动态测试技术_振动测试

4
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
危害结构强度的振动
机械结构力学及控制国家重点实验室
5
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
振动对人体的影响
实验表明： 振动频率在4~8Hz之间 时，人体将处于垂直方向 振动的共振状态，胸、心 脏不适。 振动频率在10~12Hz之 间时，腹部共振。 振动频率在0.1~0.3Hz之 间时，头晕。
从狭义上讲，把具有时间周期性的运动称为振动。从 广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近所做的周期性
变化都称做振动。机械振动是指物体在平衡位置附近所作
的往复运动。
例如：钟摆的振动 琴弦的振动
车船的振动
机床的振动 桥梁的振动等
机械结构力学及控制国家重点实验室
3
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
n
)2 )
sin( t )
2 n arctan 2 1 ( )
n
机械结构力学及控制国家重点实验室
23
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
z xm ( (1 (
n
)2
n
) 2 ]2 (2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
)2 )
机械结构力学及控制国家重点实验室 12
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
振动测试方法
• 机械式测量方法
将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大 后，进行测量、记录。 常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量 的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。 特点：抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测 试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频 大振幅振动及扭振的测量
进行振动检测、故障诊断及环境噪声控制
振动技术的利用
机械结构力学及控制国家重点实验室
9
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
振动测试的主要内容 振动基本参数的测量：测量振动物体上某点的位移、速 度、加速度、频率和相位。 振动系统特征参数的测试：固有频率、阻尼、刚度和振 型等动态参数。 振动测试的两种方式 测量机械设备或结构在工作状态下的振动。 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。
机械结构力学及控制国家重点实验室
10
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
机械振动系统基本要素 惯性：是能使系统当前运动持续下去的性质，通常由物理 参数质量M表征； 恢复性：是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，通常由
物理参数刚度K表征；
阻尼：是能使系统能量消耗掉的性质,由物理参数阻尼C表 征。
机械结构力学及控制国家重点实验室
18
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
相对式测振传感器原理 在测量时，把仪器固定在 不动的支架上，使触杆与被测 物体的振动方向一致，并借弹 簧的弹性力与被测物体表面相 接触，当物体振动时，触杆就 跟随它一起运动，并推动记录 笔杆在移动的纸带上描绘出振 动物体的位移随时间的变化曲 线，根据这个记录曲线可以计 算出位移的大小及频率等参数。
2n
n a arctg 2 1 ( ) n
2
机械结构力学及控制国家重点实验室 28
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
1, 1 时， n
传感器相对振动的位移 表达式和被测物体的加速度 函数表达式非常相似。传感 器的相对振幅是被测加速度 幅值的1/ ω2n倍，在相位上 相对振动位移的时间历程落 后于被测加速度的时间历程 加速度计的幅频特性曲线 的相位差为π，即只差180º 29 机械结构力学及控制国家重点实验室 相角。
机械结构力学及控制国家重点实验室 19
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
绝对式测振传感器原理
将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感 器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块m 将与外壳发生相对运动。惯性式测振传感器是由与传感器 壳体之间用弹簧和阻尼器联系着的惯性质量块组成的单自 由度振荡系统。
机械结构力学及控制国家重点实验室 15
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
振动测试系统组成
振动传感器 对应二次仪表 振动分析仪 显示、记录
振动传感器：把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或 电的信号，对于电测法是转换为电量进行测试。 二次仪表：专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电 荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、 归一化装置等等。 振动分析及显示、记录环节：从测量线路输出的电压信号， 可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器、记录 设备等。
A
n
2 2
2
2 2 1 4 n n
机械结构力学及控制国家重点实验室
22
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
xm ( (1 ( )2
因此有
z
n
n
) 2 ]2 (2
机械结构力学及控制国家重点实验室 20
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
传感器的力学数学模型 壳体相对于惯性块的振动与被测振动之间的关系可由 振动理论推出： y表示质量块的绝对位移，x表示被测物体的绝对位移， z表示质量块相对于被测物体的位移。 则有 z = y-x
d2y d y x m 2 C k y x 0 dt dt
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
n
1, 1
可实现加速度测试，灵敏度为 2 n
xm ( (1 (
1
z 1
2 n
n
)2
n
) ] (2
2 2
n ) )
2
sin( t )

