速度 通过测量冲击前后的速度增量和加速度传感器的输出电压求得的灵敏度。（2）冲击力法：利用动力效应测量。静态精确测得质量，由动态力传感器测量冲击力，即可求得加速度计灵敏度。要求力传感器固有频率远高于冲击持续时间倒数，测量系统低频响应尽量接近于直流响应。（3）冲击弹性波校准法：被较准加速度计安装在自由悬挂的共振金属杆上，该杆利用Hopkinson杆的冲击波原理制成。冲击弹丸冲击共振金属杆，使杆产生振动。通过动态应变仪测量杆的应变和被校准加速度计的输出电压，根据弹性理论得到该杆中弹性波的传播速度，即可求得瞬时间内所产生的加速度的冲击灵敏度。第三节 振动的激励和激
27、振器一、振动的激励 激励方式：稳态正弦激振、瞬态激振、随机激振(一)稳态正弦激振（又称简谐激振）是测量频率响应的经典方法，给被测系统提供的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，由稳态时的响应求出系统在该频率点处的频率响应的大小。优点：功率大、信噪比高，能保证响应测试的精度。为了测得整个频率范围内的频率响应，采用扫描激振方法，即频率随时间而变化的正弦激振。激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。(二)瞬态激振 激励信号是一种瞬态信号，属于一种宽频带激励，即一次同时给系统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
28、应。因此，它是一种快速测试方法。由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。分类：快速正弦扫描激振、脉冲激振、阶跃激振等tftaFtf)(2sin)(min1.快速正弦扫描激振 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T内成线性增加，而幅值保持恒定。是宽频带激励。若a=(fmax-fmin)/T，则2.脉冲激振（也称锤击法）用脉冲锤（带有力传感器的敲击锤）对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。脉冲锤简介脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体
29、、手柄和可脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。一般来说，锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速一般来说，锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定。度决定。激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率脉冲的持续时间越短，上限频率fc越高。为了能调整激励频率越高。为了能调整激励频率范围，通
30、常使用一套不同材料的锤头。范围，通常使用一套不同材料的锤头。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1k3k2k5k3.阶跃(张弛)激振 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应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。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。这就相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。(三)随机激振 属宽带激振，一般用白噪声或伪随机信号作为激励信号。1.纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不
31、具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。白噪声特点:(1)自相关函数除=0 处外均为零。(2)自功率谱密度接近于一常值。(3)测试系统 Sxy(f)=H(f)Sx(f)H(f)为频响函数 因输入和输出信号均无周期，只符合统计规律，故数据处因输入和输出信号均无周期，只符合统计规律，故数据处理时，为消除统计误差，必须理时，为消除统计误差，必须多次平均多次平均以得到较精确的结果。以得到较精确的结果。实际白噪声的功率谱密度2.伪随机激励 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内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。这种的信号
