1、第六章第六章 振动测试振动测试 信信信信信信号号号号号号调调调调调调理理理理理理处处处处处处理理理理理理与与与与与与分分分分分分析析析析析析6.1 概述概述6.2 振动特性振动特性6.3 振动测量传感器振动测量传感器6.4 振动测试系统及其标定振动测试系统及其标定6.5 振动的激励振动的激励本章主要内容本章主要内容信信信信信信号号号号号号调调调调调调理理理理理理处处处处处处理理理理理理与与与与与与分分分分分分析析析析析析振动测试目的振动测试目的1）一类是测量设备和结构所存在的振动；）一类是测量设备和结构所存在的振动；2）另一类是对设备或结构施加某种激励，使其产）另一类是对设备或结构施加某种激励
2、，使其产生振动，然后测量其振动，目的是研究设备或生振动，然后测量其振动，目的是研究设备或结构的力学动态特性。结构的力学动态特性。6.1 概述概述振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性6.2.1 单自由度系统的振动分类单自由度系统的振动分类 分为分为自由振动自由振动和和受迫振动受迫振动 mzkc自由振动自由振动 1）自由振动的运动方程）自由振动的运动方程 022kzdtdzcdtzdm受迫振动：受迫振动：1）质量块受力引起的受迫振动质量块受力引起的受迫振动；2）基础运动所引起的受迫振动基础运动所引起的受迫振动6.2 振动特性振动特性振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性2）质
3、量块受力所引起的受迫振动）质量块受力所引起的受迫振动质量块受力引起的受迫振动质量块受力引起的受迫振动 运动方程式：运动方程式：)(22tfkzdtdzcdtzdmkcsmssH21)(传递函数：传递函数：频率响应函数：频率响应函数：)(2)(1/1)(2nnjkHkjcmH21)(kmmkcjkmkH22)1(/1)(2令：mknmkc2振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性幅频特性：幅频特性：222)2()(1/1)(nnkA振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性当当小于小于n时，幅值较大，成线性变化；当时，幅值较大，成线性变化；当大于大于n时，幅值较小，成线性变化；当时
4、，幅值较小，成线性变化；当接近于接近于n时，幅值时，幅值大，且与阻尼比大，且与阻尼比大小相关。大小相关。振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性3）由基础运动所引起的受迫振动）由基础运动所引起的受迫振动运动方程式：运动方程式：0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdm基础运动所引起的受迫振动基础运动所引起的受迫振动 振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性相对位移相对位移:1001zzz则：则：21201012012dtzdmkzdtdzcdtzdma.若以基础的绝对位移为输入，质量块的相对位移为若以基础的绝对位移为输入，质量块的相对位移为输出输出振振振振振振动动动动
5、动动特特特特特特性性性性性性kcsmsmssH22)(传递函数：传递函数：频率响应函数：频率响应函数：kjcmmH22)()(2)(1)()(22nnnjH幅频特性：幅频特性：2222)2()(1)()(nnnA振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性幅频特性曲线幅频特性曲线 当当 n时，时，01Z接近接近0，说明相对位移小，说明相对位移小，当当 n时，时，01Z接近接近1，说明质量块绝对静止。，说明质量块绝对静止。振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性质量块与基础一起振动。质量块与基础一起振动。b.若以基础的速度为输入，质量块的相对位移为输出21201012012dtzdm
6、kzdtdzcdtzdm基础的绝对速度：dtdzv11运动方式式为：dtdvmkzdtdzcdtzdm01012012)(2)(1)(22nnnjjHkcsmsmssH2)(传递函数：频率响应函数：kjcmjmH2)(振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性c.若以基础的位移为输入，质量块的相对速度为输出21201012012dtzdmkzdtdzcdtzdm质量块的相对速度：dtdzv0101运动方式式为：212010101dtzdmdtvkcvdtdvm)(2)(1)(223nnnjjHkcsmsmssH23)(传递函数：频率响应函数：kjcmjmH23)(等号左右两边对时间t一次
