第七章 振动的测试
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第七章 振动的测试
第一节 概述
振动是质点或物体相对于固定参考点的振荡运动。
物体仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起 的振动称为自由振动。 物体在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动．
机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复运动。
振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过程 特征和振动系统特性的有用信息。
1)质量块受力产生的受迫振动
m
d2z dt 2
c
dz dt
kz
f
(t)
f(t)——激振动 z——振动位移
m——质量
k——弹簧刚度
c——阻尼系数
f(t) 激振动
振动系统
Z(t) 振动位移
d2z m dt2
c dz dt
kz
f (t)
这是一个典型的二阶系统
幅频特性：
A()
1 k
[1 ( )2 ]2 (2 )2
第二节 惯性式传感器的力学模型
构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统 当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性 质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物 理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。
振动测试的力学原理、力学模型
一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析
z01 z0 z1 Z0 Z01 Z1
mz0 c z0 z1 k z0 z1 0
m
d
2 zo1(t dt 2
)
C
dZo1(t dt
)
KZ
O1
(t
)
mHale Waihona Puke Baidu
d 2Z1 dt 2
这是一个典型的二阶系统
幅频特性
相频特性
由幅频特性图可见，当激振频率远小于系统固有频率 时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质 量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而
n
n
相频特性：
2 ( )
(
)
arctan
1
(
n )
2
n
幅频特性
相频特性
不管系统的阻尼比是多少，在
1 n
时位移
始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。
率
2. 由基础运动所引起的受迫振动
振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称位 移激励。设基础的绝对位移为Z1 ，质量块m的绝对位移为ZO ， 如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，则M的相对位移 的(ZO -Z1 )。其运动方程为：
被测体振动速度
固定
壳体运动速度
线圈切割磁力线
电动势输出
四、压电式加速度（计）传感器
1 压电式加速度计的结构
(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。 内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基 座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产 生一定的位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在 压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。
1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量块与壳体的相对速度变换成电 压信号输出。
被测体振动速度
连接
线圈切割磁力线
顶杆运动速度 电动势输出
磁电式绝对速度计
1—弹簧 2—壳体 3—阻尼 环 4—磁钢 5—线圈 6—芯 轴
在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系 统的振动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性 系统的质量 块并在磁场中运动。
测振传感器常称拾振器 。 分类：接触式和非接触式 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。
相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的 某点对参考点的相对振动。
绝对式传感器是以大地为参考 基准，即以惯性空间为基准测量 振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。
测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系统 的附加质量，使该系统振动特性产生变化。
常用测振传感器
一、电涡流式位移传感器 电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，涡流传感 器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间 的间隙（位移）变化。
x z (外接电路）电量输出
传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干 扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。
当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1。这表
明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振 动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎 处于静止状态。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
第三节 振动测量传感器
机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相 关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动 测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。
激振
机械系统
响应
振动测试的基本参数
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。
幅值——幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、 平均值等不同的方法表示。
频率——不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频 谱分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。
惯性式测振传感器的力学模型
拾振器的质量mt造成被测系统加速度 和固有频率的变化可用下式来 估计：
a' m a m mt
fn'
f m
mmt n
m为被测系统原有质量
a和a' 为装上拾振器之前、后被测系统的加速度
f
n和f
' n
为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率
只有当mt<<m时，mt的影响才可忽略。
二、电容式位移传感器
电容式位移传感器是一种非接触式测振传感器，传感器属于 相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙 （位移）变化。
x c (外接电路）电量输出
三、磁电式速度（计）传感器
磁电式相对速度传感器
测量振动系统中两部件之间的相对 振动速度，壳体固定于一部件上， 而顶杆与另一部件相连接。从而使 传感器内部的 线圈与磁钢产生相对 运动，发出相应的电动势来。
相位——振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系 确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪 等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少 的。
振动测试方式：
一、激振测量 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。 二、在线测量 测量机械或结构在工作状态下的振动，如位移、 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。
第一节 概述
振动是质点或物体相对于固定参考点的振荡运动。
