振动测量原理

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下面分别就这些组成环节作一简单介绍。 (1) 测振传感器 拾振部分是振动测量仪器的最基本部分, 它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。
根据线性系统的叠加原理,振动的响应是 振动系统拾振部分对各个谐振动响应的叠加。 在许多情况下,例如惯性式测振传感器, 振动系统的振动是由载体的运动所引起的。如 图5.3所示。设载体的绝对位移为z1,质量块m 的绝对位移为z0则质量块的运动方程为:
z01m 1/ n Aa 2 2 2 (5.9) z1m [1 ( / ) ] (2 / n )
2
2 / n a arctg 2 1 ( / n )
(5.10)
其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5.7和 图5.5所示。
从图5.4~图5.7可以看出: ① 测振仪在不同工作状态下,其有效工作区域是不 相同的。 在位移计状态下,其工作条件为>>1,即工 作在过谐振区。 对于加速度计来说,其工作条件为<<1,即 工作在亚谐振区。 对于速度计来说,则要求其工作在=1,即谐 振区附近。
3.FFT分析仪 随着计算机技术和数字信号处理技术的发展, 用数学技术处理振动测量信号的方式已广泛被采 用。以微处理器为核心和以快速傅里叶变换 (FFT)算法为基础的数字分析仪,精度高、动 态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强。 4.虚拟频谱分析仪 虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统, 通常包括计算机图形软件,数据处理软件和显示 测量结果的测试系统软件等。当然也包括少量的 仪器硬件(例如数据采集硬件)以及将计算机与 仪器硬件相连的总线结构等。和传统的FFT分析 仪相比,具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加 灵活地选择窗口,采样速率和频谱二进制数,且 价格低,技术更新快,具有灵活的开放功能等。
在评价结构抗振能力时常用动刚度,在共振 区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一; 在分析振动对人体感受影响时,常用速度阻抗; 在分析振动引起的结构疲劳损伤时,常用机械惯 性;在分析车厢等振动、噪声时则常用速度导纳。 机械阻抗测试是在结构上施加激振力,同时 测量力和响应,所得机械阻抗只决定于系统本身, 而与激振力性质无关。 按激励方式的不同,测试方法通常分为稳态 正弦激励测试、随机激励测试和瞬态激励测试三 种。
(1)机械阻抗与机械导纳 机械阻抗与机械导纳的一般定义为:
机械阻抗
机械导纳
激励( F ) (Z)= 响应( R )
(M)= 响应( F ) 激励( R )
(5.23)
1 (5.24) = Z
机械系统的激励一般是力,系统的响应 可用位移、速度和加速度来表达,故机械阻抗 和机械导纳又各有三种形式。位移阻抗又称为 动刚度,位移导纳称为动柔度,速度阻抗称 为机械阻抗,速度导纳简称导纳,加速度阻 抗又称为视在质量,加速度导纳又称为机械 惯性。 机械阻抗是复量,可写成幅值、相角、或 实部、虚部形式,也可用幅一相特性、奈奎斯 特图表示。
(5.8) 1 ( / n )2 2 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5-6和图 5-5所示。
V arctg
2 ( / n )
图 5.6由载体运动引起的速度响应图
5.7由载体运动引起的加速度响应
(3)z01相对于载体的振动加速度,此时相当于测振仪 处于加速度计的工作状态下。此时幅频特性和相 频特性分别为:
考虑这样几种情形下的响应特性: (1)z01相对于载体的振动位移z1 ,此时相当于 测振仪处于位移计工作状态下。此时幅频特性 和相频特性分别为:
z 01m ( / n ) 2 Ad z1m [1 ( / n ) 2 ] 2 (2 / n ) 2
(5.5) (5.6)
Z有效 = Zrms = Z平均
1 = Z = T
1 T
T 0

T 0
z 2 (t ) dt
(5.11) (5.12)

