振动测试技术学习资料

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1、一、简谐振动有时域测试参数简谐振动中常用的参数为位移、速度、加速度、激振力、振幅和振动频率，其 中前五个参数属于时域测试参数。二、振动测试及信号分析的任务 振动测试及信号分析主要有以下五个方面的任务：（1）验证振动理论和计算结果的准确性，也被称为实验验证或工程振动测试中的正问题。（2）为改进结构优化设计提供充分的实验依据。（3）查清外界干扰力的激振水平和规律，以便采取措施来减少或控制振动。（4）检测诊断设备故障。（5）振动控制。三、压电式、涡流式及磁电式传感器的机电变化原理。1、压电式传感器的机电变换原理 某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等）在一定的方向的外 力作用下或承受变形时，它的晶

2、体面或极化面上将有电荷产生。这种从机 械能（力或变形）到电能（电荷或电场）的变换称为正压电效应。而从电 能（电场或电压）到机械能（变形或力）的变换称为逆压电效应。因此利 用晶体的压电效应，可以制成测力传感器。在振动测量中，由于 F=ma, 所以压电式传感器是加速度传感器。2、电涡流传感器的机电变换原理 电涡流传感器是一种相对式的非接触传感器，它是通过传感器端部与被测物体 之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的，主要应用于静位移的测量、振 动位移的测量、旋转机械中检测转轴的振动测量。3、电动式（磁电式）传感器的机电变换原理电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力 线

3、时，导体两端就感应出电动势，因此利用这一原理而产生的传感器称之为电动 式（磁电式）传感器。它实际上是速度传感器。四、选择振动传感器的原则选择拾振器类型时，要根据测试的要求（如要求测位移、或测速度、加速度、 力等）及被测物体的振动特性（如待测的频率范围，估计的振幅范围等），应用 环境情况（如环境温度、湿度、电磁场干扰情况等）结合各类拾振器本身的各项 特性指标来考虑。下列情况可用位移拾振器：（1）位移幅值特别重要时（例如，不允许某振动部件在振动时碰到别的物体， 即要求振幅时）。（2）测量位移幅值的场合，正好就是要分析应力的场合。（3）低频振动。此时速度、加速度数值太小不便于采用速度或加速度计测量。

4、 下列情况下，可采用速度型拾振器：（1）位移的幅度太小，不便于测量中频段。（2）在与声音有关的振动测量中应用，因为振动部件在空气中产生的声压正 比于振动的速度。下列情况下，可采用加速度型拾振器：（1）高频振动。（2）量测那种对力、载荷或应力要做分析的部位时，因为力正比于加速度。（3）量测空间受限制，不允许传感器体积大，重要大的场合，采用压电加速度 为佳。五、测振放大器选择及使用条件1、当选用压电加速度计做为拾振器时，它要求二次仪表的输入阻抗必须是高 阻抗，才能把压电加速度计由于振动而产生的电荷量测量出来，否则此电荷将通 过测量电路的低输入电阻释放掉，以至无法测量，而一般的指示，记录设备的输 入

5、阻抗较低，为此，必须在压电加速计与记录器之间，加入一前置放大器，它的 作用是把加速度计的高输出阻抗，转换成低输出阻抗，以便与一般的测量仪器的 低输入阻抗向匹配，同时也把加速度计输出信号加以放大。电荷放大器以及前置 电压放大器（又称阻抗变换器）就是为压电加速度计所配用的前置放大器，这两 者的主要差别在与使用前置电压放大器时，整个系统对加速度计和前置放大器的 导线电容的变化非常灵敏，因此，实际测量中，导线不能更换，一般其长度不超 过2 米，所以前置电压放大器必须在拾振器附近；而配用电荷放大器时，导线的 影响可以忽略不计算，使用导线的长度甚至可以达到上千米。当被测结构附近不 允许放置仪器时，最好选用

6、电荷放大器，前置电压放大器（阻抗变换器）一般的 结构简单，只是起阻抗变换作用，对讯号无放大作用，所以在前置放大器后，应 在配接一般的测量放大器，如微积分放大器等。2、采用磁电式速度传感器做拾振时，其输出电压与被测振动速度成正比，经积 分可得到被测振动体的位移，经过积分就可以得到加速度。因此，速度型拾振器 需配积分放大器，从而可以测量振动物体的位移，速度和加速度。由于磁电式速 度拾振器因为输入的信号大，输出的阻抗低，所以不需要做阻抗变换就可以通过 放大器指示仪来读数如CD 1型的速度传感器，可以通过GZI或GZ2型测振仪 （微积分放大器）由表头指示出振动物体的位移、速度及加速度。被测的频率越高，

