第六章振动的测试

振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计振动的测试概述•机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象•振动的危害•机械振动的利用•振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用振动的危害振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。在大多数的情况下，机械振动是有害的。精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传来的振动机械振动的利用主要体现在振动机械上，通过合理设计，达到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具有相同的频率组成。虽然两者传输方式以及各自的频率成分之间的强度比例都不一样，但它们的频谱都在某种程度上反映机器运行状况，均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参数。振动的测试概述(2)•振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位–机械设备的性能分析、运行过程的监测、诊断、对工作环境的控制等•应用实例车身模态分析（多输入多输出）在意大利AIENIA测试的机身结构（8个激振器和896个传感器）振动的测试概述(3)•振动测试大致可分为两类1.测量设备和结构所存在的振动。2.对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；此类振动测试的目的是研究设备或结构的力学动态特性。提醒注意:对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动频率。有时则需要对所测的信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提供依据。常见的振动测量系统1常见的振动测量系统2常见的振动测量系统3常见的振动测量系统4振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计单由度系统质量块受力引起的的受迫振动)(22tfkzdtdzcdttdm运动方程频率响应、幅频特性、相频特性位移共振频率、速度共振频率和相位共振通常把频幅曲线上幅值比最大处的频率称为位移共振频率；若输入为力,输出为振动速度时,则系统幅频特性最大处的频率称为速度共振频率.(速度共振频率始终和固有频率相等)；对加速度响应的共振频率则总是大于系统的固有频率。从相频曲线上可看到,不管系统的阻尼比是多少,在(ω/ωn)=1时位移始终落后于激振力90O,这被称为相位共振小结：⑴在激振频率远小于固有频率时,输出位移随激振频率的变化非常小；⑵当激振频率大于固有频率时，输出位移为零,质量块近于静止；⑶当激振频率接近固有频率时,系统的响应特性取决于系统阻尼,并随频率的变化而剧烈的变化。单由度系统由基础运动引起的受迫振动•质量块绝对运动方程•质量块相对运动方程•频率响应幅频特性相频特性0)()(1010202zzkzzcmdtddtzd212012012dtzd01dtdzdtzdmkzcm2ωnωnω2ξ2nωω22nωω2nωωnωω2nωω2nωω1)(2ξ)(1)(2jξ)(1)(arctg(ω)A(ω)H(ω)•小结当激振频率远小于系统固有频率时质量块相对基础的振动为0，也就是质量块几乎随着基础一起振动；而当激振频率远远高于固有频率时，A(ω)接近1，说明质量块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近似相等。从而表明质量块在惯性坐标系中几乎处于静止状态。这种现象被广泛用于测振仪器中振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计激振方式的分类稳态正弦激振随机激振瞬态激振稳态正弦激振是最普遍的激振方法，主要优点：激振功率大、信噪比高能保证测试的精确度；缺点：测试周期长。随机激振是宽带激振方法，一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。优点：可以实现快速甚至“实时”测试；缺点：所需设备复杂而且价格昂贵。瞬态激振也是宽带激振方法.按照激振方式的不同又可以分为:快速正弦激振脉冲激振阶跃激振振动的激励脉冲激励-----力锤脉冲锤结构与激振力频谱振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计激振器•定义激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。•作用在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力•常用的激振器电动式、电磁式、电液式。电动式激振器电动式激振器•按其磁场的形成又分为永磁式（小型激振器）和励磁式（大型激振器）。•注意–由顶杆施加到试件上的激振力不等于线圈受到的电动力–一般最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件，以便精确测出激振力的大小和相位。