《振动测量原理》PPT课件.ppt

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1、 第 5章 振动测量技术 5.1 振动和振动测量系统 5.2 振动参量的测量 5.3 机械阻抗测量 5.4 振动信号的频谱分析 振动是工程技术和日常生活中常见的物理 现象 ， 在大多数情况下 ， 振动是有害的 ， 它对 仪器设备的精度 ， 寿命和可靠性都会产生影响 。 当然 ， 振动也有可以被利用的一面 ， 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 ， 对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求 ， 以及对主要生产过程或重要设备进行监测 、 诊 断 ， 对工作环境进行控制等等 。 这些都离不开 振动的测量

2、 。 5.1 振动和振动测量系统 5.1.1 振动信号分类 振动信号按时间历程的分类如图 5.1所示，即 将振动分为 确定性振动 和 随机振动 两大类。 确定性振动 可分为 周期性振动 和 非周期性振动 。 周期性振动包括 简谐振动 和 复杂周期振动 。非周 期性振动包括 准周期振动 和 瞬态振动 。准周期振 动由一些不同频率的简谐振动合成，在这些不同 频率的简谐分量中，总会有一个分量与另一个分 量的频率之比值为无理数，因而是非周期振动。 随机振动 是一种非确定性振动 ， 它只服从 一定的统计规律性 。 可分为 平稳随机振动 和 非 平稳随机振动 。 平稳随机振动又包括 各态历经 的平稳随机振

3、动 和 非各态历经的平稳随机振动 。 一般来说 ， 仪器设备的振动信号中既包含 有 确定性的振动 ， 又包含有 随机振动 ， 但对于 一个线性振动系统来说 ， 振动信号可用谱分析 技术化作许多谐振动的叠加 。 因此简谐振动是 最基本也是最简单的振动 。 机械振动 非周期的 随机的 确定性的 的 周期的 非平稳的 平稳的 简谐振 动 复杂周期振 动 准周期振 动 瞬态和冲 击 各态历经 的 非各态历 经 图 5.1 振动信号的分类 5.1.2 振动测量系统 1.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 、 机械法 和 光学法 。 其简单原理和优缺点见表 5.1。 名称 原

4、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

5、和传感器 、 测振仪 标定中用得较多 表 5.1 振动测量方法分类 2. 电测法振动测量系统 图 5.2 振动测量系统的一般组成框图 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 由于振动的复杂性 ， 加上测量现场复杂 ， 在用电测法进行振动量测量时 ， 其测量系统是 多种多样的 。 图 5.2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环节所组成 。 下面分别就这些组成环节作一简单介绍 。 (1) 测振传感器 拾振部分是振动

6、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 : （ 5.1） 0)()( 10102 0 2 zzkdt zzdcdt zdm m z。 k c 2 0 2 dt zdm )()( 1010 zzdtdckzz 图 5.3 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 : （ 5.2） 则

7、上式可改写成 : （ 5.3） 设载体的运作为谐振动 ， 即 : 则式 （ 5.3） 可写成 : （ 5.4） 1001 zzz 2 1 2 01 01 2 01 2 dt zdmkz dt dzc dt zdm tzmkzdtdzc dt zdm m s i n1 2 01 01 2 01 2 ,s i n)( 11 tztz m 考虑这样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 : （ 5.5） （ 5.6） 其幅频特性曲线曲线如图 5.4所示 。 222 2 1 01 )/2()/(1

8、)/( nn n m m d z zA d 2)/(1 )/(2ar c t g n n 图 5.4 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 : （ 5.7） (5.8) 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图 5-6和图 5-5所示。 221 01 4)/( 1 nnnm m z zA 2)/(1 )/(2 2 n n V a r ct g 图 5.6由载体运动引起的速度响应图 5.7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 处于加速度计的工作状态下

9、。 此时幅频特性和相 频特性分别为 : （ 5.9） (5.10) 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图 5.7和 图 5.5所示 。 222 2 1 01 )/2()/(1 /1 n n m m a z zA 2 )/(1 /2 n n a a r c t g 从图 5.4图 5.7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

10、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。 (2) 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。表 5.3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 ，

11、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

12、， 频率较低 ， 台面负 载大 ， 易于自控和多台激振 ， 设备复杂 表 5.3 部分常用的激振设备 (3) 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 。 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 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

13、成所需频带的频谱分析 。 3.FFT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.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

14、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 。 5.2 振动参量的测量 振动参量是指振幅 、 频率 、 相位角和阻尼比等 物理量 。 1. 振幅的测量 振动量的幅值是时间的函数 ， 常用峰值 、 峰峰 值 、 有效值和平均绝对值来表示 。 峰值是从振动波 形的基线位置到波峰的距离 ， 峰峰值是正峰值到负 峰值之间的距离 。 在考虑时间过程时常用有效（均方根）值和平 均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为 : Z有效 = Zrms = （ 5.11） Z平均 = Z = （ 5.12） 对于谐振动而言 ， 峰值 、 有效值和平均绝