7、积分的效果越好；被测得频率越低，其微分的效果越好、 但积分和微分的效果越好，则其输出的信号也越小，因此，在高频小幅度测量时， 为了保证振动小幅值测量的精度，有时将速度型拾振器的输出不经过微积分网络 而直接的线性放大，这样先测出振动速度后，在利用速度和位移及加速度的关系 来求出振动的位移和加速度来，这样可以提高测量的精度。3、对于电阻式（应变式）、电感式和电容式拾振器配用的放大器，多数采 用载波放大的形式。振动测量常采用的载波放大器有电阻应变仪、差动变压放大 器签频放大器等类型。常见的电阻应变仪和差动变压放大器属于调幅式、签频放 大器属于调频式，调相式则较少采用。六、动态电阻应变仪的工作原理。动

8、态电阻应变仪的原理如图 1 所示。由应变片组成测量电桥，其载波电压 u 由振荡器供给。在应变片感受应变信号1后，测量电桥输出一个调幅交流电压，经过交流放大器放大后的电压为 u ，s由相敏检波器检波后的电压信号为 u ，在经过低通滤波器滤去高次谐波，得到与原应变信号相似的电压u或是电流波形i ，再由记录器记录下来。直流稳压电源供给放大器和振荡器直流工作电压。七、电动力式激振器的工作原理及主要性能特点。 电磁式激振器是电能转换成机械能，并将其传递给实验结果的一种仪器。其 结构原理示意图如图 2 示。BE杆夕卜完中心龍极图 2 电磁式激振器原理电磁式激振器由磁电路系统（包括励磁线圈、中心磁极、磁极板

9、）与动圈、弹簧 顶杆、外壳等组成。电磁式激振器工作原理如下。在励磁线圈中输入直流电流，使中心磁极在磁极板的空气气隙中形成一个强大的磁场；同时再给动圈输入一个交变电流 I ，电流在磁场的作用下产生电磁e感应力F。力F使顶杆做上下运动，由顶杆传给试件的激振力是电磁感应力F和 可动部分的惯性力、弹性力、阻尼力等的合力。但由于激振器的可动部分质量很 小，弹簧较软，所以在一般情况下，其惯性力、弹性力和阻尼力可以忽略。当输入动圈内的电流 I 以简谐规律变化时，则通过顶杆作用在物体上的激振力也以 e简谐规律变化。与电磁式激振器配套使用的仪器还有信号放大器、功率放大器和直流稳压电 源。电磁式激振器的优点是能获

10、得较宽频带（从零赫兹到一万赫兹）的激振力， 即产生激振力的频率范围较宽。而可动部分质量较小，从而对被测量物体的附加 质量和附加刚度较小，使用也很方便。因此，应用比较广泛，但这种激振器的缺 点是不能产生太大的激振力。电磁式激振器主要有三种安装的方式：（1）激振器 固定安装式（2）弹簧悬挂安装方式（3）弹性安装方式八、简谐振动基本参数（频率、固有频率、振幅、相位、阻尼）的几种测量方 法及原理。1、简谐振动频率的测量（1）李萨如图形比较法。利用示波器、信号发生器以及常用的振动信号测试设备所组成的测试系统，来测量简谐振动的振动频率，称之为李萨如图形比较法。运动方向相互 垂直的两个简谐振动的合成运动轨迹

11、，称之为李萨如（Lissajous）图形。使 用李萨如图形法测量振动频率的测量系统如图 3 所示，它是把被测信号送入 阴极射线示波器的垂直偏转轴 Y ，而把已知频率的比较电压信号（由信号发生器提供）送入水平偏转轴X,这时在电子示波器的显示屏上将形成李萨 如图形。图 3 李萨如图形测频的实验框图（ 2）录波比较法。这种方法是将被测振动信号的时标信号（一般为等间距的时间脉冲信号）一 起送入光线示波器中，然后根据记录纸上的振动波形和时标信号两 者之间的周期比测定被测振动波形的频率。如图 4 所示为这种记录图像，若 测出被测信号在周期 T 长度中的时标脉动数 n， 则被测信号频率 f = = = f

