机械振动测量

12机械振动现象普遍。机械设备运动时，都存在不同程度的振动。有害：大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使用寿命，机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康。机械振动的测量振动：物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用，就会在其平衡位置周围作往复运动，这种每隔一定时间的往复机械运动即振动。3有利：振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行工作的。机械振动的测量4机械振动的测量现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振动设计；为了保证大型机电设备正常、有效的运行，必须对其振动信息进行监测、故障诊断。振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要5机械振动的测量振动给料机水泥回转窑6周期振动非周期振动瞬态振动稳态振动复杂周期振动(非简谐振动)准周期振动正弦周期振动(简谐振动)§1概述一、振动的类型1、按振动的规律分类（1）稳态振动（确定性振动）一般分为以下几种：7随机振动非平稳随机振动平稳随机振动各态历经振动非各态历经振动§1概述一、振动的类型1、按振动的规律分类（2）随机振动一般分为以下几种：8（1）自由振动（2）受迫振动一、振动的类型2、按振动的原因分类3、按振动系统的自由度数目分类（1）单自由度振动（2）两自由度、多自由度系统振动9一、振动的类型振动的基本参数幅值、频率、相位称为振动三要素。只要测定这3个要素，也就决定了整个振动运动．幅值：反映振动强、弱程度，可以用振动的峰值、平均值、有效值来描述；通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源；利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件的平衡、有源振动的控制等。10一、振动的类型振动的基本参数幅值、频率、相位)tsin(Ay)tcos(Adtdyv)tsin(Adtdva2简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个量与时间关系来表征。11(1)测量机械设备或结构工作状态下的振动如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊断和预测。(2)测量机械设备或结构动态特性施加某种激励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、响应和模态等。振动的测量方法：机械法、电测法、光测法。二、振动的测试内容及测量方法测试的内容包括两方面：12三、振动测试系统的构成被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数字处理技术，检测出有用的信息。工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的特性是由各个环节串联而成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一定的影响。13§2常用测振传感器测振传感器的种类很多。（1）按测振参数位移传感器、速度传感器、加速度传感器。（2）按传感器与被测物位置关系接触式传感器、非接触式传感器。接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式；非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。（3）按测试参考坐标相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。14§2常用测振传感器相对式测振传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对于基准点的相对振动。绝对式测振传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体相对于大地的绝对振动，因此传感器又称为惯性式测振传感器，如惯性式位移传感器、压电式加速度传感器等，这类传感器在振动测量使用普遍。15§2常用测振传感器一、绝对式测振传感器原理x(t)为被测物体振动位移；y(t)为惯性质量块的振动位移；z(t)为壳体相对惯性质量块的振动位移；m为质量块质量；k为支撑质量块的弹簧刚度；c为阻尼系数。则惯性质量块的动力方程式可写成:力学模型02kzdtdzcdtydm)()()(txtytz16§2常用测振传感器一、绝对式测振传感器原理力学模型022kzdtdzcdtydm)()()(txtytz2222dtxdmkzdtdzcdtzdm设nnmcmk2,222222dtxdzdtdzdtzdnn17一、绝对式测振传感器原理设222222dtxdzdtdzdtzdnntxtxmsin)(txdtdxmcostxdtxdmsin222txzdtdzdtzdmnnsin22222解方程)sin()/2(])/(1[)/()(2222txtzznnmn2222)/2(])/(1[)/(nnmnmxz21)/(1)/(2tannn惯性系统阻尼比；惯性系统的固有角频率。传感器输出的辐值和相位角均与ω/ωn和ζ有关。18一、绝对式测振传感器原理1、测振幅当测振传感器的输出量z正确感受和反映的是被测体振动的振幅量xm时，幅频特性：相频特性：2222)/2(])/(1[)/()(nnnmmxzA21)/(1)/(2tan)(nnx19一、绝对式测振传感器原理1、测振幅幅频特性：2222)/2(])/(1[)/()(nnnmmxzAω/ωn幅频特性曲线近似为常数，A(ω)接近于1，zm≈xm,表明传感器的输出正比于被测物体振动的位移。