振动测试及谱分析课程基本概念
振动分析_精品文档
振动分析1. 引言振动分析是一种研究和分析物体振动行为的方法。
振动是指物体在固有频率下的周期性运动。
振动分析可以应用于各个领域，如工程、物理学、机械等，以帮助我们理解和掌握物体的振动特性。
本文将介绍振动分析的基本概念、方法和应用。
2. 振动分析方法2.1 自由振动自由振动是指物体在无外力作用下以自身固有频率振动的现象。
自由振动可以用简谐振动模型来描述。
简谐振动是指物体在恢复力作用下按正弦或余弦函数的规律周期性振动。
2.2 强迫振动强迫振动是指物体在外力作用下振动的现象。
外力作用会改变物体原来的振动特性，使振动频率改变。
强迫振动可以通过叠加法和复合振动模型来描述。
2.3 阻尼振动阻尼振动是指物体在有耗散力的情况下振动的现象。
耗散力会使振动逐渐减弱，最终停止。
阻尼振动可以通过阻尼振动模型来描述。
2.4 频域分析频域分析是指将振动信号转换到频域进行分析的方法。
频域分析可以通过傅里叶变换将时域信号转换成频谱图，以研究振动信号中的频率成分和幅度。
频域分析常用于诊断和解决振动问题。
2.5 时域分析时域分析是指在时间轴上分析振动信号的方法。
时域分析可以通过绘制波形图、自相关函数和互相关函数来分析振动信号中的时间特性。
时域分析常用于振动信号的处理和特征提取。
2.6 模态分析模态分析是指通过确定物体的振动模态和固有频率来分析其振动特性的方法。
模态分析可以通过模态测试和有限元法进行，以确定物体的振动模态和模态参数。
模态分析可以帮助我们了解和设计物体的振动特性。
3. 振动分析应用振动分析在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的振动分析应用：3.1 结构健康监测振动分析可以用于结构健康监测，以检测和评估结构的损伤和变形情况。
例如在桥梁和建筑物中安装振动传感器，通过实时监测结构的振动信号，可以及时发现和诊断可能存在的结构问题。
3.2 故障诊断振动分析可以用于故障诊断，以检测和诊断机械设备的故障和异常情况。
通过分析机械设备的振动信号，可以判断是否存在轴承故障、不平衡、松动等问题，从而进行及时维修和更换。
初中物理振动试验教案
初中物理振动试验教案一、教学目标1. 让学生了解振动的定义和特点，知道振动是由什么引起的。
2. 让学生掌握振动的基本概念，如频率、周期、振幅等。
3. 培养学生进行实验操作的能力，提高学生的观察和分析问题的能力。
二、教学内容1. 振动的概念和特点2. 振动的产生和消失3. 频率、周期和振幅的概念及计算4. 振动试验的原理和操作方法三、教学重点与难点1. 振动的概念和特点2. 频率、周期和振幅的计算3. 振动试验的操作方法四、教学过程1. 导入：通过生活中的实例，如摇摆的秋千、振动的音叉等，引导学生思考振动的概念和特点。
2. 讲解振动的基本概念：振动是由物体围绕平衡位置做往复运动引起的，频率表示振动快慢的物理量，周期表示振动一次完整的往复运动所需的时间，振幅表示物体振动的最大位移。
3. 讲解振动的产生和消失：振动是由外力或内部力作用于物体上产生的，当外力或内部力消失时，振动也会逐渐消失。
4. 实验操作：进行振动试验，观察振动现象，记录频率、周期和振幅等数据。
5. 数据分析：根据实验数据，计算频率、周期和振幅，分析振动的特点和规律。
6. 总结与拓展：总结振动试验的结果，引导学生思考振动在现实生活中的应用，如音乐、工程等领域。
五、教学方法1. 采用问题驱动的教学方法，引导学生通过实验观察和数据分析来解决问题。
2. 运用多媒体教学手段，如图片、视频等，生动形象地展示振动现象。
3. 组织学生进行小组讨论，培养学生的团队合作意识和交流能力。
六、教学评价1. 学生能准确描述振动的概念和特点。
2. 学生能正确计算频率、周期和振幅。
3. 学生能熟练进行振动试验的操作。
4. 学生能分析振动现象的规律和应用。
七、教学资源1. 振动试验设备：振动台、振子、测量仪器等。
2. 教学课件：振动的概念、特点、计算等。
3. 参考资料：振动现象的应用实例。
八、教学步骤1. 引入振动的概念和特点，引导学生思考振动的产生和消失。
2. 讲解振动的基本概念，如频率、周期和振幅。
振动测试及其分析
振动测试及其分析 1.振动测试与动态信号分析1.1 基本术语动态参数：结构振动的位移、速度、加速度；冲击的加速度；噪声的声压等（随时间变化）。
动态测试：由传感器测得这些非电物理量并转变为电信号，然后经过信号放大、滤波等适调环节，对信号作适当调节，对测试结果进行显示、记录的过程。
模拟信号：工程中的动态物理量都是随时间变化的，相应的连续时间信号称为模拟信号。
数字信号：由模拟信号转换得到的离散数字序列。
其特点是便于存储、处理。
数字信号是模拟信号在一定条件下的近似表示。
数据采集：将连续时间信号转变为离散数字信号的过程称为数据采集。
数据采集的方法：采样、量化—模数转换（A/D 转换）A/D 转换产生的问题：频率混迭（偏度误差）、信号噪声比（随机误差）。
解决或减小误差的方法：抗混滤波、充分利用A/D 转换器的动态范围。
信噪比（SNR ）：信号功率与噪声功率之比。
用来衡量量化误差的大小，可作为反映量化过程的主要精度指标。
动态范围（DR ）：可测试的最大信号与分辨率之比，通常用分贝（dB ）表示。