12、式中，f = 为时标信号的频率，一般选取T nT n 0 0 T00n=510，便可得到较准确的结果。此法顺便还可以利用振动信号的波形，直 接读出振动的振幅值 A。3）直接测量法。它是使用频率计数器直接测定简谐波形电压信号的频率或周期的一种方法。频 率计数器有指针式和数字式两种，其中数字式频率计数器的测量精度较高，它是 目前普遍采用的测频仪器。一般来说，此类仪器由三部分组成：计数部分、时基 信号发生器和显示部分。其测频原理如图 5 所示。图 5 数字式计数器的测频原理方框图2、简谐振动固有频率频率的测量 （1）自由振动法。用自由振动法测量机械系统的固有频率，一般都是测量此系 统的最低阶固有频率

13、，因为较高阶自由振动衰减较快，几乎在振动波形图中无法 看到。通常为了让机械系统产生自由振动，一般采取两个途径：初位移法（如图 6）和敲击法（如图 7 示）。图 6 初位移法示意图 图 7 敲击法示意图（2）强迫振动法。它实质上就是利用共振的特点（共振时振幅最大）来测量机 械系统的固有频率，因此这种方法也叫共振法。在振动测量中，产生强迫振动的 方法很多，主要有以下几种： 调节转速的方法（如图8示）。 调节干扰频率的方法。包括用电磁激振器激振和将整个机械系统（实物或模型）安装在在振动台台面上（如图 9 示）。图 8 调节转速法示意图图 9 调节干扰力频率法示意图3、简谐振动幅值的测量 对简谐振动来

14、说，只要能够测出位移、速度和加速度的幅值中的任何一个，就能 够很容易的计算出其他两个。因此，可以分别用压电加速度传感器、磁电式传感 器等测量系统测量，只要选择适当的量程，从电压表或在示波器中就可以读出其 振动的幅值。下面是几种常用的方法：（1） 指针式电压表直读法。（2） 数字式电压表直读法。（3）光学法。包括用读数显微镜观察法（如图 10 示）和楔形观察法（如图 11 示）。na静止时的 昌怖图像E価动时的图 10 读数显微镜观察法图 11 楔形观察法4、同频率简谐振动相位差的测量（1）示波器测量法。用电子示波器测量相位差，常用的是线性扫描法和椭圆 法。（2）相位直接测量法。相位计的基本原理

15、与双线示波器直接比较法是相同的， 他根据通道A的信号正向过零时与通道B的信号正向过零时的时间差及信号周期 来计算相位差。5、简谐振动阻尼的测量 由简谐振动系数的阻尼系数或阻尼比可以导出衰减系数，因此，可根据衰减系数 求得系统阻尼。根据衰减系数和机械振动基本参量的不同关系，大致可分为三种 测量方法：（1） 用振动波形图测定机械系数的衰减系数。fx振动波形如图12所示。由n二d In，测量衰减系数n的问题可以转化i Xi+1为测量振动频率f和振幅X、X的问题。d1i +1（2） 用共振频率测定机械系数的衰减系数。其基本公式是n二2兀(/2-/2)和vxa3) 用共振曲线测定机械系统得衰减系数(如图

16、 13所示)。九、应用窗函数和采样定理的作用1、数字信号分析对有限时间长度 T 的离散时间序列进行离散傅里叶变换 (DFT )运算，这意味着首先要对时域信号进行截断。这种截断将导致频率分析 出现误差，其效果是使得本来集中于某一频率的功率(或能量)，部分被分散到 该频率的临近的频率，这种现象称为“泄露”效应。以余弦信号x(t) = Acos2兀/ t为例说明截断前后的频谱变化的泄露效应。 0设有限时间长度T的离散时间序列信号被截断，相当于原来的余弦信号乘以矩形 函数，如图14 所示。无限长度的余弦信号具有一个单一的频率成分，其单边谱 是在 f 处的单根分布的离散的谱线，而矩形函数的频率是包含一个

