第七章 振动测试

微弱的q(t)
q(t)=Sqa(t)
a(t)
e(t) 测试分析仪
电荷放大器
测振传感器的合理选择
直接测量参数的选择：
要考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量。 要考察振动环境，宜作速度测量，因为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。 要检测机件的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器作位 移测量。
基本振动量的测试系统
基于磁电式速度计的振动量测试系统
由于磁电式速度计的输出电压与被测物体的振动速 度成正比，因此基于该传感器的测振系统必须包含 有积分和微分装置，才能实现对振动位移和振动加 速度幅值的测量。
A/D
计 算 机
幅值测量
基本振动量的测试系统
基于压电式加速度计的振动量测试系统
由于压电式加速度计的输出电荷与被测物体的振动 加速度成正比，因此基于该传感器的测振系统除了 应有电荷放大器外，还必须包含具有积分功能的信 号运算装置，才能实现振动位移和振动速度幅值的 测量。
第七章
振动测试
振动测试的分类及其测试目的 惯性式传感器的力学模型 测振传感器的原理及应用 振动测试系统的组成及其标定 激振试验设备及激励信号
振动测试的分类及其测试目的
振动测试可分为两类：
测量机械或结构在工作状态下的各种振动量（如振动的位移、 速度、加速度、频率和相位等），以了解被测对象的振动状 态，评价振动等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断 和预测。 对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，利用输入 输出得出频率响应函数，并以此辨识被测对象的固有振动特性 参数（如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等）。
磁电式速度传感器是利用电磁感应原理将传感器的质 量块与壳体的相对速度转换成电压输出。 磁电式绝对速度传感器测量振动时，传感器固定或紧 压于被测结构上，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振 动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系 统的质量块并在磁场中运动。 传感器输出电压与被测物体的绝对振动速度成正比。
第七章
振动测试
振动测试的分类及其测试目的 惯性式传感器的力学模型 测振传感器的原理及应用 振动测试系统的组成及其标定 激振试验设备及激励信号
惯性式传感器的力学模型
质量块受力所引起的受迫振动
如图所示的单自由度系统，在外力f(t)的作用下，质 量块m的运动方程为：
d 2z dz m 2 + c + kz = f ( t ) dt dt
惯性式传感器的力学模型
由幅频特性图可见，当激振频率远 小于系统固有频率（ω <<ωn）时， 质量块相对于基础的振动幅值为零 （z01=0），这意味着质量块几乎跟 随基础一起振动，两者相对运动极 小。 而当激振频率远高于固有频率（ω >>ωn）时， A(ω)接近于1。这表明 质量块和壳体之间的相对运动z01 （输出）与基础的振动z1（输入） 近乎相等（z01=z1），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。
主讲 贺玮
工程测试技术
第七章
振动测试
振动测试的分类及其测试目的 惯性式传感器的力学模型 测振传感器的原理及应用 振动测试系统的组成及其标定 激振试验设备及激励信号
概述
振动是一种人们在生产、生活中常见的物理现象。随 着社会物质生活的发展，振动问题日益突出。
概述
机械设备在工作状态下，由于旋转件不平衡、负载不 均匀、结构刚度的各向异性、运动副之间的间隙、润 滑不良、支撑松动等因素，就会产生各种各样的振动。 一般情况下，振动多呈现危害性，过度的机器振动意 味着 ：
测振传感器的合理选择
在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中任何一 个，即可通过积分或微分求出另外两个参量。
测振传感器的合理选择
要综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标。
测振传感器的频率适用范围
相对幅值
压电式加速度计
速度传感器
涡电流传感器
频率
第七章
振动测试
振动测试的分类及其测试目的 惯性式传感器的力学模型 测振传感器的原理及应用 振动测试系统的组成及其标定 激振试验设备及激励信号
惯性式传感器的力学模型
其频率响应H(ω)和幅频特性 A(ω)、相频特性 ϕ (ω) 如下：
