《振动测试技术chapt4-振动参数及结构特性参数测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振动测试技术chapt4-振动参数及结构特性参数测量（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四部分,振动参数及结构特性参数测量,振动幅值的测量,位移幅值 速度幅值 加速度幅值 力的幅值,机械法 光测法 电测法,简谐振动位移幅值的测量,1、测幅尺,是在一小块白色金属片上，画上带有刻度的三角形制成。使用时，将三角形按直角短边平行于振动方向粘帖在振动物体上，当振动频率较快时，标尺上的三角形因视觉暂留效果看起来形成上下两个灰色三角形，其重叠部分是一个白色三角形。,简谐振动位移幅值的测量,1、测幅尺,振动幅值与测幅尺尺寸之间的关系,使用限制,1、频率不能太低 f10Hz 2、振幅不能太小，A 0.1mm 3、上限受测幅尺尺寸限制 4、单一方向,应用：机械式和电动式振动台，振动筛等。,特点：方
2、便、简单、精度较差。,2、读数显微镜,简谐振动位移幅值的测量,类型,内读数 0.05mm(min) 外读数 0.01mm(min),当读数显微镜的放大倍数为k时，振动幅值为,在振动物体上贴一反光线或细砂纸，并用灯照亮，当结构静止时，调整显微镜位置，以清晰的看到许多亮点，当结构振动时，由于视觉的暂留效果，这些亮点就成为许多直线。,特点： 测量的是绝对位移,测量过程：,3、 激光位移传感器,简谐振动位移幅值的测量,一般激光位移计包含一发光组件及一位置传感器（PSD)，利用入射及反射光间三角函数的关系来得到待测位移的。半导体激光的光源经过透镜将光束聚焦在待测物体上，待测物反射光经接收透镜聚焦于位置传
3、感器上形成一光点，此光点位置随待测物位置改变而改变。,感测头有两种，镜面反射式与散光式。一般镜面反射式用于反光良好或量测距离较近的待测物上，因为这种情况下入射角与反射角相等。散射式则用于距离较远或较粗燥的量测面上。,传统的PSD是测量投射到光点的位置，取其中心点为测量点，但由于光点的亮度分布并不是均匀的，取中心点的演算结果与实际位移误差较大，因此，现在新型的CCD传感器采用光点中最亮的点为测量点，其测量精度较传统的PSD要高。,4、电涡流位移传感器 5、速度传感器 6、加速度传感器,简谐振动位移幅值的测量,简谐振动频率测量,1、频率计（直读法）,2、李莎育图形法,3、图形法,简谐振动频率测量,
4、记忆示波器,记录仪,频谱分析法,复杂振动频率测量,分析仪的设置 频率范围 输入量程与输入耦合方式 窗函数 测量内容及坐标,结构固有特性参数测量-自由衰减法,1、测量过程,2、测量仪器与测量系统,此法的核心：记录时间历程曲线,结构固有特性参数测量-自由衰减法,3、激励,1）初位移法：加一力或一力偶，使系统产生初位移或初始转角 后，突然卸力（一阶固有频率测量） 2）敲击法：用力锤或其它施力工具（注意频率范围、敲击点）,4、响应,以单自由度系统为例,结构固有特性参数测量-自由衰减法,5、时间历程,6、固有频率和阻尼比测量,结构固有特性参数测量-自由衰减法,固有频率,阻尼比：测出图中 Ai 和 Ai+
5、m 幅值,求减幅系数,对数减幅,则,由于,1、原理与方法 通过激振器给结构施加一简谐激振力，使其产生强迫振动，然后连续改变激振力的频率，当激励频率与结构固有频率相近时，结构即产生共振（幅值出现极值），逐步调节激励频率，同时测量各频率点的振动幅值，绘出幅频特性曲线，曲线上各峰值点所对应的频率就是各阶固有频率。此法适用与各阶固有频率相隔较远的轻阻尼结构。 2、测量仪器 激励系统：正弦信号发生器、功率放大器、激振器 测量系统：传感器、放大器、示波器、频率计、测振仪,结构固有特性参数测量-共振法,结构固有特性参数测量-共振法,3、固有频率的测量, 固有频率与共振频率的区别,1）固有频率是由结构固有参数
6、和边界条件决定的，与激励方式无关。 2）共振频率指结构共振时的强迫振动频率。 3）系统的每阶固有频率分别对应多个共振频率,结构固有特性参数测量-共振法, 固有频率与共振频率的关系,以单自由度系统为例，当系统受到作用力,则,令,由,结构固有特性参数测量-共振法, 固有频率的测量,共振的判别,（1）幅值判别法 在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，而最大幅值所对应的频率就是结构的某阶共振频率，在小阻尼情况下，该频率近似等于固有频率，但在阻尼较大的情况下，不同的测量方法测量出的共振频率稍有差别，不
