第六章 振动测试
第六章振动的测试
第六章振动的测试第六章 振动的测试第一节 概述机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。
与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。
机械振动测试的目的可以分为两类：（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。
（2）测定结构或部件的动态特性以改进结构设计，提高抗振能力。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；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振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。
第二节 惯性式传感器的力学模型由直接作用在质量上的力所引起的受迫振动如图6－1所示单自由度系统，质量m 在外力的作用下的运动方程为)(22t f kz dtdz c dt z d m =++ 式中，c 为黏性阻尼系数；k 为弹簧刚度系数；ƒ(t )为系统的激振力，即系统的输入；z (t )为系统的输出。
图6－1单自由度系统在质量块上受力时引起的受迫振动)(2)(11)(2n n j k H ωωξωωω+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-= 即222)2()(11)(n n kA ωωξωωω+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=2)(12arctan )(n n ωωωωξωϕ n ω为系统的固有频率，m k n =ω；ζ为系统的阻尼率，km c 2=ξ。
图6-2所示。
在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率，它和系统的固有频率的关系为221ξωω-=n r显然，随着阻尼的增加，共振峰向原点移动；当无阻尼时，位移共振频率r ω即为固有频率n ω；当系统的阻尼率ζ很小时，位移共振频率r ω接近系统的固有频率n ω，可用作n ω的估计值。
6第六章振动测试方法
涉及振动的工程应用分为消除振动和应用振动进行工作两种。
多数情况下，振动是有害的。振动影响机器设备的工作性能和寿命，产生损害机 械设备结构和建筑物的动载荷，并能直接地或通过产生噪声间接地危害人类的健 康。因此，除某些利用振动原理工作的机器设备（如：夯实机、捣固机、清洗机 等）外，一切都必须力求将振动量级控制在允许的范围之内。即使对那些利用振 动原理工作的机器设备，也必须采取适当的措施，将其振动的影响尽量控制在有 限的空间范围内，以免危害人类和其它结构。 从力学的角度来看，振动可以定义为：物体围绕某一固定位置来回摆动并随时间变 化的一种运动。
传感器
传感器是能够感受物体运动并将物体运动转换为模拟电信号的一种灵敏的换能 元件。传感器的种类很多，而且有不同的分类方法，按坐标系的不同可分为绝对式 与相对式传感器；按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器；按工作原理 的不同可分为惯性式和参数式传感器。按测量参数的不同又可分为位移、速度和加 速度传感器。这里我们仅简单讨论机械振动测量中常用的惯性式（磁电式）速度传 感器、压电式加速度传感器和电涡流位移传感器。 速度传感器 以振动体的振动速度为测量目标的传感器称为速度传感器。速度传感器为接触 式传感器，适用于测量壳体和轴的绝对振动等。常用的速度传感器为（具有弹簧－ 质量系统的）磁电式传感器，它测量的信号是被测振动物体相对于大地或惯性空间 的绝对振动。因此称之为惯性式速度传感器或地震式传感器。
交流分量表示传感器探头与转轴表面的动态电压信号直流分量则代表了平均间隙电压由此可确定轴心在轴承中的平均位当转轴存在偏心即被测轴段与轴颈不同心时也可以利用电涡流传感器在转轴低速旋转时测得其偏心的大小
振动测试方法
振动的基本概念
振动现象无所不在，是工程技术和我们日常生活中的一种常见物理现象。 例如，当我们乘坐在运行中的汽车或火车上，就会感觉到振动；工厂中的机器、家 中的家用电器（如洗衣机、脱排油烟机等）工作时也会产生振动，并使我们听到嗡 嗡的声音。
振动测试知识要点及要求1了解振动测试的目的和分类
振动测试知识要点及要求1了解振动测试的目的和分类第六章振动测试一、知识要点及要求1）了解振动测试的目的和分类；2）掌握单自由度系统受迫振动的原理；3）掌握振动的激励方法，以及激振器的种类和选用原则；4）掌握振动的测量方法，以及测振传感器的种类和选用原则；5）掌握振动的分析方法，以及机械系统振动参数的估计方法；6）了解测振装置的校准方法及设备。
二、重点内容及难点（一）振动测试的目的和分类机械振动是工程技术和日常生活中常见的现象。
在大多数的情况下，机械振动是有害的。
但振动也有可以被利用的一面，如振动机械具有能耗少、效率高、结构简单的特点。
机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具有相同的频率组成。
振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位。
振动测试大致可分为两类：1）测量设备和结构所存在的振动；目的是监测工况、估计振源、评价运转质量等。