d 2 z01 d z01 d 2 z1 m 2 +c + k z01 = −m 2 dt dt dt
A(ω ) =
(ω ωn )2
⎡ ⎛ω ⎢1 - ⎜ ⎜ ⎢ ⎝ ωn ⎣ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠
2
⎤ ⎡ ⎛ω ⎥ + ⎢2ζ ⎜ ⎜ ⎥ ⎣ ⎝ ωn ⎦
涡流位移传感器
线圈 高频电流
金属导体
涡流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电流效应。传感器线 圈的厚度越小，其灵敏度越高。 涡流传感器系列产品的测量范围从±0.5mm 至±10mm 不等，灵敏阈约为测量范围的 0.1%。 涡流传感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，但表面的微裂 缝和被测材料的电导率和导磁率对灵敏度有影响。
压电式加速度传感器
压电式加速度计的灵敏度
压电式加速度传感器
由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传 感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路 带来一定困难。 通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经 过阻抗变换以后，再由检测电路将信号输给指示仪表或 记录器。 目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大 器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降 低了成本。
惯性式传感器的力学模型
特性分析
第二种情况，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)≈l，不产生振幅畸变，ϕ (ω)≈ 180°。 若选择适当的阻尼，可抑制 ω/ωn =1处的共振峰， 使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限频率。当 ζ= 0.6~0.7时，相频曲线ω/ωn ＝1附近接近直线，称 为最佳阻尼。 这种传感器的测量上限频率在理论上是无限的，但 实际上受具体仪器结构和元件的限制，不能太高。 下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、重量 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。
压电式加速度传感器
压电式加速度计的结构
B：基座 M：质量块 P：压电片 R：夹持环 S：弹簧 B：基座 M：质量块 P：压电片 R：夹持环 S：弹簧
a) 中心安装压缩型
b) 环形剪切型
c) 三角剪切型
压电式加速度传感器
压电式加速度计的结构示意如图所示，它将输入的绝 z 对振动加速度 &&1 (t ) 转换成质量块的惯性力，该惯性力 经压电晶片转换成电荷输出。 由于压电片电路的电荷泄漏，实际加速度计的幅频特 性如图所示，在小于1Hz的频段中，加速度计的输出 明显减小，所以它不适宜测量低频振动。
涡流位移传感器
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甚广。 下图为涡流位移传感器测量轴振动的示意图以及对应 的轴心轨迹和两个传感器的时域波形图。
磁电式速度传感器
绝 对 式
1—弹簧 3—阻尼环 5—线圈 2—壳体 4—磁钢 6—芯轴
磁电式速度传感器
相 对 式
1—顶杆 3—磁铁 5—引出线 2—弹簧片 4—线圈 6—壳体
磁电式相对速度传感器主要用于测量两个试件之间的 相对速度。 壳体6固定在一个试件上，顶杆1顶住另一个试件，两 试件之间的相对振动速度通过顶杆1使线圈4在磁场气 隙中运动，线圈4因切割磁力线而产生感应电动势e， 其大小与线圈运动的线速度v成正比。 传感器输出电压与被测物体的相对振动速度成正比。
式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，激振力 f(t) 为系统的输入，振动位移 z 为系统的输出。
惯性式传感器的力学模型
其频率响应H(ω)和幅频特性 A(ω)、相频特性 ϕ (ω) 如下：
d2 z dz m 2 + c + kz = f (t ) dt dt
A(ω ) =
1 k ⎡ ⎛ ω ⎞ 2 ⎤ ⎡ ⎛ ω ⎞⎤ 2 ⎢1 - ⎜ ⎟ ⎥ + ⎢2ζ ⎜ ⎟⎥ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ ωn ⎠ ⎥ ⎣ ⎝ ωn ⎠⎦ ⎣ ⎦
两种类Biblioteka Baidu的振动测试