32、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方法的优点在于试验的可重复性试验的可重复性。将白噪声在将白噪声在T内截断，然后按周期内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随反复重复，即形成伪随机信号。机信号。二、激振器二、激振器 按一种预定的要求对被测对象施加一定形式的激振力的装置。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。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
33、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 部分常用的激振设备(一一)电动式激振器电动式激振器 tRnBItRnBIFisin2)(20分类：永磁式（小型激振器）励磁式（较大型激振器）用途：主要用于绝对激振线圈电动力等于激振力的条件：(1
34、)可动部分与被激对象质量相比可略去不记；(2)两者连接关系好，顶杆刚度好（横向刚度小）。激振器安装原则：（P164 图8-18）1.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;2.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13；3.在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。(二)电磁式激振器 电磁激振器是非接触式的，特别是对回转件的激振，其频率上限约为500800Hz。原理：激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动。
35、由于电磁铁与衔铁间的作用力由于电磁铁与衔铁间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为只会是吸力，而无斥力，为形成往复正弦激励，应在恒定吸力形成往复正弦激励，应在恒定吸力F0上叠加交变谐波力上叠加交变谐波力F(t)。励磁线圈通过电流时，铁心对衔铁产生的吸引力为励磁线圈通过电流时，铁心对衔铁产生的吸引力为tABFtBABFBBAF2sin4sin2202120101212000固定分量（静态力）一次分量（交变分量）二次分量022FAB若直流励磁线圈电流I0，交流励磁电流I1，则铁心内磁感应强度tBBBsin10若B0B1，可忽略二次分量的影响。A导磁体截面积0真空磁导率(三)电液式激振器 优点：激
36、振力大，行程亦大，单位力的体积小缺点：波形不如电动式激振器，结构复杂，成本较高用途：一般只适用于较低的频率范围，通常为零点几赫兹到几百赫兹。顶杆力传感器电流伺服阀交变压力预压力活塞其它激振器：压电晶体激振器（用于小型、薄臂结构）磁致伸缩激振器（用于高频激振）高声强激振器等。第四节 测振传感器 国标规定的主要特性：国标规定的主要特性：有效响应有效响应、乱真响应乱真响应 乱真响应：干扰正确测量而不希望有的特性。（温度响乱真响应：干扰正确测量而不希望有的特性。（温度响应、瞬态温度灵敏度、横向灵敏度、磁灵敏度等）应、瞬态温度灵敏度、横向灵敏度、磁灵敏度等）分类：接触式和非接触式分类：接触式和非接触式接
37、触式：接触式：绝对式：绝对式：壳体壳体固定固定在被测对象上在被测对象上，利用弹簧支撑一，利用弹簧支撑一个惯性体感受振动，敏感个惯性体感受振动，敏感被测对象相对于被测对象相对于惯性坐标系的的振动惯性坐标系的的振动相对式：相对式：壳体壳体固定固定在基础上在基础上，其活动部件通过测杆，其活动部件通过测杆与被测对象相联，敏感与被测对象相联，敏感被测对象相对于基被测对象相对于基座的振动座的振动非接触式：如电涡流传感器、电容位移传感器非接触式：如电涡流传感器、电容位移传感器 一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析(一)力学模型和运动方程式 z(t)y(t)-x(t)2222dt)t(xdm)t(kzdt
38、)t(dzcdt)t(zdmtsinx)t(xm又设被测振动为简谐振动 质量块运动方程：022)t(kzdt)t(dzcdt)t(ydm该测振传感器的输出（稳态输出）txtzdttdzdttzdmnsin)()(2)(2222)sin()(2)(1)()(2222txtzmnnn2)(12arctannn传感器的结构参数 m/KnmK/c 2传感器的输出幅值和相位角均与/n和有关。(二)惯性式位移传感器的响应条件正确测量条件正确测量条件 /n 1，一般取一般取/n 3，此此时时 A()1，()-180。选择适当阻尼，选择适当阻尼，=0.60.7，抑，抑制制/n=1处的共振峰。处的共振峰。位移传
