第七讲振动的测量案例

第三节 振动测量传感器
• 涡流位移传感器特点： –结构简单 –非接触式测量 –频率响应范围较宽 –具有较强的抗干扰能力
在旋转机械轴振动检测中应用十分普遍
第三节 振动测量传感器
磁电式速度传感器
第三节 振动测量传感器
当穿过匝数为w线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势为 e w d dt
置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为
模拟和数字混合测 量 系统，数字显示
旋转式
0°~360°
±0.5"
(直线 式感应同步器 的分辨率 可达1 µm)
第四节 位移的测量
形式
测量范围
分类
振动 ：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近 随时间作来回往复变化的运动。
第一节 振动的基础知识
第一节 振动的基础知识
振动信号三要素： 1） 幅值：振动体离开其平衡位置的最大位移，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。 2） 频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分
• 机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动 条件，危害人们的健康；
• 振动也能被利用来完成有益的工作，如上料、运输等。
目的
振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面： (1) 检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量； (2) 测定机械系统的动态响应特性，并为产品的改进设计 提供依据，进行振动设计； (3) 分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减 振和隔振措施； (4) 对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。
一般来讲，振动研究就是对“机械系统”、“激励”和 “响应”三者已知其中两个，再求另一个的问题。振动研 究可分为以下三类： (1) 振动分析，即已知激励条件和系统的振动特性，欲求 系统的响应； (2) 系统识别，即已知系统的激励条件和系统的响应，要 确定系统的特性，这是系统动态响应特性测试问题； (3) 环境监测，即已知系统的振动特性和系统的响应，欲 确定系统的激励状态，这是寻求振源的问题。
差动变压器
涡电流式
测量范围
±0.2 mm 1.5~2 mm 300~2000
mm ±0.08~ ±75 mm ±2.5~ ±250 mm
精确度
直线性
特点
±1%
±3%
0.15%~0.1 %
只宜用于微小位移测量
测量范围较前者宽，使用方 便可靠，动态性能较差
±0.5% ±1%~3%
±0.5% <3%
分辨率好，受到磁场干扰时 需屏蔽
析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采 取相应的措施。 3） 相位
第一节 振动的基础知识
简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动
都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运 动规律可用简谐函数表示为
x(t) Asin(t )
x f
A
m
x(t)
t
k
T 质量 － 弹簧系统的运动
第一节 振动的基础知识
位移 速度 加速度
x Asin(t )
v dx Acos(t )
dt
超前90°
a dv 2 Asin(t ) 2 x 超前180°
dt
在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中之 一即可利用积分或微分求出另两个参量。
第一节 振动的基础知识
在振动测量时，应合理选择测量参数: ➢ 振动位移是研究强度和变形的重要依据； ➢ 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； ➢ 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。速度与能力和功率有关，决定了力 的动量。
第二节 振动的激励
2. 随机激振 随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。
3. 瞬态激振 瞬态激振给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，
一次激励，可同时给系统提供频带内各个频率成分的能量 使系统产生相应频带内的频率响应。测试设备简单，灵活 性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激振方法有 快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃激励等方法。
第7章 振动的测量
§7.1 振动基础 §7.2 振动的激励 §7.3 振动测量传感器 §7.4 位移的测量
机械振动是普遍存在的物理现象 如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度
各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等 振动
• 机械振动大多数情况下有害：破坏机器正常工作，降低 其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡；