17、主瓣和许多 0旁瓣的连续谱。时域中余弦信号乘以矩形窗函数，在频域中的频谱就等于原信号 的频谱与窗函数频谱的卷积，卷积的结果将导致截断的信号频谱由原来的离散谱 变为在 f 处有一主瓣，两旁各有许多旁瓣的连续谱。这就是说，原来集中在频 0谱 f 的功率，泄露到了 f 邻近的很宽的频带上。 00 为了抑制“泄露”，需要采用特种窗函数来代替矩形窗函数。这一过程，称 为窗函数处理，或者叫加窗。加窗的目的，是使在时域上截断信号两端的波形有 突变变为平滑，在频域上尽量压低旁瓣的高度。1 x(t) yAtxa(2itf t)JCt/-人-r主潇1 s0T/2t-i/rl/Tf(IM X(/)*j甫3L-Ai/

18、图 14 余弦信号被矩形窗截断形成的泄露在数字信号处理中常用的窗函数有四种：矩形(Rec tangular )窗、汉宁 (Hanning)窗、凯塞-贝塞尔(kaiser-bessel)窗、平顶(Rectangular)窗。2、采样就是将连续模拟信号变换成离散数字信号的过程。离散后的信号能 唯一的确定原连续信号，并要求离散信号通过 D/A 装换后能恢复成原连续信号。 由于离散信号是从连续信号上取出的一部分值，于连续信号的关系是局部和整体 的关系，一般来说是不可能唯一确定连续信号的。只有在满足一定的条件下，离 散信号才可按一定的方式恢复出原来的连续信号。这个条件就是采样定理：采样频率 f 必须大于

19、被分析信号成分中最高频率 f 值的两倍以上，即 smf = - 2f 离散信号才能在一定程度上代表原信号。其中At是采样时间间 s Atm隔。否则将产生如图15 所示的高、低频混淆现象，即高频信号经采样后只出现 低频信号，采样信号无法还原为原信号。图 15 高、低频混淆现象十、振动数字信号采集处理系统。一、系统简介信号采集和处理系统是由微型计算机(台式、便携式)、数据采集器和较大规模的数据处理和分析软件以及抗混滤波器组成，如图16所示。图16 数据采集系统示意图1、硬件的一般性能：(1)最高采用的频率可达到1MHZ； (2)并行无时差的 采样通道一般为16路或32路；(3)采样精度为12位和1

20、6位；(4)量程 一般为-5V-+5V。2、软件的一般性能：(1)数据的连续采集、程控放大和示波；(2)数据的时 域分析；(3)数据的频域分析；(4)数据的相关分析；(5)振动结构的模 态分析。二、数据采集处理软件的介绍 以某一数据采集处理软件为例，介绍数据采集处理软件的应用。主菜单有 以下六大部分组成： (1)参数设置(2)采样与存储方式 (3)编辑滤波 (4) 数据分析：数据格式转换的批处理时域波形处理单踪、多踪时域分析 频域分析(自功率谱分析、互功率谱分析、FFT分析)传递函数分析(包 括相干函数和导纳圆分析)自相关、互相关分析 概率密度和概率函数分 析三维谱分析模态分析。包括模态分析下

21、的参数设置、输入几何结构和约 束条件、模态拟合、振型编辑、显示及打印、动画显示 (5)显示(6)示波三、数据采集处理软件的特点1、操作简便 2、连续采样 3、连续示波 4、实时频率计 5、自动文件处理6、动画显示及几何坐标生成四、数据采集和处理软件的操作概述1、数据采集和处理软件运行的步骤 示波或在线检测：主菜单-设置参数-示波 主菜单-设置参数-在线示波 分析：主菜单-设置参数-采样-分析(调采样数据) 主菜单-设置参数-采样-滤波-分析(调采样数据) 主菜单-设置参数-分析(直接采样) 主菜单-设置参数-显示分析结果 模态分析：传递函数分析-模态分析菜单-设置参数-输入几何结构 模态拟合-确定阶数-拟合-比较拟合结果-振型编辑-显 示及打印报告-动画显示2、菜单的选择3、人机对话五、国内外数据采集处理软件的比较国内的一些计算机数字信号采集系统与国外的一些频谱分析仪相比，在精度 和功能等方面存在一定的差距，但其性能和价格也有一定的优势。