任兴民 秦卫阳 第7章

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1、,工程振动基础,第7章 工程振动测试和实验,主编 朱西平 任兴民 秦卫阳 编者 朱莹莹 张 娟 杨永锋 黄金平 邓长华 何 为 秦 洁 卜凯旗,工程振动基础,西北工业大学,第7章 工程振动测试和实验,主编 朱西平 任兴民 秦卫阳 编者 朱莹莹 张 娟 杨永锋 黄金平 邓长华 何 为 秦 洁 卜凯旗,第7章 工程振动测试和实验,7.1 振动测试的基本概念,7.2 振动传感器测量系统,7.3 常用振动测试仪器及其应用,工程振动基础,7.4 振动激振设备和激振技术,7.5 旋转机械的振动测试,第7章 工程振动测试和实验,7.1 振动测试的基本概念,工程振动基础,7.1 振动测试的基本概念,振动过程是

2、指振动位移、速度、加速度、力和应变等机械量随时间的变化历程。,电测法：通过传感器将机械量转换为电量，然后对电量进行测定与分析，从而获得被测机械振动量的各种参数数值, 机械振动的测量方法,机械法：利用杠杆传动或惯性原理接收并记录振动的一种测量方法。,光测法：将机械振动转换为光信息再进行测量的方法。,7.1 振动测试的基本概念, 与机械法及光测法相比，电测法是一种实用的振动与冲击测量手段，它具有以下明显的优点：, 电测法具有较宽的使用频率范围、较高的灵敏度和较大的动态范围。因此，它不仅能满足一般的稳态振动过程的测量，而且也能适应持续时间极短的冲击过程的测量；, 机电转换用的传感器类型多，因此，有余

3、地选用不同类型的传感器，适应不同测试对象的要求，以取得最佳测试结果；, 电测法易于实现多点同时测量和远距离遥控测量，电测法信号易于记录、检测和进一步分析处理。, 测试对象 也称为试验模型，它是测试的主体。 激励环节 为了获得测试所需的结构振动响应，必须对结构施加一定形式的激励。 测量环节 测量环节包括由传感器及其配套的测量电路所组成的传感器测量系统。 分析环节 分析环节的作用是对来自传感器测量系统的原始振动信号进行波形分析、频谱分析、运算、变换和滤波等处理，以给出试验所要求的结果。 检测环节 测试的最后结果通过检测环节以数据和图表形式提供出来。, 电测法的整个测试过程分为 5个基本环节:,7.

4、1 振动测试的基本概念, 传感器的作用原理,7.1 振动测试的基本概念,7.1.1 灵敏度, 灵敏度定义,灵敏度是指沿传感器的测量轴方向，对应于每一单位简谐机械量的输入，测量系统同频率电压信号的输出（开路情况）。,设输入量为,输出的电压信号为,则测量系统的灵敏度定义为,7.1 振动测试的基本概念,分辨率是指输出电压的变化量U 可以辨认时输入机械量的最小变化量X 。X越小，表示分辨率越高，显然灵敏度越高，则分辨率也越高，两者成正比关系。,可以定义以下复数灵敏度,式中, 分辨率,7.1 振动测试的基本概念,7.1.2 使用频率范围,使用频率范围是指灵敏度随频率的变换量不超过某一给定误差限的频率范围

5、。,7.1 振动测试的基本概念,7.1.3 动态范围,动态范围是指灵敏度随幅值的变化量不超过某一给定误差限的输入机械量的幅值范围。幅值范围的两端称为幅值上限和幅值下限。动态范围表示为,丹麦B&K公司引用IEC推荐的标准，规定其加速度测量系统的幅值下限的信噪比为5dB，即要求信噪比,7.1 振动测试的基本概念,7.1 振动测试的基本概念, 测量系统的线性范围,7.1 振动测试的基本概念, 表示测量系统使用范围的诺模图,7.1.4 相移,相移是指在简谐机械量输入时，测量系统的同频率电压输出信号对机械量的相位滞后。,7.1 振动测试的基本概念, 相移造成的波形畸变,前者的含义是不言而喻的；后者称为比

