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1、振动测试与分析,学习时间 2012,2,272012,6,18 本学期1-17周,考核方式 平时作业10% +课程设计30% +期末成绩60%,绪 论,1、这是一门什么样的课？从这门课能学到什么内容？具备何种知识或能力？ 2、为什么学习它? 3、怎样学好这门课？,振动理论与振动测试 振动测试的重要性 1 动力学研究 2 结构动态设计 3 自动控制 4 检验产品质量 5 健康监测 6 评价环境 振动测试在工程中的应用,京沪高铁轨道板减振层阻尼性能试验研究 项目来源: 京沪高速铁路公司横向课题 本项目对京沪高速铁路轨道板减振层结构阻尼进行了实验研究,主要包括型、型、型三种不同配比的CA阻尼砂浆的阻
2、尼特性实验。包括阻尼比测试及单位体积耗能系数测试。,振动测试在工程中的应用,某型号IBM服务器主板频率测试及优化 服务器主板工作环境经受长期振动和噪声的危害，主板各元器件、主板本身及连接件的可靠性也因此受到严重影响。 该项目主要对主板原件进行动力学参数的测定，根据测试结果进行频率优化设计。,振动测试在工程中的应用,西航港工业集中区5区环境振动测试 项目来源：信息产业电子第十一设计研究院有限公司 该项目为考察拟建项目中设置的单晶炉对于振动的敏感性，评价成昆线火车运行对设备运行的影响程度，需要对素地进行环境振动测量。,振动测试在工程中的应用,本课程主要内容,振动、噪声测试的主要对象 振动噪声测试的
3、仪器原理和仪器特性 谱分析原理 数字信号分析原理 机械阻抗测量及模态分析原理,振动测试的基本原理,振动测试的核心 从振动系统获得信号，信号分析获得信 息，对信息评价，用于干预系统工作。,信号的概念及主要特点 时间序列函数表示的物理量，是传输信息的载体。 信息的概念及主要特点 反映一个物理系统状态或特性预先不知道的报导。通过信号传递。 测试：检出-变换-分析处理-判断,信号的分类 按性质： 确定性信号，周期、非周期 随机信号，不可预测，数理统计。 按变量取值： 时间连续信号，模拟，量化 时间离散信号，抽样，数字 因果信号 能量信号,信号分析与处理 将复杂信号分解成若干便于识别的简单信号 信号处理
4、 对原始信号加工、变换，获取关键要素 信号分析方法 时域法，频域法，时-频法,系统的概念 若干相互联系、作用的单元组成的具有一定功能的整体 系统性质由输入输出信号间关系描述 系统分类 1 连续、离散、混合系统 2 时不变、时变 3 线性 、非线性：同时满足叠加性和齐次性 4 线性时不变 5 因果、非因果 6 线性时不变因果系统 （本书研究主要对象）,如何学好该课程,理论联系实际 观察与实验 独立与协作,第一章 基础知识,一、机械振动过程 工程振动测试的主要参数有：位移、速度、加速度、激振力、振动频率等。 按照描述振动规律的特点，可将振动分为确定性振动和随机振动两大类， 简谐振动 复杂周期振动
5、准周期振动。,简谐振动,简谐振动,简谐振动,简谐振动,简谐振动,有阻尼振动,复杂周期振动,复杂周期振动,复杂周期振动,复杂周期振动,准周期振动,二、冲击过程 加速度、速度、位移形式的冲击过程 冲击响应谱 (1)最大冲击响应谱 (2)冲击初始谱 (3)冲击余谱 冲击谱（冲击激励函数傅立叶变换）,三、声学噪声,声压：听阈声压 声强 垂直于声波传播方向的单位面积上，单位时间通过的能量： 声功率 声源在单位时间内辐射的总能量 声级和分贝：声强级、声压级、声功级 方向系数,第二章 振动、噪声测量仪器的主要特性,一、测量仪器的静态特性 灵敏度特性 输出对输入的变化灵敏程度 灵敏度系数 仪器的线性范围 仪器
6、的零点：活性零点，抑制零点 滞后性、重复性、零漂,y(t),x(t),y(0),x(0),二、测量仪器的动态特性 1、阶跃响应-时域 一阶系统: 传递特性通过一阶微分方程来描述的系统。RC低通滤波器、一阶积分器。 二阶系统： 高阶系统在测量仪器中少有。,2、正弦响应-频域 暂态与稳态响应 一阶系统： 二阶系统：,三、振动传感器的静态特性,1、测量灵敏度 测量方向的灵敏度 横向灵敏度 磁灵敏度 声灵敏度,测量方向灵敏度,灵敏度的单位,灵敏度与测量线性范围的关系,横向效应与横向灵敏度,相对灵敏度（单位dB）,、温度特性（压电加速度传感器）,四、传感器的动态特性,、幅频特性 频率范围,相频特性,、安
