5 振动测试技术

5.4 振动测试方法
放大电路选择 拾振器选择 测振系统标定 拾振器现场安装 振动测量结果处理

5.4.1 拾振器选择
测量那一个参数就选测量该参数的拾振器 按被测物体的振动频率范围，选择相应的 拾振器 灵敏度 几何尺寸和重量
5.4.2 放大电路选择
由传感器类型决定 常用的放大器： 微积分放大器 电压放大器 电荷放大器 载波式放大器(动态应变仪) 振动测量时，根据振动信号的强弱和采用的拾振器及 拾振器灵敏度不同选择放大电路，有时要加衰减器
实际一个振动含有很多种频率
拾振器是无法使用的 需要研究拾振器响应特性，就是要研究在什么条件，拾振器输 出与频率无关或关系不大，即满足不失真条件
5.3.1 位移拾振器的响应特性
？ 如果拾振器是用来测量振动体的位移，且将拾振器的相对 位移量y变换为振动体位移量x，则需满足什么条件才能满 足不失真条件 幅值比和相位差与振动体频率的关系
3.实际速度拾振器
实际中速度拾振器是用拾振器质量块的相对速度vy变换为振 动体的速度v 拾振器质量块的相对速度vy
dy vy ym cos( t ) dt
dx 振动体的速度为 v xm cos( t ) dt 拾震器相对速度幅值与振动体的速度幅值之比与振动体圆 频率的关系
0

2
c c 2 km 20 m
k m
拾振器固有频率 阻尼比
5.2.2 运动方程一般解
设被测物体按正弦规律振动
x=xm sint
—被测物体的振动角频率
xm—振动体振动的最大位移 方程的一般解
y A1 sin t A2 cost e
0t
0 cos t sin t A1 sin t A2
2 arctan 2 1
当 0 0 时
a 1 / 02
0
即：当振动体的振动频率比拾振器自振频率0小得多， 振幅比趋向常数，相位差也趋向于常数 满足不失真条件
3. 实际加速度拾振器不失真条件
在阻尼比0～07时为最佳阻尼比，它可抑制住的共振峰 ，且 可消除初始不稳定振动过程 频率比可放宽，如可放宽04以下，振幅比a就近似等于1 相位差近似与振动体频率成正比
0
5.3
拾振器响应特性
几个术语 在强迫振动的激励 ( 输入 ) 下，拾振器质量块发生相对运动 ( 输 出)，称为响应 输入输出之间的关系称为响应函数 当给定阻尼比，质量块振幅和频率比的关系曲线，称为振幅频 率响应曲线（幅频曲线） 当给定阻尼比，相位角与频率比的关系曲线，称为相位频率响 应曲线(相频曲线） ？ 问题 当输入信号的频率改变时，其输出量也相应地改变
2
ym
xm (1 2 )2 (2 )2
幅值比与振动体圆频率的关系
y 1 a 2 a 0 (1 2 )2 (2 )2
0
2. 理想加速度拾振器不失真条件
考察幅值比应和相位差
y 1 a 2 a 0 (1 2 )2 (2 )2
当 0 1 时
x 1 / 20
/2
当振动体的振动频率比拾振器自振频率相等时，振幅比趋向 常数，相位差也趋向于常数 ？问题 若用拾振器的相对位移量y代表的是振动体的速度v，要求被测 物体振动频率与拾振器固有频率相接近 实际振动体频率是非常丰富，而拾振器的频率是固定，这种类 型拾震器是很少使用的 实际中是用拾振器质量块的相对速度代表的是振动体的速度
5.3.2 加速度拾振响应特性
？ 如果惯性式拾振器用来测量振动体的加速度，而且拾振
器的相对位移量y变换为振动体振动体的加速度a ，则需满
足什么条件才能满足不失真条件
y
？
a
1. 位移幅值与加速度幅值之比
振动体的加速度为
d x a 2 xm 2 sin( t ) dt
拾振器相对位移幅值
拾震器相对位移幅值与振动体的速度幅值之比与振动体 圆频率的关系
y v v 0 (1 2 )2 (2 )2
2. 理想速度拾振器不失真条件
考察幅值比应和相位差
v
y v 0 (1 2 )2 (2 )2
arctan
2 1 2
dx v A sin( t ) A cos( t ) dt 2
d 2x a 2 2 A cos( t ) 2 A cos(t ) dt
5.1.3 振动测试系统
振动测试系统框图
传感器 测振放大器 记录仪 分析仪
y x
x

1
2
2
2
4 2 2
arct an
2 1 2
0
1. 理想位移拾振器不失真条件
考察幅值比和相位差
y x x
1
2
4 2 2
2 2
2 arctan 1 2
当 0 时
v
'
vy v


