第七章振动测试教材课程

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1、第七章 振动测试 第一节 概 述 第二节 惯性式传感器的力学模型 第三节 振动测量传感器第四节 振动测量系统及其标定第五节 激振试验设备及振动信号简介 第一节 概 述 机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。很多机械设备和装置内部安装着各种运动的机构和零部件（都是弹性体），在运行时由于负载的不均匀、结构的刚度各向不等、表面质量不够理想等原因，使得工作时不可避免地存在着振动现象。在许多情况下，这种振动是有害的。但在某些情况下，振动也有可被利用的一面。 机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分，它是研究和解决工程技术中许多动力学问题必不可少的手段。 机械振动测试，用于不同目的，大致可分为

2、两类： 1）寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所存在的振动。 2）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振能力。 第二节 惯性式传感器的力学模型 一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析 1质量块受力所引起的受迫振动 单自由度系统 单自由度系统在质量块受力时所引起的受迫振动 2基础运动所引起的受迫振动 设基础的绝对位移为z1，质量m的绝对位移为z0，则质量块上所受的力为 当质量块对基础发生相对运动，则质量块的相对位移为 将其代入上式，则有 频率响应 幅频特性 相频特性 当 时， ，质量块几乎跟随着基础一起振动，两者相对运动极小。当 时， ，质量块和壳体之间的相对运动（输

3、出）和基础的振动（输入）近乎相等。这表明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。该现象被广泛应用于测振仪器中。就高频和低频两频率区域而言，系统的响应特性类似于“高通”滤波器，但在共振频率附近的频率区域，则根本不同于“高通”滤波器，输出位移对频率、阻尼的变化都十分敏感。 特性分析： 1）在使用时，一般取 ，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。此时其幅值 ，不产生畸变， 。 2）选择适当阻尼，可抑制 处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。例如，当取 时，若允许误差为2，下限频率可为 ；若允许误差为5，下限频率则可扩展到 。增大阻尼，能迅速衰减固有振动，对测量冲击和瞬态

4、过程较为重要，但不适当地选择阻尼会使相频特性恶化，引起波形失真。当 时，相频曲线在 附近接近直线，称为最佳阻尼。 3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使 不能过小。因此该种传感器的频率范围是有限的。 幅频曲线上幅值比最大处的频率称为位移共振频率。 令 ，得位移共振频率 速度共振频率 加速度共振频率 位移传感器的工作范围 速度传感器的工作范围加速度传感器的工作范围 二、单自由度振动系统受迫振动小结 第三节 振动测量传感器 测振传感器的分类： 按是否与被测件接触：接触式和

5、非接触式。接触式传感器：磁电式速度传感器、压电式加速度计非接触式传感器：而电容传感器、涡流传感器按所测的振动性质：绝对式和相对式。绝对式传感器：测振时，其壳体和被测物固接，壳体的振动视等于被测物的振动，也即传感器的输入。壳体对传感器内的质量块的相对运动量用来描述被测物体的绝对振动量并作为力学模型的输出，供有关的机一电转换元件转换成电量，成为传感器的输出。相对式传感器：其壳体和测量体分别与不同被测件联系，其输出是描述此两试件间的相对振动。 惯性式传感器的力学模型 对于测振传感器的要求：1）有较高的灵敏度；2）在测量的频率范围内有平坦的幅频特性曲线以及与频率成线性关系的相频特性曲线；3）传感器的质

6、量小。固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统的振动特性发生变化，这些变化可近似地用下列两式表示 只有当 时， 的影响才可忽略。在对轻小结构测振或作模态实验时，由于 占 的相当比例，需要对附加质量加以特别考虑。 振动的位移、速度、加速度之间保持简单的微积分关系，所以在许多测振仪器中往往带有简单的微积分网络，根据需要可作位移、速度、加速度之间的切换。 一、涡流位移传感器 特点：线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等。 应用：汽轮机组、空气压缩机组等回转轴系的振动监测、故障诊断等。 1壳体 2框架3线圈 4保护套5添料 6螺母7电缆 涡流传

