09振动的测量测试技术复习

1第9章机械振动的测试掌握单自由度系统振动的基本原理；了解振动激励和测量的方法和设备；掌握测振传感器的原理和应用。学习目标233312机械振动是指物体在平衡位置附近来回往复的运动。多数情况下，振动是有害的，如：产生噪声、机床振动影响工件的加工精度、影响机械零件的使用寿命等；另一方面我们也可以利用振动，如振动输送机、振动筛选机等。但无论是防止振动，还是利用振动，我们首先要了解振动特征参量，这就需要我们通过振动测试来获取，以解决实际问题。振动测试的重要性3有害振动桥梁振动机器振动4有利振动（振动筛）5振动测试的目的1)检查机器运转时振动特性，检验产品质量，为设计零部件提供依据；2)考核机器设备承受振动和冲击的能力，对系统动态参数相应特性及动态参数进行识别，从而掌握系统运动规律；3)分析查明产生振动的原因，寻找振源，为减振、隔振措施提供资料；4)对工作机器进行故障监测，以避免重大事故。6振动系统基本组成„测振系统3大环节：拾振环节拾振环节放大环节放大环节测量分析环节测量分析环节7解释„1)拾振环节。拾振环节是测振系统的基本环节，其测试仪器常称为拾振器。拾振器的性能往往决定整个系统的性能。在电测法中，它将被测的振动参量(如位移、速度、加速度等)转变为电信号。常用的拾振器有：应变式加速度计、压电式加速度计、磁电式速度计等。„2)放大环节。它把拾振器转换后的电信号加以放大，以便计量与记录。常用的放大器类型有调制型放大器、电荷放大器和电压放大器。其中电荷放大器不受测试电路中电缆长度的影响，而电压放大器与电缆长度有关。在放大环节中，同时还可设置微积分网络，以便实现一种传感器可进行多个振动参量的测量。„3)测量分析环节。根据测试目的的不同，在这一环节中可设置检波器、滤波器、解调器等。在做数字信号分析时，还要配有A/D转换器。常用的分析记录仪器有频谱分析仪、示波器、X-Y记录仪及磁带记录仪。常用的分析方法有：概率统计分析、快速傅立叶变换、相关分析及功率谱分析等。89.2振动的基础知识振动类型机械振动：表示机械设备在运动状态下，机械设备或结构上某观测点的位移量围绕其均值或相对基准随时间不断变化的过程。92）振动测量的基本参数„振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。„只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。„①幅值：振动强度。它可以用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等；„②频率：振动信号变化的快慢。不同频率反映了系统内不同的振源；„③相位：确定共振点、振型测量等。10简谐振动的运动规律„简谐振动是最基本的周期运动,其运动规律为：速度的最大值比位移的最大值导前900，加速度的最大值要比位移最大值导前1800。如测试中测得振动的三个参量之一,则可利用微分或积分关系求出其它二个参量。)(sin)2(sinϕωϕπ+=+=tAtfAy)2sin()cos(πϕωωϕωω++=+==tAtAdtdyv)sin()sin(222πϕωωωϕωω++=−=+−==tAytAdtdva11振动测量参数的选择„振动位移是研究强度和变形的重要依据；„振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；„振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。129.2.2单自由度系统的受迫振动13222)2(])(1[1)(nnAωωζωωω+−=])(12[)(2nntgarcωωωωζωϕ−−=式中ζ——阻尼比；ω——工作角频率；ωn——固有角频率。kmc2=ζmkn=ω单自由度系统的受迫振动)(2])(1[1)(2nnjHωωζωωω+−=14单自由度系统的受迫振动频率特性221ζωω−=nr受迫振动的固有频率222)2(])(1[1)(nnAωωζωωω+−=15221ζωω−=nr位移共振频率•小阻尼情况下可用ωr估计ωn；•相频图上，不管阻尼比为多少，在ω/ωn=1时,位移始终落后于激振力90°。这是判别共振频率的一个十分有用的指标。•低频段输出变化小，高频段输出接近零，响应均类似低通滤波器；•激振频率接近固有频率时，响应取决于阻尼，并随频率的变化激烈变化；单自由度系统的受迫振动频率特性162.基础运动产生的受迫振动170))()(())()(()(1010202=−+−+tytyktytydtdctdtydm)()()(1001tytyty−=令21201012012)()()()(tdtydmtkydttdyctdtydm−=++)(2])(1[)()(22λζλλωjH+−=2222)2(])(1[)()(ζλλλω+−=A])(12[)(2λζλωϕ−−=tgarc基础运动的受迫振动公式推导nωωλ=kmc2=ζmkn=ω18基础运动产生受迫振动的幅频特性曲线Y0(t)Y1(t)ΔYnωωY0(t)Y1(t)nωω199.3测振传感器„机械振动的测试方法：„机械方法:振动频率低、振幅大、精度不高。„光学方法:精密测量和振动传感器的标定„电测方法:应用范围最广„每种测振方法要采用相应的传感器201）测振传感器的分类„按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器；„按参考坐标分：相对式传感器、绝对式(惯性式）传感器；„按变换原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式；„按传感器与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器„拾取振动信息的装置通常称拾振器，传感器是其核心组成部分。21相对式、绝对式传感器„相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对位移或速度。„绝对式传感器是以大地为参考基准，即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。222.惯性式测振传感器−+=+(&)(&&&&)kycymyxmycykymx&&&&&++=−mycykymxt&&&cos++=⋅ωω20xxt=⋅0cosω23惯性式测振传感器原理„惯性传感器是二阶测试系统。