A/D 转换器的动态范围DR 与A/D 转换位数N 的关系：NDR 2lg 20=； 如N=12，DR ≈72 dB频响函数测试分类：按激振力性质的不同，频响函数测试可分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类。
其中随机测试又有纯随机、伪随机、周期随机之分。
瞬态测试则有快速正弦扫描、脉冲激励和阶跃(张驰)激励等几种方式。
脉冲激励可分为单点敲击多点测量和多点敲击单点测量两种。
前者是求出频响函数矩阵中的某一列，后者是求出频响函数矩阵中的某一行。
根据频响函数矩阵的对称性，其分析完全相同。
1.2 信号分析从观测领域的不同，对信号特征进行分析的方法主要有三种：幅值域、时（间）域、频（率）域。
(1) 幅值域分析：有效值、峰值、平均值、方差（对随机信号 均值、方差，概率密度和概率分布函数）。
峰值：动态信号时间历程中瞬时绝对值的最大值 max )(t x x p =对简谐信号来讲，用峰值描述是恰当的，t A t x ωsin )(=，A x p =。
振动及频谱分析基础培训 PPT
什么是振动？
什么是振动频率？
考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、 比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频CPM）。
图6 振动波形的位移和频率
什么是振动相位？
振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定 参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对 于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是 一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位 振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。
状态
异 常
故障定位
判别
原因分析
正 常
缩小故障范围
维修
不
趋势 分析
可
决策
尚 可
状态监测和故障诊断的作用
监测与保护
监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。 分析与诊断
判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。 处理与预防
给出消除故障的措施。防止发生同类故障。
停产一天的损失有多大？
300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元 30万吨化肥装置 损失化肥1000t， 约￥150万元 三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元
轴心位置图 典型机械故障特征及频谱图 现场动平衡原理 诊断实例
状态监测和故障诊断
什么是状态监测和故障诊断？
在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， 通过各种手段，掌握设备运行状态， 判定产生故障的部位和原因， 并预测、预报设备未来的状态。
是防止事故和计划外停机的有效手段。 是设备维修的发展方向。
振动的基础知识及振动测量
状态监测与故障诊断概述 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 旋转机械振动测量框图 传感器及其选用 基频分量幅值和相位的测量 旋转机械的振动图示 定转速：波形图、频谱图、 轴心轨迹 变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、
《振动测试》课件
振动测试的技术路线
振动测试前的准备
振动测试的常用方法
振动测试的数据分析
测试前需要确保测试设备正常、 测试环境合适、测试物体无损伤。
常用的振动测试方法包括冲击法、 振动法、响应谱法等。
通过测量数据进行分析，了解物 体的振动特性、模态分析、频率 响应等。
实验操作步骤
1 实验前的准备工作
了解实验目的，准备必要的测试设备和试验台。
振动测试的原理
1
振动的概念
振动是指物体在某个参考点或在某个参考系中偏离静止位置并产生周期性的运动。
2
振动测试的定义
振动测试是通过测量和分析物体在振动状态下的各项参数，评估物体振动特性的 一种测试方法。
3
振动测试的原理介绍
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
物体在振动过程中会产生加速度，可以通过测量加速度和频率来描述物体的振动 特性。
2 实验所需设备及材料
常见的实验设备包括加速度传感器、振动台、信号分析仪等。
3 操作步骤的详细说明
实验操作包括控制测试环境、对测试物体施加振动、测量振动参数并进行数据分析等。
振动测试案例分析
1
振动测试案例介绍
对汽车引擎进行振动测试，分析其自然频率和振动响应。
2
案例分析过程
使用加速度传感器和信号分析仪对引擎进行振动测试，并采集振动频谱图。
3
分析结果与结论
分析结果显示引擎存在不均衡问题，需要调整曲轴平衡度以降低振动水平。