结构牢固，寿命长， 但分辨率差，电噪声 大
应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的
±0.5%应变
±0.3%应变
±0.25%应 变
±0.1% ±2%~3% ±2%~3%
±1%
满刻度 ±20%
不牢固
牢固，使用方便， 需温度补偿和高绝缘 电阻输出幅值大，温 度灵敏性高
第四节 位移的测量
形式
电感式 自感式变气隙型 螺管型 特大型
当激振频率接近系统固有频率 时，系统的响应特性主要取决 于系统的阻尼，并随频率的变 化而剧烈变化。
φ(ω)
第一节 振动的基础知识
2) 基础运动产生的受迫振动
在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引起的。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:
3)电液激振器
1—顶杆 2—电液伺服阀 3—活塞 4—力传感器
第三节 振动测量传感器
测振传感器(拾振器)是将被测对象的机械振动量(位移、 速度或加速度)转换为与之有确定关系的电量(如电流、电 压或电荷)的装置。 振动测量分类 按测量原理分：
测量振动的方法按振动信号的转换方式可分为电测法、 机械法和光学法。目前，应用最广的是电测法。 按测振参数分： • 位移传感器 • 速度传感器 • 加速度传感器
m
d 2 z0 dt 2
c
d dt
( z0
z1) k(z0
z1)
0
质量块 m 的相对位移 z01 z0 z1
m
d 2 z01 dt 2
c
dz01 dt
kz01
m
d 2 z1 dt 2
第一节 振动的基础知识
1. 当ω<<ωn，质量块相对基础几乎一起移动； 2. 当ω>>ωn ，z01≈-z1，→ z0 ≈0，质量块几乎处于静止状态。 工程中的振动问题,可用弹簧—阻尼—质量块构成的单自由度 振动系统模型来描述。
第二节 振动的激励
振动的激励方式通常有稳态正弦激振、随机激振和瞬态 激振三种。 1. 稳态正弦激振
稳态正弦激振又称简谐激振，它是借助于激振设备对被 测对象施加一个频率可控的简谐激振力。是一种应用最为 普遍的激振方法。
在进行稳态正弦激振时，一般进行扫频激振，通过扫频 激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段 再进行稳态正弦激振获取严格的动态特性。
第一节 振动的基础知识
单自由度系统的受迫振动
为了正确理解机械振动测试和分析技术的概念，我们讨论 单自由度系统在两种不同激励下的响应。
质量块受力产生的受迫振动m：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，相应的传 感器称为相对式传感器。
基础运动所引起的质k 量块受迫振动c ：传感器安装在试件上， 以大地为参考基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动， 相应的传感器称为绝相对式(惯性式)传感器。
第二节 振动的激励
激振器
激振器是对试件施加激振力，激起试件振动的装置。 常用的激振器有电动式﹑电磁式和电液式三种。 1)电动式激振器
第二节 振动的激励
2)电磁激振器
1—底座 2—铁心 3—励磁线圈 4—力检测线圈 5—被测对象 6— 电容位移传感器
第二节 振动的激励
应用
磁力轴承激振试验
第二节 振动的激励
第一节 振动的基础知识
1) 质量块受力产生的受迫振动 在外力 f(t) 的作用下，质量块 m 的运动方程为：
第一节 振动n
当激振力频率远小于固有频率 时，输出位移随激振频率的变 化十分小，几乎和“静态”激 振力所引起的位移一样。
当激振频率远大于固有频率时， 输出位移接近于零，质量块近 于静止。
工作原理 惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电
晶体产生相应大小电荷。
(a)
(b)
第三节 振动测量传感器
选用原则
1. 采用位移传感器的情况 (1)振动位移的幅值特别重要时，如不允许某振动部件在振动 时碰撞其他的部件，即要求限幅； (2)测量低频振动时，由于其振动速度或振动加速度值均很小， 因此不便采用速度传感器或加速度传感器进行测量。 2. 用速度传感器的情况 (1) 振动位移的幅值太小； (2) 与声响有关的振动测量； (3) 中频振动测量。 3. 采用加速度传感器的情况 (1) 高频振动测量； (2) 对机器部件的受力、载荷或应力需作分析的场合。
第三节 振动测量传感器
按变分原理分： • 磁电式 magnetoelectric • 压电式 piezoelectric • 电阻应变式 resistance strain gauge • 电感式 inductance
• 电容式 capacitance
• 光学式 optical 按传感器与被测物关系分： • 接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。 • 非接触式传感器有电涡流式和光学式等。
第四节 位移的测量
位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应 用很广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位 移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数 的测量，也是以位移测量为基础的。 位移测量的分类 • 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。 • 按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位 移测量。