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2

ωme 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

kZ

dt dZ

c dt Z

d 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。并且，将接线板通过插线与计算机上的数据采集卡（A ／D 卡）相连接。

2、编制振动测试及谱分析程序。

3、在振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速。

4、根椐接线板选择信号输入的通道号，并且选择适当的采样频率和采样点数以及硬件增益。点击LabVIEW 上的运行按钮（Run ）观察振动信号的波形和频谱。

5、选择合适的数字滤波截止频率，观察滤波前后振动信号的波形和频谱的变化情况并记录实验结果。

6、尝试输入不同的滤波截止频率，观察振动信号的波形和频谱的变化。

7、尝试输入不同的采样频率和采样点数以及硬件增益，观察振动信号的波形变化。

8、根椐最合适的参数选择，显示最佳的结果。结束按钮信号采集。

9、在信号频谱中移动游标，测出振动的峰值，以及振动最大处的频率。并将之与振动频率相比较，分析原因。

10、关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到的振动信号和波形和频谱。

11、关闭电机，改变加速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。

数据处理及误差计算：

由上图看出振动频率随着加速度的增大而增大，当输入力的频率达到实验台的固有频率fn时，振动强度最大。之后随着频率的增加，振动又逐渐减弱，当f>>fn 时，几乎为不振动。根据这一结论，当要避免振动危害时，应使输入量的频率尽量避开系统的固有频率。

又上面的数据得，随着电机转速的提高，频谱图的主峰逐渐右移。可知质量不平衡引起的周期信号主导地位，当这个信号频率改变时，信号的主要频率成分必定改变。

电机的转速为：min /600r f n ⨯=

min /6.222306.3760r n =⨯=

可见其变化规律就是信号强度的变化规律。

实验结果分析及问题讨论：

振动强度随着频率的提高越来越强，但随着频率越来越强，达到一个最大值后，振动强度又逐渐减弱。

误差的来源是多方面的：

第一，振动实验台与桌子之间的摩擦力不足，需用手按着才能做实验，而每次按的力度都不同，这引起实验的主要误差。

第二，当采用的采样频率不同时，也是误差来源。本实验中采用三种采样频率和采样点数的组合，可以看出采样间隔对测量结果的影响。

第三，数据采集卡的位数引起的量化误差也对实验结果有影响。由于实验装置条件的限制，本实验主要是正确地测量振动信号和怎样分析信号的信息。

1. 为什么要采用加速度传感器来测量振动信号？

2. 还可以采用那些方式来测量振动信号？

答：1、加速度传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值振动产生加速度,利用这个特点采用加速度传感器就可以采集加速度变化,经过处理成频谱,使人能直观的看到的振动情况。

只有在测振传感器的质量远小于被测物体质量时，被测物固定频率受测振传感器质量的影响才较小，而加速度传感器可以做得很小，质量一般在20g以下，故选用加速度传感器来测量振动信号。

2、还可以用位移计和速度计来测量振动信号。