结论与展望
分析出的结论
振动测试是揭示物体振动特性、解决振动问题的有效手段。
未来的研究及展望
振动测试技术将在空间、医疗、安全等领域得到广泛应用。
本次课程学习心得
本课程详细介绍了振动测试的基础知识和关键技术，对于我的研究工作有很大帮助。
振动测试及谱分析课程基本概念
1. 振动：与某个坐标系统有关的、围绕其平均值（或基准值）从大变小，又从小变大，如此交替重复变化的量，称为振动。
2. 机械：机械就是能帮人们降低工作难度或省力的工具装置。
3. 机械振动：物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。
4. 随机振动：任何一个给定时刻的振动瞬时值不能预先确定的振动。
5. 简谐振动：位移、速度和加速度为时间的谐和函数的振动。
6. 波形因子：位移的有效值与均值之比;波峰因子：位移的峰值与有效值之比。
7. 复杂周期振动：由一系列频比f i/f j(或ωi/ωj)为有理数的简谐振动叠加而成，当自变量增加到某一定值时，其函数值又恢复到同一个值的振动，又简称为周期振动。
8. 准周期振动：两个或两个以上无关联的周期性振动混合后产生的一种与周期性振动略有不同的振动。
9. 振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离A。
10. 频率f：单位时间内完成振动的次数，描述振动物体往复运动频繁程度的量。
11. 相位：对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置12. 阻尼：任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。
13. 频谱：是信号幅度或功率随频率变化的关系，为信号的傅立叶变换（FT），又称为傅立叶谱。
14. 仪器的灵敏度：在测量范围内，传感器的输出信号变化量与输入信号变化量是成比例的，这个比例值称为传感器的灵敏度。
15. 压电效应：当被测频率远小于传感器的固有频率时，惯性块的相对运动与被测物体的振动加速度成正比，惯性质量产生的惯性力作用于压电元件上，在元件的两级面生成正负相反的电荷，称为压电效应。
16. 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
17. 诺莫图：传感器的测量范围可以用频率f、加速度a(t)、速度v(t)和位移x(t)来表示，用这些参数绘成的列线图，称为振动诺莫图，用来评价传感器的动态范围。
振动测量技术-振动信号的频谱分析振动
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
5.1.2 振动测量系统
1.振动测量方法分类 振动测量方法按振动信号转换的方式可分为
电磁式 激振器
交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性的 交变吸力，作为激振力
用于非接触激振，频率范围宽、 设备简单，振动波形差，激振 力难控制
电液式 激振器
用小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制油 缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动
激振力大，频率较低，台面负 载大，易于自控和多台激振， 设备复杂
(2) 激振器 激振器是对试件施加某种预定要求的激
振力，使试件受到可控的、按预定要求振动 的装置。为了减少激振器质量对被测系统的 影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。表 5.3列举了部分常用的激振器。
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
表5.3 部分常用的激振设备
名称
工作原理
适用范围及优缺点
永磁式电 动激振器
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
(3) 振动分析仪器
从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号 需经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。目 前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分 析仪和虚似频谱分析仪等。
1.测振仪 2.频率分析仪 3.FFT分析仪 4.虚拟频谱分析仪
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
2. 电测法振动测量系统
干扰
激振
系统
测振传感器
中间变换电 路
信号发生器 功放
振动分析基础知识
旋转机械振动分析基础汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械，是电力、石化和冶金等行业的关键设备。
这些设备出现故障后，大多会带来严重的经济损失。
振动在设备故障中占了很大比重，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。