7、感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平线圈组成。 二、电容传感器 非接触式电容传感器常用于位移测量中，其测量内容与涡流位移传感器相近。接触式电容传感器常用于振动测量。 K-Beam电容式加速度计 由硅敏感元件、模拟专用集成电路（ASIC）、调节器、放大器，滤波器，供电系统，信号调节电路及外壳、插头电缆等组成。硅敏感元件与上，下极板构成两个电容器，传感器内部封装的气体（氮气）起阻尼作用。质量-弹簧系统对振动的响应取决于它相对两个电极的位置。测量信号经解调后，输出对应正比于加速度的电压信号。 电容传感器工作原理 这种电容加速度传感器量程至50g，其频响范围0300Hz(50)，属于真正的DC响

8、应。传感器重量轻（小于80g）并与地绝缘。连接方式为螺栓或粘接。其性能为低噪声，分辨率达01mg。 电容传感器输出信号示意图 三、磁电式速度计 传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片组成。三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。在振动测量时，必须先将顶杆压在被测物体上，并且应注意满足传感器的跟随条件。Mm；Kk 1顶杆 2、5弹簧片 3磁铁4线圈 6引出线 7壳体 感应电动势 四、压电加速度计 1压电加速度计的结构设计 a）中心安装压缩型 b）环形剪切型 c）三角剪切型 S弹簧M质量块B基座P压电元件R夹持环 压电式加速度计由绝对加速度输入，到压电片的电荷输出，实际上经过二次转换。首先将加速度

9、输入转换成质量对壳体的相对位移。其次将与相对位移成正比的弹簧力转换成电荷输出。 2压电式加速度传感器的灵敏度 电荷灵敏度 电压灵敏度 电荷灵敏度与电压灵敏度的关系： 3压电加速度传感器的频率特性 加速度传感器的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率n。一般小阻尼（01）的加速度传感器，上限频率若取为共振频率n的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12）；若取为共振频率n的1/5，则可保证幅值误差小于05dB(即6)，相移小于3。 4加速度传感器的安装方法 a)钢螺栓固定b)绝缘螺栓和云母垫片固定c)薄蜡粘贴固定d)手持探针e)专用永久磁铁固定f)硬性粘接螺栓固定g)粘接剂固定 5压电加速度传

10、感器的前置放大器 压电加速度传感器所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把电荷泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。 前置放大器电压放大器 电荷放大器 电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。 电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗更高，但价格也比较昂贵。 五、阻抗头 1、4压电片2激振平台3橡胶5质量块6钛质壳体 阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，其作用是在力传递点同时测量激振力和该点的运动响应。 第四节 振动测量系统及其标定 一、振动

11、测量系统的组成 机械结构的振动测量主要是指测定振动体（或振动体上某一点）的位移、速度、加速度大小以及振动频率、周期、相位、振型、频谱等。 在工程实践中有时还要通过试验来测定振动系统的动态特性参数，如固有频率、阻尼、动刚度、动质量等。 测量时，用传感器将被测振动量转换成电量，而后再通过对电量的处理获取对应的振动量。振动测量系统就是按这个原理，针对不同的测量类型组成的。 根据测试的对象和任务不同，一般可将其分为两种类型： 这类测试主要发生在两种情况之下。第一种情况是系统在一定的初始条件下发生自由振动，此时只要测得其自由振动的时间历程即可求出系统的动态特性；第二种情况是系统在自然激励（例如环境激励或