7、装后的频率特性,自身谐振频率 和安装频率,、加速度幅度、位移幅度与频率关系,振动诺莫图评价传感器的动态范围,交越频率 既能满足最大测量位移，又能满足最大测量加速度的频率,五、其他特性,重复性 稳定性 零漂,六、传感器的误差和信噪比,实际测量输出,实际测量灵敏度,传感器误差,信噪比,高灵敏度噪声敏感 有用信号功率与噪声功率之比 输入信噪比与输出信噪比之比，噪声系数,机械振动测试方法一般有机械方法、光学方法和电测方法。 机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度不高的场合。 光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定。电测法应用范围最广。 各种测试方法要采用相应的测振传感器。,第三章 振动、噪声测量传
8、感器,传感器的定义,国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 教科书对其定义： 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。,定义包含以下几方面意思：,传感器是测量装置，能完成测试任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器的组成,以测量汽车油
9、箱中汽油液位的装置为例,传感器的分类,传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学型、生物型等。 本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍。,由于传感器的分类原则不同，测振传感器的分类方法很多。 按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器。 按参考坐标分：相对式传感器、绝对式传感器。 按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式。 按传感器与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器 .,传感器的命名, 式 传感器,如： 电阻式液位传感器 电容式声传感器 应变式力传感器 压电式加速度传感器,表示变换元
10、件、变换原理的种类,表示用途，指出被测量的种类,传感器的发展趋势,高精度 小型化 集成化 数字化 智能化 新型化,大量物性型传感器的涌现 化学传感器的开发 采用新工艺的传感器开发,一、惯性式位移传感器,(3-1),(3-2),(3-3),(3-4),时,位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。 下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。 因此位移传感器的频率范围是有限的。,二、惯性式加速度传感器,时,1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频率特性, 即理论上它的下限测量频率为零，
11、实际上是下限测量频率极低。 2. 此外，为使n远大于被测振动频率，加速度传感器的尺寸、质量可作得很小(小于1g)，从而对被测对象的附加影响也小。,三、电测传感器,四、压电晶体式传感器,压电加速度传感器安装,加速度传感器对冲击测量的影响,应变式加速度传感器,第四章 振动、噪声测量系统,被测物,传感器,放大器,记录/分析,激振器,功率放大器,信号发生器,数字采集器,一、测量系统中的微、积分电路,微分,微分,积分,1、RC微分电路,复数形式的一阶微分电路,信号在通过一阶微分电路时要受到一定程度衰减。低频更容易通过。时间常数RC越大，电压衰减越大。,RC微分电路需要满足的两个条件,1、输入脉冲信号作用
