第七章_机械工程测试技术-振动测试

机械工程测试技术基础
第三节 振动测量传感器
测振传感器的分类：
▲按是否与被测件接触：接触式和非接触式。
接触式传感器：磁电式速度传感器、压电式加速度计 非接触式传感器：而电容传感器、涡流传感器 ▲按所测的振动性质：绝对式和相对式。
绝对式传感器：测振时，其壳体和被测物固接，壳体的振动视 等于被测物的振动，也即传感器的输入，其力学模型如图7-4 所示。壳体对传感器内的质量块的相对运动量用来描述被测物 体的绝对振动量并作为力学模型的输出，供有关的机—电转换 元件转换成电量，成为传感器的输出。 相对式传感器：其壳体和测量体分别与不同被测件联系，其输 出是描述此两试件间的相对振动。
当 n 时， A( ) 1 ，质量块和壳体之间的相对运动（输出） 和基础的振动（输入）近乎相等。这表明质量块在惯性坐标中 几乎处于静止状态。该现象被广泛应用于测振仪器中。 就高频和低频两频率区域而言，系统的响应特性类似于“高通” 滤波器，但在共振频率附近的频率区域，则根本不同于“高通” 滤波器，输出位移对频率、阻尼的变化都十分敏感。
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
对于测振传感器的要求： 1）有较高的灵敏度； 2）在测量的频率范围内有平坦的幅频特性曲线以及与频率成 线性关系的相频特性曲线； 3）传感器的质量小。
惯性式传感器的力学模型
图7-4 惯性式传感器的力学模型
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统 的振动特性发生变化，这些变化可近似地用下列两式表示
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
一、涡流位移传感器 涡流传感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平线圈组 成。
1—壳体 2—框架 3—线圈 4—保护套 5—添料 6—螺母 7—电缆 图7-5 涡流式位移传感器
特点：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。 应用：汽轮机组、空气压缩机组等回转轴系的振动监测、故障 诊断等。
特性分析：
1）在使用时，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的下限频率。此时其幅值 A( ) 1 ，不产 ( ) 180 。 生畸变，
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
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，从而扩大下限的频率。例如，当取 0.707时， 若允许误差为±2％，下限频率可为 2.13n ；若允许误差为±5 ％，下限频率则可扩展到 1.68n 。增大阻尼，能迅速衰减固有 振动，对测量冲击和瞬态过程较为重要，但不适当地选择阻尼 会使相频特性恶化，引起波形失真。当 0.6 ~ 0.7 时，相频曲 线在 n 1附近接近直线，称为最佳阻尼。 3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用 中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高， 下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使 n 不能过小。因此该种传感器的频率范围是有限的。
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
常用的压电式加速度计的结构形式如图1。S是弹簧，M是质 块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。 图7-10(a)是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统 装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频 率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影 响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件， 并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。 图7-10(b)为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振 频率和加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元 件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高温度受到限制。 图7-10(c)为三角剪切型，压电元件由夹持环将其夹牢在三角 形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。 这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共 振频率和良好的线性。
机械工程测试技术基础
电容传感器输出信号示意图
图7-8 电容传感器输出信号示意图
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
三、磁电式速度计
传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片组成。三组 拱形弹簧片的安装方向是一致的。在振动测量时，必须先将顶 杆压在被测物体上，并且应注意满足传感器的跟随条件。 M>>m；K>>k r 感应电动势 e Blx
z01 z0 z1
将其代入上式，则有
d 2 z01 dz01 d 2 z1 m c kz01 m 2 2 dt dt dt
频率响应
H ( ) [1 (
2 ) ] j 2 ( ) n n
2 ( ) n
幅频特性
A( )
2 ( ) n
2 2 2 [1 ( ) ] (2 ) n n
在测试工作中，经常遇到实际的工程问题，往往可简化成 弹簧-阻尼-质量块构成的单自由度振动模型系统来描述。 在不同的场合下，输入量、输出量不同，其频率响应函 数及幅频、相频特性也不相同。
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
第三节 振动测量传感器
第一节 概
述
机械工程测试技术基础
机械振动对 结构强度的 影响
机械振动对 人体的影响
第一节 概
述
机械工程测试技术基础
振动给料机
振动按摩椅
振动筛选机
第一节 概
述
机械工程测试技术基础