7、微分：31301012012dtzdmkvdtdvcdtvdm振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性d.若以基础的绝对位移为输入，质量块的绝对位移为输出若以基础的绝对位移为输入，质量块的绝对位移为输出110002kzdtdzckzdtdzcdtzdmkcsmskcssH2)(传递函数：传递函数：0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdm振振振振振振动动动动动动特特特特特特性性性性性性e.abcd等情况的频率响应均可查教材等情况的频率响应均可查教材P192 表表7-1)(2)(1 12)(2nnnjjH频率响应函数：频率响应函数：kjcmkjcH2)(振振振振振振动动动动动动
8、特特特特特特性性性性性性振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器6.3 振动测量传感器振动测量传感器6.3.1 测量方法测量方法目前广泛采用电测法，将被测件的振动量转换成电目前广泛采用电测法，将被测件的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量。量，然后用电量测试仪器进行测量。6.3.2 传感器传感器振动传感器也称为拾振器振动传感器也称为拾振器分类：分类：1）接触式和非接触式）接触式和非接触式2）绝对式和相对式（绝对式输出被测物的绝对振动，）绝对式和相对式（绝对式输出被测物的绝对振动，相对式输出两被测物之间的相对振动）相对式输出两被测物之间的相对振
9、动）振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器相对式的壳体和测杆分别和不同被测件相连，其输出相对式的壳体和测杆分别和不同被测件相连，其输出描述两试件间的相对振动。描述两试件间的相对振动。绝对式的壳体固定在被测件上，其内部利用一个弹绝对式的壳体固定在被测件上，其内部利用一个弹簧簧质量块系统来感受振动。质量块系统来感受振动。1）涡流位移传感器涡流位移传感器电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器电涡流位移传感器测量轴的振动电涡流位移传感器测量轴的振动 振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器a.涡流式传感器原理涡流式
10、传感器原理见第三章见第三章相对式拾振器相对式拾振器相对式拾振器相对式拾振器相对式拾振器相对式拾振器b.为什么称为位移传感器？为什么称为位移传感器？因为输入值是位移，输出与输入（位移）成比例关系。因为输入值是位移，输出与输入（位移）成比例关系。c.优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，优点：线性范围大，灵敏度高，频率范围宽，抗干扰能力强，不受油污，非接触式测量。适宜测量运动部件与相对静止部件不受油污，非接触式测量。适宜测量运动部件与相对静止部件间的间隙变化。用于回转轴系的振动监测、故障诊断。间的间隙变化。用于回转轴系的振动监测、故障诊断。被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴
11、系的振动、被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等轴向位移、转速等 振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器2）磁电式速度计）磁电式速度计振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器磁电式相对速度计磁电式相对速度计a.磁电式传感器原理磁电式传感器原理线圈在磁场中作直线运动，所产生的感应电动势为：线圈在磁场中作直线运动，所产生的感应电动势为：WBlve 输出输出e与线速度与线速度v成正比，成正比，v为线圈与磁场的相对速度。为线圈与磁场的相对速度。b.传感器安放传感器安放绝对式速度计：壳
12、体（包括磁钢）紧固于被测物上，绝对式速度计：壳体（包括磁钢）紧固于被测物上，线圈振动，属于基础运动引起的受迫线圈振动，属于基础运动引起的受迫 振动。振动。相对式速度计：壳体（包括磁钢）紧固在被测物相对式速度计：壳体（包括磁钢）紧固在被测物1上，上，顶杆（包括线圈）压紧在被测物顶杆（包括线圈）压紧在被测物2上，上，线圈与磁钢的相对速度即为两被测物线圈与磁钢的相对速度即为两被测物 的相对振动速度。的相对振动速度。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器输入量被测物的绝对速度，输出为线圈与被测物的相输入量被测物的绝对速度，输出为线圈与被测物的相对速度，查表