振动又是设备的“体温计”，直接反映了设备健康状况，是设备安全评估的重要指标。
一台机组正常运行时，其振动值和振动变化值都应该比较小。
一旦机组振动值变大，或振动变得不稳定，都说明设备出现了一定程度的故障。
振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在：(1)振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。
(2)过大振动将会造成通流部分磨损，严重时将会导致大轴弯曲。
统计数据表明，汽轮发电机组 60％以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。
(3)振动过大还将使部件承受大幅交变应力，容易造成转子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。
正因为振动对设备安全运行相当重要，人们对振动问题都很重视。
目前大型机组上普遍安装了振动监测系统，并将振动信号投了保护。
振动超标时，保护动作，机组自动停机，从而保证设备的绝对安全。
一、振动分析基本概念振动是一个动态量。
图所示是一种简单的振动形式－简谐振动，即振动量按余弦（或正弦）函数规律周期性地变化，幅值反映了振动大小；频率反映了振动量动态变化的快慢程度；相位反映了信号在t=0时刻的初始状态。
可见，为了完全描述一个振动信号，必须同时知道幅值、频率和相位这三个参数，人们称之为振动分析的三要素。
振动是一个动态变化量。
为了突出反映交变量的影响，振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值，又称为峰峰值。
简谐振动是一种简单的振动形式，实际机组上发生的振动比简谐振动要复杂得多。
不管振动多么复杂，由信号分析理论可知，都可以将其分解为若干具有不同频率、幅值和相位的简谐分量的合成。
旋转机械振动分析离不开转速，为了方便和直观起见，常以 1x 表示及转动频率相等的频率，又称为工（基）频；以 0.5x、2x、3x 等表示及转动频率的 0.5 倍、2 倍和 3 倍等相等的频率，又称为半频、二倍频、三倍频。
振动测试及谱分析
振动测试及谱分析实验用具：1、计算机 1台2、LabVIEW 虚拟仪器平台 1套3、USB数据采集卡 1张4、加速度传感器 1个5、信号调理设备 1台6、振动实验台 1台7、开关电源 1台8、连接导线若干 1式实验目的：1、掌握压电加速度传感器的性能与使用方法。
2、了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。
3、掌握测试信号的频率域分析方法。
4、了解虚拟仪器的使用方法。
实验原理：机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。
二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，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、刚度、频率响应和模态等。
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。
由于偏心质量，实验台受到一周期离心力的作用，大小为2ωme F =，实验测得y 方向的振动，y 方向的分力为t me F ωωsin 2=，该力与电动机转速有关。
该力相当于作用在弹簧质量系统上，该系统的微分方程为kZdt dZc dt Zd m t f ++=22)(。
可知，测出振动台的振动加速度Z 的信号，通过信号分析就可以知道频率大小。
对于一阶系统，根据频率不变性，输出信号的频率与输入力的频率相等。
虽然信号输出信号有各种频率成分（如噪声），但占主导地位的是质量不平衡所引起的周期转动信号，该周期信号的振动最强烈，通过对加速度信号的频域分析，最大峰值所对应的频率就是该信号的频率。
实验步骤：1、振动测量实验结构如图1所示，将加速度传感器通过配套的螺丝固定在振动实验台电极罩上，然后将其输出端和信号调理设备的输入端相连，信号调理器的输出端通过一根带五芯的航空插头的电缆和接线板连接。
振动测试原理
振动测试原理振动测试是一种常用的工程测试手段，它可以用来测量物体在振动过程中的各种参数，如振幅、频率、相位等，从而帮助工程师分析和评估物体的振动性能。
振动测试原理是基于物体在受到外力作用时会产生振动的基本物理规律，下面将详细介绍振动测试的原理及其应用。
振动测试的原理主要包括振动的基本概念、振动的传播方式和振动测试的基本方法。
首先，振动是物体在受到外力作用时产生的周期性的运动。
振动的基本参数包括振幅、频率和相位。
振幅是振动的最大偏离量，频率是单位时间内振动的周期数，相位是振动的起始相对位置。
这些参数可以通过振动测试手段来准确测量，从而帮助工程师分析物体的振动特性。
其次，振动可以通过不同的传播方式进行传递，主要包括机械振动和声波振动。
机械振动是物体在受到外力作用时产生的直接机械振动，而声波振动是振动通过介质（如空气、水等）传播的声波。
振动测试可以通过传感器和仪器来测量不同传播方式下的振动参数，从而帮助工程师分析物体的振动传播特性。
最后，振动测试的基本方法包括模态分析、频谱分析和振动响应测试。