xm 2 sin t
1
2 n
a
加速度计要求传感器惯性系统的固有频率远远高于被 测振动的频率，一般应大于5倍。 为使ωn远大于被测振动 频率，加速度传感器的尺寸，质量可以做的很小
机械结构力学及控制国家重点实验室
17
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
测振传感器分类 相对式：传感器测出的是被测振动相对某一取作为参考用 的相对静止坐标的运动，又可分为直接式和跟随式。
绝对式（惯性式）：这种传感器不需要依赖外界，而是利
用本身惯性在惯性空间建立坐标，测定的是被测振动相对 大地或惯性空间的绝对运动，因此称为惯性式或绝对式。
机械结构力学及控制国家重点实验室
6
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
振动给料机
机械结构力学及控制国家重点实验室
7
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
振动按摩椅
机械结构力学及控制国家重点实验室
8
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
确定系统的特性（固有频率、振型等），预防共振 研究动平衡、隔振、减振方法，以消除振动的影响
机械结构力学及控制国家重点实验室
14
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
振动测试方法 • 电测法 将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后 显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电 量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测 量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛 的测量方法。 特点：灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析 和遥测，但易受电磁场干扰。
机械结构力学及控制国家重点实验室 16
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
电测法测振原理
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而 是将原始要测的机械量作为振动传感器的输入量Mi，然后由机械 接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量Mt，最后由 机电变换部分再将Mt变换为电量E，因此一个传感器的工作性能 是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。
d 2z dz d 2x m 2 C kz m 2 dt dt dt
机械结构力学及控制国家重点实验室 21
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
若被测物体的振动为谐振动，则有
x xm sin t
根据二阶系统响应特性得到传感器输出位移量应为
z Axm sint
机械结构力学及控制国家重点实验室
11
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
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。
位移
速度 加速度
x(t ) xm sin(t )
dx v(t ) xm cos( t ) dt dv a(t ) 2 xm sin( t ) 2 x dt
5.3 振动测试原理
振幅计 根据振幅（位移）计的工作状态，要求传感器输出 能正确反映被测振动的位移量。
z x

n
幅频特性
机械结构力学及控制国家重点实验室
相频特性
25
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
当无量纲频率比ω/ ωn显著大于1 时，振幅比就几乎 与频率无关，而趋近于1。 当无量纲频率比ω/ ωn显著大于1 时，无量纲衰减系数 ζ显著小于1 时，相位差也几乎与频率无关，而趋于180º ， 因此，作为一个位移传感器它应该满足的条件
动态测试技术
振动测试技术
吴义鹏 yipeng.wu@nuaa.edu.cn
南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室
本章主要内容
振动测试简介
振动测试方法及系统组成
振动测试原理 振动参量的测试 加速度测试及其系统构成
机械结构力学及控制国家重点实验室
2
动态测试技术：振动测试技术
5.1 振动测试的意义
机械结构力学及控制国家重点实验室 27
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
加速度计 进行加速度测试要求传感器的输出z能正确反映加速度 a= ωn 2x ,则灵敏度为
zm z Sa 2 a n xm 1
2 2 2 1 4 n n 2
sin( t )
由上式可以得到传感器的输出z与被测振动x以及传感 器参数之间的关系。z与x的波形完全一致，而灵敏度和相 位差是传感器参数与被测振动频率之比的函数，上两式统 称为传感器的频率特性。
由传感器的输出z和φ可以求出振动的位移x和频率ω 。
机械结构力学及控制国家重点实验室
24
动态测试技术：振动测试技术
振动的两重性
有害的一面： 降低机械加工的精度和表面粗糙度，危害结构的强 度，发生大变形导致机器或结构的破坏甚至酿成灾 难性的事故。 有利的一面： 振动给料机、振动筛选机、振动破碎机、振动球磨机、 振动打桩、振动测桩、振动抛光、结构的减振、抗震等 都是利用振动的特性进行工作的。
机械结构力学及控制国家重点实验室
机械结构力学及控制国家重点实验室
13
动态测试技术：振动测试技术
5.2 振动测试方法及系统组成
振动测试方法 • 光学式的测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放 大后显示和记录。比如读数显微镜和激光测振仪等。 特点：不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及 不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传 感器、测振仪标定中用得较多。

z
n
1, 1
n
)2 sin( t )
x m ( (1 (
n
) 2 ] 2 (2
n
)2 )
x m sin t x
机械结构力学及控制国家重点实验室 26
动态测试技术：振动测试技术
5.3 振动测试原理
特性分析 1）一般取ω/ωn >>(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。 2）若选择适当阻尼，可以抑制ω/ωn=1处的共振峰， 使幅频特 性平坦部分扩展，从而扩大下限频率。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，但是不适当 的选择阻尼会使相频特性恶化，引起波形失真。当ζ=0.6~0.7 时，相频曲线ω/ωn=1附近接近直线，称为最佳阻尼。 3）振幅计的上限频率理论上是无限的， 但是实际应用中则要 受到具体一起结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下 限频率则受到弹性元件的强度和惯性快尺寸、质量的限制， 使ωn不能过小。