本章作业
7-3 7-7
基本振动量的测试内容
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称 为基本振动量的测量三要素。
幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、 有效值、平均值等不同的方法表示。 频率反映了机器设备振动源中是否存在周 期运动源。通过频谱图可以确定机器设备 工作中主要振动能量的频率分布，从而为 寻找振源提供实验依据。 相位表明了各振动源运动的时间顺序。可 以利用振动信号的相位关系来确定共振点、 测量振型，或对旋转零部件进行动平衡等。
第七章
振动测试
振动测试的分类及其测试目的 惯性式传感器的力学模型 测振传感器的原理及应用 振动测试系统的组成及其标定 激振试验设备及激励信号
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：电容传感器、涡流传感器
按所测的振动性质
相对式：测振传感器安装在某 一固定点，以该点为参考点， 测量物体对参考点的相对运动。 绝对式：测振传感器安装在试 件上，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。
⎛ω ⎞ 2ζ ⎜ ⎟ ⎜ω ⎟ ϕ (ω ) = − arctan ⎝ n ⎠ 2 ⎛ω ⎞ 1- ⎜ ⎟ ⎜ω ⎟ ⎝ n⎠
2
1 k H (ω ) = ⎡ ⎛ ω ⎞2 ⎤ ⎛ω ⎢1 - ⎜ ⎟ ⎥ + 2 jζ ⎜ ⎜ ⎟ ⎜ω ⎢ ⎝ ωn ⎠ ⎥ ⎝ n ⎣ ⎦
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
惯性式传感器的力学模型
蜂蜡（快速安装）
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——手持
手持探针 不易到达的位置 磁铁
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——小心操作
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——固定电缆
避免电缆受冲击产生摩擦电噪声
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——点接地
使用绝缘垫圈和螺栓，避免两点接地。
基础运动所引起的受迫振动
许多测振传感器的工作原理，是利用了由基础运动 引起受迫振动的方式。设基础的绝对位移为z1，质 量块m的绝对位移为z0，则质量块m的运动方程为:
d 2 z0 d m 2 + c (z0 − z1 ) + k ( z0 − z1 ) = 0 dt dt
如果考察质量块m对基础的相对运动， 则m的相对位移为：z01 = z0 − z1 上式可改写成： d 2 z01 dz01 d 2 z1 m 2 +c + kz01 = − m 2 dt dt dt
2
⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠⎦
2
H(ω) =
(ω ωn )2
⎡ ⎛ ω ⎞2 ⎤ ⎛ω⎞ ⎢1- ⎜ ⎟ ⎥ + 2 jζ ⎜ ⎟ ⎜ω ⎟ ⎜ω ⎟ ⎢ ⎝ n⎠ ⎥ ⎝ n⎠ ⎣ ⎦
⎛ω ⎞ 2ζ ⎜ ⎟ ⎜ω ⎟ ϕ (ω ) = − arctan ⎝ n ⎠ 2 ⎛ω ⎞ 1- ⎜ ⎟ ⎜ω ⎟ ⎝ n⎠
压电式加速度传感器
压电式加速度计的频率特性
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率
0.01
0.1
1
1000
10K
Hz
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——固定
薄双面胶带 粘接剂（不易打孔） 钢螺栓（最佳）
蜂蜡（快速安装）
压电式加速度传感器
压电式加速度计的安装——避免在以下情况中使用！
生产质量的下降 能量消耗的增加 机器磨损的增加 机器寿命的降低 维护成本的增加
概述
生产质量下降
能量消耗增加
概述
机器磨损增加 机器寿命降低
维护成本增加
概述
振动也可以被用来作有益的事情，例如：
乐器 振动清洗 振动冲击 振动给料、捣固、沉桩、拔桩等 振动压路机
概述——为什么要测试振动？
在机电设备的过程控制中，常常要利用振动 来对机器的运行状况进行监测、分析、诊断。 检查振动的频率和幅值有没有超过材料的性 能极限。 避免在机器的确定部位产生共振激励。 抑制或者隔绝振源，实现机器的状态维护。 为了提高动态工作环境下机器设备的抗振性 能，常常需要对所设计的机器结构进行振动 实验分析，以便对产品进行振动预测。 因此必须对机械振动进行观测、分析、研 究，而测试始终是一个重要的、必不可少的 手段。