机械工程测试技术-第7章-振动测试

1第7章振动测试第7章振动的测量VibrationMeasurement7.1概述7.2惯性式传感器的力学模型7.3振动测量传感器SensorsofVibrationMeasurement7.4振动测量系统及标定7.5激振实验设备及振动信号简介2第7章振动测试1、机械振动定义振动：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。振动有各种不同的形式：机械振动，电磁振动2、机械振动产生的物理原因机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测试的研究内容测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找振源；对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。7.1概述3第7章振动测试利：钟表、振动筛、振动沉桩机等。4、振动的利弊4第7章振动测试弊：磨损，减少寿命，影响强度；引起噪声，影响劳动条件；消耗能量，降低精度等。5第7章振动测试一、振动的分类（1）从产生振动的原因来分：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强迫振动。自由振动问题虽然比强迫振动问题单纯但自由振动反映了系统内部结构的所有信息，是研究强迫振动的基础。7.1.1振动的基础知识(BasicofVibration)6第7章振动测试（2）从振动的规律来分：简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动（3）从自由度个数来分：单自由度振动多自由度振动7第7章振动测试振动信号三要素：1）幅值amplitude振动体离开其平衡位置的最大位移。振动强度的标志。峰值、有效值平均值。2）频率frequency周期的倒数。频谱分析主要频率成分及其幅值大小寻找振源3）相位phase确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控制等7.1.2振动的类型及其表征参数8第7章振动测试简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运动规律可用简谐函数表示)sin()2sin()2sin(tAftAtTAy初始相位角。—振动角频率；—的倒数；振动周期，为振动频率—幅；位移的最大值，称为振—振动频率；—时间；—振动位移；—TAfty9第7章振动测试对应于该简谐振动的速度v和加速度ayftAdtdvaftAdtdyv22)2sin()2cos()sin(tAy位移振动方程加速度速度速度v的最大值比位移的最大值超前90°加速度的最大值和比位移的最大值超前180°振动位移y是研究强度和变形的重要依据；振动加速度a与作用力成正比是研究动力强度和疲劳的依据；振动速度v决定了噪声的高低。10第7章振动测试一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析——单自由度系统在两种不同激励下的响应1、质量块受力所引起的受迫振动)(tz)(tkz22dtdmzdttdc)(z)()()()(tftkzdttdzcdttzdm22。位移，振动系统的输出—弹簧刚度—粘性阻尼系数—)(tkcz单自由度系统的受迫振动力学模型输入输出f(t)—激振力，为系统的输入其质量块m在外力f(t)作用下的运动方程为：7.2惯性式传感器的力学模型11第7章振动测试222)2()(11)(nnkA2)(12arctan)(nnmkn：振动系统阻尼比kmc2Z0为质量块上作用有静力F0时的位移：Z0=F0/K：基础运动的圆频率；n：振动系统的固有频率)()()()(tftzkttzcttzm22dddd由)/(])/([)(n2nj211H：可得系统频率响应函数可知，该系统为典型的二阶系统12第7章振动测试1)当ξ0.707时，A(ω)≤1无谐振，A(ω)随ω增加而单调下降。2)当ξ0.707时，在ω/ωn≈1处（谐振频率处）产生谐振，A(ω)有峰值。3)当ξ=0，在ωr=ωn处，A(ω)→∞。()0dAd(00.707)max21()21A1、由得谐振位移共振频率：ωωnωωnωnωnωωnωωn此时可求峰值：221nr13第7章振动测试2、位移共振：总是n阻尼越小两者越靠近。小阻尼时r≈n，此时可以用r作为n的预估值。3、在相频图上，不管系统的阻尼比为多少，在ω/ωn=1处共振时位移相位始终落后于激振力90,这是判断共振频率的一个十分有用的指标221nr幅频特性相频特性ωωnωωn14第7章振动测试4、当系统有一定阻尼后，幅频曲线变得较为平坦，这时从幅频曲线上不易测得测准最高点5、在相频图上，在固有频率处相位过-90,而这段曲线比较陡，比较容易测定系统的固有频率。幅频特性相频特性ωωnωωn15第7章振动测试ωωnωωnωnωn6、特性分析：在ωωn时：输出位移稳定，且几乎与ω的变化无关；这时系统响应特性类似于低通滤波器。ωωn时：输出位移接近零，质量块近乎静止。这时系统响应特性也类似于低通滤波器。在ω靠近ωn区间时，φ(ω)随频率的变化而剧烈变化，当ζ越小，这种变化越剧烈。ωωnωωn16第7章振动测试ωωnωωnωnωn7、二阶系统是一个振荡环节。要选择一个恰当的固有频率与阻尼比的组合，从而获得较小的误差与较宽的工作频率范围。一般取ω＝（0.6～0.8）ωn,ζ=(0.65～0.7)。ωωnωωn17第7章振动测试2.由基础运动所引起的受迫振动在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称位移激励。