电动式激振器的安装•a)高频激振•b)低频激振•c)高频激振注意：（绝对激振）高频激振时应使系统固有频率低于激振频率的1/3以下；低频激振时，应使系统固有频率高于激振频率的3倍以上电动式激振器的应用电动式激振器的应用车身模态分析（多输入多输出）振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计振动的测量方法及测振传感器振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：名称原理优缺点电测法将被测件的振动量转化成电量,而后用电量测试仪测量灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性范围宽。便于分析和遥测。易受电磁干扰。目前应用最广。机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围、动态范围、和线形范围窄。测试时会给试件产生一定的负载效应，影响测试结果。主要用于低频大振幅振动及扭振的测量。光学法利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理、激光多普勒效应和光纤等进行测量不受电磁干扰，测量精度高，适用于对质量和体积小、不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪的校准、定度中用的较多。按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为：接触式和非接触式按所测的振动性质可将拾振器分为：绝对式和相对式拾振器绝对式拾振器的输出描述被测物体的绝对振动相对式拾振器的输出描述被测物体之间的的相对振动使用时壳体固定在被测物体上内部利用弹簧—质量系统感受振动。也被称为惯性拾振器使用时其壳体和测杆分别和不同的测件联系常用传感器•涡流位移传感器•电容传感器•磁电式速度计•压电式加速度计•阻抗头涡流位移传感器涡流位移传感器电容传感器非接触式电容传感器常用于位移测量中。接触式的电容传感器常用于振动测量。该类型信号的信号转换放大电路主要采用频率调制型（增大电路的灵敏度和可靠性）。工作频率范围0Hz—300Hz,实现超低频测量；连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分辨率达0.1mg。磁电式绝对速度计磁电式相对速度计常用压电传感器1压电式加速度计•中心压缩型高的共振频率，基座变形影响输出，测试对象和环境温度变化易引起温度飘逸•三角剪切型有高的共振频率和良好的线性，对底座变形和温度变化有良好的隔离作用•环形剪切型极小型的，高的共振频率，最高工作温度受限制使用时注意：共振频率与加速度计的固定状况有关压电加速度计的幅频特性•加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率压电加速度计的安装方法压电加速度计的灵敏度和前置放大器•灵敏度–电荷灵敏度与电压灵敏度•前置放大器–电压放大器：受连接电缆对地电容的影响–电荷放大器：不受电缆电容的影响电荷放大器阻抗头•在激振实验中常常用到；前端为力传感器，后面为激振点响应的加速度传感器测振传感器的合理选择•直接测量参数的选择–低频时加速度信噪比差–高频时位移信噪比差•综合考虑传感器的各个指标•灵敏度、测量范围、频率范围•考虑到具体的使用环境振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计振动的分析方法与仪器•基于带通滤波的频谱分析仪–对模拟信号作谱分析的实质是用不同中心频率的带通滤波器分离出信号在滤波器带通内的信号•跟踪滤波技术–跟踪滤波是指滤波器中心频率能自动的跟随参考信号，从而达到在强噪声干扰下提取有用信息的滤波方法振动的分析方法与仪器（2）•振动信号处理与分析–一般的谱分析：在采样前应经抗混叠滤波，并根据最高频率和采样定理来选择采样频率。一般先估计信号中感兴趣的最高频率，据此选择抗混叠滤波器的截止频率，而后确定采样频率。通过自功率谱的分析最终可以得到信号频谱结构的全貌。–与激振频率同频成分的提取：用相关滤波或FFT算法都可以实现这种要求。对于FFT，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使FFT谱线落在参考信号的频率上。为此截取信号时长等于参考信号周期的整数倍。–宽带激励下系统传输特性的求法：这时分析的两个信号记录应该是同时发生的，不允许有时差；两通道应该使用相同的采样频率和时长；频谱分析使用相同的窗函数和分析程序。一般采用多段记录分析，将其进行平均，以提高测试的精度。振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计测振装置的校准•把测振传感器、放大器和记录仪器放在全套仪器测量系统中，求得测振仪最初输入量和最终输出量的关系---校准值。•分部校准–传感器校准、放大器校准、记录仪校准•系统校准–对整个系统进行校准传感器的校准•静态校准法–仅能用于校准具有零频率响应的传感器及测量仪器，如：电涡流式、电感式及电容式等相对式位移传感器。传感器的校准•绝对法将被校准拾振器固定在校准工作台上，用激光干涉测振仪直接测得振动台的振幅，在和被校准拾振器的输出比较，以确定被校准拾振器的灵敏度绝对校准法精度较高，但因设备和技术比较复杂，故适合计量部门采用。传感器的校准•相对法将待校准的传感器和经过国家计量部门严格校准过的传感器背靠背地安装在振动台上承受相同的振动。将两个传感器的输出比较，就可以计算出该频率点待校准的灵敏度。传感器的校准•被校准传感器的灵敏度为–UaUr分别为被校准传感器和参考传感器的输出,或放大器的输出电压(放大倍数相同时)–Sr参考传感器的灵敏度rarauuSSauru传感器的校准振动的测试•概述•单自由度系统的受迫振动•振动的激励•激振器•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准•机械系统动参数的估计机械系统动参数的估计•自由振动法•共振法（幅频+相频）机械系统动参数估计•共振法（实频+虚频）机械系统动参数估计Theend