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1、第八章、振动的测量,工程测试技术基础,本章学习要求：,1.掌握振动的测量方法及测振传感器 2.了解振动的分析方法与仪器,8.1 概述,第八章、振动的测量,在大多数的情况下，机械振动是有害的。振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命身甚至导致损坏造成事故。振动也有可以被利用的一方面，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效等。,虽然两者传输方式以及各自的频率成分之间的强度比例都不一样，但它们的频谱都在某中程度上反映机器运行状况，均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参数。,1.机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象,2.机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具
2、有相同的频率组成,3.振动测量的内容,第八章、振动的测量,如位移、速度、加速度、频率和相位等。,1）振动量的测量；,对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动频率。有时则需要对所测的信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提提供依据。,第八章、振动的测量,我国共有19项有关振动与冲击的国家标准，涉及到有关术语、测量仪器、测量方法等。,4.振动测量标准,如：固有频率、阻尼比、刚度和振型等。 对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动； 此类振
3、动的目的是研究设备或结构的力学动态特性。,2）结构或部件特征参数的测量。,测量振级 寻找振源 研究结构的动态特性 研究各种减振理论与方法等。,5.振动测量的目的,研究加工精度测量位移 研究振动功率测量速度 研究振动引起的声辐射测量速度 研究机械损伤测量加速度。,6.振动强度测量指位移、速度和加速度的测量,由于位移、速度、加速度这三个物理量之间存在着固定的导数关系，原则上讲，对其中任何一个物理量都可以通过数学方法获得其它物理量。,7.具体测量项目,位移传感器、速度传感器、加速度传感器,8.振动传感器,1 振动位移传感器,电容式传感器：灵敏度高、频率范围宽、受环境温度影响；测量范围0.0010.1
4、mm。,常用振动位移传感器有电容式、电涡流式及电感式,电涡流式位移传感器：灵敏度高、频率范围宽、非接触式测量、线性范围大、抗干扰能力强、不受油污等介质影响； 测量范围从0.5mm 到10mm不等； 测量频率范围05 kHz,电感式传感器：输出功率大、性能稳定、精度高、易受温度与磁场影响；测量范围1020mm。,8.2振动传感器,振动速度传感器为磁电式速度计，分为绝对速度传感器与相对速度传感器两类。,如果将壳体固定在一试件上，通过压缩弹簧片，使顶杆以力顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，此时的速度计就成为相对速度计。,磁电式绝对速度计,磁电式相对速度计,绝对式速度计的固有频
5、率应该尽可能低,但不能太低。一般为1015Hz，其可用频率范围一般为151000Hz,阻尼环的作用？,2 振动加速度传感器,8.2振动传感器,应变式加速度计 2阻尼液；3悬臂梁；4应变片；5质量块 优点：低频响应好；可测量直流信号（匀加速度）；液体阻尼可消除高频受激振动的影响。 缺点：固有频率大大低于压电式。,压阻式加速度计 1引线电极；2扩散的电阻；3质量块 优点：体积微型化，外形可小于1mm；频率响应范围宽（01.5MHz）；灵敏度大于应变式加速度计数倍乃至数十倍；测量精度一般在0.1%0.05%之间。 缺点：受温度影响大。,2 振动加速度传感器,8.2振动传感器,加速度传感器有：应变式、
6、压阻式、压电式,2 振动加速度传感器,目前采用的加速度传感器大多数为压电式加速度计。有压缩型、剪切型、弯曲型以及它们的组合。各型的主要差别是压电晶体承受应力的形式不相同。,优点:尺寸小、重量轻、坚固性好，测量频率范围一般可达1Hz22KHz；测量加速度范围为02000g，温度范围为150260,输出电平为572mv/g . 缺点: 低频性能差、阻抗高、测量噪声大 。,8.2振动传感器,加速度计的安装 (a) 将加速度计直接用螺栓安装在振动表面上; (b) 将加速度计与振动面通过绝缘螺栓或者云母片绝缘相连; (c) 用腊膜粘附; (d) 手持探棒与振动表面接触; (e) 通过磁铁与具有铁磁性质的
7、振动表面磁性相连; (fg) 用粘结剂连结 . 其中: (a)可测量强振动和高频率 振动，是安装加速度计理想的方 法; (e)是常用的方法，方便可靠， 但只能测量加速度较小的振动.,3 振动加速度传感器安装,8.2振动传感器,常见压电加速度计,8.2振动传感器,校准原因： 压电材料老化使灵敏度变化 仪器维修后性能变化,绝对法：激光干涉仪绝对校准法 方法：将被校准的传感器固定在校准振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被校准传感器的输出比较，以确定被校准传感器的灵敏度。 优点：精度高 缺点: 设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用。,4 振动传感器的校准,8