2）对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；目的是研究设备或结构的力学动态特性。
（二）单自由度系统的受迫振动测试工作中的许多工程问题，往往可以用弹簧-阻尼器-质量块构成的单自由度模型来描述，但是在不同的场合下所处理的输入、输出量往往是不同的，从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不同。
1、质量块受力所引起的受迫振动2、基础运动所引起的受迫振动（三）振动的激励1、激振方式包括稳态正弦激振、随机激振、瞬态激振。
2、常用激振器激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，激起被测对象振动的装置。
常用的为电动式、电磁式、电液式；此外还有用于小型、薄壁对象的压电晶体片激振器，用于高频的磁致伸缩激振器和高声强激振器；以及用于脉冲激振的脉冲锤，用于阶跃激振的张弛弦等。
（四）振动的测量1、测振方法振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：电测法、机械法、光学法。
目前广泛使用的是电测法，而电测法中测振用的传感器又称为拾振器。
1）按测振时拾振器是否与被测件接触可分为：接触式和非接触式。
《振动测试》实验讲义
实验一 简谐振动幅值测量一、实验目的1.了解振动信号位移、速度、加速度之间的关系。
2.学会用各种传感器测量简谐振动的位移、速度、加速度幅值。
二、实验装置框图简谐振动的位移、速度、加速度幅值测量试验的实验装置与仪器框图见图1-1。
图1-1 实验装置框图三、实验原理在振动测量中，有时往往不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。
振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用位移传感器或速度传感器、加速度传感器来测量。
设振动位移、速度、加速度分别为x 、v 、a ，其幅值分别为X 、V 、A ：x = Bsin (ωt -ψ) （1）v =dtdy =ωBcos (ωt -ψ) （2） )sin(222ψ--==wt B w dtyd a （3）式中：B 一一位移振幅 ω—振动角频率 ψ—初相位X=B （4） V=ωB=2πfB （5）A=ω2B=(2πf)2B （6）振动信号的幅值可根据式（6）中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来测量。
也可利用动态分析仪中的微分、积分功能来测量。
四、实验方法1、安装激振器把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。
2、连接仪器和传感器把加速度传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到电荷放大器的输入端，并将电荷放大器的输出接到数采分析仪的1通道。
3、仪器参数设置打开数采仪器的电源开关，开机进入DAS2003数采分析软件的主界面，设置采样率（2kHz）、量程范围，输入加速度传感器的灵敏度。
打开一个窗口，分别显示三个通道的信号。
4、采集并显示数据调节扫频信号源的输出频率，使梁产生振动。
分别调整电荷放大器为加速度、速度、位移状态，同时在窗口中读取当前振动的最大值（位移、速度、加速度）。
5、计算数据与实验数据比较按公式计算位移、速度或加速度值，并与实验数据比较。
振动的测试
自由振动
按振动产生原因 强迫振动
自激振动 线性振动
按振动系统结构参数分类 非线性振动
机械振动
简谐振动
按振动的时间规律
确定性振动 周期振动 随机振动 非周期振动
单自由度振动
按确定振动的独立坐标数分类 多自由度振动
连续弹性体振动
三、振动测试内容
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、和振动频率，以 判别振动的强度（振级），找出 振动根源，加以克服或改进。
)
稳态正弦输出 正弦输入
H ( j) A()e j()
幅频特性 A() H ( j) P2 () Q2 ()
相频特性
() H ( j) arctg Q() P( )
受力激振时，以位移为响应时的频率响应特性
H ( j)
Z F
( (
j ) j )
1
(
1 )2
j2
n
n
幅频特性
Az ()
动态特性有关知识回顾
动态特性 测试装置对随时间变化的 输入量的响应特性。
频率响应函数 动态特性描述方法之 一
H ( j) Y ( j) X ( j)
频率响应函数的物理意义
H(j)是当系统输入各个不同频率的正弦信 号时，其达到稳态后的输出与输入之比。 （包括幅值比和相位差）
H
(
j
)
Y0e j(t X 0e jt
振动测量参考坐标
测量时的参考坐标
相对式 — 选空间动点或不动点作
测量时的参考坐标
五、一般振动测试系统的组成
1.振动参数测量系统
被测振动 传感器
中间变换器 预处理电路
第六章振动测试.ppt
按信号
转换后的形式
电测法 机械法 光学法
是否与被测件接触
接触式 非接触式
按所测的振动性质
绝对式 相对式
绝对拾振器:
拾振器的壳体与被测件固接
输入:壳体的振动
• ••
(Z1, Z1, Z1)
输出:质量块对壳体的相对位移 Z 01
••
Z1(t) Z01 et（电量）
设:
输入:
被测件的加速度
••
2. 特性曲线的使用上限频率:
小阻尼( 1 ),
3. 安装: 共振频率与 加速度的固定状态有关
fmax
1 3