13、对速度，查表7-1得幅频特性为：得幅频特性为：2222)/2()/(1)/()(nnnA振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器磁电式绝对速度计分析：磁电式绝对速度计分析：若若 n，01Z接近接近0；若若 n，01Z接近接近1；因此，因此，n大较好，即弹簧大较好，即弹簧+线圈组成的质量块的质量线圈组成的质量块的质量m大，大，弹簧的刚度弹簧的刚度k小，则小，则n小，小，n大大保证顶杆不脱落被测物，线圈的最大加速度保证顶杆不脱落被测物，线圈的最大加速度amax不能小于被测不能小于被测物的加速度物的加速度a，所以被测物的加速度，所以被测物的加速度a要求较小
14、，而要求较小，而a=2xF，xF为被测物的振幅，因此，为能测量较大的振幅，为被测物的振幅，因此，为能测量较大的振幅，要小，即要小，即所被测物的振动频率不能太大。所被测物的振动频率不能太大。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器磁电式相对速度计分析：磁电式相对速度计分析：3）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器a.结构结构 B:基座基座 P:压电材料压电材料 M:质量块质量块 S:弹簧弹簧 b.原理：基座和被测振动物体紧密连接，原理：基座和被测振动物体紧密连接，被测物振动，对传感器施加力，带动质被测物振动，对传感器施加力，带动质量块振动，质量块和基
15、座间产生相对位量块振动，质量块和基座间产生相对位移，对压电材料施加压力，产生电荷。移，对压电材料施加压力，产生电荷。c.输入值是力（即加速度），输出值是质量块的相对位移输入值是力（即加速度），输出值是质量块的相对位移 d.查表查表7-1得幅频特性为：得幅频特性为：2222)/2()/(1/1)(nnnA振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器压电加速度计的幅频特性压电加速度计的幅频特性分析分析1：n21)(nAn共振共振 n0)(A结论：结论：n不仅有较好的线性，并且幅值较大不仅有较好的线性，并且幅值较大 振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量
16、量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器经验总结：经验总结：上限频率取固有频率的上限频率取固有频率的1/3，幅值误差低于，幅值误差低于1dB（即（即12%），上限频率取固有频率的），上限频率取固有频率的1/5，幅值误，幅值误差小于差小于0.5dB（即（即6%）。）。此外，由压电材料的电荷泄漏特性可得，若振此外，由压电材料的电荷泄漏特性可得，若振动频率很小，则电荷泄漏大，压电式加速度计不动频率很小，则电荷泄漏大，压电式加速度计不适宜测量适宜测量1Hz以下的振动频率。以下的振动频率。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器分析分析2：若：若m增大，则增大
17、，则n减小，减小，)(A但根据压电加速度计的幅频特性可知，上但根据压电加速度计的幅频特性可知，上限频率将降低（即可测量的最大频率变限频率将降低（即可测量的最大频率变小）。因此，小）。因此，作超低频振动测量选用质量作超低频振动测量选用质量大（超过大（超过100g）而灵敏度高的加速度计，）而灵敏度高的加速度计，作高频振动测量选用质量小（几克作高频振动测量选用质量小（几克零点几零点几克）的加速度计克）的加速度计。即传感器的灵敏度增大，即传感器的灵敏度增大，振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器增大，增大，e.压电式加速度计的安装压电式加速度计的安装 31
18、kHz 28kHz 29kHz 2kHz 7kHz 磁铁振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器4）三类传感器比较）三类传感器比较a.涡流位移传感器涡流位移传感器测量范围：因为高频的位移量往往小，信号弱，测量范围：因为高频的位移量往往小，信号弱，不用来测量高频不用来测量高频；优点优点：相对测量，：相对测量，适用于回转体振动测量和在恶适用于回转体振动测量和在恶劣环境下使用劣环境下使用。b.磁电速度传感器磁电速度传感器测量范围：根据幅频图，有下限频率，所以测量范围：根据幅频图，有下限频率，所以不能不能测低频率测低频率；又受本身结构影响，；又受本身结构影响