6、例相移，它相当于将输入波形整体沿t轴移动时间，这当然不会导致波形的畸变。 在振动测量中凡是涉及两个以上振动过程关系时，相移都是不容忽视的，否则将出现误差甚至错误。,为了使合成波形不产生畸变，要求相移,或者,7.1 振动测试的基本概念,7.1.5 附加质量和附加刚度,在进行振动测量时，传感器总是按一定方式与测试对象发生机械联系。依传感器的类型不同，有时传感器会在测试对象附加质量，有时还会附加刚度。这些附加质量和附加刚度将会改变测试对象原有的振动状态及动力特性。特别是当测试对象的质量和刚度相对较小时，这种影响更是不容忽略。,7.1 振动测试的基本概念,7.1.6 环境条件,每一种传感器都有它适用的

7、环境条件，这些条件包括：温度范围、湿度、电磁场、辐射场和声场。测量系统应给出使用环境的要求及必要的修正系数。,7.1.7 实验模态分析,实验模态分析是通过实验建立系统的模型。实验模态分析的相关理论已经比较成熟，也有许多成熟的商业实验模态分析系统，实验模态分析的应用也非常广泛。,7.1 振动测试的基本概念,第7章 工程振动测试和实验,7.2 振动传感器测量系统,工程振动基础,7.2 振动传感器测量系统,7.2.1 电动式传感器,电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感应出电动势，因此利用这一原理而产生的传感器称为电动式传感器。电动式传感器有惯性式电动传

8、感器和相对式电动传感器两种。,7.2.2 压电式加速度传感器,某些晶体在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生。这种从机械能到电能的变换称为正压电效应。而从电能到机械能的变换称为逆压效应。, 正压电效应与逆压效应,7.2 振动传感器测量系统, 压电陶瓷晶体的极化过程,7.2 振动传感器测量系统,当有外力作用时，晶体出现变形，使得原极化方向上的极化强度减弱，这样被束缚在电极面上的自由电荷就有部分被释放，这就是通常所说的压电效应 。, 晶体的压电效应,设q为释放的电荷，F为作用力，A为电极极化面积，则以下关系成立,7.2 振动传感器测量系统, 电荷密度与作用力之间的关系

9、,7.2 振动传感器测量系统,在压电晶体弹性变形范围内，电荷密度与作用力之间的关系是线性的。若受力如上图a所示，则各平面上产生的电荷为,7.2 振动传感器测量系统,在振动测量中，切片的厚度是与运动方向相平行的，当在其它方向没有运动时，压电元件在惯性力的作用下，电极面所产生的电荷,若以压电石英晶体为例，在对上图b所示的晶体进行切片后，压电系数矩阵为,7.2 振动传感器测量系统,压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即 中心压缩式 剪切式 三角剪切式, 压电式加速度传感器的类型,在中心压缩式中，惯性质量的惯性力使压电元件发生压缩变形产生电荷，在剪切式与三角剪切式中，惯性质量块的惯性力使压电元件产生

10、剪切变形而产生电荷。,一般认为剪切式，特别是三角剪切式具有较高的稳定性，温度影响小，线性度好，有较大的动态范围，因而得到广泛的应用。,7.2 振动传感器测量系统,可知在压电片的工作表面上产生的电荷qa与被测振动的加速度a成正比，即,1. 压电式加速度传感器的灵敏度, 电荷灵敏度, 利用压电式传感器时必须注意的几个问题,由F = ma 以及式,其中比例系数Sq就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度。,7.2 振动传感器测量系统, 电压灵敏度,传感器的开路电压,所以,即,其中比例系数SV就是压电式传感器的电压灵敏度。,7.2 振动传感器测量系统,2. 压电加速度传感器的频率特性,7.2 振动传感器测量

11、系统,3. 几何尺寸和重量,几何尺寸和重量主要取决于被测物体对传感器的要求。因为较大的传感器对被测物有较大的附加质量，对刚度较小的被测物体来说是不适宜的。总的来说，压电式加速度传感器的尺寸和重量都是比较小的。一般情况下，其影响可以忽略不计。,7.2 振动传感器测量系统,4. 传感器的横向灵敏度,横向灵敏度也称为横向效应，它是压电式加速度传感器的一个重要的性能指标。由于横向灵敏度的存在，传感器的输出不仅是其主轴方向的振动，而且与其主轴相垂直方向的振动也反映在输出之中，这就导致所测方向上的振动量值和相位产生误差。,7.2 振动传感器测量系统,横向灵敏度主要是由于最大灵敏度轴Oz 与传感器的几何轴线

