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1、. . 振动测试实验课的学习容 常用振动测试设备的原理及使用。 振动测试系统的选择、安装与使用。 振动信号的数据采集、分析处理的理论与实践。 动态信号分析仪的原理与使用。 模态试验的基本理论、试验方法与试验过程。目标与要求 了解振动测试的目的和意义。 了解振动测试的基本手段和方法。掌握基本的振动测试技术。振动测试与动态分析包括三个部分 振动测量与数据采集， 动态信号分析， 机械或结构动态特性测试。1、 振动测量与数据采集机械或结构振动的位移、速度、加速度；冲击的加速度；噪声的声压和声强等等，这些物理量是随时间变化的，称之为动态信号，对其测量称之为动态测量。振动测量属于动态测量围。 动态测量是指
2、由传感器测得这些非电物理量并转为电信号，然后经过放大、滤波等适调环节，对信号作适当调节，对测量结果进行显示、记录的全过程。工程中的物理量都是随时间连续变化的，相应的连续时间信号称为模拟信号。将连续时间信号转换为离散数字信号的过程称为数据采集。2、 动态信号分析对于振动、冲击等快变物理量，数据采集得到的时间历程信号尚不足以描述其特征，而有效值、峰值等参数反映的信息量又太少。因此，对所测得的动态信号往往需要进行分析，即动态信号分析。通过动态信号分析，获得更多的能够较详尽反映物理特征的各项参数。如频率响应函数、功率谱密度函数、相关函数等等。3、 机械或结构动态特性测试实际测量、分析的物理量，往往是被
3、试对象在一定运行环境中受到某种激励的动态响应，前者是输入后者是输出。由于线性系统的输入、输出之间存在简单的因果关系，因此可以通过对被试系统输入、输出物理量的测量和分析来确定系统的动态特性，这就是动态特性测试。例如结构模态试验就是典型的结构动态特性试验。第一章 振动测试设备振动测试设备主要包括：传感器、适调器、激振装置、数据采集器、信号分析处理软件等。 传 感 器：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、激光传感器、力传感器。 激振装置：激振器、力锤、振动台。 适 调 器：电荷放大器（或恒流源）、抗混滤波器、程控放大器。 数据采集器：采样/保持器、A/D变换器。1.1 振动传感器振动传感器将振动运
4、动转变为电（或其他物理）信号的装置。 分类： 根据被测振动量是位移、速度还是加速度，可以将振动传感器分为：位移传感器、速度传感器和加速度传感器。 从电学原理上可以将振动传感器分为：电感型、电动型、涡流型、压电型和压阻型。 从力学原理可以将振动传感器分为：绝对式传感器和相对式传感器。绝对式传感器又称为基础式或惯性式传感器。最常用的是：绝对式压电加速度传感器！1.1.1 振动传感器原理绝对式位移振动传感器可用于测量频率远高于传感器固有频率的振动。加速度传感器用在低于传感器固有频率围的振动测量。 振动传感器技术指标 频率响应特性（包括幅频特性和相频特性） 灵敏度：电信号输出与被测运动输入之比。 动态
5、围：可测量的最大振动量与最小振动量之比。 横向灵敏度：垂直于主轴的横向振动也会是使传感器产山输出信号。该信号与主轴灵敏度的百分比为横向灵敏度。 幅值线性度：实际传感器的输出信号只在一定幅值围与被测振动成正比（即保持线性特性）。在规定线性度可测幅值围称为线性围。1.1.2 惯性式加速度传感器压电加速度传感器，压阻加速度传感器，伺服加速度传感器 压电加速度传感器是目前使用最为广泛的传感器！压电加速度传感器特点优点: 使用频率围很宽：0.1Hz-200KHz, 动态围大：0.001g-10000g; 附加质量小:可以小到1g以下。缺点: 对后继信号适调器要求较高.一般需要采用较为复杂的电荷放大器,
6、不适合测量超低频信号:1)理论上可测的频率下限可以到零,实际上低频围受限于信号适调器(电荷放大器)的输入级时间常数T,即RC高通滤波器的-3dB频率.2)当频率很低时,加速度信号很小,将受到测量电噪声的影响。压阻加速度传感器特点频响可从0Hz开始。无零飘，频率上限由惯性测量系统的固有频率决定，可达25004000Hz;体积小、重量轻。1.1.3 速度与位移传感器一、电动式速度传感器电动式速度传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定磁场里切割磁力线时，导体的两端就感应出电动势。电动式速度传感器的输出电压与导线相对于磁力线的切割速度成正比。电动式速度传感器特点优点 电压灵敏度高,可直接测量;
7、噪声小; 耐高温.缺点: 质量大; 测量低频(10Hz)误差大。二、涡流式位移传感器涡流式位移传感器特点 主要特点是它与被测点没有接触，是相对式测量。可以测量静态信号。 结构简单、线性度好、抗干扰能力强。1.1.4 动态压电式力传感器压电传感器的输出电荷与外力成正比。振动传感器的选择与安装选择：振动传感器的选择是振动测试首先要考虑的问题！ 对于超低频(2Hz)测量，尽量选择位移传感器。若位移较大，也可选用低频性能较好的加速度传感器。 对于较低频(25Hz)测量，建议使用压阻式加速度传感器。 冲击测量选择压电加速度传感器。 由于压电加速度传感器的普遍拥有和性能质量的逐步提高，使用压电加速度传感器