19、，不能测高频率不能测高频率。通常通常53n优点优点：幅值较大幅值较大。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器c.加速度传感器加速度传感器测量范围：因为低频的加速度值往往小（低频变测量范围：因为低频的加速度值往往小（低频变化慢），信号不显著；并且，若频率低，则电荷化慢），信号不显著；并且，若频率低，则电荷泄露大，所以泄露大，所以比较不适宜测量低频振动比较不适宜测量低频振动。又固有。又固有频率很高，所以频率很高，所以可测量比较高的频率可测量比较高的频率。优点优点：质量小，灵敏度高质量小，灵敏度高。缺点缺点：信号幅值小信号幅值小，用电荷放大器可解决该问题
20、。，用电荷放大器可解决该问题。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器d.结论：振动传感器的选用原则结论：振动传感器的选用原则高频率加速度（包括力等）用加速度传感器测，低频高频率加速度（包括力等）用加速度传感器测，低频用位移传感器测；用位移传感器测；对压电式加速度计，高频用质量大的传感器（上限频对压电式加速度计，高频用质量大的传感器（上限频率高），低频用质量小的传感器（灵敏度高）；率高），低频用质量小的传感器（灵敏度高）；考虑具体使用的环境要求。如非接触式，高温、油污考虑具体使用的环境要求。如非接触式，高温、油污等环境，用涡流传感器；激光测振器价格高
21、、对环境等环境，用涡流传感器；激光测振器价格高、对环境要求严格，用于实验室做精密测量。要求严格，用于实验室做精密测量。振振振振振振动动动动动动测测测测测测量量量量量量传传传传传传感感感感感感器器器器器器振振振振振振动动动动动动测测测测测测试试试试试试系系系系系系统统统统统统及及及及及及其其其其其其标标标标标标定定定定定定6.4.1 振动测试系统的组成振动测试系统的组成加速度计加速度计电荷放大器电荷放大器滤波器滤波器A/D转换转换计算机计算机 6.4.2 振动测试系统的标定振动测试系统的标定6.4 振动测试系统及其标定振动测试系统及其标定振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励
22、励6.5 振动的激励振动的激励1）稳态正弦激励）稳态正弦激励信号：幅值稳定的单一频率正弦激振力。信号：幅值稳定的单一频率正弦激振力。特点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精度特点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精度缺点：测试时间长（需要用多个频率的正弦信号测试）缺点：测试时间长（需要用多个频率的正弦信号测试）2）宽带激振（非周期信号，频谱宽）宽带激振（非周期信号，频谱宽）a.随机激振随机激振信号：白噪声（完全随机信号）信号：白噪声（完全随机信号）伪随机信号发生器：模拟产生随机信号，由于可重复，伪随机信号发生器：模拟产生随机信号，由于可重复，所以称为伪随机信号。所以称为伪随机信号。6.5.1
23、激励信号激励信号振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励b.瞬态激振瞬态激振快速正弦扫描激振。用频率不断增大的正弦信号。快速正弦扫描激振。用频率不断增大的正弦信号。振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励c.脉冲激振脉冲激振用装有测力传感器的锤子来敲击试件用装有测力传感器的锤子来敲击试件振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励6.5.2 激振实验设备激振实验设备1）力锤（目前最常用）力锤（目前最常用）2）激振器）激振器要求：在需要的频率范围要求：在需要的频率范围内提供波形良好，幅值足内提供波形良好，幅值足够和稳定的交变力。体积够和稳定的交变力。体积小，质量轻小，质量轻电动式激振器电动式激振器振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励电动式激振器电动式激振器振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励电磁式激振器电磁式激振器振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励电液式激振器电液式激振器振振振振振振动动动动动动的的的的的的激激激激激激励励励励励励本章小结本章小结
