振动的测量(振动、位移)

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分类 振动 :在一定条件下,振动体在其平衡位置附近 随时间作来回往复变化的运动。
第一节 振动的基础知识
第一节 振动的基础知识
振动信号三要素:
1) 幅值:振动体离开其平衡位置的最大位移,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。 2) 频率:不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分
第三节 振动测量传感器
按变分原理分: • • • • 磁电式 magnetoelectric 压电式 piezoelectric 电阻应变式 resistance strain gauge 电感式 inductance
• 电容式 capacitance • 光学式 optical 按传感器与被测物关系分: • 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。
第二节 振动的激励
激振器
激振器是对试件施加激振力,激起试件振动的装置。 常用的激振器有电动式﹑电磁式和电液式三种。 1)电动式激振器
第二节 振动的激励
2)电磁激振器
1—底座 2—铁心 3—励磁线圈 4—力检测线圈 5—被测对象 6— 电容位移传感器
第二节 振动的激励
应用
磁力轴承激振试验
第二节 振动的激励
第四节 位移的测量
位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应 用很广,在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位
移和位置,而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数
的测量,也是以位移测量为基础的。 位移测量的分类 • 按被测量,位移的测量分为线位移测量和角位移测量。
• 按测量参数的特性,位移测量分为静态位移测量和动态位 移测量。
单自由度系统的受迫振动
为了正确理解机械振动测试和分析技术的概念,我们讨论 单自由度系统在两种不同激励下的响应。
质量块受力产生的受迫振动:传感器安装在某一固定点, m 以该点为参考点,测量物体对参考点的相对运动,相应的传 感器称为相对式传感器。 基础运动所引起的质量块受迫振动:传感器安装在试件上, k c 以大地为参考基准,测量振动物体相对于大地的绝对振动, 相应的传感器称为绝相对式(惯性式)传感器。
第二节 振动的激励
2. 随机激振 随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。 3. 瞬态激振 瞬态激振给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号,
一次激励,可同时给系统提供频带内各个频率成分的能量 使系统产生相应频带内的频率响应。测试设备简单,灵活 性大,故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激振方法有 快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃激励等方法。
第7章 振动的测量
§7.1 振动基础
§7.2 振动的激励
§7.3 振动测量传感器
§7.4 位移的测量
机械振动是普遍存在的物理现象 如:旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度
各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等 振动
• 机械振动大多数情况下有害:破坏机器正常工作,降低 其性能,缩短其使用寿命,甚至机毁人亡; • 机械振动还伴随着产生同频率的噪声,恶化环境和劳动 条件,危害人们的健康;
同步机
±0.5%
可在1200 r/min 的转速下工 作,坚固、对温度和湿度不敏 感 非线性误差与变压比和测量 范围有关
微动同步器 旋转变压器
10° 60°
第四节 位移的测量
形 式 测量范围 10-3~100 mm 精确度 ±0.005% 0.1% 直线性 ±1% 特 点
电容式 变面积
变间距
10-3~10 mm
第三节 振动测量传感器
工作原理 惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上,压电 晶体产生相应大小电荷。
(a)
(b)
第三节 振动测量传感器
选用原则
1. 采用位移传感器的情况 (1)振动位移的幅值特别重要时,如不允许某振动部件在振动 时碰撞其他的部件,即要求限幅; (2)测量低频振动时,由于其振动速度或振动加速度值均很小, 因此不便采用速度传感器或加速度传感器进行测量。 2. 用速度传感器的情况 (1) 振动位移的幅值太小; (2) 与声响有关的振动测量; (3) 中频振动测量。 3. 采用加速度传感器的情况 (1) 高频振动测量; (2) 对机器部件的受力、载荷或应力需作分析的场合。
霍尔元件 感应同步 器 直线式 ±1.5 mm 0.5%
介电常数受环境温度、 湿度变化的影响 分辨率很好,但测量 范围很小,只能在小范 围内近似地保持线性 结构简单,动态特性 好 模拟和数字混合测量 系统,数字显示 (直线 式感应同步器 的分辨率 可达1 µm)
第一节 振动的基础知识
在振动测量时,应合理选择测量参数: 振动位移是研究强度和变形的重要依据;
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;
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。速度与能力和功率有关,决定了力 的动量。
第一节 振动的基础知识
质量块 m 的相对位移
z01 z0 z1
d 2 z01 dz01 d 2 z1 m 2 c kz01 m 2 dt dt dt
第一节 振动的基础知识
1. 当ω<<ωn,质量块相对基础几乎一起移动;
2. 当ω>>ωn ,z01≈-z1,→ z0 ≈0,质量块几乎处于静止状态。
工程中的振动问题,可用弹簧—阻尼—质量块构成的单自由度 振动系统模型来描述。
ω/ωn
第一节 振动的基础知识
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起的。设基础的绝对 位移为 z1 ,质量块 m 的绝对位移为 z0,则质量块 m 的运动方程为:
d 2 z0 d m 2 c ( z0 z1 ) k ( z0 z1 ) 0 dt dt
第一节 振动的基础知识
1) 质量块受力产生的受迫振动 在外力 f(t) 的作用下,质量块 m 的运动方程为:
第一节 振动的基础知识
当激振力频率远小于固有频率 时,输出位移随激振频率的变 化十分小,几乎和“静态”激 振力所引起的位移一样。 A(ω)/dB
φ(ω)
当激振频率远大于固有频率时, 输出位移接近于零,质量块近 于静止。 当激振频率接近系统固有频率 时,系统的响应特性主要取决 于系统的阻尼,并随频率的变 化而剧烈变化。
第一节 振动的基础知识
位移
x A sin(t )
dx v A cos(t ) 超前90° dt dv a 2 A sin(t ) 2 x dt
速度 加速度
超前180°
在位移、速度和加速度三个参量中,测出其中之 一即可利用积分或微分求出另两个参量。
第四节 位移的测量
常用的位移传感器
形 式
电阻式 滑线式 线位移 角位移
பைடு நூலகம்
测量范围
1~300 mm 0°~360°
精确度
±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5%
直线性