(1 2 )2 (2 )2
4. 实际速度拾振器不失真条件
v
'
vy v


(1 2 )2 (2 )2
当 0 时
x 1

速度拾振器响应条件与位移计相同。所不同的是这里是用拾振器 质量块的相对速度反应振动体速度v
y xm 2 (0 ) (2 0 )
2 2 2 2
sin( t ) ym sin( t )
xm (1 2 )2 (2 )2
输入激励
ym
xm 2 (0 ) (2 0 )
2 2 2 2

x=xm sint
2 0 2 tg 2 2 0 1 2
2 0 2 A1 xm 2 ( 2 )2 (2 )2 2
A2 2 xm百度文库
20 2 (0 2 )2 (20 )2
1 0
5.2.2 振动方程稳态解
第一、二项为与强迫振动频率一致的纯强迫振动 第三项为随时间增长而衰减的伴生振动 经过一段时间第三项很快衰减掉 第一和二项称为运动方程的稳态解 对第一和二项进行三角变换，则得强迫振动稳态响应方程
5.1.2 振动参数
描述振动的运动学参量—加速度、速度、位移 描述波形的特征量—振幅，频率或周期以及振动持时间等振 动参数 从运动学的观点，如果用位移作为基准量，速度和加速度都 通过微分得到 例如余弦(正弦)函数表示位移振动参数时 位移： 速度： 加速度：
x A cos( t )
5 振动测量技术
振动测量是以仪器为手段获取在地震、爆炸等动荷载作用下， 地面运动及工程结构反应记录
5.1.1 振动测量的目的
振动测量记录用于 定量评定震动强度 确定工程场地的抗震设计类型 验证和改进各类工程抗震设计方法


施工监控：如爆破、打桩、强夯
研究和分析震源参数，地震断层破裂过程，地震波的传播规 律等
拾振器物理模型图
5.2.1 运动方程建立—数学模型
受力分析 作用一个与相对位移方向相反的弹簧力k×y 一个与相对速度成正比的阻尼力c×dy/dt 根据牛顿定律
dx d 2 ( x y) c kx m dt dt2
化为标准方程
d2y dy d 2x 2 2 0 0 y 2 2 dt dt dt
5.3.3 速度拾振响应特性
？如果惯性式拾振器用来测量振动体的速度，而且将拾
振器的相对位移量y变换为振动体振动体的速度v，则
需满足什么条件才能满足不失真条件
？
y
v
1.位移幅值与速度幅值之比
振动体的速度为
dx v xm cos( t ) dt
拾震器相对位移幅值
ym
xm (1 2 )2 (2 )2
5.4.3 测振系统标定
标定时，要把测试时的拾振器，放大器和记录仪器连 接在一起，进行整个系统灵敏度和频率响应标定 要使测试结果具有法律效力，标定应由法定计量部门 进行
5.4.4 拾振器现场安装
安装时要保证测振拾振器和被测物之间保持刚性连接， 并使刚性连接距离最短
常用螺栓法和胶合剂法。用环氧树脂胶时，必须加螺 栓垫片，以便拾振器拆卸 测量过程导线要保持固定，尽量不要移动
x 1

即当振动体的振动频率比拾振器自振频率0大得多，振 幅比趋向常数，相位差也趋向于常数 满足不失真条件
2. 实际位移拾振器不失真条件
在阻尼比ξ=0.6～0.7时为最佳阻尼比，它可抑制住的共振峰 频率比可放宽，如可放宽2.5以上，振幅比ηx就近似等于1
相位差近似与振动体频率成正比
振动测试系统如框图
传感器—拾震器：（1）相对式；（2）惯性式 测振仪(调理电路) —放大器、滤波 如动态应变仪、电荷放大器、电压放大测振仪等 记录和分析仪器多由模数A/D转换器、计算机和软件完成
5.2 拾振器的工作原理
结构 弹簧K 惯性体（质量块）m 阻尼器c
外壳和底座
物理模型 惯性式拾振器—按单质点单自由度强迫振动 力学模型 单质点—拾振器参与振动的质量全部集中在 惯性体上（弹簧质量忽略不计） 单自由度—运动只是单方向的，不发生扭转
5.4.5 振动测量结果处理
近似正弦波的波形 —周期频率法
振动记录波形按正、负幅度大致对称的原则划出一条零线，然 后以穿过该线的相邻两交点的时间间隔之两倍作为该波的周期 在记录时间长度上统计所有周期出现的次数 ， 把统计结果绘 制成周期—频度曲线，其峰值对应的周期即卓越周期（出现该 周期次数最多） 在全部统计时间内出现的最长周期称为最大周期 总的统计时间除波数(与零线的交点总数之一半)称为平均周期 半波形中最大的振幅称为最大振幅；半波形振幅的平均值叫作 平均振幅
复杂波形和随机波形—频谱分析法
幅值谱，相位谱和功率谱等分析