12、期间，电路中电容器C充电基本结束； 2、在下一个脉冲信号到来前，电容器中的电荷基本放完。,RC微分电路的基本条件,RC微分电路的输出误差,2、RC积分电路,RC积分电路的误差,一次积分电路,二次积分电路,积分电路存在下限频率，幅值衰减3dB时的频率,微分电路的对数幅频曲线,积分电路的对数幅频曲线,微分电路 A 时间常数要小 B 没有普适频率区间的微分电路 C 分析频率远小于电路截止频率才有高精度 积分电路 A 时间常数要大 B 没有普适频率区间的积分电路 C 分析频率远大于电路截止频率才有高精度,3、有源微、积分电路,无源微积分电路的不足：电路无放大；频率范围窄。,有源微分电路,电路截止频率,
13、有源积分电路,电路截止频率,二、前置放大器,放大信号 微积分变换 变高输出阻抗为低输出阻抗 不同灵敏度传感器输出电压归一化 电荷信号转为电压信号,1、电压放大器,2、电荷放大器,电压放大器与电荷放大器,电荷放大器输入信号时电荷，将加速度传感器与电荷放大器配套，可实现长距离测量。 电压放大器受电缆电容的影响，需与电缆配套使用,三、有效值、峰值检测器,1、有效值检测器,2、峰值检测器,四、模拟滤波器,模拟滤波器从复杂的信号中拾取获得所需要的信号，除去噪声。是振动、冲击和噪声测量中进行频谱分析的主要设备。,模拟滤波器用来分析处理测量所得连续信号，输出所需要的信号，衰减和组止不需要的信号。,传递函数,
14、传递函数是一个复数，幅值和相位分别为,1、幅频特性,2、相频特性,3、滤波器的逼近,滤波器在不衰减所需信号的前提下，能百分之百滤掉不需要的信号，即具有如下幅度平方函数,实际上这种理想低通模拟滤波器是不可实现的。因此实际滤波器只能是一种逼近。,滤波器设计时，先设计一个逼近于归一化的理想低通滤波器，再经过频率变换，把这个基本的低通滤波器转化为实际的低通，高通、带阻、带通或更复杂的组合滤波器。归一化理想低通滤波器的特性如下,滤波器的逼近问题，就是寻找满足上式的函数。典型的有巴特沃思滤波函数、椭圆滤波函数、车比雪夫滤波函数等。,巴特沃思滤波器,幅度平方函数,n为滤波器阶数。其特点是，当频率大于零时，幅
15、值随频率的增加而单调下降。,4、频率换算,1）归一化低通到低通的变换；用频率比代替归一化频率,2）归一化低通到高通的变换；电感电容互换；,3）归一化低通到带通的变换；低通可视为中心频率为零的单通带滤波器，因此需将单通带中心频率进行变换。,4）归一化低通到带阻的变换；低通到带通变化的倒数。,5、阻抗换算,把电路中所有元件的阻抗同时变换，使整个滤波电路与其他有关电路匹配。,6、几种典型的带通滤波器,恒定百分比带宽滤波器,恒定百分比带宽滤波器，分析低频时带宽窄。被分析频率越高，频谱分辨率越差。,调谐式带宽滤波器，通过调节滤波电路中的电阻、电容，使滤波器的中心频率与被分析信号的频率发生谐振，达到滤波作
16、用。,1/3、1/1倍频程滤波器,每个滤波器带宽的上下限频率之比满足倍频程关系。,恒定带宽滤波器,第五章 振动、冲击的模拟量测量,一、复杂周期振动的频谱分析,信号的频谱是信号幅度或功率随频率变化的关系，为信号的傅立叶变换（FT），故又称信号的傅立叶谱，定义：,复杂振动周期信号的频谱由傅立叶级数求出。,模拟信号分析的几种方法,1、扫描分析法,带通滤波器的分析时间,对于理想的带通滤波器,对于实际的带通滤波器,带通滤波器的波形系数,带通滤波器的扫描速度,由于扫描分析是从低到高自动完成，因此要满足扫描速度、分析速度和记录速度同步，扫描速度不得快于分析速度。扫描一个带宽的时间，即扫描速度（每秒扫过的Hz数）,扫描分析法的总分析时间,用W表示所分析的频率范围，则整个分析时间为,2、实时频谱分析,定义：对于理想窄带滤波器来说，假如被分析信号的频谱分辨率（带宽）为B，并且要求所得结果的统计自由度数为，若在整个分析频率范围内，其总的分析时间不超过n/(2B)s，则称此频谱分析为实时频谱分析。如果不考虑统计自由度数，即
