振动测试技术资料

拱桥振动测试姓名：刘沛学号：0214185班级：研14-1班课程：振动测试技术年月：2015年7月18日目录一振动测试概述 (1)1 振动分类及描述 (1)2 振动基本参量表示方法 (1)3 振动测试仪器分类及配套使用 (3)4 窗函数的分类及用途 (4)5 信号采集及分析过程中出现的问题，怎样解决？ (7)二、惯性式速度型与加速度型传感器 (8)1 惯性式速度传感器的分类 (8)2 压电式加速度传感器 (9)三振动特性参数的常用量测方法 (12)1 振动基本参数的量测 (12)2 简谐振动频率的量测 (12)3 机械系统固有频率的测量 (12)4 简谐振动幅值的测量： (12)5衰减系数的测量： (13)6结构动力特性参数量测 (13)7 稳态正弦激振及测试 (13)8 瞬态激振及测试 (14)9 随机激振及测试 (15)四题目（结构设计） (16)1 结构设计资料及试验要求 (16)2.试验目的 (18)3.试验方法 (18)4 结果分析 (20)五概念 (22)1 功率谱 (22)2 自相关函数 (22)3 互相关函数 (23)4 相干函数 (23)5 传递函数 (24)六模态分析 (26)1 概念 (26)2 方法分类及理解 (26)一振动测试概述1 振动分类及描述按照运动的表现形式，振动可以分为确定性和非确定性振动（即随机振动）。

确定性振动又分为周期性和非周期性振动。

周期性振动分为简谐振动和复杂周期振动。

非周期运动又分为准周期和瞬态振动。

非确定性振动分为平稳随机和非平稳随机，平稳随机又分为各态历经和非各态历经。

按振动激励类型分类，振动可分为随机自由振动和随机强迫振动。

按振动位移的特征分类，振动可分为：横向振动（振动体上的质点在垂直于轴线的方向产生位移的振动）、纵向振动（振动体的质点沿轴线方向产生位移的振动）和扭转振动（振动体上的质点沿轴线方向产生位移的振动）。

周期运动的最简单形式是简谐振动。

这种振动的表示方法及特点是描述其他振动形式的基础。

一般的周期运动可以借助傅里叶级数表示成一系列简谐振动的叠加，该过程称为谐波分析。

非周期运动则需要通过傅里叶积分作谐波分析。

2 振动基本参量表示方法工程振动测试的主要参数有位移、速度、加速度、激振力、振幅、振动频率、阻尼比及结构的振动模态等。

其中前五个参数属于时域测试参数。

下面分别来说明振动基本参量的表示方法及其含义：（1）振幅（A）：振幅就是振动过程中振动物体离开平衡位置的最大距离。

振动的幅度有三种表示法，即峰值、平均值和有效值。

（2）周期（T）：从振动波形来看，连续两次波峰或者波谷之间耗费的时间就是一个振动周期，也就是完成一次振动所需的时间。

（3）频率（f）：单位时间内振动循环的次数f，单位是赫兹（Hz）。

频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。

周期T是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是秒（s ）。

频率与周期互为倒数，1f T=。

（4）相位（）：振动物体在任一时刻t 的运动状态（指位置和速度）都由()t ωϕ+决定，()t ωϕ+是决定简谐振动运动状态的物理量，称为振动的相位。

表示0t =时的相位，叫做初相位或初相。

物体的振动在一个周期内所经历的运动状态没有一个相同的，这相当于相位从0到2π的变化；而位移和速度都相同的运动状态，它们所对应的相位差是2π或2π的整数倍。

因此，相位是反映简谐运动周期性特点，并用以描述运动状态的重要物理量。

（5）临界阻尼（cr c ）可定义为：体系自由振动反应中不出现往复振动所需的最小阻尼值，即 22cr n c m km ω==。

（6）结构的阻尼系数（c ）：是结构在每一振动循环中消耗能量大小的度量。

结构的阻尼比是结构的重要动力特性参数，利用结构自由振动试验可以获得结构的阻尼比。

（7）对数衰减率（δ）：定义为 i 2i+12ln1u u πζδζ==-, i i+1u u 为相邻振动峰值比。

简谐振动中的测试参数： 位移，速度，加速度为时间调和函数的振动称为简谐振动，这是一种最简单最基本的振动。

其函数表达式为：位移： ()s i n ()s i n (2x t A t A f tωπ== 速度： ()c o s ()s i n (2)2v t A t A f t πωωωπ==+加速度： 22()sin()sin(2)a t A t A ft ωωωππ=-=+式中: A ——位移幅值（cm 或mm ）；ω——振动圆频率（1s ）；f ——振动频率（Hz ）。

()()()x t v t a t 、、三者之间的相位依次相差为2π。

若令：速度幅值V A ω=，加速度幅值20a A ω=，则有220(2)a V A f A ωωπ===。

由此可见，位移幅值A 和频率ω（或f ），是两个十分重要的特征量，速度和加速度的幅值V 和0a 可以直接由位移幅值A 和频率f 。

导出。

在测量中，振动测试参数的太小常用峰值、绝对平均值和有效值来表示。

所谓峰值是指振动量在给定区间内的最大值，均值是振动量在一个周期内的平均值，有效值即均方根值，它们从不同的角度反映了振动信号的强度和能量。

3 振动测试仪器分类及配套使用一、分类（1）机械式的测量仪器。

将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录。

此法常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，能测量的频率较低，精度也较差。

但在现场测试时较为简单方便。

（2）光学式的测量仪器。

将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。

常用的仪器有读数显微镜和激光测振仪等。

目前光学测量方法主要是在实验室内用于振动仪器系统的标定及校准。

（3）电测仪器。

将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。

这是目前应用得最广泛的测量方法。

图1.1 电测法基本测量系统示意图二、配套使用情况目前，整个动态测试仪器系统通常有以下三种测振仪配套方式，见图2。

图1.2 动态测试系统三种配套仪器系统4 窗函数的分类及用途一、分类1. 矩形窗（Rectangular 窗）矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为: 磁电式拾振器 U 电压放大器 U动态数据采集仪压电式加速度q 电荷放大器 U 应变式传感器 R 动态电阻应变仪UA/D 显示终端 计算机主机 打印机1,0,()0t T Tw t t ⎧≤≤⎪=⎨⎪≥⎩, T 。

