机械系统振动测试

振动是日常生活及工程实际中经常遇到的现象。所谓机械振动是物体在平衡位置附近所作的往复运动。振动具有双重性，某些情况下振动会带来一些危害，有时又有有利的一面。振动测试技术是一门集振动理论、机械、电子线路、数据处理等为一体的多科性学科，已成为解决大型、精密及复杂工程振动问题的主要手段。作为动力学的一个分支，振动测试技术是以振动理论为基础，用实验手段分析和解决工程振动问题，其工程应用领域非常宽阔。本实验就旋转式机械系统中的振动信号进行时域和频域分析。一、实验目的了解振动测试基本方法掌握涡流式电位移传感器的使用了解振动测试基本分析方法二、实验设备和仪器旋转式机械系统、电涡流式位移传感器、前置放大器、直流稳压电源、电脑。三、实验原理1.研究对象机械系统根据其运动特性分往复式机械系统和旋转式机械系统。本实验研究对象为旋转式机械系统，如图1，系统由电动机、联轴器、减速箱、扭矩传感器、磁粉制动器组成。电动机是该系统唯一动力源，其额定转速910r/min，磁粉制动器作负载。减速箱的转动比i=1:20。旋转式机械系统产生振动的原因主要是转子质量分布不均匀，其次系统中存在装配误差。2.振动测试方法对于已知系统的振动测试按照测量过程的物理性质分，通常分三类：一、机械式测量方法，它是将工程振动的参量转换成机械信号，经机械系统放大后进行测量、记录。此法常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，能测量的频率较低，精度也较差，但在现场测试时较为简单方便。二、光学式的测量方法，它是将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和纪录。常用仪器有读书显微镜和激光测振仪等，目前主要在实验室内用于振动仪器系统的标定和校准。三、电测方法（图2），它是将工程振动的参量转化成电信号，经电子线路放大后显示和记录，是目前应用最广发的测量方法。与前两种方法相比，有许多优点。本实验采用电涡流式的位移传感器进行拾振，首先将振动信号转换为电信号量，经前置放大器进行电信号放大，采集卡进行数据采集和A/D转换，借助于虚拟仪器进行时域和频域信号记录本实验提供两种测试系统，一种是南京汽轮机公司开发的CRAS（TheRandomSignalandVibrationAnalysisSystem）该系统具有下列功能模块：(1)信号采集(2)频域分析、相关分析(3)实时模态分析(4)灵敏度分析(5)巡回检测(6)冲击响应谱另一种就是用Labview自编的虚拟仪器测试系统采样频率的确定虚拟仪器处理的都是数字信号量，而我们用传感器拾振得到的仍然是模拟信号量。这之间就需要进行信号采集和A/D转换。要实现信号的数字化处理，首先需要对连续的时间历程信号x(t)进行采样离散化。一般采样都是以时间间隔Δt取值，得到离散信号x(n),x(n)是从x(t)中采样出来的一部分值，但是必须满足采样定理，才可以从x(n)中复原出连续信号x(t)。采样定理写成数学表达式为：∆t≤全部信息均包含在它的采样间隔小于或等于的均匀采样信号里。或者说当以大于或等于2fm的频率对x(t)进行采样时,采样值x(n)中包含了x(t)在每一时刻的信息。采样定理有很多种表述方式，最多的是时域采样定理和频域采样定理。采样定理在时域上和频域上要区别理解，对于时域来讲，采样频率为被测信号的五倍以内时会出现包络失真，需要用SINC函数插值得到完整的时域信号。一般采样频率设置为被测信号的10倍以上才能得到比较好的时域信号，可以说进行时域分析时，采样频率越大越好。对于频域来讲，从频谱图上可以看出，随着频率的增大，振动能量降低，如果采用很大的采样频率进行采集，通常会影响高频段的精度，一般情况下fs稍微大于频域范围内的最大频率的两倍即可根据采样定理，在实际采样时应该注意下面两点：1）采样前要用抗混叠低通滤波器对模拟信号滤波，使信号满足带限的要求，同时滤去高频成分。2）采样频率应满足式中fc为抗混叠低通滤波器的截止频率（信号中的最高频率）。上式实际上是采样定理的另一种形加窗与窗函数采用傅立叶变换或者离散傅立叶变换对采样数据进行处理时，他的结果并不完美，尤其是处理以固定采样频率获得的离散数据，常常发生泄漏。抑制因截断而引起的泄漏效应有以下两个途径：1)选择合适的采样长度T=N∆t。对于周期性随机信号或确定性周期函数，应使T正好等于信号的基本周期T0或其整数倍mT0。2)选择合适的窗函数。加窗实质上就是对被分析信号x(t)在不同时刻加不同的权值，以使信号截断的影响尽可能小。窗口宽度和窗口形状决定了窗函数的基本特征，因此对窗函数的基本要求是：(1)窗函数的频率主瓣宽度应尽可能小。(2)主瓣与第一旁瓣的高度之比应尽可能大，并且旁瓣的高度衰减越快越好。事实上，上述这两种要求是相互矛盾的。主瓣宽度越小，频率分辨率越高，但幅值精度降低；主瓣与旁瓣的高度比越大，提高了幅值精度，但降低了频率分辨率。所以在选取窗函数时，只能以折衷的方式对幅值和频率分辨率进行适当的兼顾，权衡处理。一般来说，加窗处理是以牺牲频率分辨率来换取泄漏的减少的。5.传感器振动测试中用到的传感器通常有加速度传感器、速度传感器和位移传感器。但是前两种一般都是接触式的传感器，而位移传感器既有接触式又有非接触式。在振动测试时一般根据以下几个方面进行选择传感器：一、被测振动量的大小；二、振动信号的频域范围，低频信号通常选用位移传感器，中频信号选用速度传感器，高频信号选用加速度传感器；三、振动测试现场环境本实验选用电涡流式的位移传感器，属于非接触式传感器。其灵敏度K=2.5v/mm。其结构如图4，电涡流位移传感器由传感器本题和同轴电缆构成，在传感器本体壳体螺纹里面有一个空心圆筒线圈，该线圈固定在由陶瓷或者聚四氟乙烯制作的固定材料上。给涡流式位移传感器通上高频电流，在被测金属材料表面上形成涡流（图5），根据楞次定律该涡流抵消传感器探头里面磁场的变化量，因此必然使涡流式位移传感器的等效电路的阻抗Z产生变化，经过大量实验发现，探头离被测金属件表面的距离在一定范围内，传感器的等效阻抗Z与被测表面距离d成正比。四、实验步骤1、减速前和减速后各选一个被测点进行数据采样2、对采样后数据进行滤波3、加窗函数五、测试实验结果分析（填入表1）1.由实验结果计算出振动的最大位移、静态偏置及转子的转速2.分析基频、倍频3.频谱分析（画出频谱）1)时域分析2)频域分析4.相关分析5.相位、相位差6.Bode图7.轴心运动轨迹8.三维瀑布图