模态分析是通过激励物体的振动，测量物体的振动模态（如固有频率、振型等）来分析物体的结构特性。
频谱分析是通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而分析物体的频率分布特性。
振动响应测试是通过激励物体的振动，测量物体的响应信号来分析物体的动态特性。
这些方法可以帮助工程师全面地了解物体的振动特性，从而指导工程设计和优化。
综上所述，振动测试原理是基于物体在受到外力作用时会产生振动的基本物理规律，通过测量物体在振动过程中的各种参数，帮助工程师分析和评估物体的振动性能。
振动测试的原理包括振动的基本概念、振动的传播方式和振动测试的基本方法，通过这些原理，工程师可以全面地了解物体的振动特性，从而指导工程设计和优化。
振动测量的主要内容
振动测量的主要内容振动测量是一种广泛应用于各个领域的技术，用于检测和分析物体的振动行为。
它在工程、科学、医学等领域中都有着重要的应用，可以帮助人们了解物体的动态特性和结构健康状况。
以下是关于振动测量的主要内容的详细介绍。
一、振动的基本概念1. 振动的定义：振动是物体围绕平衡位置来回运动的现象，包括周期、频率、幅值和相位等基本概念。
2. 振动的分类：振动可以分为自由振动和受迫振动，自由振动是物体在没有外力作用下的振动，受迫振动是外力作用下的振动。
3. 振动的参数：描述振动行为的参数包括振幅、频率、周期、相位等，这些参数对于振动测量非常重要。
二、振动传感器1. 加速度传感器：加速度传感器是最常用的振动传感器之一，它可以测量物体在某一方向上的加速度，并通过积分得到速度和位移信息。
2. 速度传感器：速度传感器用于测量物体的振动速度，它可以直接测量速度而无需进行积分运算。
3. 位移传感器：位移传感器可以直接测量物体的振动位移，常用的位移传感器包括电感式传感器、光电传感器等。
4. 压电传感器：压电传感器利用压电效应将振动转化为电信号，常用于高频振动测量。
三、振动测量方法1. 时域分析：时域分析是最基本的振动分析方法，通过记录振动信号的时间历程，可以获取振动信号的幅值、频率、周期等信息。
2. 频域分析：频域分析是将振动信号从时域转换到频域的方法，常用的频域分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度分析等，可以得到振动信号的频率成分和能量分布情况。
3. 阶次分析：阶次分析是将振动信号从时间域转换到转速域的方法，可以分析旋转机械系统中的振动特性，如齿轮啮合频率、轴承故障频率等。
4. 模态分析：模态分析用于研究结构振动的固有特性，可以确定结构的固有频率、振型等信息，常用的方法有模态测试和有限元模态分析等。
四、振动测量应用1. 结构健康监测：振动测量可以用于结构健康监测，通过对建筑物、桥梁、飞机等结构的振动进行监测和分析，可以及早发现结构的损伤和故障。
振动测量分析基础知识
振动测量分析基础知识振动测量分析是指对物体振动特性进行测量和分析的过程，常用于工程领域的振动分析、故障诊断和结构健康监测。
在进行振动测量分析时，需要掌握一些基础知识，包括振动的基本概念、振动测量的方法、振动信号的分析与处理等。
一、振动的基本概念1.振动：物体围绕其中一位置或平衡位置作往复或周期性运动的现象。
2.振动的主要参数：振幅、周期、频率、相位和相位差。
3.振动的分类：自由振动和受迫振动，以及简谐振动和非简谐振动。
二、振动测量的方法1.直接法：通过直接接触目标物体或其附近的测点，使用传感器实时测量振动信号。
常用的传感器有加速度计、位移传感器和速度计等。
2.非接触法：通过无线传感技术、光学传感技术或红外线传感技术等，对远离目标物体的振动信号进行测量。
常用的传感器有激光测振仪、红外线摄像机和毫米波雷达等。
3.振动传感网络：通过多个传感器分布在目标物体上，实现多点同时测量和数据采集，进行全局振动监测和分析。
三、振动信号的分析与处理1.时域分析：通过对振动信号的波形进行观察和分析，得到信号的振幅、周期、频率以及时间变化规律。
2.频域分析：将时域信号转换为频域信号，通过傅里叶变换等方法，得到信号的频率成分和能量分布，可进行频谱分析和频率响应分析。
3.相位分析：通过测量不同测点的相位差，可以获得信号的相位关系和振动传播速度。
4.整频带法：对振动信号进行整个频率范围的分析，用于诊断和评估整个系统的振动特性。
5.专频法：对振动信号在特定频率范围内的分析，用于更精确地检测特定故障或异常情况。
振动测量分析在工程领域有着广泛的应用，例如在机械设备的故障诊断中，可以通过振动信号的分析来判断设备的健康状况和故障原因；在建筑物结构健康监测中，可以通过振动传感器对结构的振动参数进行实时监测，预防和诊断结构损伤等。
随着传感器技术和信号处理算法的不断发展，振动测量分析的精度和应用范围也在不断扩大，对振动的研究和应用产生了积极的推动作用。
振动测量及频谱分析PPT
爆震测量
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七、振动的频谱分析及仪器
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测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.
