5机械振动检测

第5章机械振动检测§5.1机械振动检测概述§5.1.1机械振动的初步认识§5.1.2机械振动检测方法§5.2单自由度受迫振动§5.2.1作用在系统质量块上的力引起的受迫振动§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动§5.3测振常用的传感器简介机械振动是生活中常见的运动形式上下跳动的皮球小鸟飞离后颤动的树枝被手拨动的弹簧片第5章机械振动检测印尼9.0地震波及南亚海啸预警第5章机械振动检测振动压路机振动筛振动破碎机超声波影像图概率筛测量机器振动第5章机械振动检测名称波形频谱名称波形频谱各种振动的频谱图§5.1.1机械振动的初步认识§5.1.1机械振动的初步认识220dxcdxkxdtmdtmnkm简谐振动物体在跟位移大小成正比，并且总是指向平衡位置的力作用下的振动叫做简谐振动。简谐振动是最简单、最基本的运动。对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。xofF,弹xv振动微分方程为:2cm§5.1.1机械振动的初步认识构成机械振动的要素惯性M恢复性K阻尼C惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质。通常由恢复力产生。恢复力是影响振动的最主要的因素。我们把振动物体离开平衡位置所受到的指向平衡位置的力叫做恢复力阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质§5.1.1机械振动的初步认识无阻尼简谐振动xokm)tcos(Ax位移22cos()cos()dvaAtAtdtsin()cos()2dxvAtAtdt速度加速度2468101214-1-0.50.51vtxa§5.1.2机械振动检测方法对振动进行测量，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。海啸预警§5.1.2机械振动检测方法名称原理优缺点及应用电测法将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目前最广泛采用的方法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，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，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，激光多普勒效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及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、测振仪标定中用得较多光杠杆望远镜(光标灯)竖尺SS0S1d2d1L§5.1.2机械振动检测方法光杠杆法在大多数的情况下，机械振动是有害的。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。振动也有可以被利用的一方面，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效等。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；此类振动的目的是研究设备或结构的力学动态特性。现场测量设备和结构所存在的振动特性信号的时域分析和频域分析§5.1.2机械振动检测方法§5.1.2机械振动检测方法振动测量系统的一般组成框图激振系统测振传感器中间变换电路功放振动分析仪器显示记录反馈控制干扰信号发生器§5.2单自由度受迫振动系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动，系统在持续的外作用力激励下的振动称为受迫振动。在简化模型中，振动体的位置或形状只需用一个独立坐标来描述的系统称为单自由度系统。\kcy(t)x(t)m测试工作中的许多工程问题，往往可以用弹簧-阻尼器-质量块构成的单自由度模型来描述。但是在不同的场合下所处理的输入、输出量往往是不同的，从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不同§5.2.1作用在系统质量块上的力引起的受迫振动)t(f22dtzdmkzdtdzczf(t)kcm假定：c为粘性阻尼系数，k为弹性刚度，激振力f(t)为系统的输入，振动位移z为系统的输出。该单自由度系统的受迫振动的运动方程式为：22()dzdzmckzftdtdt该系统的频率响应函数、幅频特性和相频特性分别为：21()12nnkHjj22221()14nnkA22()1nnarctg其中：固有频率：nkm/2ckm§5.2.1作用在系统质量块上的力引起的受迫振动阻尼比：§5.2.1作用在系统质量块上的力引起的受迫振动质量块上的力引起的受迫振动的幅频和相频特性曲线当时，；当时，nn0)(A1)(A在激振力频率远小于固有频率时，输出位移随激振频率的变化只有微小变化，几乎和“静态”激振力所引起的位移一样；当激振频率远大于固有频率时，输出位移接近零，质量块近于静止。