振动测试

第7章 振动测试
机械振动是自然界、工程技术和日常 生活中普遍存在的物理现象。
机械振动在大多数情况下是有害的。 另一方面，振动也源自文库利用来完成各项有益的工作， 如清洗、粉碎、脱水等。
➢除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时 对机器的运行状况进行监测、分析、诊断， 对工作环境进行控 制等，这些都离不开振动测量； ➢为了提高机械结构的抗振性能；有必要进行机械结构的振动 分析和振动设计，找出薄弱环节，改善其抗振能力； ➢为了保证大型机电设备的安全、正常、有效运行，必须检测 其振动信息，监视其工况，并进行故障诊断。
轴振动的测点布置
轴承振动与轴振动的比较
轴承振动
轴振动
测量设备
性能特点 环境影响 应用场合
• 传感器易于安装、拆卸 • 测定振动容易 • 测量设备价格较低 • 测振灵敏度小（当轴轻而本体刚 度大时，对振动变化反映迟钝） • 有关参考资料丰富，掌握的限值 范围广 • 测量设备可靠性高
• 测量结果受周围环境的影响小 • 监测机械的所有各种振动
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位移或速度。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。
接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等，
非接触式传感器有电涡流式和光学式等。在测试中所 用的传感器多数是磁电式、电涡流式、电阻应变式和 压电式。
各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适 用的范围，选用时需要根据被测系统的振动频率范 围来选用。
对于惯性式拾振器，一般质量大的拾振器上限频 率低、灵敏度高；质量轻的拾振器上限频率高、灵 敏度低。
以压电式加速度计为例，作超低振级测量的都是 质量超过100g、灵敏度很高的加速度计，作高振级 (如冲击)测量的都是小到几克或零点几克的加速度 计。
8．2．2激振器 激振器是按一种预定的要求对被测对象施加一定形
式激振力的装置。
测试中要求激振器在其频率范围内能提供波形良好、 强度足够和稳定的交变力；某些情况下还需提供一恒 力，以便使被激对象受到一个一定的预加载荷，以消 除问隙或模拟某种恒定力。
常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种，此 外还有用于小型、薄壁结构的压电晶体激振器、高频 激振的磁致伸缩激振器和高声强激振器等。这里介绍 常用的激振器。
拾取振动信息的装置通常称为拾振器，传感器是其
核心组成部分。表达振动信号特性的基本参数是位移、 速度、加速度、频率和相位。拾振器的作用是检测被 测对象的振动参数，在要求的频率范围内正确地接受 下来，并将此机械量转换成电信号输出。
1．惯性式测振传感器 惯性式传感器的力学模型示意图见7．12所示。
磁电式振动速度传感器的优点是不需要外加电源， 输出信号可以不经调理放大即可远距离传送，这在 实际长期监测中是十分方便的。
1．电动式激振器 电动式激振器按其 磁场的形成方法分 有永磁式和励磁式 两种。
前者多用于小型 激振器，后者多用 于较大型的激振器， 即振动台。
电动式激振器的 结构如图7．7所示 。
电动激振器主要用于对被激对象作绝对激振。 当要求作较高频率的激振时，激振器用软弹簧悬挂起 来，如图7．8a所示。
低频激振时则将激振器刚性地安装在地面或刚性很好 的架子上，如图8．8b所示。
脉冲锤激振简便高效，因此常被选用。但在着力点 位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟练的技 巧，否则会产生很大的随机误差。
(3)阶跃(张弛)激振 阶跃激振的激振力来自一根刚度 大、重量轻的弦。试验时，在激振点处，由力传感器 将弦的张力施加于被测对象上，使之产生初始变形， 然后突然切断张力弦，这相当于对被测对象施加一个 负的阶跃激振力。阶跃激振属于宽带激振，在建筑结 构的振动测试中被普遍应用。
7．1 振动的基础知识
7．1．1振动的类型及其表征参数
1．振动类型
机械振动是指机械设备在运动状态下，机械设备 或结构上某观测点的位移量围绕其均值或 相对基准 随时间不断变化的过程。
与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以 分成两大类：稳态振动和随机振动，如图7．1所示。
2．振动的基本参数 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。只要测定这三个要素，也就决定了整个 振动运动。
(1)幅值 幅值是振动强度大小的标志，它可以用不同 的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。
(2)频率为周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频 率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。
(3)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、振型测量、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。
• 传感器安装受限制 • 测定振动较轴承困难 • 测量设备价格高 • 测振灵敏度高（在任何情况下， 对振动变化反映较灵敏） • 可直接测得基本界限值（如不平 衡，轴内应力等） • 界限值不通用 • 测量设备（特别是传感器）可靠 性低 • 测量结果受周围环境的影响大 • 能得到更详细的关于转子的振动 信息，可作高精度现场平衡数据
因此，振动的测试在生产和科研等各方面都有着十 分重要的地位。
振动测试包括两方面的内容：
一是测量工作机械或结构在工作状态下存在的振 动，如参数位移、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， 以及进行监测、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、响应和模态 等。
起的。如图7．3所示，质量块m的运动方程为
7．2 振动的激励与激振器
7．2．1振动的激励
在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能， 如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等时，需要对 被测对象施加一定的外力，让其作受迫振动或自由振 动，以便获得相应的激励及其响应。
激励方式通常可以分为稳态正弦激振、随机激振和 瞬态激振三种。
很多无法找到安装激振器参考物的场合，可将激振器 用弹簧支撑在被激对象上，如图8．8c所示。此方法仅 适用于被测对象的质量远远超过激振器的质量，且激 振频率大于激振器安装固有频率的振动试验。