02
时域图形
01
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频谱仪
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频域图形 （频谱图）
频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。
基波与三次谐波的频谱
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基波与3次谐波合成的波形
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方波可分解成同频基波及 3、5、 7……奇次 谐波
依靠频谱分析法进行故障诊断
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减速箱故障分析 时域波形 b）频域波形
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爆破振动记录仪
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打印机
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海啸预警系统
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地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。
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休息一下
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六、压电振动加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。
爆震波形
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汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。
振动和振动测试的基础知识课件
轴心轨迹 (Orbit)
转轴中心的振动轨迹，由水平和铅垂两 方向波形合成
•振动和振动测试的基础知识
•41
波形图、频谱图及轴心轨迹
•振动和振动测试的基础知识
•42
轴心轨迹的测定
轴心轨迹(Orbit)是诊断旋转机械故障的有力工具。
轴心轨迹可用基频检测仪和示波器得到，也可以用计算机完成。
•振动和振动测试的基础知识
•49
轴心位置的测定
涡流传感器 的输出信号
动态 部分
间隙 变化
轴心位置可以用计算机及其外设来绘制。
•振动和振动测试的基础知识
轴心 轨迹
静态 部分
平均 间隙
轴心 位置
•50
轴心位置的变化
汽轮发电机中压缸轴承
升速时轴心位置逐渐升 高。
到工作转速时，偏心率 为0.66；偏位角32º。属 正常。
自由振动 强迫振动 自激振动
•12
单自由度振动系统
确定系统运动所需的独立坐标数称为系统的自由度
•振动和振动测试的基础知识
•13
多自由度振动系统
2
5
3
6
2
图中数字为系统的自由度数
•振动和振动测试的基础知识
•14
单自由度系统的自由振动
初始位移 初始速度
a —无阻尼 b —小阻尼 c —临界阻尼 d —大阻尼
• 测量结果受周围环境的影响小 • 监测机械的所有各种振动
• 传感器安装受限制 • 测定振动较轴承困难 • 测量设备价格高 • 测振灵敏度高（在任何情况下， 对振动变化反映较灵敏） • 可直接测得基本界限值（如不平 衡，轴内应力等） • 界限值不通用 • 测量设备（特别是传感器）可靠 性低 • 测量结果受周围环境的影响大 • 能得到更详细的关于转子的振动 信息，可作高精度现场平衡数据
振动检测分析基本概念知识
10/07/1998 1:32:32
14/08/1998 1:23:53
11/09/1998 1:25:20
mm/s
rms
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Velocity
其意义是…..?
如何用于评价机器状态
振动的标准 IRD.Machanalysis 通用旋转机械 振动位移和速度 标准
如何用于评价机器状态
10 Hz = 600 RPM
FFT
10 Hz
一个更复杂的频谱
Rub
Imbalance
FFT
10 Hz
80 Hz
600 CPM
4,800 CPM
使用特殊的计算方法指示在频谱中的位置 – 叫做 “激励频率”.
激励频率
分辨率 高分辨率 低分辨率
加窗
记录振动信号 段. 段的边缘必须平滑，避免 频谱泄漏.
工厂维修的作用
事后维修
也叫“故障维修” 常见的方式 (即使在今天) 可接受的运行成本
二次损害 (10X$) 高停产时间 高备件库存 安全考虑
预防维修
在故障前维修 (也叫 “计划维修”, “历史维修”, “基于日期维修”) 今天大部分工厂中常用的维修方式 假定所有机器到时失效 在失效前进行维修 停机 但是，机器什么时候失效?
缺点 机器仍然早期失效 完全良好的机器被 “维修” 停机大修常引入问题 不必要的停机时间
预防维修
预测维修
“如果机器没有问题, 不要维修!” (也叫 “基于状态的维修”) 预测机器什么时候将失效 安排在最方便的时候修理 判断 “危险” 进行 “状态监测” 确定健康状态 预测失效 合理行动 优点: 无停机时间 无意外失效 无二次损坏 计划所有维修
随机振动与谱分析
h
11
脉冲响应函数和频率响应函数
• 脉冲响应函数
脉冲响应函数(或叫脉冲响应)一般是指系统在输入为单位脉 冲函数时的输出（响应）。
• 频率响应函数
(1)简谐激励时，稳态输出相量与输入相量之比。 (2)瞬态激励时，输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。 (3)平稳随机激励时，输出和输入的互谱与输入的自谱之比。 （传递函数）
互相关函数给出了在频域内两个信号是否相关的一个判断指标。把两测点之间信
号的互谱与各自的自谱联系了起来，它能用来确定输出信号有多大程度来自输入
信号，对修正测量中接入噪声源而产生的误差非常有效。