7、同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样。,结构固有特性参数测量-共振法,共振的判别,（2）相位判别法 相位判别是根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振时的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素的影响。 激振信号为： 位移信号为： 速度信号为： 加速度信号为：,结构固有特性参数测量-共振法,位移信号为： 共振时，=n，力信号和位移信号的相位差为/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n或略小于n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭
8、圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。,将激振信号输入到示波器的x轴，位移传感器输出信号输入y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信号为：,（一）位移判别法,结构固有特性参数测量-共振法,（二）速度判别法 将激振信号输入到示波器的x轴，速度传感器输出信号输入到y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信号为： 速度信号为： 共振时，=n，x轴信号和y轴信号的相位差为0，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一条直线。当略大于n或略小于n时，图象都将由直线变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为直线的频率就是振动体的固有频率。,n,结构固有特性参数测量-共振法,n,（三）加速度判别法 将
9、激振信号输入到示波器的x轴，加速度传感器输出信号输入到y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信号为： 加速度信号为： 共振时，=n，x轴信号和y轴信号的相位差为/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n或略小于n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。,结构固有特性参数测量-共振法,4、阻尼比的测量,1）半功率点法,首先激励系统使其处在共振状态，记录该状态时的振动幅值 和共振频率 ，再计算 ，分别往高和往低方向调节激励频率，读取响应幅值为 时所对应的激励频率 和 ，利用下面公式计算阻尼比,2）自由衰减法,
10、当系统处在某阶共振状态时，突然卸力，系统将按该阶固有振动进行衰减，记录衰减时间历程曲线后，由波形参数计算阻尼比,结构固有特性参数测量-共振法,3）共振频率法,在振动系统上安装位移、速度，或速度、加速度传感器，分别测出其共振频率，由,注意：当阻尼远远小于1时，此法不好用，因为三者频率相差不太 大，不好测准，必须采用精密仪器,结构固有特性参数测量-共振法,4）放大系数法,在正弦激励下，系统的动力放大系数为,当共振时,测量方法：首先调节激励频率使系统达到共振状态，测出系统响应的最 大位移 ，再用相同力幅的静力 作用在系统同一激励 点 上，测出同一响应点的静变形，即可计算出阻尼比,结构固有特性参数测量
11、-共振法,5、振型的测量,当系统处在共振状态时，测量各响应点的幅值（测量点应尽可能多些），并利用李莎育图形法测量各响应点之间的相位差，画出振型图即可,结构固有特性参数测量-模态分析法,1、模态分析,模态分析是在假定实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，来寻求其“模态参数”的一种参数识别方法。 模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均