变阻器 线位移 1~1000 mm 0~60 rad 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的
±0.1% 分辨率较好,可用 ±0.1% 于静态或动态测量。 机械结构不牢固 结构牢固,寿命长, ±0.5% 但分辨率差,电噪声 ±0.5% 大 ±1% 满刻度 ±20%
第三节 振动测量传感器
按参考坐标分:
• 相对式传感器: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: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。
第三节 振动测量传感器
涡流式位移传感器
电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体(导电体) 间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。 –工作原理?
振动测试内容:
• 测量机器或结构在工作状态下的振动
–掌握被测对象的运行状态
–状态监测、故障诊断 –环境控制、等级评定
• 对机械设备或结构施加某种激励,测量其受迫振动
–获得被测对象的动态性能:固有频率、阻尼、响应、模 态等 –找出薄弱环节,通过改进设计提高其抗振能力 轿车的乘坐舒适性试验框图
第一节 振动的基础知识
e wBlv sin
式中:B——磁场的感应电势强度;l——单匝线圈有效长度;
w——线圈匝数;v——线圈与磁场的相对运动速度;
——线圈运动方向与磁场方向的夹角。
第三节 振动测量传感器
压电式加速度传感器
利用某些晶体材料(如压电陶瓷等)的压电效应作为机电 变换器而制成的加速度传感器。
F ma
精确度
±1%
直线性
±3% 0.15%~0.1 %


只宜用于微小位移测量 测量范围较前者宽,使用方 便可靠,动态性能较差 分辨率好,受到磁场干扰时 需屏蔽 分辨率好,受被测物体材料、 形状、加工质量影响
±0.5% ±0.5% ±1%~3%
<3%
±0.1~±0.7 ° ±1% ±0.05% ±0.1%
第三节 振动测量传感器
• 涡流位移传感器特点: –结构简单 –非接触式测量 –频率响应范围较宽 –具有较强的抗干扰能力 在旋转机械轴振动检测中应用十分普遍
第三节 振动测量传感器
磁电式速度传感器
第三节 振动测量传感器
当穿过匝数为w线圈的磁通 发生变化时,其感应电动势为 d e w dt 置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为
±0.5%应变 ±0.1% ±0.3%应变 ±2%~3% ±0.25%应 ±2%~3% 变
不牢固 牢固,使用方便, 需温度补偿和高绝缘 电阻输出幅值大,温 度灵敏性高
第四节 位移的测量
形 式
电感式 自感式变气隙型 螺管型 特大型 差动变压器 涡电流式
测量范围
±0.2 mm 1.5~2 mm 300~2000 mm ±0.08~ ±75 mm ±2.5~ ±250 mm 360°
第二节 振动的激励
振动的激励方式通常有稳态正弦激振、随机激振和瞬态 激振三种。 1. 稳态正弦激振
稳态正弦激振又称简谐激振,它是借助于激振设备对被 测对象施加一个频率可控的简谐激振力。是一种应用最为 普遍的激振方法。
在进行稳态正弦激振时,一般进行扫频激振,通过扫频 激振获得系统的大概特性,而在靠近固有频率的重要频段 再进行稳态正弦激振获取严格的动态特性。
第二节 振动的激励
在振动测量中,在很多场合需运用激振设备使被测试的 机械结构产生振动,然后进行振动测量。例如: (1) 研究结构的动态特性,确定结构模态参数,如固有频
率、振型、动刚度、阻尼等;
(2) 产品环境试验,即一些机电产品在一定振动环境下进 行的耐振试验,以便检验产品性能及寿命情况等; (3) 拾振器及测振系统的校准试验。在这些场合,激振设 备都是不可缺少的设备。
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。 3) 相位
第一节 振动的基础知识
简谐振动是最基本的周期运动,各种不同的周期运动
都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运 动规律可用简谐函数表示为
x(t ) A sin(t )
x
t m
f
x(t )
A
k T
质量 - 弹簧系统的运动
3)电液激振器
1—顶杆 2—电液伺服阀 3—活塞 4—力传感器
第三节 振动测量传感器
测振传感器(拾振器)是将被测对象的机械振动量(位移、 速度或加速度)转换为与之有确定关系的电量(如电流、电 压或电荷)的装置。 振动测量分类 按测量原理分: 测量振动的方法按振动信号的转换方式可分为电测法、 机械法和光学法。目前,应用最广的是电测法。 按测振参数分: • 位移传感器 • 速度传感器 • 加速度传感器
(4) 对运动中的机器进行故障监控,以避免重大事故。
一般来讲,振动研究就是对“机械系统”、“激励”和 “响应”三者已知其中两个,再求另一个的问题。振动研
究可分为以下三类:
(1) 振动分析,即已知激励条件和系统的振动特性,欲求
系统的响应;
(2) 系统识别,即已知系统的激励条件和系统的响应,要 确定系统的特性,这是系统动态响应特性测试问题; (3) 环境监测,即已知系统的振动特性和系统的响应,欲 确定系统的激励状态,这是寻求振源的问题。
• 振动也能被利用来完成有益的工作,如上料、运输等。
目的
振动测试的目的,归纳起来主要有以下几个方面: (1) 检查机器运转时的振动特性,以检验产品质量; (2) 测定机械系统的动态响应特性,并为产品的改进设计 提供依据,进行振动设计; (3) 分析振动产生的原因,寻找振源,以便有效地采取减 振和隔振措施;
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