机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分，它 是研究和解决工程技术中许多动力学问题必不可少的手段。 机械振动测试，用于不同目的，大致可分为两类： 1）寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所 存在的振动。
a
m a m mt
m n m mt
n
mt 的影响才可忽略。在对轻小结构测振或作 只有当 mt m 时， 模态实验时，由于 mt 占 m 的相当比例，需要对附加质量加以 特别考虑。
振动的位移、速度、加速度之间保持简单的微积分关系，所以 在许多测振仪器中往往带有简单的微积分网络，根据需要可作 位移、速度、加速度之间的切换。
n n
1 k
2
频率响 H ( ) [1 ( ) 2 ] j 2 ( ) 应函数
2 相频 ( ) arctan[ n ] 特性 1 ( )2 n
n n
1 k
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
2．基础运动所引起的受迫振动
在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础运动引起的。
机械工程测试技术基础
一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析
1．质量块受力所引起的受迫振动
图7-1 单自由度系统在质量块受力时所引起的受迫振动
运动 m d z c dz kz f (t ) dt 2 dt 方程 幅频 A( ) 2 特性 [1 ( ) 2 ]2 (2 )
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
电容传感器工作原理
图7-7 电容传感器工作原理图
这种电容加速度传感器量程至50g，其频响范围0～300Hz(±50 ％)，属于真正的DC响应。传感器重量轻（小于8.0g）并与地绝 缘。连接方式为螺栓或粘接。其性能为低噪声，分辨率达0.1mg。
第三节 振动测量传感器
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
二、电容传感器 非接触式电容传感器常用于位移测量中，其测量内容与涡流位 移传感器相近。接触式电容传感器常用于振动测量。 K-Beam电容式加速度计
图7-6 电容传感器外观图
来自百度文库
由硅敏感元件、模拟专用集成电路（ASIC）、调节器、放大器， 滤波器，供电系统，信号调节电路及外壳、插头电缆等组成。 硅敏感元件与上，下极板构成两个电容器，传感器内部封装的 气体（氮气）起阻尼作用。质量-弹簧系统对振动的响应取决于 它相对两个电极的位臵。测量信号经解调后，输出对应正比于 加速度的电压信号。
该传感器是基于电磁感应原理， 其产生的电动势同被测振动速 度成正比，所以它实际上是一 个速度传感器。 优点：结构简单、使用方便、 输出阻抗低、从外部引入的电 噪声很小，输出信号较大，灵 敏度大，适于低频信号。 缺点：体积大、笨重、不能测 量高频信号。
图7-9 磁电式相对速度计 1—顶杆 2、5—弹簧片 3—磁铁 4—线圈 6—引出线 7—壳体
dA( ) 令 d 0 ，得
r n 1 2 2
幅频曲线上幅值比最大处的频率称为位移共振频率。
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
r n 1 2 2
位移共振频率 速度共振频率 加速度共振频率
v n
a n 1 2 2
位移传感器的工作范围 n 速度传感器的工作范围 n 加速度传感器的工作范围 n 二、单自由度振动系统受迫振动小结
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
相频特性
2 n ( ) arctan[ ] 1 ( )2 n
图7-3 基础激振时，以质量块对基础的相对位移为 响应时的频率响应特性 a)幅频特性 b)相频特性
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
A( ) 0，质量块几乎跟随着基础一起振动，两者 当 n 时， 相对运动极小。
2）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗 振能力。
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
第二节 惯性式传感器的力学模型
在工程振动理论中，常用理论分析计算法来解决工程振 动问题。利用振动系统的质量、阻尼、刚度等物理量描述系 统的物理特性，从而构成系统的力学模型。 实际工程结 构振动分析
简化为
某种理想化 数学分析 求出在自由振动 的力学模型 下的模态特性
多自由 度系统
基础
某些工程结构 可简化为一个 单自由系统。
固有频率、模态质量、 模态阻尼、模态刚度 和模态矢量
单自由 度系统
质量m、刚度k、阻尼 系数c不随时间变化， 线性系统。用二阶常系 数微分方程描述。
第二节 惯性式传感器的力学模型
第七章 振动测试
机械工程测试技术基础
第七章 振动测试
第一节 概 述
第二节 惯性式传感器的力学模型 第三节 振动测量传感器
第四节 振动测量系统及其标定
第五节 激振试验设备及振动信号简介
第一节 概
述
机械工程测试技术基础
第一节 概
述
机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。很多机械设 备和装臵内部安装着各种运动的机构和零部件（都是弹性体），在运 行时由于负载的不均匀、结构的刚度各向不等、表面质量不够理想等 原因，使得工作时不可避免地存在着振动现象。在许多情况下，这种 振动是有害的。但在某些情况下，振动也有可被利用的一面。 机械振动的两重性 有害的一面：许多设备故障的产生就是由于振动过大，产生有损机 械结构的动载荷，而导致系统特性参数发生变化，严重时可能使部 件产生裂纹、机构强度下降或使机上设备失灵，其后果严重影响机 器设备的工作性能和寿命，甚至使机器破坏。同时，强烈的振动噪 声还对人的生理健康产生极大的危害。 有利的一面：利用振动原理研制的振动机械用于运输、夯实、捣固、 清洗、脱水、时效等方面，只要设计合理，它们有着耗能少、效率 高、结构简单的特点。
第三节 振动测量传感器
机械工程测试技术基础
S—弹簧 M—质量块 B—基座 P—压电元件 R—夹持环
四、压电加速度计
1．压电加速度计的结构设计
图7-10 压电式加速度计 a）中心安装压缩型 b）环形剪切型 c）三角剪切型
压电式加速度计由绝对加速度输入，到压电片的电荷输出，实 际上经过二次转换。首先将加速度输入转换成质量对壳体的相 对位移。其次将与相对位移成正比的弹簧力转换成电荷输出。
图7-2 单自由度系统的基础激励
设基础的绝对位移为z1，质量m的绝对位移为z0，则质量块上所 受的力为
d 2 z0 d m 2 c ( z0 z1 ) k ( z0 z1 ) 0 dt dt
第二节 惯性式传感器的力学模型
机械工程测试技术基础
当质量块对基础发生相对运动，则质量块的相对位移为