15、对值 之间的关系为 : (5.13) 式中 ， Zf 为振动峰值 。 T dttzT 0 2 )(1 T dttzT 0 |)(|1 fr m s zzz 2 1 22 2. 谐振动频率的测量 谐振动的频率是单一频率 ， 测量方法分 直接法 和 比较法 两种 。 直接法 是将拾振器的输出信号送到各种 频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频 率 。 在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示 波器通过比较测得频率。常用的比较法有 录波比 较法 和 李沙育图形法 。 录波比较法 是将被测振动信号和时标信号一 起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在 波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期 或频

16、率。 李沙育图形 法则是将被测信号和由信号发生 器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波 器的 y轴及 x轴，根据荧火屏上呈现出的李沙育图 形来判断被测信号的频率。 3. 相位角的测量 相位差角只有在频率相同的振动之间才有意 义。 测定同频两个振动之间的相位差也常用 直读 法 和 比较法 。 直读法是利用各种相位计直接测定。 比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。 录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号 与参考信号之间的时间差 求出相位差； （ 5.14） 李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的 标准信号之间的李沙育图形来判别相位差 。 3 6 0 T 5.3 机械阻抗测量 振动测量

17、从本质上说属动态测量 ， 测振传感 器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响 应信号 。 振动测量的一个主要目的就是通过对激 励和响应信号的测试分析 ， 找出系统的动态特性 参数 ， 包括固有频率 、 固有振型 、 模态质量 、 模 态刚度 、 模态阻尼比等 。 振动测量是结构模态分 析和设备故障诊断的基础 。 (1)机械阻抗与机械导纳 机械阻抗与机械导纳的一般定义为 : (Z)= （ 5.23） (M)= = (5.24) 机械阻抗 )( )( R F 响应 激励 机械导纳 )( )( R F 激励 响应 Z1 机械系统的激励一般是力 ， 系统的响应 可用位移 、 速度和加速度来表达 ，

18、故机械阻抗 和机械导纳又各有三种形式 。 位移阻抗又称为 动刚度 ， 位移导纳称为动柔度 ， 速度阻抗称 为机械阻抗 ， 速度导纳简称导纳 ， 加速度阻 抗又称为视在质量 ， 加速度导纳又称为机械 惯性 。 机械阻抗是复量 ， 可写成幅值 、 相角 、 或 实部 、 虚部形式 ， 也可用幅一相特性 、 奈奎斯 特图表示 。 在评价结构抗振能力时常用动刚度 ， 在共振 区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一； 在分析振动对人体感受影响时 ， 常用速度阻抗； 在分析振动引起的结构疲劳损伤时 ， 常用机械惯 性；在分析车厢等振动 、 噪声时则常用速度导纳 。 机械阻抗测试是在结构上施加激振力 ，

19、同时 测量力和响应 ， 所得机械阻抗只决定于系统本身 ， 而与激振力性质无关 。 按激励方式的不同 ， 测试方法通常分为 稳态 正弦激励测试 、 随机激励测试 和 瞬态激励测试 三 种 。 (2)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 量集中 、 精度高等优点 ， 可分为单点激励和多点 激励 。 单点激励就是采用一个激振器 ， 对结构上某 一点进行激励 。 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 。 图 5.11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

20、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 5.11 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 加速度计 柔性杆 力传感器 被测试件 阻抗头是一个高精度 、 由力传感器和加 速度计同轴安装构成的传感器 ， 如图 5.12所示

21、 。 它装在激振器顶杆和试件之间 ， 前端是力传 感器 ， 后面为测量激振点响应的加速度计 。 在构造上应使两者尽量接近 ， 质量块为钨合 金制成 ， 壳体用钛制造 。 为了使力传感器的 激振平台具有刚度大 、 质量小的性能 ， 采用铍来制造 。 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 和 数字相关积分式分析仪 ， 也可用 FFT 分析仪 。 图 5.12阻抗头 1 力敏压电片； 2 加速度信号输出； 3 安 装面； 4 外壳； 5 质量块；

22、 6-加速度敏压电 片； 7 力信号输出； 8 硅橡胶密封圈； 9 驱动端面 (3)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 5.13 脉冲锤击法测试原理框图 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 5.13所示 。 脉冲锤是锤击法的主要激振设备 ， 其结构如 图 5.14所示 。 它由锤头 、 测力计 、 附加质量和锤

23、 柄四部分组成 。 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 5.4。 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 5.14脉冲锤结构 表 5.4 常用锤头材料及使用范围 材料 橡皮 尼龙 6

24、6 有机玻璃 铜 钢 使用频率 （ Hz） 500以下 500 1000以下 1k3k 2k5k (4)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 ，

25、 利用 Sxy(f)=H(f)Sx(f)式可以得到被测对象的频率 响应 。 5.4 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 。 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 5.15 电动机的在线识别 图 5.15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 。 图 5.16和图 5.17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 。