8、.2振动传感器,相对法 (背靠背比较校准法) 将待校准的传感器和经过国家计量 等部门严格校准过的传感器(参考传器) 背靠背地（或并排地）安装在振动台 上承受相同的振动。将两个传感器的 输出进行比较，就可以计算出在该频 率点待校准传感器的灵敏度； SaSr Va / Vr 其中, Sr是参考传感器的灵敏度;,4 振动传感器的校准,8.2振动传感器,作用:测振仪是测量振动加速度、速度或位移信号的峰值、平均值及有效值的仪器。 测振仪配有积分微分电路进行被测量的转换，其输出通过面板表头，因而可以直接读出位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰-峰值、平均值或均方根值 。 类型:在工程中常采用各种台式、袖珍
9、式、数字式和单通道、多通道等各种规格测振仪。,8.3 常用的振动测量仪器,1测振仪,2前置放大器,压电式加速度计后面常用电压放大器和电荷放大器。 振动测量中常用电荷放大器,8.3常用的振动测量仪器,3频谱分析仪,工程中的振动问题十分复杂，经常遇到多种频率叠加的振动波。 频谱分析仪是专门对信号频率分布作分析处理的仪器。 频率分析仪类型: 模拟式、数字式,信号的时域与频域描述,8.3常用的振动测量仪器,振动测量分为两类： 在线测量：对机械运行状态进行检测； 实验室测量：了解机械动态特性。 动态特性测量的原因： 在现场或在正常工作状况下测得的振动信号有时很难全面反映出被测系统的动态特性，因此需要人为
10、地给系统施加一定的振动激励。 动态特性测量方法： 激励系统 测量激励和响应 分析两信号关系 系统的动态特性,输入环节,输出环节,系统特性,8.4 动态特性测量系统,激励方式: （1）稳态正弦激励 需要信号发生器发出稳态正弦信号，经过功率放大器放大后推动专用的激振器产生力信号。 （2） 随机激励 需要信号发生器发出随机信号，经过功率放大器放大后推动专用的激振器产生力信号。 （3）瞬态激励 利用专用的脉冲锤产生激励力。,此时，人们必须通过激励与响应信号了解系统动态特性。,问题：动态精度超差的原因是什么？机械噪声过大的原因是什么？,8.4 动态特性测量系统,8.4动态特性测量系统,脉冲锤 锤头垫材料
11、刚度越高，激励的脉宽就越窄，频带也就越宽，能量分布在较宽的频域上。 锤体质量与力的大小有关。 优点:脉冲激励的激励力只需要一个脉冲锤，激励系统简单，使用方便 缺点:激励能量相对较小，激励力信噪比低，对于大型结构动态特性的测量有一定的局限性,1脉冲激励,8.4动态特性测量系统,稳态正弦激振：对被测对象施加一个幅值稳定的单一频率的正弦激振力 优点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精确度； 缺点：需要很长的测试周期。 随机激励 ：宽带激励的方法，一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。由于功放和激振器通频带有限，实际激振力频谱只在一定频率范围内保持常数。 优点：可实现快速甚至“实时”测试； 缺点：
12、设备复杂，价格昂贵。,正弦激励与随机激励可否用同一种激振器？,2 稳态正弦激励与随机激励,8.4动态特性测量系统,激振器：电动式、电磁式和电液式。 最常用的是电动式。 使用时注意： （1）最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件，以便精确测量出激振力大小； （2）电动激振器主要用来对试件作绝对激振，因而在激振时最好让激振器壳体在空间中基本保持静止，使激振器的能量尽量用于试件上。 即： （a）高频激励时：激振器用软弹簧或橡皮绳悬挂起来，应有足够的悬挂长度,并可加上必要的配重 ，使悬挂系统固有频率低于激振频率1/3以下。对于水平激励，为了产生一定的预加载荷，需要斜挂一定角度； （b）低频激振时：将激振
13、器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上，让安装的固有频率比激振频率高3倍以上。,电动式激振器,安装方法,2 稳态正弦激励与随机激励,8.4动态特性测量系统,如果感兴趣的是两个设备之间的相对振动，需要将激振器安装于两个设备之间，此时要求： （1）重量轻：以免影响原有系统动特性； （2）激振力大。 由于电动式自重过大，常采用电磁激振器。 对于低频激振,常采用电液激振器.,电磁式激振器,电液式激振器,2 稳态正弦激励与随机激励,8.4动态特性测量系统,为了对旋转机械进行预测性维修，必须能够随时地、准确地了解机组的运行状态，常用状态监测方法之一是 振动监测。 对振动测量包括振幅、频率、相角、振动形式和振
14、型: 振幅：振动强度的标志。 频率：一般认为不同的频率对应不同的故障，频率幅值高低表明故障严重程度。但是，频率和故障不完全一一对应。 相角：描述某一特定时刻机器转子的位置，在动平衡或分析机器特殊故障时非常重要。 振动形式：有时域波形和轴心轨迹两种。时域波形：确定基本的振幅、频率和相角；轴心轨迹：能够反映轴的实际运动情况。 振型：系统固有的振动形态，与固有频率一一对应。,8.5 振动测量在机械监测中的应用,简支梁的前三阶固有振型,轴心轨迹,按振动原因分类 1) 转子不平衡：产生的原因有：制造、运输存放、安装、叶轮结垢、机组结构等原因。 2) 不对中：包括联轴节或轴承的不对中以及主轴弯曲引起的振动
15、。 3) 偏心： 滑动轴承与轴颈偏心。 4) 松动：机器零件松动，基础不牢固、地脚螺栓松动。 5) 摩擦：包括密封件的摩擦，转子的轴向和径向摩擦。 6) 联轴器损坏。 7) 油膜涡动和油膜振动。 8) 电气原因。 9) 负载原因：旋转机械负载变化急剧或空气动力引起的振动或揣振。 10) 共振：基础、机组或管道的结构共振。,按振动发生的部位分类 1) 转轴振动：包括转子的轴颈、轴端、及叶片等。 2) 轴承振动：包括滑动轴承、滚动轴承等。 3) 壳体振动：包括轴承座、机壳等。 4) 基础振动： 包括机座、地脚螺栓、地板。 5) 其它振动：包括阀门、阀杆、各种管道及支撑物。 按振幅方向分类 1) 转子径向振动。 2) 转子轴向振动。 3) 扭转振动。,振动分类,