其频率响应函数为：„„幅频特性(即为输出信号与输入信号的幅值比)为：„Ｋ⎯传感器的静态灵敏度。„相频特性表达式为()()2222nnnjjKjHωωξωωωω++⋅=()()[]()222241nnKAωωξωωω+−=222nkmKωωω==2)(1)(2)(nnarctgωωωωζωϕ−−=24惯性位移传感器的响应条件„当测试系统输入为,其响应的稳态输出可写为：()()[]()222220041nnnxyωωξωωωω+−=txxωcos0⋅=yyt=⋅+0cos()ωϕ25•相频特性曲线与频率不成线性关系，因此，在低频范围内无法保证相位的精确度。惯性式位移传感器特性曲线7.06.01−=ζωωn26惯性式速度传感器的响应条件„当惯性传感器的输入为,输出为时,称为速度传感器。对于速度传感器,式„分子和分母同乘被测振动频率,得„惯性速度传感器与惯性位移传感器有着相同的幅频特性和相频特性。„满足：x&y&[]2222200)(4)(1)(nnnxyωωξωωωωωω+−=⋅⋅7.06.01−=ζωωn[]2222200)(4)(1)(nnnxyωωξωωωω+−=27惯性加速度传感器„加速度传感器的输入是,输出是。得：[]22222200)(4)(11nnnxyωωξωωωω+−=⋅x&&y7.06.01−=ζωωn[]()222220204)(11nnnxyωωξωωωω+−=⋅⋅[]2222200)(4)(1)(nnnxyωωξωωωω+−=•工作频段内，幅值、相位均不失真。满足289.3.2磁电式速度传感器„磁电式速度传感器为惯性式速度传感器„工作原理：线圈在磁场中运动，穿过其磁通发生变化，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比。„结构如图:2、4不动1、5动2、5不动1、4动常用动圈式1弹簧片2外壳3阻尼环4磁钢5线圈6芯杆动磁式29线圈作为质量块的组成部分，在磁场中运动时，其输出电压与线圈切割磁力线的速度成正比。前已指出，由基础运动所引起的受迫振动，当ωωn时，质量块在绝对空间中近乎静止，从而被测物（它和壳体固接）与质量块的相对位移、相对速度就分别近似其绝对位移和绝对速度。惯性式速度传感器工作原理30磁电式相对速度传感器用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接，使传感器内部的线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势来。31•在实际使用中，为了能够可以测量较低的频率，希望尽量（）绝对式速度计的固有频率。即（）质量块质量和（）弹簧刚度。降低降低提高•过大的质量块和过低的弹簧刚度使其在重力场中静变形很大。引起结构上的困难，易受交叉振动的干扰。固有频率一般取为10～15Hz。•磁电式振动速度传感器的特点：不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可远距离传送。频率范围小，寿命较短。磁电式速度传感器思考题322、电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的涡流效应。传感器线圈的厚度越小，其灵敏度越高。33涡流传感器测量轴振动示意图34轴心轨迹和两个传感器的时域波形图35涡流传感器特点„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。„相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙变化。„表面粗糙度对测量几乎没有影响；„表面的微裂缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。36„涡流传感器已成系列，位移测量范围从0.5mm至10mm以上，灵敏阈约为测量范围的0.1%。常用的外径8mm的传感器与工件的安装间隙约1mm，在0.5mm范围内有良好的线性，灵敏度为7.87mv/mm，频响范围为0～12000Hz。„电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用广。涡流传感器应用373应变式加速度计„由壳体、质量块、弹性应变梁和应变片组成。传感器固定在被测物体上。当传感器受到与等强度梁相垂直方向的振动时，梁上产生的应变与幅值成正比。ffn707.0=ζ思考：当在()条件下，应变值与传感器壳体的加速度成正比。384、压电式加速度传感器z压电式加速度传感器又称压电加速度计。属于惯性式传感器。z它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。z当被测振动频率远低于远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。39压电加速度计的结构形式•中间固定型。质量块与外壳不相连，对环境不敏感，倒置型可进一步减少基座变形的影响。•环形剪切型。轴向振动时，承受切应力，可消除横向加速度的干扰。•三角剪切形。比环形剪切型加工安装较方便。典型结构40压电式加速度计的灵敏度•压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。•前者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比。式中：q⎯⎯加速度计产生的电荷(-微库仑);a⎯⎯加速度计所受加速度;ea⎯⎯加速度计的开路电压(mV);•几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位。⎩⎨⎧==aesaqsauq41题1„用绝对法标定某加速度计,振动台位移峰值为2mm,频率为80Hz,测得加速度计的输出电压为640mV,求该加速度计的灵敏度。42•对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的（增大）或压电元件的（增多）而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。•横向灵敏度:压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因