| z (t ) | dt
对于谐振动而言,峰值、有效值和平均绝对值 之间的关系为: (5.13) z rms z 1 z f 2 2 2 式中,Zf 为振动峰值。
2. 谐振动频率的测量
② 阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性都有 较大的影响。 对位移计和加速度计而言,当取值在0.6~0.8 范围内时,幅频特性曲线有最宽广而平坦的曲线 段,此时,相频特性曲线在很宽的范围内也几乎 是直线。 对于速度计而言,则是阻尼比越大,可测量 的频率范围越宽,因此,在选用速度计测量振动 速度的响应时,往往使其在很大的过阻尼状态下 工作。
则上式可改写成:
(5.2)
2 d 2 z 01 dz01 d z1 m c kz01 m 2 2 dt dt dt (5.3)
设载体的运作为谐振动,即:
z1 (t ) z1m sin t ,
则式(5.3)可写成:
d 2 z 01 dz01 2 m 2 c kz01 m z1m sin t (5.4) dt dt
m d 2 z0 dt 2 d ( z 0 z1 ) c k ( z 0 z1 ) 0 (5.1) dt
m
m
d 2 z0 dt 2
c k
z。
d (z z ) ( z 0 z1 )k c 1 dt 0
图5.3 由载体运动引起的振动响应
质量块m相对于载体的相对位移为:
z 01 z 0 z1
5.1 振动和振动测量系统
5.1.1 振动信号分类
振动信号按时间历程的分类如图5.1所示,即 将振动分为确定性振动和随机振动两大类。 确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。 周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动。非周 期性振动包括准周期振动和瞬态振动。准周期振 动由一些不同频率的简谐振动合成,在这些不同 频率的简谐分量中,总会有一个分量与另一个分 量的频率之比值为无理数,因而是非周期振动。
励磁式电 动振动台
利用直流励磁线圈来形成磁场,将置于磁场气隙 中的线圈与振动台体相连,线圈通电产生电动力 使振动台体作机械振动
频率范围宽、激振力大、振动 波形好,设备结构较复杂
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
机械振动
确定性的 的
随机的
周期的
非周期的
平稳的
非平稳的
简谐振 动
复杂周期振 动
准周期振 动
瞬态和冲 击
各态历经 的
非各态历 经
图5.1 振动信号的分类
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 电测法、机械法和光学法。 其简单原理和优缺点见表5.1。
表5.1 振动测量方法分类
随机振动是一种非确定性振动,它只服从 一定的统计规律性。可分为平稳随机振动和非 平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历经 的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。 一般来说,仪器设备的振动信号中既包含 有确定性的振动,又包含有随机振动,但对于 一个线性振动系统来说,振动信号可用谱分析 技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是 最基本也是最简单的振动。
(5.14)
李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的 标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。
5.3 机械阻抗测量
振动测量从本质上说属动态测量,测振传感 器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响 应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激 励和响应信号的测试分析,找出系统的动态特性 参数,包括固有频率、固有振型、模态质量、模 态刚度、模态阻尼比等。振动测量是结构模态分 析和设备故障诊断的基础。
第5章 振动测量技术

5.1 振动和振动测量系统 5.2 振动参量的测量 5.3 机械阻抗测量
5.4 振动信号的频谱分析



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。 随着现代工业和现代科学技术的发展, 对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求, 以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊 断,对工作环境进行控制等等。这些都离不开 振动的测量。
d
2 ( / n ) arctg 2 1 ( / n )
其幅频特性曲线曲线如图5.4所示。
图5.4 由载体运动引起的位移响应
(2)z01相对于载体振动速度 ,此时相当于测振仪处于
速度计的工作状态下。此时幅频特性和相频特性
分别为:
z 01m 1 A (5.7) z1m ( / / ) 2 4 2 n n n
3. 相位角的测量 相位差角只有在频率相同的振动之间才有意 义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读 法和比较法。 直读法是利用各种相位计直接测定。 比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。 录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号 与参考信号之间的时间差τ求出相位差;
360 T
名称 原理 优缺点及应用
电测法
将被测对象的振动量转换 成电量,然后用电量测试 仪器进行测量
灵敏度高,频率范围及动态、线性范围 宽,便于分析和遥测,但易受电磁场干 扰。是目前最广泛采用的方法
Baidu Nhomakorabea
机械法
利用杠杆原理将振动量放 大后直接记录下来
抗干扰能力强,频率范围及动态、线性 范围窄、测试时会给工件加上一定的负 荷,影响测试结果,用于低频大振幅振 动及扭振的测量 不受电磁场干扰,测量精度高,适于对 质量小及不易安装传感器的试件作非接 触测量。在精密测量和传感器、测振仪 标定中用得较多
谐振动的频率是单一频率,测量方法分 直接法和比较法两种。 直接法是将拾振器的输出信号送到各种 频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频 率。
在缺少直接测量频率仪器的条件下,可用示 波器通过比较测得频率。常用的比较法有录波比 较法和李沙育图形法。 录波比较法是将被测振动信号和时标信号一 起送入示波器或记录仪中同时显示,根据它们在 波形图上的周期或频率比,算出振动信号的周期 或频率。 李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生 器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波 器的y轴及x轴,根据荧火屏上呈现出的李沙育图 形来判断被测信号的频率。
5.2 振动参量的测量
振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等 物理量。
1. 振幅的测量
振动量的幅值是时间的函数,常用峰值、峰峰 值、有效值和平均绝对值来表示。峰值是从振动波 形的基线位置到波峰的距离,峰峰值是正峰值到负 峰值之间的距离。
在考虑时间过程时常用有效(均方根)值和平 均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为:
光学法
利用光杠杆原理、读数显 微镜、光波干涉原理,激 光多普勒效应等进行测量
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
振动分析仪器
显示记录
反馈控制
图5.2 振动测量系统的一般组成框图
由于振动的复杂性,加上测量现场复杂, 在用电测法进行振动量测量时,其测量系统是 多种多样的。图5.2所示为用电测法测振时系统 的一般组成框图。由图可见,一个一般的振动 测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、 振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。
(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。
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
装置于永磁体磁场中的驱动线圈与支承部件固联, 频率范围宽,振动波形好,操 作调节方便 线圈通电产生电动力驱动固联于支承部件的试件 产生周期性正弦波振动
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
(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 测振仪是用来直接指示位移、速度、加速度 等振动量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的 仪器。 2.频率分析仪 模拟量频谱分析仪目前仍是振动测量较常用 的分析设备。振动信号转换成电信号后,经中间 变换电路输入频率分析仪,手控或自动扫描就可 完成所需频带的频谱分析。
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