设基础的绝对位移为z1(t)，质量块m的绝对位移为z0(t)，如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，即M的相对位移z01(t)=[z0(t)-z1(t)]。其运动方程为：)(t1z输入输出z01(t)=[z0(t)-z1(t)])(t0z)]()([tztk10z)]()([tztzdtdc100tztzktztdtdcdttzdm1010202)]()([)]()([)(z202dtzdmmm18第7章振动测试21201012012dttzdmtkzdttdzcdttzdm)()()()(基础的绝对位移z1(t)为输入信号，质量块m对基础的相对位移z01=[z0(t)-z1(t)]为输出信号。)/(2])/(1[)/()(22nnnjH212)/(/)(nnarctg[]222221)/()/()/()(nnnA将z01(t)=[z0(t)-z1(t)]代入上式运动方程n：振动系统的固有频率：振动系统阻尼比kmc219第7章振动测试101110zAzZZZ)(特性分析：当ωωn时，几乎为零，即质量块与基础一起振动；当ωωn时，A(ω)接近1，即与几乎相等，这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。01z1z质量块m的绝对位移为z0(t)=0分析ωωnωωn20第7章振动测试分析ωωnωωn特性分析：1）在使用时，一般取(3-5)，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。2）若选择适当阻尼，可抑制=1处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使不能过小/n/nn21第7章振动测试位移共振频率：速度共振频率：加速度共振频率：221nrnv2na21/基础振动的幅-频曲线()0dAd1、由得谐振位移共振频率：221nr22第7章振动测试位移共振频率：速度共振频率：加速度共振频率：221nrnv2na21基础振动的幅-频曲线1、由ωr可以看出位移的共振频率随着阻尼的减少而向固有频率ωn靠近。所以小阻尼时ωr接近ωn的估计值。2、若输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性的最大值处的频率称为速度共振频率ωv，3、加速度相应共振频率ωa，总大于ωn，当阻尼很小时三者近似nv23第7章振动测试测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。位移传感器的工作范围在频率的区域。加速度传感器的工作范围在频率的区域。速度传感器的工作范围在频率的区域。nnn24第7章振动测试为了完成测试任务，测试系统包括下述三个主要部分：激励部分实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。拾振部分检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。25第7章振动测试7.3振动测量传感器按是否与被测件接触接触式：磁电式速度传感器、压电式加速度计非接触式：电容、涡流测振动位移按所测振动性质绝对式：传感器的输出——被测物体的绝对运动相对式：壳体测量体分别与不同被测件联系，其输出是描述此两试件间的相对运动26第7章振动测试1、绝对式传感器——惯性式测振传感器绝对式：传感器壳体固定在被测件上，壳体的振动即被测物的振动Z1，也是传感器的输入。通过传感器内质量块与壳体间的相对运动Z01来描述Z0（即输出）。相对式：壳体和测量头与不同被测件接触，输出描述的是两试件间的相对运动。按照此质量-弹簧-阻尼系统模型，拾振器mt造成的被测系统的加速度和固有频率：；tmmm/；ntnmmm/27第7章振动测试；tmmm/；ntnmmm/式中：拾振器质量—被测系统原有质量；—系统的固有频率；装上拾振器前、后被测—、系统的加速度；装上拾振器前、后被测—、tnnmmaa//只有当mtm时，mt的影响才可忽略28第7章振动测试电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。–工作原理Usr高频交变电压i传感器电流F传感器磁通量i1感应电流F1感应磁通链---互感耦合系数的大小与二者之间的距离及导体的材料有关。振动测量传感器一、涡流位移传感器——相对式、非接触2I1IF1F22asr~29第7章振动测试一、涡流位移传感器——相对式、非接触•非接触测量结构简单，测量动态范围大；可测振幅范围为几十微米到几毫米；频率范围为0～20ＫHz。。•不受油污等介质的影响，抗干扰能力强。•灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。•适用旋转轴的径向和轴向振动测量。接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：0~20kHz典型线性范围：0~2mm典型灵敏度：8.0V/mm(对象为钢)30第7章振动测试8mm25mm11mm1—壳体2—框架3—线圈4—保护套5—添料6—螺母7一电缆31第7章振动测试轴振动的测点布置32第7章振动测试振动信号的表示及其轴心轨迹yStKSSSoPytA(p-p)xA11B1SB(p-p)传感器B由传感器A测得的波形传感器A由传感器B测锝的波形33第7章振动测试–涡流传感器及其测量线路频率为的振荡器（一般用石英振荡器）＋检波环节输出电压正比于间隙d，可以分为两部分dUaodUUUof直流部分交流部分调制与解调过程UsrReUscC'UU0（静态位移d0）d0CL传感器前置器石英振荡器检波器34第7章振动测试二、电容传感器-常用于位移的测量C1C2C1C2phase0phase135第7章振动测试磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电