39、感器的频率范围位移传感器的频率范围 上限：由仪器结构、元器件特上限：由仪器结构、元器件特性、放大电路频响等决定性、放大电路频响等决定 下限：弹性元件强度、质量块下限：弹性元件强度、质量块尺寸、重量等尺寸、重量等22222221nnnmmx/xzxz)(A2)(12arctannnx(三)惯性式加速度传感器的响应条件 正确测量条件：正确测量条件：/n1频率范围有限，灵敏度由阻尼决定，工程中应用较少。2222224121/)()(nnnnnnmmvxzdttdxzA二、压电式加速度传感器及阻抗头 特特 点：灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定。点：灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定。用用 途：力、压
40、力和振动加速度测量。途：力、压力和振动加速度测量。工作原理：压电效应。工作原理：压电效应。材材 料：料：压电单晶体：如石英压电单晶体：如石英多晶压电陶瓷：如钛酸钡多晶压电陶瓷：如钛酸钡压电效应：石英为例，按特定方向切割出平行六面体，x、y、z轴主压电效应：沿x轴施加力，晶体产生极化现象，在与x轴垂直受力表面产生电荷。横向压电效应：沿y轴施加力，与x轴垂直受力表面产生电荷。切向压电效应：沿相对两平面加一对平行力，与x轴垂直受力表面产生电荷。（一）原理及结构 内部阻尼也很小(0.02)，系统可视为无阻尼。bsbsnnnammmm，MMkk，KKMKaZA折算质量等效刚度其中/1/11)(21222
41、 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容器的串联电路。因此在实际使用中有电压放大器形式和电荷放大器形式。压电传感器连接测量仪表时的等效电路压电传感器连接测量仪表时的等效电路传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻电缆电容电缆电容放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电缆电容电缆电容传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电压放大器形式 电荷放大器形式电压放大器形式等效电路中输出电压与电容等效电路中输出电压与电容C=Ca+Ci+Cc 密切相关，虽然密切相关，虽然Ca 和和Ci 都很都很小，但小，但Cc 会随连接电缆的长度与形会随连接电缆
42、的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。定因素，影响传感器的灵敏度。foicafficaoCqUCCCCKCKCCCKqU则若)1()1(电荷放大器形式（1）Ra 和和Ri 都很大，因此可都很大，因此可在等效电路中略去。在等效电路中略去。（2）由一个带有反馈电容）由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成的高增益运算放大器构成上限截止频率：一般取传感器的固有频率（可达 30kHz）的1/31/5。icaLCCnCR11RACRCFLFFL/1/1mKn电荷放大器低频段频率为电压放大器一般情况下，低频可达0.3Hz，高频几kHz或几十k
43、Hz。下限频率由电荷放大器决定，上限频率由传感器决定。（二）压电式加速度传感器的主要特性参数1灵敏度：灵敏度：灵敏度决定于质量块质量和压电片截面积和片数。灵敏度决定于质量块质量和压电片截面积和片数。但会降低固有频率。但会降低固有频率。（1）电压灵敏度）电压灵敏度 mV/g或或mV/cms-2 电荷灵敏度电荷灵敏度 pC/g或或pC/cms-2（应用居多）（应用居多）（2）电缆对灵敏度的影响（未使用定标电缆）：）电缆对灵敏度的影响（未使用定标电缆）：cacaauauCCCCSS)(（3）峰值电压灵敏度（标定）与有效值（测量）换算 auauSESEA244.1峰值加速度2.频率响应范围：频率响应范
44、围：（1）使用段上限频率受第一阶共振频率限制。选）使用段上限频率受第一阶共振频率限制。选1/3时，时，幅值误差小于幅值误差小于1dB；选；选1/5时，幅值误差小于时，幅值误差小于0.5dB。（2）频响曲线与安装方法关系很大）频响曲线与安装方法关系很大 如安装方法不对会使一阶频率降低，增大误差。如安装方法不对会使一阶频率降低，增大误差。加速度计安装方式 2.频率响应范围：（1）使用段上限频率受第一阶共振频率限制。（2）频响曲线与安装方法关系很大(P220图9-30)。（3）频率下限取决于测量系统的形式 电压测量系统，应减小传感器后继电路电容影响，同 时Ri和Ra影响不可忽略；电荷放大器时，仅取决