一般：时，当1,n。取5~3,/n20一、绝对式测振传感器原理1、测振幅21)/(1)/(2tan)(nnx相位差接近180，相频特性也接近直线。一般：时，当1,n。取0.7~0.621一、绝对式测振传感器原理2、测振动速度测振传感器的振动参数是速度时，有：22nnn2n2222n22n2n2n22n2nmmv4141211xzvzA)/(])/([)/()(具有最大值，时当时，当)(A,0)(A/,0/vvnnn速度传感器的工作区域是ω/ωn=1，此区域幅频特性没有平坦段。相频特性曲线也不接近直线，当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方法来测量振动速度。22一、绝对式测振传感器原理3、测振动加速度测振传感器的振动参数是加速度时，有：2222222222)/2(])/(1[)/(1)/2(])/(1[11)(nnnnnnmmaxzazA随着ωn增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低，因此。ωn不宜选得太高。一般取：常数21)(naA固有频率是被测频率的3~5倍，使传感器输出z能正确反映被测振动的加速度．必须满足下列条件：(1)，幅频特性曲线趋于平坦，此时时1/n51~31n23一、绝对式测振传感器原理3、测振动加速度测振传感器的振动参数是加速度时，有：2222222222)/2(])/(1[)/(1)/2(])/(1[11)(nnnnnnmmaxzazA使传感器输出z能正确反映被测振动的加速度．必须满足下列条件：(2)，出现共振峰值，选择恰当的阻尼比可抑制它。一般时n则保证幅值误差不超过5%，此时相频特性曲线接近直线。7.0~6.024一、绝对式测振传感器原理位移传感器的工作区域为以ω/ωnl,且ξ＜l，一般ω/ωn取3~5；速度传感器工作区域是ω/ω=1；加速度传感器工作区域为ω/ωnl,且ξ＜0.6左右。绝对式测振传感器工作时，固定在被测体上，因而它的质量将影响被测体振动的大小和固有频率。只有当传感器的质量远小于被测体质量时，其影响才可以忽略。简单总结：25二、相对式测振传感器原理相对式测振传感器分接触式和非接触式两种。接触式：电感式位移传感器、磁电式速度传感器等；非接触式：电涡流式、电容式等。26磁电式速度传感器1-顶杆2-弹簧3-输出4-线圈5-磁钢6-限幅器它可以直接检测振动速度。测量时，传感器安装在静止基座上，活动顶杆压在被测物体上，使弹簧产生一定的变形和压力，顶杆与被测物体接触，跟随被测物体一起运动。固定在顶杆上的线圈在磁场里运动，产生感应电势，其感应电势正比于物体振动速度。设传感器活动部分的质量为m，弹簧刚度为k，弹簧变形后的恢复力为F，根据牛顿定律恢复力能产生的最大加速度为正确反映被测物体振动的关键是活动顶杆要跟上被测振动。mFamax为了保证被测振动良好传递及顶杆与被测物休始终接触，恢复力产生的最大加速度必须大于被测振动的最大加速度，即aamax27磁电式速度传感器设被测振动是简谐振动:则加速度为：txxmsin)sin()sin(222tatxdtxdamm所以：mxmLkmF2即：mxkmL2满足该式，顶杆才能正确地传递振动28磁电式速度传感器可以看出：传递和跟随条件与被测振动频率、振幅和传感器活动部分的固有频率有关。如果弹簧的预压量△L不够，或被测振动的频率较高时，则顶杆不能满足跟随条件，与被测物体之间发生撞击。因此，传感器使用范围与被测最大位移和频率有关。若把活动部分的质量和弹簧看成一个振动系统，其固有角频率mkn2则mnxL2229三、测振传感器的选择主要涉及：频率特性、量程范围和灵敏度。(1)不同类型的传感器测量范围不同，只有在恰当的频率测量范围内．传感器才能正确反映被测物休的振动规律。据前分析：低频振动场合，加速度幅值不大，通常选择振动位移的测量；高频振动场合，且固有频率高出被测频率5倍以上，加速度幅值较大，通常选择振动加速度的测量。30三、测振传感器的选择(2)对于惯性式测振器，灵敏度的选择与惯性质量块的质量有关。一般：质量大的测振器上限频率低、灵敏度高；质量轻的测振器上限频率高、灵敏度低。如压电式加速度计：作超低振级测量的质量超过100g,灵敏度很高的加速度计，作高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。31三、测振传感器的选择(3)对相位有严格要求的振动测试（如作虚实频谱、幅相图、振型等测量），除了应注意测振传感器的相频特性外，还要注意测试系统中其他环节和仪器的相频特性，如放大器，特别是带微积分网络放大器的相频特性。32§3振动的激励与激振器一、振动的激励测量动态特性时，首先要激励被测对象，让其按测试的要求作受迫振动或自由振动。激励方式通常3种：稳态正弦激振瞬态激振随机激振33一、振动的激励1、稳态正弦激振对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力。优点：激振功率大、信噪比高，能保证低频响应对象的测试精度。缺点：需要很长的测试周期才能得到足够精度的测试数据，特别是对小阻尼对象，为了达到“稳态”，要有足够的时间。34一、振动的激励对被测对象施加一个瞬态变化的力。2、瞬态激振(1)脉冲激振用一个装有传感器的锤子（又称脉冲锤）敲击被测对象，对被测对象施加一个脉冲力。其有效频率范围取决于脉冲的持续时间τ，τ则取决于锤端的材料，材料越硬τ越小，而频率范围越大。(2)阶跃激振在激振点处用一根刚度大、质量轻的弦通过力传感器将弦的张力施加于被测对象上，使之产生初始变形，然后突然切断张力弦，相当于对被测对象突然卸载，施加一个负的阶跃激振力。35一、振动的激励3、随机激振一般用白噪声或伪随机信号作为信号源，是一种宽带激振。特点：随机激振测试系统具有快速、实时测试的优点。所用设备要复杂，价格较昂贵。许多机械结构在工作时受到的干扰力或动载荷往往都具有随机的性质。36二、激振器