相应的谱窗为：()2s i n tW t ωωω= 2. 三角窗（Bartlett 或Fejer 窗）三角窗是幂窗的一次方形式，其定义为： ()1(1);0t t w t t T T T T ⎧-⎪=≤≤⎨⎪≥⎩0谱窗为： s i n 2()2T W T ωωω⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭3. 汉宁窗（Hanning 窗）又称升余弦窗，其时间函数 为:()111(cos ),t 220t t T T T w t T π⎧+≤⎪=⎨⎪≥⎩其谱窗为：sin 1sin()sin()()2T T T W T T T ωωπωπωωωπωπ+-⎡⎤=++⎢⎥+-⎣⎦4. 海明窗（Hamming 窗）海明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗，其时间函数为：()1(0.540.46cos ),t 0t t T TT w t T π⎧+≤⎪=⎨⎪≥⎩其谱窗为：sin sin()sin()() 1.080.46T T T W T T T ωωπωπωωωπωπ+-⎡⎤=++⎢⎥+-⎣⎦5. 高斯窗 高斯窗是一种指数窗，其时域函数为：()1t 0t T Tw t T ⎧≤⎪=⎨⎪≥⎩2-at e ,式中：a 为常数，决定了函数曲线衰减的快慢。

高斯窗谱的主瓣较宽，故而频率分辨力低，高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号，如指数衰减信号等。

6. 参数可调整窗 利用变换窗的参数得到不同的性能，如上述余弦族窗中的系数，指数窗中的a ，以及Gauss 窗、Dolph —chebyshev窗、Kalser-Bessel 窗等也都是参数可调窗。

可以组构成一些窗函数系列、如P200、P300系列窗。

二 用途在数字信号频率分析中，要求对不同类型的时间信号选用不同的窗函数，对随机信号的处理，通常选用汉宁窗，因为它可以在不太加宽主瓣的情况下较大的压低旁瓣的高度从而有效的减少了功率的泄露。

对本来就有很好的离散谱信号，例如周期信号或准周期信号，分析时最好用旁瓣较低的Kalser-Bessel 窗。

冲击过程和瞬态过程的测量，一般用矩形窗而不选用汉宁窗或Kalser-Bessel 窗,因为这些窗对起始端很小的加权会使瞬态信号失去其基本特性。

5 信号采集及分析过程中出现的问题，怎样解决？1 信号采集和分析过程中出现的问题信号分析和采集过程中会出现信号频率混叠、连续信号的截断和抽样所引起的泄露、时域到频域转化、处理不好引起的误差和错误、信号中的信噪比等等问题。

2解决方法对于信号频率混叠需要进行对输入信号的抗混滤波，波样采集和模数转换。

对于连续信号的截断和抽样所引起的泄露需要进行加窗处理，通常所用的窗有矩形窗，汉宁窗，三角窗和海明窗等等。

再通过FFT变换，进行时域到频域的变换和数据计算。

信息论指出:对常用频宽为F的限时、白色高斯噪声信道，信道容量。

当容量不变时，增大带宽可降低信噪比，提高信噪比必须压缩带宽。

因此，抗干扰为主要矛盾时，可扩展频带换取低信噪比下接收，调频与扩频均基于这一原理。

频带为主要矛盾时，则可用信噪比换取频带，多进制、多电平传输均基于这一原理。

二、惯性式速度型与加速度型传感器1 惯性式速度传感器的分类惯性式测振传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量的。

这种传感器可以直接固定在被测物体上，它不需要相对参考系固定传感器。

是一种绝对式测振传感器。

分为磁电式拾振器和压电式加速度传感器。

一．磁电式拾振器（1）力学模型图示：图2.1 磁电式拾振器1—弹簧；2—质量块；3—线圈；4—磁钢；5—仪器外壳（2）力学原理惯性式速度传感器的换能原理是以导线在磁场中运动切割磁力线产生电动势为基础的。

由永磁铁和导磁体组成磁路系统，在磁钢间隙中放一工作线圈，当线圈在磁场中运动时，由于线切割磁力线，根据电磁感应定律在线圈中就有感应电动势产生，其大小正比于切割磁力线的线圈匝数和通过此线圈中的磁通量的变化率。

当仪器结构定型后，感应电动势和线圈对磁钢相对运动的线速度成正比。

电磁拾振器又称为速度计。

线圈中感应电动势大小为: E nBLv式中n—线圈的匝数；B—磁钢与线圈间的磁场强度；L—每匝线圈的平均长度；V—线圈的运行速度。

2 压电式加速度传感器（1）力学模型示意图：下图中：1—仪器外壳；2—硬弹簧；3—质量块；4—压电晶体；5—输出线图2.2 压电式加速度传感器结构原理（2）工作原理压电式加速度传感器一般有三类，即中心压缩式、剪切式和三角剪切式。