h
10
• 利用互相关函数进行设备的不解体故障诊断
若要检查一小汽车司机座位的振动是由发动机引起的，还是由后桥引起 的，可在发动机、司机座位、后桥上布置加速度传感器，如下图所示， 然后将输出信号放大并进行相关分析。可以看到，发动机与司机座位的 相关性较差，而后桥与司机座位的互相关较大，因此，可以认为司机座 位的振动主要由汽车后桥的振动引起的。
h
7
由5HZ和10HZ正弦波叠加的信号 自相关函数 h
自功率谱密度函数 8
互相关函数和互功率谱密度
• 互相关函数
概念：描述随机信号x(t),y(t)在任意两个不同时刻t1，t2的取 值之间的相关程度。
• 互功率谱密度
概念：在频率域上描述两个平稳随机过程的相互关系
• 功能
（1）在混有周期成分的信号中提取特定的频率成分。 （2）线性定位和相关测速。
10用相关分析法分析复杂信号的频谱利用相关分析法分析信号频谱的工作原理框图根据测试系统的频谱定义可知当改变送入到测试系统这里就是指互相关分析仪的已知正弦信号x的频率由低频到高频进行扫描时其相关函数输出就表征了被分析信号所包含的频率成分及所对应的幅值大小即获得了被分析信号的频谱
振动检测分析基本概念知识共68页
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安。ຫໍສະໝຸດ 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
振动检测分析基本概念知识
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
振动的测试
1(
ω 2 (ω ) ω ω n 2 )
n
2
ω 2 2ξ ) ( ω n
2ξ n 2 (ω) ar ct g 1 ωω ωn
小结：当激振频率远小于系统固有频率时质量块相对基础的振动为0，
也就是质量块几乎随着基础一起振动；而当激振频率远远高于固有频率 时，A(ω)接近1，说明质量块和壳体的相对运动（输出）和基础的振动 （输入）近似相等。
n 2
D4 1 2 j ( n )
n *************** * ***************************************************************
][ 2 ( )]2 n
2 arctg
2 ( ) n 1 ( ) 2
二、由基础运动引起的受迫振动
设基础的绝对位移Z1，质量块m的绝对位移为Z0如图示：
m
d 2 z0 dt 2
c ( z0 z1 ) k ( z0 z1 ) 0
d dt
m
Z01
m
c
Z0
Z01=Z0-Z1
k
dz 0 1 d 2 z1 c kz 01 m 2 dt dt
加速度适振器
令输入 z1 x2 ,
带入得到： m y 2 c y 2 ky2 mx2 y2 ( s ) m 2 x2 ( s ) ms cs k
z01 y2
2ξωn (ω) arctg 1 ω 2 ωn
★ ★位移共振频率、速度共振频率和相位共振
小结
通常把频幅曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率。 当 0时 r ，故 r常作为 n的估计值。 r n 1 2 2 n 若输出为振动速度时,则系统幅频特性最大处的 频率称为速度共振频率.(速度共振频率始终和固有频率相等) 从相频曲线上可看到,不管系统的阻尼比是多少,在(ω/ ωn)=1 时位移始终落后于激振力90度,这被称为相位共振 ************************************************************************************************************************
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1. 振动：与某个坐标系统有关的、围绕其平均值（或基准值）从大变小，又从
小变大，如此交替重复变化的量，称为振动。
2. 机械：机械就是能帮人们降低工作难度或省力的工具装置。
3. 机械振动：物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。
4. 随机振动：任何一个给定时刻的振动瞬时值不能预先确定的振动。
5. 简谐振动：位移、速度和加速度为时间的谐和函数的振动。
6. 波形因子：位移的有效值与均值之比;波峰因子：位移的峰值与有效值之比。
7. 复杂周期振动：由一系列频比f i/f j(或ωi/ωj)为有理数的简谐振动叠加而成，当
自变量增加到某一定值时，其函数值又恢复到同一个值的振动，又简称为周期振动。
8. 准周期振动：两个或两个以上无关联的周期性振动混合后产生的一种与周期
性振动略有不同的振动。
9. 振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离A。
10. 频率f：单位时间内完成振动的次数，描述振动物体往复运动频繁程度的量。
11. 相位：对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置
12. 阻尼：任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的
振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。
13. 频谱：是信号幅度或功率随频率变化的关系，为信号的傅立叶变换（FT），
又称为傅立叶谱。
14. 仪器的灵敏度：在测量范围内，传感器的输出信号变化量与输入信号变化量
是成比例的，这个比例值称为传感器的灵敏度。
15. 压电效应：当被测频率远小于传感器的固有频率时，惯性块的相对运动与被
测物体的振动加速度成正比，惯性质量产生的惯性力作用于压电元件上，在元件的两级面生成正负相反的电荷，称为压电效应。
16. 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，
电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
17. 诺莫图：传感器的测量范围可以用频率f、加速度a(t)、速度v(t)和位移x(t)
