机械测试技术 第四章 振动测试系统PPT
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2
4.1 振动的基础知识
振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼 振动三要素（信号三要素）—— 幅值、频率、相位
• 幅值：振动强度大小的标志。表示方法：单峰值、有效值、
平均值等。 • 频率：周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分 及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。 • 相位：振动信号的相位信息十分重要。
速度共振频率
v
n
加速度共振频率 a n 122
注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，测得的速 度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。
传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载 流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间 变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过 线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当被测位移量发 生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻 抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。
频谱分析法等。 李萨如图形比较法 基本原理：两个相互垂直、频率相等的简谐振动信号合成
后的振动图形可由一椭圆方程表示。 频谱分析法：
用快速傅里叶变换（FFT）的方法，将振动的时域信号变 换为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。
24
25
2)同频简谐振动相位差的测量 线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、频谱分析法
质量块的力学表达式为:
mdd2x2t0 cdd0xt1k0x10
x 01
x0
x1
x0 x01x1
6
md2(xd02 1 tx1)cdd0xt1k0x1 0 mdd 2x20t1 cdd0xt1 k0x1 md d2x 21 t m 2 X 0 ( s 1 ) c0 s ( s 1 ) X k0 ( X s 1 ) m 2 X 1 ( s s )
等
26
（3）机械系统固有频率的测量 固有频率 机械系统作自由振动时的振动频率，与系统本身的质量
(或转动惯量)、刚度有关。
k/m n
共振频率 在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达到某一特 定值时，振动量的振幅值达到极大值的现象称为共振。共振 时的激励频率就称为共振频率。
27
位移共振频率
r n 122
1
振动测试包括：
测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，如振动 的位移、速度、加速度、频率和相位等。
（1）了解被测对象的振动状态 （2）评定等级 （3）寻找振源 （4）进行监测、分析、诊断和预测
对机械设备或结构上加某种激励，测量其受迫振动。 获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、 阻尼、相位和模态等。
（1） /n1，一般取 /n(3~5)，即传感器惯
性系统的固有频率远低于被测振动下限频率，此时，A()
接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。
（2）选择适当阻尼，可抑制/n 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，最佳
阻尼 0.6~0.7
11
3、惯性式加速度传感器的正确响应条件
惯性式加速度传感器质量块的相对位移与被测振动 的加速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振 动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：
A a()d X 2 0 x11 X 1 X • 01 2n 2[1 (/
1 n)2]2 [2(
/
n)2]
d2t
12
13
惯性式加速度传感器的正确响应条件:
(1)
/n1 ，一般取
/n(13
~
1) 5
，
即 n (3~5)，此时，A()接近于
一条水平直线。
(2)选择适当阻尼，可该善 n的共振峰处
工作原理——电磁感应原理
（1）磁电式相对速度传感器
18来自百度文库
测杆的跟随条件 弹簧的预压缩量：
x m 2x
k
m
即： x ( ) 2 x
m
n
( f )2x
f
m
n
相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。
19
4.2.4 涡流式位移传感器
属于非接触式传感器 工作原理：利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。
（1）振幅的测量 机械振动测量中，有时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，即振动位移、速度和 加速度信号的有效值，有时也包括峰值的测量。
机械工程中最常采用压电式加速度计和磁电式 速度计作为测振传感器来测量机械振动。
22
23
（2）振动频率和相位的测量 1)简谐振动频率的测量 简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、直读法、
的幅频特性，以扩大测量上限频率，一般取
1
14
共振频率31KHz
压电式加速度传感器的幅频特性曲线
压电式加速度传感器的固定方法
共振频率2KHz
共振频率7KHz
15
4、惯性式速度传感器的正确响应条件
惯性式速度传感器质量块的相对位移与被测振动的速 度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度 的大小。速度传感器幅频特性为：
7
H(s)X X01(1(ss))m2smc2ssk
s j
H()m2mj2ck
n
k m
c
2 km
H() n
2
2 2 j2n
8
( )2
H() 1(
n
)2
j2
n
n
( )2
A()
n
[1( )2]2 [2 ]2
n
n
2
()
arctan 1
(
n )2
n
9
10
2、惯性式位移传感器的正确响应条件
3
4.2 测振传感器
4.2.1 压电式加速度传感器
中心安装压缩型
环形剪切型
三角剪切型
4
1、惯性式传感器的力学模型
压电式加速度传感 器属于惯性式（绝对式） 测振传感器，可简化为右 图所示的力学模型。
x 01
x0
x1
5
假设:
传感器输入： 被测振动件的振动位移为x1 传感器输出：
质量块相对于壳体的相 对位移为x01
20
特点
• 结构简单
• 线性度好 • 灵敏度高 • 频率范围宽（0~10kHz） • 抗干扰能力强 • 不受油污等介质影响 • 非接触测量
应用
• 测量静态位移
• 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
• 工况监测与故障诊断 中应用甚广。
21
4.3 振动测试系统
4.3.1 振动测试基本方法
A v()X d0 1 1 xX X 1• 0 1 n 2[1 (/ n)2 ]2 [2 (/ n)2]
dt
16
要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反映被 测振动的速度，则必须满足如下条件：
/n 1
由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分 小，因此，在工程实践中很少使用。
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4.2.3 磁电式速度传感器
4.1 振动的基础知识
振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼 振动三要素（信号三要素）—— 幅值、频率、相位
• 幅值：振动强度大小的标志。表示方法：单峰值、有效值、
平均值等。 • 频率：周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分 及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。 • 相位：振动信号的相位信息十分重要。
速度共振频率
v
n
加速度共振频率 a n 122