8、是振动测量的首选。理论上，只要获得位移、速度和加速度的其中之一，即可换算得到其它量。选择加速度传感器考虑因素 灵敏度：所选传感器的的灵敏度应与被测振动的大小匹配。灵敏度高的传感器往往自身质量较大，谐振频率较低。 传感器谐振频率：通常测量频率围为安装谐振频率的三分之一。 传感器质量：传感器的质量相对于被测对象的质量，越小越好。一般而言，1/10。 动态围：测量小加速度时，不宜选择动态围较大的传感器，测量很大加速度（包括冲击）时，必须选择有足够动态围的传感器。 此外，必须考虑传感器的使用环境，如温度、电磁场等加速度传感器的安装加速度传感器与被测体的连接是传感器安装的一个关键问题，直接关系到传感器的
9、有效使用(频率特性和温度特性)。传感器的安装连接及其频率特性： 钢螺栓连接：这是一种理想的安装方法。传感器使用频率最高。 胶接：通常使用用环氧胶或502胶水。传感器使用频率较高 双面胶连接：这是一种较方便快捷的传感器安装方法。实用于较低频率和传感器质量较小的情况。传感器使用频率较低。石蜡粘接：简单易行，方便快捷。传感器使用频率较低。 永久磁铁：若被测试件是铁磁材料且有平坦表面时，可采用此连接方式。此外应固定好导线、并将传感器于被测实践绝缘。1.2 信号适调器对被测信号进行放大、归一化、积分、滤波等信号变换，称为信号适调。实现信号适调的的电子仪器称为信号适调器。 各种传感器通常配置相应的适配器。
10、 压电式传感器配置电荷放大器(或恒流源)。电荷放大器：是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。它能直接将压电传感器产生的电荷变换成输出电压。结论：1）电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷成正比； 2）输出电压与输入电荷的频率特性只与反馈电容有关，而不受电缆电容等因素的影响；3）改变反馈电容的大小，就能方便地改变电荷放大器的输出电压。将微型电压放大器或阻抗变换器（作用是将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗）直接装进传感器部，引线电容几乎为0，从而解决了电缆影响问题。这就是置电路式压电传感器（ICP传感器）。新一代动态信号分析系统通常带有与之配套的信号调理器（恒流源）1.
11、3 振动校准振动校准的主要容有： 灵敏度：电信号输出与被测运动输入之比。 频率响应特性（包括幅频特性和相频特性）灵敏度在所使用的围随频率的变化。 横向灵敏度：垂直于主轴的横向振动也会是使传感器产生输出信号。该信号与主轴灵敏度的百分比为横向灵敏度。 幅值线性度：灵敏度随幅值的变化关系。振动校准方法：1）绝对校准法，2）比较法，3）重力法。1.3.1 比较法一般振动实验室通常采用比较法对测量用工作传感器进行校准，即通过被较传感器（即工作传感器）与标准传感器进行比较从而到达校准的目的。加速度传感器比较法校准原理（见参考书）。力传感器比较法校准原理（见参考书）。1.3.2 重力法重力法原理（见参考书）
12、。1.4 激振装置激振器、力锤、振动台、冲击台 激振是机械、结构动态特性测试中的一个重要环节。所谓激振就是对被试机械、结构施加一定形式和大小的激振力，使之产生相应的振动。 动态测试的一个重要容就是对被测系统进行激励（激振），通过振动测试、数据采集和信号分析，由输出和输入确定机械、结构的动态特性。 激振需要激振装置激振器、力锤、振动台、冲击台。 振动台可给整个试验对象一定频率和大小的振动运动； 激振器可对被试对象提供一定频率和大小的振动力 力锤可对被试对象提供一定大小脉宽的振动力； 冲击设备的作用是产生典型化的冲击过程，并且有规定精度的重复性，一模拟实际的冲击效应。第二章 信号分析2.1 信号分
13、析基础 振动信号从统计特征，可分为确定性振动和随机振动。确定性振动：能够用明确的数学关系式描述。例如：弹性系统自由振动。随机振动：不能用明确的数学关系式描述，无法预测未来某时刻的精确值。例如：路面对汽车的激励，大气紊流对飞机结构的激励。 确定性振动又可分为周期性振动和非周期性振动。 信号分析的主要容是将信号的时间历程用更能显示信号特点的频谱来表示。周期信号可由傅里叶级数变成离散频谱。非周期信号可通过傅里叶变换变成连续频谱。2.1.1 周期信号分析傅里叶级数 任何一个周期为T的振动信号可以展开成以简谐函数表示的傅里叶级数任何周期信号可分解为“直流”和各次谐波分量。 周期信号的特点是它的频谱由一些
14、离散的谱线组成 。 2.1.2 非周期信号分析傅里叶变换非周期信号可通过傅里叶变换变成连续频谱。2.1.3 随机信号分析几个概念: 随机振动是一种非确定性振动。 要了解随机振动必须研究相同实验条件下的多个振动记录的统计特性。 若随机过程的统计特性不随时间变化，就叫做平稳随机过程。 当整个平稳随机过程的统计特性与每个样本的统计特性相同，称该平稳随机过程为各态历经过程。2.1.3.1 随机振动信号的基本统计量均值均方值、均方根值方差、标准差1）均值表征了随机信号的直流分量。2）方差表征了交流分量。3）均方值即包含了信号的直流分量也包含交流分量。2.1.3.2 概率密度与概率分布概率密度函数定义（见参考书）。概率分布函数定义（见参考书）。2.1.3.3 相关函数（见参考书）。2.1.3.4 功率谱密度从自相关函数，通过幅傅里叶变换可求出另一个十分重要的函数，自功率谱密度函数。自相关函数等于自功率谱密度函数的傅里叶逆变换。2.2 动态信号谱分析2.2.1 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换（见参考书）。2.2.2 离散傅里叶变换(DFT) （见参考书）。离散傅里叶变换将N个点的时域数据变换成N个频域数据2.2.4 功率谱密度（PS