12、Oz不重合而引起的。最大横向灵敏度为,对于每一个加速度传感器来说，横向灵敏度是通过单独校准确定的，它的数值为1%4不等。最小横向灵敏度方向用红点标明在加速度传感器外壳上。安装加速度传感器时要恰当的放置红点的方向，以减小测量误差。,7.2 振动传感器测量系统,5. 环境影响,环境温度直接影响加速度传感器的灵敏度。因为标定灵敏度是在室温20的条件下测定的，根据使用环境温度的不同，可按每个传感器出厂时给出的温度修正曲线修正其灵敏度。使用加速度传感器时，不允许超过许用温度，否则会造成压电元件的损坏。另外，温度的瞬变也会使测量数据漂移造成误差。电缆噪声和基座应变都会造成虚假数据。其他如核辐射、强磁场、湿

13、度、腐蚀与强声场噪声等也会影响测量结果。,7.2 振动传感器测量系统,6. 加速度传感器的安装方法,7.2 振动传感器测量系统,7.2.3 压电式力传感器,压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛的应用。,7.2 振动传感器测量系统,压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，在静态情况下，晶体片上实际受力,在动态情况下，还需要考虑传感器底部质量和顶部质量的惯性力。,只有当 时,7.2 振动传感器测量系统,7.2.4 电涡流式传感器,电涡流传感器：是一种相对式非接触式传感器，它通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值。,电涡流传

14、感器特点：电涡流传感器具有频率范围宽（010kHz）、线性工作范围大、灵敏度高、结构简单以及非接触式测量等优点，但在电器振动测量中会产生强干扰。,电涡流传感器应用场合：电涡流传感器主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。,7.2 振动传感器测量系统,7.2 振动传感器测量系统,电涡流传感器工作原理：当通有交流电流i的线圈靠近导体表面时，由于交变磁场的作用，在导体表面就产生闭合环流ie，称为电涡流。电涡流传感器中有一线圈，当这个传感器线圈通以高频电流i时，其周围就产生一高频交变磁场，磁通量为i。当被测的导体靠近传感器线圈时，由于受到高频交变磁场的作用，在其表面产生电

15、涡流ie，这个电涡流产生的磁通e又穿过原来的线圈，根据电磁感应定律，它总是抵抗主磁场的变化。因此，传感器线圈与涡流相当于存在两个互感的线圈。互感的大小与原线圈和导体表面的间隙d有关。,7.2 振动传感器测量系统, 电涡流式传感器变换原理,7.2 振动传感器测量系统, 电涡流式变换的等效电路图,7.2.5 压电式加速度传感器测量电路系统,前置放大器有两种基本设计公式： 一种是前置放大器的输出电压正比于输入电压，称为电压放大器，此时需要知道的是传感器的电压灵敏度。 另一种是前置放大器的输出电压正比于加速度传感器的输出电荷，称为电荷放大器，此时需要知道的是传感器的电荷灵敏度。,7.2 振动传感器测量

16、系统,电压放大器和电荷放大器之间的主要差别： 电压放大器的输出电压大小同它的输入连接电缆分布电容有密切关系； 电荷放大器的输出电压基本上不随输入电缆的分布电容而变化。因此，电荷放大器测量系统适合于那些改变输入电缆的长度的场所，特别适合于远距离测量。,7.2 振动传感器测量系统, 电压放大器,7.2 振动传感器测量系统, 压电式传感器、电缆和电压放大器组成的等效电路, 压电式传感器、电缆和电压放大器组成的简化等效电路,设,整理后可得,设作用力表达式为 可得,解微分方程可得特解,则微分方程特解的幅值,7.2 振动传感器测量系统,可以看出 ：, 测量静态参数时，压电式加速度传感器没有输出，所以它不能测量静态参数。 当测量频率足够大时，电压放大器的输入电压与频率无关，不随频率变化。 当测量低频振动时，电压放大器的输入电压是频率的函数，随着频率的下降而下降。 电缆电容对电压放大线路的影响也是一个主要因素,7.