物体仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起 的振动称为自由振动。 物体在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动．
机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复运动。
振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过程 特征和振动系统特性的有用信息。
1)质量块受力产生的受迫振动
m
d2z dt 2
c
dz dt
kz
f
(t)
f(t)——激振动 z——振动位移
m——质量
k——弹簧刚度
c——阻尼系数
f(t) 激振动
振动系统
Z(t) 振动位移
d2z m dt2
c dz dt
kz
f (t)
这是一个典型的二阶系统
幅频特性：
A()
1 k
[1 ( )2 ]2 (2 )2
第二节 惯性式传感器的力学模型
构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统 当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性 质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物 理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。
振动测试的力学原理、力学模型
一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析
z01 z0 z1 Z0 Z01 Z1
mz0 c z0 z1 k z0 z1 0
m
d
2 zo1(t dt 2
)
C
dZo1(t dt
)
KZ
O1
(t
)
mHale Waihona Puke Baidu
d 2Z1 dt 2
这是一个典型的二阶系统
幅频特性
相频特性
由幅频特性图可见，当激振频率远小于系统固有频率 时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质 量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而
n
n
相频特性：
2 ( )
(
)
arctan
1
(
n )
2
n
幅频特性
相频特性
不管系统的阻尼比是多少，在
1 n
时位移
始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。
率
2. 由基础运动所引起的受迫振动
振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称位 移激励。设基础的绝对位移为Z1 ，质量块m的绝对位移为ZO ， 如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，则M的相对位移 的(ZO -Z1 )。其运动方程为：
被测体振动速度
固定
壳体运动速度
线圈切割磁力线
电动势输出
四、压电式加速度（计）传感器
1 压电式加速度计的结构
(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。 内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基 座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产 生一定的位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在 压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。
1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量块与壳体的相对速度变换成电 压信号输出。
被测体振动速度
连接
线圈切割磁力线
顶杆运动速度 电动势输出
磁电式绝对速度计
1—弹簧 2—壳体 3—阻尼 环 4—磁钢 5—线圈 6—芯 轴
在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系 统的振动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性 系统的质量 块并在磁场中运动。
测振传感器常称拾振器 。 分类：接触式和非接触式 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。
相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的 某点对参考点的相对振动。
绝对式传感器是以大地为参考 基准，即以惯性空间为基准测量 振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。
测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系统 的附加质量，使该系统振动特性产生变化。
常用测振传感器
一、电涡流式位移传感器 电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，涡流传感 器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间 的间隙（位移）变化。
x z (外接电路）电量输出
传感器具有线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干 扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等特点。
当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1。这表
明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振 动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎 处于静止状态。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
第三节 振动测量传感器
机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相 关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动 测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。
激振
机械系统
响应
振动测试的基本参数
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。
幅值——幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、 平均值等不同的方法表示。
频率——不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频 谱分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。
惯性式测振传感器的力学模型
拾振器的质量mt造成被测系统加速度 和固有频率的变化可用下式来 估计：
a' m a m mt
fn'
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mmt n
m为被测系统原有质量
a和a' 为装上拾振器之前、后被测系统的加速度
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n和f
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为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率
只有当mt<<m时，mt的影响才可忽略。
二、电容式位移传感器
电容式位移传感器是一种非接触式测振传感器，传感器属于 相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙 （位移）变化。
x c (外接电路）电量输出
三、磁电式速度（计）传感器
磁电式相对速度传感器
测量振动系统中两部件之间的相对 振动速度，壳体固定于一部件上， 而顶杆与另一部件相连接。从而使 传感器内部的 线圈与磁钢产生相对 运动，发出相应的电动势来。
相位——振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系 确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪 等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少 的。
振动测试方式：
一、激振测量 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。 二、在线测量 测量机械或结构在工作状态下的振动，如位移、 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。