检测技术第七章课件

2)测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振 能力。
这是对设备或结构施加某种的激振力，使其产生振动，同 时测出输入(激振力)和输出(被测件)的振动信号，从而确 定被测部件的频率响应，然后进行模态(Mode)分析，谱 分析、相关分析等，求得各阶模态的振动参数，进而确定 被测对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数， 这类试验称为机械模态试验、激振试验，或称频率响应试 验。
二、电容传感器
电容传感器中，非接触式的电容传感器常用于位移测量中， 其测量内容与涡流位移传感器相近(参阅本书第三章电容 传感器内容)。
接触式的电容传感器常用于振动测量，其结构外观如图7-6所 示。该类型的电容传感器 的信号转换放大电路，主要采用 频率调制型，目的在于增加电路的灵敏度和可靠性。这种 电容传感器的工作频率范围，低频可以从0Hz开始，上限可
单自由度系统是一种最简单的力学模型。该系统的全部质 量m(kg)集中在一点，并由一个刚度为K(N／m)的弹簧和 一个粘性阻尼系数为c(N／ms-1)的阻尼器支持着，在讨论 中假设参数m、k和c不随时间而变，系统呈线性。该系统 可以用二阶常系数微分方程来表述。单自由度系统振动研 究是多自由度系统的基础，而且一些实际的工程结构可以 简化为一个单自由度系统。下面以单自由度振动系统模型 来介绍惯性式传感器的特性。
击和瞬态过程较为重要，但不适当地选择阻尼会使相频 特性恶化，引起波形失真。当ξ=0．6—0．7时，相频曲线 ω/ωn =1 附近接近直线，称为最佳阻尼。
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ωn不能过小。因此该种传感器的频率范 围是有限的。
近年来，具有大功率、高速度、高效率等性能的大型化、 复杂化(多为机、电、液综合系统)的机器正在飞速发展， 而影响这些设备发展的振动问题已遍及机械制造工程的各 个行业，并引起人们的极大重视。因此如何减小振动的影 响，将振动量控制在允许的范围内，是当前急需解决的课 题。
但在某些情况下，振动也有可被利用的一面，例如利 用振动原理研制的振动机械用于运输、夯实、捣固、清洗、 脱水、时效等方面，只要设计合理，它们有着耗能少、效 率高、结构简单的特点。
由于传感器是振动测试中的第一个 环节，除了要求它具有较高的灵敏 度和在测量的频率范围内有平坦的 幅频特性曲线以及与频率成线性关 系的相频特性曲线外，还要求惯性 式传感器的质量小，这是因为固定 在被测对象上的惯性式传感器将作 为附加质量使整个系统的振动特性 发生变化，这些变化可近似地用下 列两式表示
c
dd（ t z0 -z1） （ k z0 -z1）
0
当m对基础发生相对运动时，则m的相对位移为：
z01 z0 z1 则有：
m
d 2z01 dt 2
c
dz01 dt
kz01
m
d 2z1 dt 2
频率响应、幅频特性和相频特性如下：
c —阻尼比； 2 km
n k m — — 振动系统固有频率
H
( )
(
)2
n
[1 ( ) 2 ] 2 j (
)
n
n
A ( )
(
)2
n
[1 ( ) 2 ]2 ( 2 ) 2
n
n
2 ( ) arctan [ n ]
1 ( )2 n
从图中可看出当激振频率远小于系统的固有频率时，质量 块相对基础的振动幅值为零，意味着质量块几乎跟随着基 础一起振动，两者相对运动极小。
机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分， 它是研究和解决工程技术中许多动力学问题必不可少的手 段。当前，在机械结构(尤其那些承受复杂载荷或本身十 分复杂的机械结构)的动力学特性参数(阻尼、固有频率、 机械阻抗等)求解方面，目前尚无法用理论公式正确计算， 振动测试则是唯一的求解方法。
在设计阶段为了提高结构的抗振能力，往往需要对结构进 行种种振动试验、分析和仿真设计，通过对具体结构或相 应模型的振动试验可以验证理论分析的正确性，找出薄弱 环节，改善结构的抗振性能。
一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析 1．质量块受力所引起的受迫振动
质量块m在外力f(t)作用下的运动方程为：