；§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动由系统基础运动引起的受迫振动§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动202dtzdmk)zz(10)zz(c10dtd0Z)t(Z1kcm设基础的绝对位移Z1，质量块m的绝对位移为Z0，分析如图自由体上所受的力可得:2001012()()0dzdmczzkzzdtdt如果考察质量块m对基础的相对运动，则可改写成：22010110122dzdzdzmckzmdtdtdt0101zzz§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动11()sinmztzt2201010112sinmdzdzmckzmztdtdt设载体的运动为简谐运动：上式变为:考虑如下几种情形：输入手段输出载体振动位移载体振动速度载体振动加速度振动位移计质量块M对基础的相对位移速度计加速度计§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动2012221(/)[1(/)](2/)mndmnnzAzd22(/)arctg1(/)nn位移输入位移计应工作在过谐振区，其固有频率越低越好。当阻尼比取值在0.6～0.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线。§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动速度输入012211(//)4mmnnnzAz22(/)1(/)2nVnarctg速度计应工作在谐振区附近，在选用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。§5.2.2由系统基础运动引起的受迫振动加速度输入20122211/[1(/)](2/)mnamnzAz22/1(/)nanarctg加速度计应工作在亚谐振区，其固有频率越高越好。当阻尼比取值在0.6～0.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线§5.3测振常用的传感器简介测振传感器选择应注意下列几个问题直接测量参数的选择。应力图使最重要的参数以最直接、最合理的方式测得；如考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量，考察振动环境时，宜作振动速度测量，要监测机间的位置变化时，宜选用位移的测量。传感器工作原理压电式振动时，使传感器中的压电元件受到惯性重块的惯性力作用而产生电荷。输出量与振动加速度成正比。电动式振动时，使传感器中的可动线圈在磁场中振动，切割磁力线而感应出电动势输出量与振动速度成正比电磁式振动时，使传感器中在磁场里的静止线圈周围磁通量发变化而感应电动势。输出量与振动速度成正比。电阻式丝式：振动时，传感器中电阻丝长度变化而使电阻变化。压阻式：利用半导体或某些稀有金属受力变形时电阻率改变的特性。与振动位移成正比。电容式相对式由振动体与传感器作为电容的两极，两极的间隙或相对有效面积产生变化而使电容变化。惯性式由惯性重块和传感器基座组成电容的两极。输出量与位移成正比电感式涡流式：由振动体中感应的涡流变化使传感器的电感量变化。输出量与位移成正比；变磁阻：振动时，传感器中电感线圈与铁心间磁隙（磁阻）变化而使电感变化晶体片晶体片质量块预紧环出线口底座出线口预压簧片三角柱§5.3测振常用的传感器简介压电式加速度传感器的安装方法及幅频特性曲线§5.3测振常用的传感器简介§5.3测振常用的传感器简介压电式加速度计运算放大器LCD单片机A/D转换器供电DC-DC升压干电池试件手柄锤头一种便携式脉冲激励力锤§5.3测振常用的传感器简介电容式MEMS加速度计§2.11MEMS传感器微机械陀螺仪（MEMSGyroscope）利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）测量运动物体的角速率。§2.11MEMS传感器•ADIS16360/ADIS16365iSensor®器件均为完整的惯性系统，内置一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。各传感器器件均集业界领先的iMEMS®技术与优化动态性能的信号调理功能于一体。ADIS16365/PCBZ是一款“分线板”产品，提供1个ADIS16365BMLZ和1个接口PCB，可简化系统设计和评估早期阶段的“原型制作”过程。五、振动信号采集系统控制台示意图六、频响检测分析1、频响分析的系统构成频响分析系统的硬件包括压电式加速度传感器、JZ-2A标准振动平台、PT-52073信号发生器、GF-10功率放大器，电荷放大器、多通道高速采集卡，软件部分包括信号采集程序和信号处理程序。通过标准信号发生器输出正弦信号，通过功率放大器放大，推动振动台振动，即振动台按照给定的标准频率、加速度值进行振动，振动信号通过压电式加速度传感器检测送至电荷放大器，将电荷量转换成模拟电压量，然后通过多通道高速采集卡将模拟信号转换为数字信号传输给计算机，最后通过计算机采集与处理程序实现信号的处理与显示，完成对压电式加速度传感器的频率响应分析。检测系统如图所示。六、频响检测分析（2）对传感器釆用不同螺钉的安装方式的频率响应进行检测分析。图3为PCB357B21-31904传感器的频率响应曲线。其中1号频率响应曲线为PCB传感器采用出厂配置螈钉安装连接方式，2号频率响应曲线为PCB传感器未采用出厂配置螺钉安装连接方式。