注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，测得的速 度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。
传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载 流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间 变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过 线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当被测位移量发 生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻 抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。
频谱分析法等。 李萨如图形比较法 基本原理：两个相互垂直、频率相等的简谐振动信号合成
后的振动图形可由一椭圆方程表示。 频谱分析法：
用快速傅里叶变换（FFT）的方法，将振动的时域信号变 换为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。
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2)同频简谐振动相位差的测量 线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、频谱分析法
质量块的力学表达式为:
mdd2x2t0 cdd0xt1k0x10
x 01
x0
x1
x0 x01x1
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md2(xd02 1 tx1)cdd0xt1k0x1 0 mdd 2x20t1 cdd0xt1 k0x1 md d2x 21 t m 2 X 0 ( s 1 ) c0 s ( s 1 ) X k0 ( X s 1 ) m 2 X 1 ( s s )
等
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（3）机械系统固有频率的测量 固有频率 机械系统作自由振动时的振动频率，与系统本身的质量
(或转动惯量)、刚度有关。
k/m n
共振频率 在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达到某一特 定值时，振动量的振幅值达到极大值的现象称为共振。共振 时的激励频率就称为共振频率。
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位移共振频率
r n 122
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振动测试包括：
测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，如振动 的位移、速度、加速度、频率和相位等。
（1）了解被测对象的振动状态 （2）评定等级 （3）寻找振源 （4）进行监测、分析、诊断和预测
对机械设备或结构上加某种激励，测量其受迫振动。 获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、 阻尼、相位和模态等。
（1） /n1，一般取 /n(3~5)，即传感器惯
性系统的固有频率远低于被测振动下限频率，此时，A()
接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。
（2）选择适当阻尼，可抑制/n 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，最佳
阻尼 0.6~0.7
11
3、惯性式加速度传感器的正确响应条件
惯性式加速度传感器质量块的相对位移与被测振动 的加速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振 动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：
A a()d X 2 0 x11 X 1 X • 01 2n 2[1 (/
1 n)2]2 [2(
/
n)2]
d2t
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惯性式加速度传感器的正确响应条件:
(1)
/n1 ，一般取
/n(13
~
1) 5
，
即 n (3~5)，此时，A()接近于
一条水平直线。
(2)选择适当阻尼，可该善 n的共振峰处
工作原理——电磁感应原理
（1）磁电式相对速度传感器
18来自百度文库
测杆的跟随条件 弹簧的预压缩量：
x m 2x
k
m
即： x ( ) 2 x
m
n
( f )2x
f
m
n
相对式传感器只能在一定的频率和振幅范围内工作。
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4.2.4 涡流式位移传感器
属于非接触式传感器 工作原理：利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。
（1）振幅的测量 机械振动测量中，有时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，即振动位移、速度和 加速度信号的有效值，有时也包括峰值的测量。
机械工程中最常采用压电式加速度计和磁电式 速度计作为测振传感器来测量机械振动。
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（2）振动频率和相位的测量 1)简谐振动频率的测量 简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、直读法、
的幅频特性，以扩大测量上限频率，一般取
1
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共振频率31KHz
压电式加速度传感器的幅频特性曲线
压电式加速度传感器的固定方法
共振频率2KHz
共振频率7KHz
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4、惯性式速度传感器的正确响应条件
惯性式速度传感器质量块的相对位移与被测振动的速 度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度 的大小。速度传感器幅频特性为：
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H(s)X X01(1(ss))m2smc2ssk
s j
H()m2mj2ck
n
k m
c
2 km
H() n
2
2 2 j2n
8
( )2
H() 1(
n
)2
j2
n
n
( )2
A()
n
[1( )2]2 [2 ]2
n
n
2
()
arctan 1
(
n )2
n
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2、惯性式位移传感器的正确响应条件
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4.2 测振传感器
4.2.1 压电式加速度传感器
中心安装压缩型
环形剪切型
三角剪切型
4
1、惯性式传感器的力学模型
压电式加速度传感 器属于惯性式（绝对式） 测振传感器，可简化为右 图所示的力学模型。
x 01
x0
x1
5
假设:
传感器输入： 被测振动件的振动位移为x1 传感器输出：
质量块相对于壳体的相 对位移为x01
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特点
• 结构简单
• 线性度好 • 灵敏度高 • 频率范围宽（0~10kHz） • 抗干扰能力强 • 不受油污等介质影响 • 非接触测量
应用
• 测量静态位移
• 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
• 工况监测与故障诊断 中应用甚广。
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4.3 振动测试系统
4.3.1 振动测试基本方法
A v()X d0 1 1 xX X 1• 0 1 n 2[1 (/ n)2 ]2 [2 (/ n)2]
dt
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要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反映被 测振动的速度，则必须满足如下条件：
/n 1
由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分 小，因此，在工程实践中很少使用。
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4.2.3 磁电式速度传感器