振动检测

3．2．2测量振动速度 有两种速度计原理，分别介绍如下。 (1)当 1 时 k , C
0
则 式中 Av ——速度幅值， Av A 从式(10—14)进一步可得：
B B 2b 2 Av A
2 2
B B 1 1 m 2 常数 Av A 2b c
P、231图10—9是式(10—12)的曲线关系。由图 可见，质量块的相对振幅近似等于被测物体的振 幅，因此可以利用测试相对振幅B来求得被测振 幅(位移)A，这就是位移检测仪的基本原理。因
k 为 0 m ，故在

设计或选用位移检 测仪时，应使传感 器的弹性系统刚度 k尽量小，而质量 块的质量m尽量大。
3振动测量的基本原理和方法
物体的机械振动是指物体在其平衡位置附近周 期性地往复运动。它与结构强度、工作可靠性、 设备的性能有着密切的关系，特别是当结构复杂， 难以从理论上正确计算时，进行振动试验和检测 是研究和解决实际工程技术中不可缺少的手段。 振动检测主要是指振动的位移、速度、加速度、 频率、相位等参数的测量。 3．1振动测量原理 振动检测按测量原理可分为相对式与绝对式(惯 性式)两类。 振动检测按测量方法可分为接触式与非接触式 两类。
(1)振动基本参数的测量。 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、 频率和相位。其目的是了解被测对象的振动状态， 评定振动量级和寻找振源，以及进行监测、识别、 诊断和评估。 (2)结构或部件的动态特性测量。 以某种激振力作用在被测件上，对其受迫振 动进行测试，以便求得被测对象的振动力学参量 或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和 模态等。这类测试又可分为振动环境模拟试验、 机械阻抗试验和频率响应试验等。
当二简谐振动的频率非常接近时，合成的周期 振动将出现“拍”的现象。因为有
2．3脉冲式振动 瞬态振动是不具备完整周期性的振动，其时间 历程往往十分短暂。在工程中如爆炸、机械碰撞、 落锤、敲击、金属加工中的断续切削等，都会发 生脉冲式振动。 脉冲波形如P、228 图10—4所示。 表征脉冲的特征量， 除脉冲高度xmax外， 还有脉冲持续时间， 亦即脉宽b。
2．2周期振动 实际的机械振动，往往不是单一的简谐振动， 如二滚动轴承上支持着一根轴，轴上有几只齿轮， 当这一部件运转时，便会产生多个简谐振动。尽 管这些简谐振 动(来自轴承环、滚 动体、轴、齿轮及轮 齿啮合)有不同的频率 和初相位，但叠加起 来后仍然是有一定周 期的振动，如P、228图10—2所示。
(2)当 1
时
Bv B B 1 Av A A （10—16） Bv 式中 ——相对速度幅值。 式(10—16)表明，相对速度幅值 Bv 近似等于 被测物体速度幅值 Av 。即测出相对速度幅 值 Bv ，就可得到要测的被测速度幅值 Av ， 实际中用电磁感应原理很容易实现相对速度的测 量，所阻这种速度计应用较广。如磁电式传感器， 测量振动体振动速度幅值的大小，可以通过其输 出信号的大小来确定。

k 0 设 —振动系统的固有频率 m c 2b m 得方程 1 2 2 y 2by 0 y A sin t (10—8) m
当被测振体和传感器基座按规律运动时，根 据单自由度系统强迫振动理论可以导出系统的 运动方程。 cy ky 2 A sin t m y (10—7) 式中A—被测振动的振幅。 k 1 2 将上式除以m， c y y A sin t y m m m
由此二式得 0 2 12 x 2 A [ x0 ( ) ] 1 x （10—4） 0 t an ( ) 0 x 由此可知，简谐振动的位移、速度和加速度的 波形和频率都为一定，其速度和加速度的幅值与 频率有关。在相位上，速度超前位移 ／2，加 速度亦超前速度 ／2。对于简谐振动，只要测 定出位移、速度、加速度和频率这四个参数中的 任意两个，便可推算出其余两个参数。
解式(10—8)得质量块m对外壳体的相对位移为 y B sin(t ) (10—9) 2 A B 2 2 2 2 ( 1 ) 4 （10—10） 2 tg 1 2 （10—11） 1 式中B—相对振幅； —质量块m和输入位移 量y间的相位差； —频率 比， / 0 ； —阻尼比， c / 2 mk 。 根据所选择的频率比和阻尼比 的不同，传 感器将具有能反映不同振动参数的性能，即相对 振幅与基本参数之间的关系。


实际的脉冲振动，其频谱分布于0～fｃ的范围 内，如P、228图10—5所示。脉宽越宽频谱分布 范围越窄。 由于脉冲包含 着从0～fｃ范围 内的所有频率成 分的振动，如果 受到脉冲的机械 、机构或零件具 有在0～fｃ范围 内的某一固有频率，就会被激发起共振。
2．4随机振动 确定性振动系统受到随机力的激励；或者是具有随机变 化特性的系统受到确定性力的激励；或者是具有随机变 化特性的系统受到随机力的激励，都会产生随机振动。 随机振动不仅没有确定的周期，而且振动幅值与时间之 间亦无一定的联系，如P、229图10—6所示。如路面不 平对车辆的激励、加工工件表面几何物理状况的不均匀 对工艺系统的激励、波浪对舰船的激励、大气湍流对飞 行器的激励等，都会产生随机振动。 与一般随机信号的 处理一样，随机振动 的统计参数通常有均 值、均方值、方差、 自相关函数和自功率 谱密度函数等。
简谐振动可用下式表达
x Asin(t 0 )
x A cos( t 0 ) v m sin(t ) 2