45、于电荷放大器的低频响应。3.横向灵敏度：用小红点标出，好的加速度传感器应小于5%。4.动态范围：下限决定于系统噪声，主要决定于前置放大器的质量。上限一般取决于加速度计质量块的质量，压电元件上预加载荷的大小，以及压电元件的机械强度。5.环境的影响程度 温度（最大）、基座变形、固定拧紧程度、磁场、声场等加速度传感器力传感器（三）压电式阻抗头的结构原理 压电式力传感器较加速度传感器简单。在测量机械阻抗时，为获得力和加速度的数值，以使输入测量系统进行传递函数（频率响应）处理，可以将压电式加速度传感器与力传感器做成一体，称之为“阻抗头”。安装表面加速度输出接头压电片压电片力输出接头激振平台橡皮质量块壳体
46、三、磁电式速度传感器 工作原理：电磁感应定律，e=BNlv，故亦称为感应式传感器。结 构：（1）绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承；（2）磁钢与壳体连接，绕组用弹性元件支承(常用)。(一)结构原理输输出出线线弹弹簧簧片片线线圈圈芯芯轴轴磁磁钢钢阻阻尼尼环环壳壳体体SNNS磁电式绝对加速度传感器磁电式绝对加速度传感器（二）性能指标四个方面：四个方面：1.灵敏度灵敏度：S=e/v=BNl2.频率范围频率范围：下限频率：共振频率决定，一般下限频率：共振频率决定，一般1015 Hz 上限频率：惯性部分质量决定，一般上限频率：惯性部分质量决定，一般1KHz 以下。以下。3.非线性度非线性度：绕组内电流：
47、绕组内电流i产生的附加磁场叠加于磁钢产生的附加磁场叠加于磁钢 磁场而改变原有磁场。速度越大，失真磁场而改变原有磁场。速度越大，失真 越大。越大。4.温度误差温度误差：主要影响：主要影响l，B，R四、电涡流测振传感器原理：由于集肤效应，线圈原理：由于集肤效应，线圈1 1中的高频磁场在金属板表面产中的高频磁场在金属板表面产生电涡流，电涡流引起线圈自生电涡流，电涡流引起线圈自感和阻抗发生变化，该变化与感和阻抗发生变化，该变化与线圈至金属表面的距离有关。线圈至金属表面的距离有关。五、光导纤维测振传感器(一一)功能型光纤振动传感器功能型光纤振动传感器(二二)传光型光纤振动传感器传光型光纤振动传感器 (三
48、三)多普勒效应型振动传感器多普勒效应型振动传感器 振动时，输入光将受到振幅调振动时，输入光将受到振幅调制而在输出光中反映出来。制而在输出光中反映出来。两反射光强度由于振动的变化而发生两反射光强度由于振动的变化而发生差动变化，以信号光和基准光强度的差动变化，以信号光和基准光强度的对数比，经同步检波得到振动信号。对数比，经同步检波得到振动信号。滤色片第五节 振动的测量 一、振动量的测量 振动量通常是指反映振动的强弱程度的量，亦即指振动位移，振动速度和振动加速度的大小。这三者之间存在着确定的微分或积分关系。振动量测量系统通常有()正弦测量系统 比较精确，也最为常用。(二)动态应变测量系统(三)频谱分
49、析系统 1.模拟量频谱分析系统 2.数字频谱分析系统 外圆磨床工作台空转时横向振动信号分析 分析：（1）27.5Hz 砂轮不平衡引起；（2）50Hz及其倍频 工频干扰及电机振动；（3）329Hz 油泵脉动引起；（4）500Hz以上 高频振动复杂，如轴承噪声等；二、固有频率和阻尼的测量(一)自由振动法 一个单自由度振动系统，若给予初始冲击（其初速度为dz(0)dt）或初始位移z0,则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动。22241lniiMM21ndd2/T(二)共振法 1.半功率点法 对于单自由度系统进行正弦扫描激励，使系统作受迫振动，幅值最大处的频率为位移共振频率r 221nr对于小阻尼系统nn
50、221221121)()(2maxrAAA()2.2.分量法分量法 在n处，实部为零；可确定系统的固有频率n。实部曲线 n2)(211212 由虚频曲线在对应1和2点的值“十分接近”1/(4)，因此在虚频曲线上峰值1/(2)的一半处作水平线、截得曲线横坐标间距约为2。抑制振动 激发振动的力源或运动源称为激发振动的力源或运动源称为振源振源，抑制振源是消除或减小，抑制振源是消除或减小振动的最积极、最彻底的振动的最积极、最彻底的“治本治本”措施。措施。1.旋转质量的不平衡(偏心)2.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其回转轴线不重合，即出现偏心时，就会产生惯性离心力，
