测试技术基础 ---- 第九章 振动测量

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1、测试技术基础华南理工大学 机械与汽车工程第九章 振动测量第一节 概述 第二节 机械振动的测试系统组成 第三节 单自由度系统的振动 第四节 测振传感器测试技术基础第一节 概述对振动的测量不仅仅意味着用传感器来简单地获取振动量， 在许多场合还要求根据测量的结果采取对策， 对工程 设备进行结构性的改变或改善。振动的测量一般分成两类， 一类是测量机器和设备运行过程中存在的振动， 另一类则是对设备施加某种激励， 使其产生受迫振动， 然后对它的振动状况作检测。对用作 振动测量的传感器来说， 主要采用的是位移、速度和加速 度传感器。 第二节 机械振动的测试系统组成机械振动测量的方法有多种， 典型的有机械法、

2、光学 法和电测法。1. 机械法测振是利用杠杆传动或惯性原理接受并记录振动 量的一种测量方法。 机械式振动扫描记录仪 图示出机械式测振仪的工作原 理如：被测物体的振动由探测杆 接收并直接或经杠杆放大后用记 录笔在移动胶片上刻出信号。机械式测振仪尽管使用简单， 不受干扰影响， 但它体积大、灵 敏度低且使用频率范围窄， 因此 目前已很少使用。 第二节机械振动的测试系统组成2. 光学法是利用光学原理将振动量转换为光信号。常用的测 振装置有光学读数显微镜测振装置和激光干涉法测振装置。 其中激光干涉法的测量精度和灵敏度都很高， 可测到微米量 级的振动。但光学法测振装置调整复杂， 对测量环境要求严 格， 一

3、般仅适用于实验室环境下作标准振动仪器的标准计量 装置。3. 电测法是将被测的振动量转换成电量， 再用电量测试设 备进行测量的方法。 与机械法和光学法相比较， 电测法具 有使用频率范围宽、动态范围广、测量灵敏度高等优点。 电 测法能广泛地使用各种不同的测振传感器。且电信号也易于 被记录、处理和传送。因此电测法是最为广泛使用的振动测 量方法。 第二节机械振动的测试系统组成以电测法为基础所画的振动测量系统的结构框图如下， 该系统由被测对象、激励装置、传感与测量装置、振动分析 装置和显示及记录仪器所组成。 振动测试系统结构框图 u被测对象亦称试验模型， 它是承受动载荷和动力的结构或机器 。 u激励装置

4、由信号源、功放和激振器组成， 用于对被测结构或机 器施加某种形式的激励， 以获取被测结构对激励的响应。 对于运行中的机器设备的振动测量来说， 这一环节是没有 的。此时， 机器设备直接从外部得到振动的激励。第二节机械振动的测试系统组成u传感与测量装置由测振传感器及其关联的测量和中间变换电路组成， 用 于将被测振动信号转换为电信号。u振动分析装置它的作用是对振动信号作进一步的分析与处理以获取所 需的测量结果。u显示及记录仪器用于将最终的振动测试结果以数据或图表的形式进行记 录或显示。这方面的仪器包括幅值相位检测仪器、电子示波 器、 x - y 函数记录仪、数字绘图仪、打印机以及计算机磁盘 驱动器等

5、。 振幅 A (Amplitude)偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。 频率 f (Frequency)描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 初相角 (Initial phase)描述振动在起始瞬间的状态。简谐振动的三要素第三节 系统的振动 振动位移 (Displacement) 速度 (Velocity) 加速度 (Acceleration) l 位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 l 三者的幅值相应为A、A、A 2。l 相位关系：加速度领先速度9

6、0; 速度领先位移90。xvaxva振动位移、速度、加速度之间的关系第三节 系统的振动名 称 波 形 名 称 波 形 振 动 的 时 域 波 形第三节 系统的振动 瞬时值 (Instant value)振动的任一瞬时的数值。 峰值 (Peak value)振动离平衡位置的最大偏离。 平均绝对值 (Average absolute value) 均值 (Mean value)又称平均值或直流分量。 有效值 (Root mean square value) xpx = x(t)若干幅值参数的定义第三节 系统的振动正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值各幅值参数是常数，彼此间有确定关系 峰值 xp