2 Asin(t 0 ) am sin(t ) x
(10—1)
式中A—位移振幅，m或mm； vm—速度振幅， m／s或mm／s； am—加速度振幅，m/s2或 mm/s2， 或g；ω—振动角频率，其单位为rad ／s； 0—初相位角，其单位为弧度。

x1 A cos1t x2 A cos2 t 二者叠加得 1 2 1 2 x 2 A cos( t ) cos( t) （10—5） 2 2 此时 1 2 1 2 因此合成的振动频率 是二组成分频率的平均值，而振幅则随时间呈周 期性变化，其周期可由式(10—6)求得： 4 T 1 2 (10—6) 在研究周期振动时，如果出现拍的波形，在 作频谱分析时要求有较高的频率分辨率。实际工 作中，两个或几个不相关联的周期振动混合作用 时，便会产生这种振动。

随着现代工业技术的发展，对各种机械 设备提出了低振动和低噪声的要求。尽管 振动的理论研究已经发展到很高的水平， 但是实际所遇到的振动问题非常复杂，结 构中的许多参数，如阻尼系数、边界条件 等要通过实验来确定。对于现有的机械或 结构，为改善其抗震性能，也要测量振动 的强度(振级)、频谱甚至动态响应，以了解 振动的状况，寻找振源，采取合理的减振 措施(如隔振、吸振、阻振等)。因而振动的 测试在生产和科研的许多方面占有重要的 地位。振动测试大致有两方面内容。
振动检测
1概述
机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普 遍存在的物理现象。各种机器、仪器和设备在其 运行时，由于诸如回转件的不平衡、负载的不均 匀、结构刚度的各向异性、润滑状况的不良及间 隙等原因而引起力的变化、各部件之间的碰撞和 冲击，以及由于使用、运输和外界环境条件下能 量的传递、存储和释放等都会诱发或激励机械振 动。 在大多数情况下，机械振动是有害的。振动往 往会破坏机器的正常工作和原有性能，振动的动 载荷使机器加快失效、缩短使用寿命，甚至导致 设备损坏，造成安全事故。机械振动产生的噪声， 致使环境和劳动条件恶化，危害人们的健康，成 为现代社会的一种公害。
m
c ,2b m 2 mk
(10—14) 。
(10—15) 式(10—15)表明相对幅值B与被测物体的速度 幅值 Av 近似成正比。
2 2 2 (1 ) 4 2
B 2n P、231图10—10曲线说明 Av 与 之间的 关系，由曲线可以看出，阻尼比 愈大，可测 量的范围愈宽。当 10 时比较理想，但使传感 器灵敏度下降 ，并使相频特性 线性度变差，所 以这种速度计应 用上受到影响。

3．1．1相对式振动测量 是将振动变换器安装在被测振动体之外的基础 上，它的测头与被测振动体采用接触或非接触的 测量，所以它测出的是被测振体相对于参考点的 振动量。 图10—7所示为相 对于直接接触测振 仪原理图，直接测 量出被测振体的相 对于参考点的振动 量或记录振动的波形。


对于周期振动，振幅x及频率f，不能完全揭示 其本质，还要通过模拟量频谱分析或数字量频谱 分析，才能分清其中的各个频率以及各频率成分 的多少。P、228 图10—3便是功率 频谱图，由图可 见，此周期振动共 含有f1，f2，f3及 f4四种频率的简谐 振动，其纵坐标是 功率，由图中谱线 长短可知，频率为 f2的振动最强，频率为f4的振动最弱。
Hale Waihona Puke 3．1．2绝对式振动测量 采用弹簧—质量系统的惯性型传感器(或拾振器)，把它 固定在振动体上进行测量，所以测出的是被测振动体相 对于大地或惯性空间的绝对运动，工作原理如P、230图 10—8所示。质量块通过弹簧和阻尼器安装在传感器壳体 基座上，组成单自由 度振荡系统。当测振时， 基座随外界被测振动体 而振动，引起质量块相 对基座的运动，这个相 对位移量x与振动体输入 位移y具有一定的比例关 系，这个比例关系决定 于被测振动的频率ω及 传感器本身的参数—质 量块质量m、阻尼系数 c、弹簧刚度k。
3．2振动运动量的测量 3．2．1测量振动位移 由式(10—10)可以求得相对振幅与被测振幅的比 2 B 1 值为 2 2 2 2 A 1 2 (1 ) 4 2 1 (1 2 ) 4 2 (10—12) 当被测振体频率比传感器的固有频率高得多 <1时 ( 0 )，且阻尼比 1 1 1 1 (1 2 ) 2 4 2 2 (10—13) (相位落后180°)。 即：B≈A，
2振动测量的类型
为了研究与认识振动，进而控制振动，首先必 须区分振动的不同类别。从测量的观点出发，按 振动量随时间的变化规律将振动分为简谐振动、 周期振动、脉冲式振动和随机振动四大类。各类 振动具有其不同的特点与参数。 2．1简谐振动 很多机械在受到简谐干扰力之下都会产生受迫振 动，这些自由振动和简谐力激励出的振动，都是 简谐振动。简谐振动的振动量随时间的变化规律 如P、227图10—1所示。


振动的一周期T对应于正弦函数中的相位角增 ，即有 加2
(t T ) 0 (t 0 ) 2
T 2
可得
1 f 及 （10—3） 2 T 由式(10—1)可见，在t=0时，有幅值

（10—2）

x0 Asin 0
0 cos0 x