fn
fmax
1 5
fn
( 12%) ( 6%)
(二) 压电式加速度计的灵敏度
发电型传感器,可看成
mv
电压源: 灵敏度 m
s2
pc
电荷源: 灵敏度 m
s2
灵敏度的选择: 常以标准重力加速度 gn 为单位
测试时:先用扫描激振求得被测 系统的概略特征,进而对靠近 n 的重要频段严格用稳态正弦扫描
激振校核
(二)脉冲激振 脉冲捶 脉冲捶材料与频带宽度的关系
材料越硬 脉冲持续时间 有效频率范围
(三) 阶跃(张驰)激振
第四节 激振器
信号发生器 功率放大器 激振器 力(施加给被测件)
对激振器的要求: 波形好, 体积小
(三) 压电式加速度计的前置放大器: 电压放大器: 电荷放大器:
六. 阻抗头
安装: 作用:测机械点
阻抗的传感器
第七节 机械系统振动参数的估计
方法:
自由振动法 共振法
一. 自由共振法
给初始冲击 : dz(0) 或z(0)
大学生《机械工程测试技术基础》期末试题及答案
第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ， 收敛性 。
4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
振动测试
x
k m
运动学特征 k 2 a x x m 微分方程特征
d x dt
2
2
x 0
2
解 位移
速度
d x dt
2
2
x 0
2
可得
振动方程
x A cos( t )
v
dx A sin( t ) A cos( t ) dt 2
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
1.简谐振动
单自由度系统：
在简化模型中，振动体的位置 或形状只需用一个独立坐标来描述 的系统称为单自由度系统。
单自由度无阻尼自由振动系统
以弹簧振子为例得出普遍结论： 动力学特征 k o
F合 kx
由
F合 ma kx
(二)脉冲锤击激励
脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进 行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之 发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率 范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是 一种宽频带的快速激励方法。
(三) 阶跃松驰激励
1、 阶跃松弛激励定义 2、特点：由于阶跃函数的导数是脉冲 函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉 冲响应函数，所以这种方法也是一种宽 频带激励方法。 3、实现：在实际应用中，常常是用一 根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传 感器对系统预加载，然后突然切断张力 弦。
振动是工程技术和日常生活中常见 的物理现象，在大多数情况下，振动是 有害的，它对仪器设备的精度，寿命和 可靠性都会产生影响。 当然，振动也有可以被利用的一面， 如输送、清洗、磨削、监测等。
无论是利用振动还是防止振动，都 必须确定其量值。
振动测试的分类：
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第六章振动测试
（一）填空题
1、单自由度系统质量块受力所引起的受迫振动，位移共振频率系统固有频率，速度
共振频率系统固有频率，加速度共振频率系统固有频率。
2、单自由度系统质量块受力所引起的受迫振动，在相位共振处位移始终落后于激振力
度。
3、单自由度系统基础运动所引起的受迫振动，当激振频率固有频率时，质量块和壳
体之间的相对运动和基础振动近于相等。
4、激励方式分为，，。
5、按所测的振动性质可将拾振器分为和。
6、阻抗头的前端是，后面是测量激振点响应的。
7、压电式传感器的测量电路（即前置放大器）有两种形式：、
和。
8、机械系统的主要振动参数是，和。
9、相对法校准传感器时，经国家计量等部门严格校准过的传感器起着“振动标准传递”的
作用，称为传感器。
（二）判断对错题（用√或×表示）
1、压电式加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。
（）
2、磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。
（）
3、压电式加速度计手持探针法测振时，加速度计的使用上限频率最低。
（）
4、压电式加速度计的重量越轻，使用上限频率越高，灵敏度越低。
（）
5、涡流位移传感器属于绝对式拾振器。
（）
6、低频激振时，激振器的安装固有频率应比激振频率高3倍以上。
（）
7、快速正弦扫描激振属于宽带激振法。
（）
8、脉冲锤的锤头越软，则激励的频率范围越大。
（）
9、在振动测试中，测得的激励和响应之间的相位差包括了测试系统中所有仪器的相移。
（）
（三）简答和计算题
1、对单自由度系统质量块受力所引起的受迫振动，分别写出其位移频响函数、速度频响函
数、加速度频响函数。
2、对单自由度系统基础位移所引起的受迫振动，分别写出其相对位移频响函数、绝对位移
频响函数。
3、对于压电式加速度计，画出其工作原理图，并说明为什么其上限频率取决于固有频率？
4、对于磁电式绝对速度计，画出其工作原理图，并说明为什么其下限频率取决于固有频
率？
5、如何用实频曲线估计系统的固有频率和阻尼比？画图说明。