7、=A; 峰峰值 xp-p=2A 平均绝对值 xav=0.637A 有效值 xrms=0.707A 平均值简谐振动的幅值参数第三节 系统的振动复杂振动的幅值参数各幅值参数随时间变化，彼此间无明确定关系正峰值负峰值峰峰值xrms第三节 系统的振动确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度第三节 系统的振动单自由度振动系统第三节 系统的振动图中数字为系统的自由度数53226多自由度振动系统系统在没有激励下，由初始条件引起的振动，称为自由振动 。初始位移初始速度 a 无阻尼b 小阻尼c 临界阻尼d 大阻尼单自由度系统的自由振动第三节 系统的振动 自由振动的频率等于系统的固有频率。 振幅大小决定于初始

8、条件（初始位移和初始速度）。 系统的阻尼大，振幅衰减快；阻尼小， 振幅衰减慢。 阻尼系数 = 1 称为临界阻尼。单自由度系统的自由振动第三节 系统的振动由自由振动确定固有频率和阻尼第三节 系统的振动 系统有多个固有频率。从小到大，称为第1阶、第2阶等等。 每个频率有一对应的振型和阻尼值。 同一阶的固有频率、振型 和阻尼值一起，称为模态。第二阶模态第一阶模态两自由度系统的模态举例第三节 系统的振动第二阶模态第三阶模态第一阶模态振型是各自由度坐标的比例值。振型具有正交性。三自由度系统的模态举例第三节 系统的振动 系统的自由振动为各阶自由振动的叠加。振动一般不再是简谐的。 各阶自由振动所占成分的大小

9、，决定于初始条件。 各阶自由振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼。阻尼大，衰减快；阻尼小，衰减慢。 在衰减过程中，各阶的振型保持不变，即节点位置不变。多自由度系统的自由振动第三节 系统的振动 振动的频率等于激励的频率。 振幅大小与激励的大小成正比。 激励频率接近固有频率时，发生共振现象。 阻尼小，共振峰高；阻尼大，共振峰低。 位相上说，振动落后于激励。 振幅和位相随激励频率而变化，变化规律用系统的幅频特性和相频特性来表示。单自由度系统的强迫振动第三节 系统的振动幅频特性相频特性激励频率激励频率响应幅值响应位相单自由度系统的强迫振动第三节 系统的振动由强迫振动确定固有频率和阻尼第三节 系统的振动 振

10、动的频率等于外激励的频率。 振型为各阶振型的叠加。 各阶振型所占的比例，决定于外激励的频率和作用点位置 。 激励频率接近某阶固有频率时，该阶振型增大而占主导地 位，是为该阶共振状态。 共振峰大小决定于该阶阻尼值和激励的位置。 作用在某阶节点上的激励力，不能激起该阶振动。多自由度系统的强迫振动第三节 系统的振动磁带记录仪频谱分析仪打印机存储设备绘图仪测量电路基频检测仪记录仪数据采集和分析系统汽轮机齿轮增速箱压缩机涡流传感器速度传感器加速度传感器键相传感器旋转机械振动测量框图第三节 系统的振动第四节 测振传感器 分类：接触式和非接触式 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对 式。 机械振动是一种物理现

11、象，而不是一个 物理参数，和振动相关的物理量有振动 位移、振动速度、振动加速度等，所以 振动测试是对这些振动量的检测，它们 反映了振动的强弱程度。1. 磁电式速度传感器第四节 测振传感器接收形式：惯性式变换形式：磁电效应典型频率范围：10Hz1000Hz典型线性范围：02mm典型灵敏度 ：20mV/mm/s 测量非转动部件的绝对振 动的速度。 不适于测量瞬态振动和很 快的变速过程。 输出阻抗低，抗干扰力强。 传感器质量较大，对小型 对象有影响。 在传感器固有频率附近有 较大的相移。第四节 测振传感器典型的磁电速度传感器及其特性2. 涡流位移传感器第四节 测振传感器 不接触测量，特别适合测量转轴