2．电磁式激振器 电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非
接触激振场合，特别是对回转件的激振，如图7．9所 示。
7.1.2单自由度系统的受迫振动 1．质量块受力产生的受迫振动
图7．2为单自由度系统在质量块受力时所产生的受 迫振动示意图。
在外力的作用下，质量块的运动方程为
——受迫振动的共振频率，总是小于系统的固有 频率，阻尼越小两者越靠近。
2．基础运动产生的受迫振动 在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引
5．测振传感器的合理选择 测振传感器的选择应注意下列几个问题：
(1)直接测量参数的选择 例如
➢考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速 度测量；
➢考察振动环境(振动烈度以振动速度的均方值 来描述)时，宜作振动速度的测量； ➢监测机件的位置变化时，宜选用电涡流或电容传 感器作位移的测量。
(2)传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标
电磁激振器的特点是其与被激对象不接触，因此没有 附加质量和刚度的影响，其频率上限约为500～800 Hz 左右。
3．电液式激振器 在激振大型结构时，为得到较大的响应，有时需要
很大的激振力，这时可采用电液式激振器。其结构原 理如图7．11所示
电液式激振器的优点是：
激振力大，行程亦大，单位力的体积小。
但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦， 使电液式激振器的高频特性变差，一般只适用于较 低的频率范围，通常为零点几赫兹到数百赫兹，其 波形也比电动式激振器差。
此外，它的结构复杂，制造精度要求也高，并需一 套液压系统，成本较高。
7．3 振动测量与测振传感器 7．3．1常用测振传感器
机械振动测试方法一般有机械方法、光学方法和 电测方法。
3．随机激振 随机激振是一种宽带激振，一般用白噪声或伪随机
信号为激励信号。
许多机械或结构在运行状态下所受到的干扰力或动载 荷往往都具有随机的性质，因此，振动测试可以在被 测对象正常的运行状态下进行。如果用传感器测出这 种干扰力及其系统的响应，就可以利用分析仪器对正 在运行中的被测对象作“在线”分析。
机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度不高 的场合。
光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定。 电测法应用范围最广。
各种测试方法要采用相应的测振传感器。
由于传感器的分类原则不同，测振传感器的分类方 法很多。
按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度 传感器。
按参考坐标分：相对式传感器、绝对式传感器。 按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电 感式、电容式、光学式。 按传感器与被测物关系分：接触式传感器、非接触 式传感器 .
1．稳态正弦激振
稳态正弦激振是最普遍的激振方法，它是借助激 振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。
其优点是激振功率大，信噪比高，能保证响应测 试的精度。稳态正弦激振要求在稳态下测定响应和 激振力的幅值比和相位差。
为了测得整个频率范围内的频率响应，必须用多 个频率进行试验以得到系统的响应数据。
振动量的测量 振动量通常指反映振动强弱程度的量，亦即指振
动的位移、速度、加速度的大小。这三者之间存在 着确定的微分或积分关系，因此，在测得其中一个 量后便可以通过计算或电路获得另外两个振动量。
振动位移、振动速度和振动加速度三者的幅值之 间的关系与频率有关，所以，在低频振动场合加速 度的幅值不大而在高频振动场合加速度幅值较大。
简谐振动的三要素
在振动测量时，应合理选择测量参数。
例如： ➢振动位移是研究强度和变形的重要依据；
➢振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动 力强度和疲劳的重要依据；
➢振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的 敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的，而 振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动 量。
图8．21为考虑到三类传感器及其后续仪器的特 性，并根据振动频率范围而推荐选用振动量测量的 范围。
振动量测量通常有以下几种系统： ， (1)正弦测量系统 适用于按简谐振动规律的系统。对机电产品进
行动态性能测试及环境考验时，也都是用正弦测 量系统测量其响应。正弦测量系统的优点在于测 量比较精确，因而也最为常用。
快速正弦扫描激振力信号的函数表达式为扫描频 率的上、下限频率和周期根据试验要求可以改变，一 般扫描时间为1～2 s，因而可以快速测试出被测对象 的频率特性。
(2)脉冲激振 脉冲激振是用一个装有传感器的锤子(又 称脉冲锤)敲击被测对象，对被测对象施加一个力脉冲， 同时测量激励和被测对象。脉冲的形成及有效频率取 决于脉冲的持续时间r。r则取决于锤端的材料，材料 越硬r越小，而频率范围越大。
需要注意的是，在每个测试频率处，只有当系统 达到稳定状态才能进行测试，这对于小阻尼系统尤 为重要，因此测试时间相对较长。
2．瞬态激振 瞬态激振为对被测对象施加一个瞬态变化的力，是
一种宽带激励方法。常用的激励方式有以下几种：
(1)快速正弦扫描激振激振信号由信号发生器供给， 其频率可调，激振力为正弦力。但信号发生器能够作 快速扫描，激振信号频率在扫描周期丁内成线性增加， 而幅值保持不变，见图7．5。
另一方面，由于磁电式振动速度传感器中存在机 械运动部件，它与被测系统同频率振动，不仅限制 了传感器的测量上限，而且其疲劳极限造成传感器 的寿命比较短。
在长期连续测量中必须考虑传感器的寿命，要求 传感器的寿命大于被测对象的检修周期。
加速度 计的固 定方法
轴 承 振 动 的 测 点 布 置
(3)使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、 校准等
例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确 度，但由于对环境(隔振)要求极严，设备又极昂贵， 它只适用于实验室作精密测量或校准。
电涡流和电容传感器均属非接触式，但前者对环 境要求低而被广泛应用于工业、现场对机器振动的 测量中。
如大型汽轮发电机组、压缩机组振动监测中用的 拾振器，要能在高温、油污、蒸汽介质的环境下长 期可靠地工作，常选用电涡流传感器。