12、工作激励）作用下发生强迫振动，系统的输入一般难以测量或不可测量，此时主要通过测出系统的输出，求出其相关函数或功率谱密度函数来确定系统的动态特性或找出引起振动的原因。 2同时测量输入和输出 这类测试是典型的实验室方法，被测系统通常在人为激励（例如脉冲锤击激励）作用下发生强迫振动，同时测出系统的输入和输出，求取系统的动态特性。 1仅测量系统的输出（响应） 最简单的振动测量系统 测量记录系统 加滤波器的测量系统 频响函数测量系统 二、测试系统的标定 为了保证振动测试与试验结果的可靠性与精确度，国家建立了振动的计量标准和测振传感器的检定标准并设有标准测振装置和仪器作为量值传递基准。 对于新生产的测振传

13、感器都需要对其灵敏度、频率响应、线性度等进行校准；使用一段时间后的测试仪器必须定期按它的技术指标进行全面严格的标定和校准； 使用中还经常碰到各类型的拾振器和放大器、记录设备配套问题，进行重大测试工作之前常常需要作现场校准或某些特性校准。 标定的过程一般分为三级精度： 国家计量院进行的标定是一级精度的标准传递。在此处标定出的传感器叫标准传感器，它具有二级精度。用标准传感器可以对出厂的传感器和其他方式使用的传感器进行标定，得到的传感器具有三级精度，也就是我们在试验现场所用的传感器。 传感器进行标定时，应有一个对传感器产生激振信号，并知其振源输出大小的标准激振设备（振动台和激振器）。 激振器可安装在

14、被测物体上直接产生一个激振力作用于被测物上。 振动台则是把被测物装在振动平台上，振动台产生一个变化的位移而对被测物体施加激振。 激振设备可以产生振幅和频率可调的振动，是测振传感器校准不可缺少的工具。 常用的灵敏度标定方法有：绝对法、相对法和校准器法。 1绝对法 将被标定的传感器固定在标定振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被标定的传感器的输出比较，以确定被标定传感器的灵敏度。这一般是由国家计量院实行一级标定所用的方法，用来标定二级精度的标准传感器。 在进行频率响应测试时，使信号发生器作慢速的频率扫描，同时用反馈电路使振动台的振动速度或加速度幅值保持不变，并测量传感器的输出，便可

15、给出被校速度或加速度传感器的频响曲线。 其原理如图所示，正弦信号发生器的输出，一路经功率放大后去推动振动台，另一路送频率测量仪作频率测量的参考信号，被校准的压电加速度计的输出经电荷放大器后用高精确度数字电压表读出。干涉仪的工作台台体移动/2（常用的氦-氖激光波长=06328m），光程差变化一个波长，干涉条纹移动一条。所以根据移动条纹的计数可以测出台面振幅。再根据实测的频率可以算出传感器所经受的速度或加速度。 1电源 2光电倍增管 3放大器 4频率测量仪 5参考反射镜 6参考光束 7测量光束 8分束器 9氦氖激光器 10电压表 11电荷放大器 12拾振器13振动台 14测量反射镜 15功率放大器

16、 16正弦信号发生器 2相对法 将待标定的传感器和经过国家计量等部门严格标定过的标准传感器背靠背地（或仔细地并排地）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被校准传感器的灵敏度。这时，标准的传感器起着传递“振动标准”的作用。通常称为参考传感器。 被校准传感器的灵敏度 第五节 激振试验设备及振动信号简介 激振设备在振动测试系统中的作用是对被测系统（试件）施加某种预定要求的激振力，以激起被测系统（试件）的振动。一般要求激振设备应当能够在所要求的频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力，在某些情况下还需施加稳定力。稳定力能使结构受到一定的预加载荷，以便消除间隙或模拟某种稳定力。常用的激振设备是振动台、激振器和力锤。 一、振动台 机械式振动台 电磁式振动台 电-液伺服振动台 振动台a)原理图b)阀芯向 上移动c)阀芯向 下移动电-液伺服振动台二、激振器 激振器 电动式激振器电磁式激振器 永磁式多激振器用于小型激振器，励磁式激振器多用于较大型的激振器，也即激振台中。 永磁式激振器励磁式激振器 电动式激振器的结构如下图所示。驱动线圈6固装在顶杆12上，