12、和其他小型对象的相对位移。 有零频率响应，可测静态位移和轴承油膜厚度。 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。 相移很小。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：020kHz典型线性范围：02mm典型灵敏度 ：8.0V/mm (对象为钢)涡 流 位 移 传 感 器 及 前 置 器第四节 测振传感器第四节 测振传感器涡流位移传感器 输出电压 u 正比于间隙 d且于测量对象的材质有关涡流传感器的工作原理第四节 测振传感器传感器与转轴之间的间隙前置器输出电压（直流伏 ）涡流位移传感器的典型特性第四节 测振传感器3. 电感式振动传感器第四节 测振传感器差动变压器式绝对振动传感器 1 弹簧； 2

13、衔铁； 3 螺管线圈； 4 阻尼液； 5 被测对象 电感式传感器又分自感和互感式两种， 可用来测量位 移、力和加速度等量。下图为一种测量绝对振动位移的差 动变压器式传感器的结构示意图。传感器的两端被密封， 内部充以空气或硅油作为阻 尼器。内部的活动衔铁被上 下两弹簧支撑于螺管线圈中 央。整个传感器被固结于被 测物上， 用于测量被测物的 振动位移。 其中衔铁起着一 个质量块的作用。 第四节 测振传感器差动变压器式振动加速度传感器 （ a ） 变气隙式结构； （ b ） 螺管式结构 第四节 测振传感器4. 电阻式振动传感器 利用应变片原理可做成测量振动加速度的电阻应变片式 振动加速度传感器。 电阻

14、式加速度传感器 1 4 电阻应变片； a d 引线接点 这种传感器用 于敏感水平方向的 振动加速度。这种 传感器一般用在汽 车的气囊和安全带 装置中， 用于在汽 车的行驶过程中敏 感突如其来的冲击 ， 从而能使气囊及 时地打开以避免人 员的伤害。 第四节 测振传感器5. 电容式加速度传感器 单片集成式电容加速度传感器 当在中间电极（振动质量块） 和衬底（壳体） 间发 生相对运动时， 两搭接条间的电容值便会随之发生变化。 6. 压电加速度传感器第四节 测振传感器接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号 可在很大范围内变化。 测量非转动部件

15、的绝对振 动的加速度。 适应高频振动和瞬态振动 的测量。 传感器质量小，可测很高 振级。 现场测量要注意电磁场、 声场和接地回路的干扰。 灵敏度高、结构紧凑、坚固性好。 晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口三角剪切型 中心压缩 型预压簧片三角柱压电加速度传感器的典型结构第四节 测振传感器压电加速度传感器的典型特性第四节 测振传感器激光速度传感器 第四节 测振传感器7. 磁致伸缩式振动传感器 第四节 测振传感器8. 激光速度传感器 迈克尔逊干涉仪原理图第四节 测振传感器8. 激光速度传感器 第五节 激振器1. 力锤l 一般来说，锤击力的大小是 由锤击质量和锤击被测系统 时的运动速度决定的。 l 激励的频率范围主要由接触 表面刚度决定，锤头的材料 越硬则脉冲的持续时间越短 ，上限额率f越高。为了能调 整激励频率范围，通常使用 一套不同材料的锤头。l 力锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和 可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有 一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。第五节 激振器2. 机械惯性式激振器l 由两个有偏心质量、反向等速旋转的齿轮组成。当两个齿 轮旋转时，由于偏心质量的缘故会产生周期的离心力，从 而启动激振的作用。 l 其激振力大小为两离心力的合力：机械惯性式激振器第五节 激振器3. 电动力式式激振器当电流以简谐规律变化时，则作用在激