mddt22zcdБайду номын сангаасzt kzf(t)
式中： c——粘性阻尼系数； k——弹簧刚度； f(t)——激振力，系统输出； z——振动位移，系统输出
其频率响应、幅频特性和相频特性如下：
1
这种振动包括起动时的冲击振动以及平稳工作时的随机振动。
在许多情况下，这种振动是有害的。许多设备故障的 产生就是由于振动过大，产生有损机械结构的动载荷，而 导致系统特性参数发生变化，严重时可能使部件产生裂纹、 结构强度下降或使机上设备失灵，其后果严重影响机器设 备的工作性能和寿命，甚至使机器破坏。同时，强烈的振 动噪声还对人的生理健康产生极大的危害。
此外现代的先进工业生产中，除了要求各种机械具备低振 动和低噪声的性能外，还随时需对某运行过程进行监测、 诊断和对工作环境进行控制，这些技术措施也都离不开振 动的测量。 由此可见，振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要 地位。
机械振动测试，用于不同目的，大致可分为两类：
1)寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构 所存在的振动。
其目的是为了研究设备或结构的力学动态特性。
第二节 惯性式传感器的力学模型 在工程振动理论中，常用理论分析计算法来解决工程
振动问题。利用振动系统的质量、 阻尼、刚度等物理量 描述系统的物理特性，从而构成系统的力学模型。而在对 实际工程结构进行振动研究时，一般要将结构简化为某种 理想化的力学模型，然后再进行分析研究，通过数学分析， 求出在自由振动情况下的模态特性(固有频率、模态质量、 模态阻尼、模态刚度 和模态矢量等)。
由于该类传感器属于相对式传感器，它能方便地测量运动部件与 静止部件之间的间隙变化(例如转轴相对于轴承座的振动等)。
实验证明：表面粗糙度对测量几乎无影响，但表面微裂缝和被测材 料的电导率和磁导率对灵敏度有影响。所以在测试前最好用和试件材 料相同的样件在校准装置上直接校准以取得特性曲线。此外如被测件 是小圆柱体则其直径与线圈直径之比对灵敏度也有影响。这类传感器 在汽轮机组、空气压缩机组等回转轴系的振动监测、故障诊断中应用 甚广。
在测试工作中，经常遇到实际的工程问题，往往可简化成 弹簧—阻尼一质量块构成的单自由度振动模型系统来描述， 由于在不同的场合下所处理的输入量、输出量是不相同的， 从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不相同，根据上 述原理，将其归纳成表7-1，以供大家查用。
第三节 振动测量传感器
在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样， 目前广泛使用的振动测量方法是电测法，将工程振动的参 量经传感器拾取后，转换成电信号，再经电子线路进行放 大传输处理，从而得到所要测量的机械量。
此外通常把图7—3幅频曲线上幅值比最大处的频率称为位 移共振频率。
r n 1 2 2 v n a n 1 2 2
可知位移传感器的工作范围在频率比ω／ωn ≤1的区域， 速度传感器工作范围在(ω／ωn =1的区域，加速度传感器 工作范围在ω／ωn >=1的区域。
二、单自由度振动系统受迫振动小结
而当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1；这表明 质量块和壳体之间的相对运动(输出)和基础的振动(输入) 近乎相等。这表明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。 该现象被广泛应用于测振仪器中。
从图中还可看出，就高频和低频两频率区域而言，系统的 响应特性类似于“高通”滤波器，但在共振频率附近的频 率区域，则根本不同于“高通”滤波器，输出位移对频率、 阻尼的变化都十分敏感。
到300Hz，可实现超低频振动测量。
例如：K-Beam电容式加速度计(见图7-6)是由硅敏感元件、 模拟专用集成电路(A- SIC)、调节器、放大器，滤波器， 供电系统，信号调节电路及外壳、插头电缆等组成。硅敏 感元件与上，下极板构成两个电容器，传感器内部封装的 气体(氮气)起阻尼作用。 质量——弹簧系统对振动的响应取决于它相对两个电极的 位置。测量信号经解调后，输出对应正比于加速度的电压 信号。 这种电容加速度传感器量程至50g，其频响范围0300Hz(土50％)，属于真正的DC响应。传感器重量轻(小 于8.0g)并与地绝缘。连接方式为螺栓或粘接。其性能为 低噪声，分辨率达0.1mg。