12、可单独求解，得到系统的某阶结构参数。,结构固有特性参数测量-模态分析法,什么叫实模态分析？它有哪几种情况？ 对无阻尼系统和比例阻尼(粘性比例阻尼和结构比例阻尼)系统而言，表示系统主振型的模态矢量是实数矢量，称为实模态系统，相应的模态分析过程称为实模态分析。它有在无阻尼系统和比例阻尼系统中两种情况。 什么叫复模态分析？它有哪几种情况？ 具有一般粘性阻尼和一般结构阻尼振动系统的模态矢量是复矢量，故称该系统为复模态系统，有关的模态分析称为复模态分析。它有一般粘性阻尼和一般结构阻尼系统两种情况。,结构固有特性参数测量-模态分析法,2、模态参数识别方法,1）时域法：从时域响应数据中直接识别模态参数.时域
13、 模态参数辨识与频域方法不同，无须将所 测得响应与激励的时间历程信号变化到频 域中去，而是直接在时域中进行参数辨识。,主要方法 最小二乘复指数法 时间序列分析法 随机减量技术 ITD方法,结构固有特性参数测量-模态分析法,2）频域法：在测量频率响应函数基础上，利用最小二乘估计识 别模 态参数。有单模态识别法和多模态识别法，前者对 各模 态耦合较小的系统可达到满意的识别精度，而后者 则适 合于模态耦合较大的系统,结构固有特性参数测量-模态分析法,主要应用有： 1）用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、 模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。 2）可用模态实验结果去指导有限元理
14、论模型的修正，使计算机模 型更趋于完善和合理。 3）用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。 4）用来进行响应计算和载荷识别。,3、模态分析方法的应用,结构固有特性参数测量-模态分析法,4、机械导纳、传递函数与频响函数,1）机械阻抗和机械导纳： 机械阻抗和机械导纳的概念来源于机电类比，在电学中，常用复数符号 和 表示线路中电压和电流的有效值和初相位，并将它们的比值定义为阻抗，即,同时将阻抗的倒数定义为导纳,类似地，机械阻抗定义为机械系统受到简谐激励时激振力的复数力幅与响应的复数振幅之比，并将机械阻抗的倒数定义为机械导纳。,结构固有特性参数测量-模态分析法,由于系统的响应可以是位移、速
15、度和加速度，因而机械阻抗（导纳）有六种形式,位移阻抗,速度阻抗,加速度阻抗,位移导纳,速度导纳,加速度导纳,结构固有特性参数测量-模态分析法,以单自由度系统受简谐力作用时的响应为例，可以看出系统机械阻抗（或导纳）得知取决于系统的物理参数（质量、刚度、阻尼），并且是频率的函数，同一系统的六种阻抗（导纳）是相互联系的。,结构固有特性参数测量-模态分析法,有阻尼单自由度系统导纳的五种曲线及其特点,有阻尼单自由度系统的位移导纳表达式为：,由此可得到导纳的五种曲线,结构固有特性参数测量-模态分析法,1）幅频曲线和相频曲线,在相频曲线上，a,b,c点对应的相位分别为：-450，-1350，-900.,位移
16、导纳的幅频和相频图,结构固有特性参数测量-模态分析法,2）实频曲线和虚频曲线,结构固有特性参数测量-模态分析法,3）五种类型的导纳曲线的比较,三种导纳的幅频和相频图,结构固有特性参数测量-模态分析法,3）五种类型的导纳曲线的比较,三种导纳的实频图和虚频图,结构固有特性参数测量-模态分析法,3）五种类型的导纳曲线的比较,三种导纳圆,结构固有特性参数测量-模态分析法,2）传递函数： 在电路或控制理论中，将输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比定义为传递函数。如果把机械系统的激振力看作输入量，把振动的位移响应看作输出量，则机械系统的传递函数定义为,其中,对于单自由度系统，当初始位移和初始速度都为零时，则有,在小阻尼情况下，S的解为一对共轭复根，即,其中,结构固有特性参数测量-模态分析法,3）频率响应函数,单自由度,多单自由度,其中,l和p 两点之间的频响函数表示在p点作用单位力时，在l点所引起的响应。根据模态分析原理，要测得频响函数模态矩阵中的任一行或任一列，