来表示，用这些参数绘成的列线图，称为振动诺莫图，用来评价传感器的动
态范围。
18. 交越频率: 在振动环境试验中，振动特征量由一种关系变为另一种关系的频
率。
19. 模拟信号：信息参数在给定范围内表现为连续的信号（在一段连续的时间间
隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号）。
20. 数字信号：指自变量是离散的、因变量也是离散的信号。
21. 混淆(混迭)：对连续信号进行等间隔采样时，如果不能满足采样定理，采样
后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号。
这种频谱的重叠导致的失真称为混叠。
22. 谱泄漏：对于频率为fs的正弦序列，它的频谱应该只是在fs处有离散谱。
但是，在利用DFT求它的频谱做了截短，结果使信号的频谱不只是在fs处有离散谱，而是在以fs为中心的频带范围内都有谱线出现，它们可以理解为是从fs频率上“泄露”出去的，这种现象称为频谱“泄露”。
无线长的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了。
23. 采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信
号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。
24. 机械阻抗：对于简谐振动的机械系统，其某点所受的激励（系统的外来扰动）
与同一点或不同点的响应（系统受外来扰动后的反应）的复数比，即机械阻抗Z v=激发力/响应速度=F/V。
25. 振动模态：模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、
阻尼比和模态振型，是弹性结构的固有的、整体的特性。
二、问答题
1. 描述振动传感器性能的主要指标有哪些？
答：振动传感器的特性参数概况起来有两大类，○1静态特性指标：主要是灵敏度（输出信号与输入信号的变化量之比），滞后性、重复性和零漂等。
○2动态特性指标：使用频率范围（灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间。
）、
动态范围（可测量的量程，是指灵敏度随幅值的变化量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围。
）及相移（输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。
）
2. 压电晶体传感器不能单独使用，它与电荷放大器配套使用的最大优点是什么？
答：最大的优点是连接电缆线可任意加长，电荷灵敏度Sq和电压灵敏度Sv基本上恒定。
3. 前置放大器的作用是什么？其主要功能有哪些？
答：前置放大器是振动、冲击测量系统的主要组成部分之一，其作用是放大和变换传感器输出的微弱测量信号。
主要功能有：○1放大从传感器输出的微弱信号；○2对测量信号进行微、积分变化；○3变高输出阻抗为低输出阻抗；○4使不同灵敏度的传感器输出电压归一化；○5将电荷信号变成电压信号；○6起到滤波的功能。
4. 解释振动传感器的横向效应。
答：对于任何一个振动传感器来说，总存在一个对输入信号有最大响应的轴，沿这一轴向的灵敏度最大。
一个理想的传感器，该轴应该垂直于测量平面，但实际情况并非这样，由于制造公差和材质的不均匀性，以及传感器地面不平度等因素的影响，实际测量轴总是与最大响应轴偏离一个小的角度，因而在横向（与测量主轴垂直的方向）存在输出信号分量，这就是横向效应。
5. 模拟带通滤波器主要有哪几种？恒定百分比带宽滤波器的带宽是怎样定义的？什么是倍频程？
答：(1)主要有：恒定带宽滤波器，恒定百分比带宽滤波器，倍频程带通滤波器。
(2)恒定百分比带宽滤波器的带宽B与中心频率f0的比值c是恒定不变的(常用的比值有3%和23%两种)，即B/f0=c，c为常量，因此带宽B的大小由待测振动的中心频率f0来决定。
(3)倍频程：倍频程滤波器属于恒定百分比带宽滤波器之一，但不是不调谐式的，而是由一组中心频率不同的带通滤波器组成的，所以中心频率不是无级可调的，而是按倍频程的关系固定的，每个滤波器带宽的上、下限频率之比满足倍频程关系，即f H/f L=2n，称为n倍频程。
6. 实时频谱分析常用哪三种方法？
答：○1并联滤波器；○2时基压缩法；○3快速傅立叶变换
7. 什么是谱泄漏，产生谱泄漏的主要原因有哪些？
答：对于频率为fs的正弦序列，它的频谱应该只是在fs处有离散谱。
但是，在利用DFT求它的频谱做了截短，结果使信号的频谱不只是在fs处有离散谱，而是在以fs为中心的频带范围内都有谱线出现，它们可以理解为是从fs频率上“泄露”出去的，这种现象称为频谱“泄露”。
产生原因：○1对无限长信号进行有限长截断；○2在截断处破坏了信号的连续性，这相当于用一矩形时窗与信号在时域相乘，根据频域卷积定理，在频域则为二者的卷积，由于矩形窗的频谱是一种抽样函数，存在主瓣和旁瓣，在旁瓣处引起了谱泄漏。
8. 随机振动信号的特性检验主要包含哪三个方面的内容？
答：○1平稳性检验：将随机信号分成若干个子区间，求出各子区间的均方值，将其组成一个新时间序列。
如果信号是平稳的，则新序列的变化将是随机的，而且没有趋势项；○2周期性检验：判别随机数据中是否含有周期成分。
检验方法常用三种，功率谱检验、概率密度函数检验和自相关函数检验；○3正态性检验：判别平稳随机信号是否满足高斯正态分布。
9. 相对模拟滤波器，数字滤波器主要有哪些优点？
答：○1数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度，甚至能够实现后者在理论上也无法达到的性能；○2数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比；○3数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。
因此数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。
10. 简述压电加速度传感器安装的几种方法？
答：○1用螺栓固定传感器底座；○2用永久磁铁安装；○3用石蜡胶粘；○4用环氧树脂胶粘；○5用专用探杆使传感器与被测表面接触，振动通过探杆传递给传感器。