所选用的测振传感器按是否与被测件接触可将传感器 分为两类：接触式和非接触式。接触式传感器中有磁电式 速度传感器和压电式加速度计等，其机电转换较为方便， 因而用得最多。而电容传感器、涡流传感器常用于振动位 移的非接触测量中。
按所测的振动性质可将传
感器分为：绝对式和相对 式。绝对式传感器的输出 描述被测物的绝对振动； 绝对式传感器的壳体固定 在被测件上，其内部利用 其弹簧一质量系统来感受 振动，其力学模型如图74所示。
第七章 振动测试 第一节 概述 第二节 惯性式传感器的力学模型 第三节 振动测量传感器 第四节 振动测量系统及其标定 第五节 激振测量设备及振动信号简介
第一节 概述
机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。很 多机械设备和装置内部安装着各种运动的机构和零部件(都是 弹性体)，在运行时由于负载的不均匀、结构的刚度各向不等、 表面质量不够理想等原因，使得工作时不可避免地存在着振 动现象。如汽车、火车、飞机、轮船以及各种动力机械在工 作时均产生振动。
例如在工作状态下(如切削过程中)，对结构及部件进 行测量和分析。测量内容通常是振动强度、频谱，亦即测 出被测对象某些点的位移、速度或加速度以及振动频率和 一些需要作进一步分析的信息，弄清振动状况并寻找振源， 为采取有效对策提供依据，使振动得以消除或减小。或将 获得的数据进行分析处理后与已有的标准进行比较，用以 判断系统内部结构是否存在着如破坏、磨损、松脱等影响 系统正常运行的各种故障，确定系统是否能继续运行和确 定相应方案以进行预知维修。
H
( )
[1 (
k ) 2 ] 2 j (
)
n
n
A ( )
1 k
[1 ( ) 2 ]2 ( 2 ) 2
n
n
2 ( ) arctan [ n ]
1 ( )2 n
2．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运动引起的。
自由体上受力为：
m
d 2 z0 dt 2
振动的位移、速度、加速度之间保 持简单的微积分关系，所以在许多 测振仪器中往往带有简单的微积分 网络，根据需要可作位移、速度、 加速度之间的切换。
a' m a m mt
' n
m
m
mt
n
一、涡流位移传感器
涡流式位移传感器 是一种相对式非接 触传感器，它是通 过传感器端部与被 测物体之间的距离 变化来测量物体的 振动位移和其幅值 的。
测振时，其壳体和被测物固接，壳体的振动视等于被测 物的振动，也即传感器的输入。壳体对传感器内的质量块 的相对运动量用来描述被测物体的绝对振动量并作为力学 模型的输出，供有关的机一电转换元件转换成电量，成为 传感器的输出，其频率特性可由表7—1查得。
使用相对式传感器时，其壳体和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振动。
实验表明，传感器线圈的厚度愈小，其灵敏度愈高，由于涡流传 感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平线圈组成，结构简单。
这种传感器已成系列，测量范围从±(0.5—10)mm不等，灵敏阈 约为测量范围的0.1％。例如外径8mm的传感器与工件安装间隙约 1mm，在±0.5mm测量范围内有良好的线性，灵敏度为8mV／um。 这类传感器具有线性范围大、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等特点。
特性分析： 1)在使用时，一般取ω／ωn》(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。此时其幅值A(ω)： ≈1，不产生畸变，φ(ω) ≈ 1800。
2)若选择适当阻尼，可抑制ω／ωn = 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。例如，当取 (ξ= 0.7时，若允许误差为±2％，下限频率可为2.13 ωn ； 若允许误差为土5％，下限频率则可扩展到1．68 ωn 。增 大阻尼，能迅速衰减固有振动，对测量冲