12振动测试系统

d ( x01 x1 ) dx01 m c kx01 0 2 dt dt
2
d x01 dx01 d x1 m c kx01 m 2 2 dt dt dt
ms X 01 ( s) csX 01 ( s) kX01 ( s) ms X 1 ( s)
2 2
2
2
X 01 ( s ) ms H ( s) 2 X 1 ( s ) ms cs k s j
和传感器的输出电量来确定传感器的特性参数。 绝对校 准法 振动校准法 激光干涉校准法 重力加速度法 互易法
共振梁法
激光干涉校准法的原理是将被校准的测 振装置安装在一个能产生正弦振动的标准振 动台上，用激光干涉仪等手段测出振动台的 振动频率和振幅，此法用于校准测振装置的 机械输入量。被校测振装置的输出量可通过 相应的电气测量系统获得，从而可计算出其 灵敏度或其它特性参数。
5.1.1 惯性式传感器力学原理——单自由度的受迫振动 1、惯性式传感器的力学模型
传感器输入： 被测振动件的振动位移为x1 传感器输出： 质量块相对于壳体的相对位 移为x01
x01
x0
x1
质量块的力学表达式为:
d x0 dx01 m 2 c kx01 0 dt dt
2
x0 x01 x1
m 2 2 f 2 x xm ( ) xm ( ) xm k n fn
如果在使用中弹簧的压缩量△x不够大，或者被 测物体的振动频率f过高，不能满足上述跟随条件， 顶杆与被测物体就会发生撞击。因此相对式传感器只 能在一定的频率和振幅范围内工作。
磁电式相对速度传感器
工作原理 电磁感应原理
惯性式位移传感器的幅频特性和相频特性
具有高通特性
2、惯性式位移传感器的正确响应条件
/ n 1 ，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 下限频率，此时，A( ) 接近于一条水平 直线，不产生振幅畸变。 当阻尼
0.6 ~ 0.7
5.3.1 振动参量的测量 1、振幅的测量 机械振动测量中，有时不需要测量振动信号的
时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值，即
振动位移、速度和加速度信号的有效值，有时也包 括峰值的测量。
机械工程中最常采用压电式加速度计和磁电 式速度计作为测振传感器来测量机械振动。
2、振动频率和相位的测量
简谐振动频率的测量 简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、录波 比较法、直读法、频谱分析法等。
例：校准一只加速度传感器的灵敏度
机械输入量是加速度：
a (2f ) A sin( 2ft)
2
传感嚣的电压输出量为：
Biblioteka Baidu
e sin( 2ft )
加速度传感器的灵敏度为：
e 9800 Sa (mV/mm/s2) = (mV/g) 2 2 (2f ) A (2f ) A
e
比较校准法 比较校准法，是将被校准的传感器与标准传 感器相比较。校准时，将被校准传感器和标准传
• 频率 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。 • 相位 振动信号的相位信息十分重要。
振动测试包括：
测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动，如 振动的位移、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 寻找根源 进行监测、分析、诊断和预测
5.1.2 相对式传感器
壳体2固定在相对静止 的物体上，作为参考点。 活动的顶杆3用弹簧以一定 的初压力压紧在振动物体 上，在被测物体振动力和 弹簧恢复力的作用下，顶 杆跟随被测振动件一起运 动，因而和测杆相连的变 换器l将此振动量变为电信 号。
测杆的跟随条件
相对式测振传感器测量要准确，必须满足测 杆的跟随条件，即：
时，A( ) 水平
直线宽度最宽，即扩大了下限频率。 位移传感器测量上限理论上是无限 的，但实际的工作频率范围是有限的。
3、惯性式加速度传感器的正确响应条件
惯性式加速度传感器质量块的相对位移与被测
振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移量来
反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特
性为：
/ n 1
此时
Av ( ) 1 / 2 n
由于惯性式速度传感器的有用频率范围十
分小，因此，在工程实践中很少使用。
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器 属于惯性式（绝对式） 传感器。 工作原理：压电效应
结构：
质量大的压电加速度传感器可测上限频率低，灵敏度高；
质量小的压电加速度传感器可测上限频率高，灵敏度低。
5.3.2 测振系统的定度和校准 由许多测试仪器组成的一套测试装置，可 用两种方法来确定整个装置的灵敏度： （1）根据各个组成部分灵敏度计算总灵敏度
（2）直接校准总灵敏度
进行重要试验时，采用后一种方法较好。
绝对校准法 绝对校准法是将被校准的传感器置于精密的振
动台上承受振动，通过直接测量振动的振幅、频率
4 3
3 X 1 1.25 0.9375mm 4
2、图是用压电式加速度传感器与电荷 放大器测量某机器的振动。已知，传感 器的灵敏度为 100（pC/g），电荷放大 器的反馈电容C=0.01(F)，测得输出电 压的峰值Uom=0.4(V)，振动频率为 100(HZ)。求：
(1) (2) (3) 求机器振动加速度的最大值A(m/s2); 假定振动为正弦波，求振动速度v(t); 求振动幅度的最大值X.
对机械设备或结构上加某种激励，测量其受迫振动。
获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固 有频率、阻尼、响应和模态等。
5.2 测振传感器
机械振动测试方法一般有机械法、光学法和电测法，
目前最为广泛应用的是电测法，即将被测对象的振动量转
换成电量，然后用电测量仪器进行测量。 测振传感器也称为拾振器，它是感受物体振动并将
优点：不需要外加电源，输出信 号可以不经放大即可远距离传送 缺点：频率范围有限，寿命不长
磁电式相对速度传感器结构
例题：
1、惯性式位移传感器具有1HZ的固有频率，认为是 无阻尼的振动系统，当它受到频率为2HZ的振动时， 仪表指示振幅为1.25mm，求该振动系统的真实振幅 是多少？
X 01 A( ) X1
解：
（2）、已知
a(t ) A sin t , 2f 628(rad / s)
5.3 振动测试系统
一般的振动测试系统通常由激振、拾振、 中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装 置等环节所组成。 （1）激振 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力， 使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为 了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使 激振器体积小、重量轻。
感器一起安装在标准振动台上，使它们承受相同
的振动，然后，精确地测定它们的输出电量，被 校传感器的灵敏度由下式计算得到：
S a (ea / e0 ) S a 0
自由振动衰减法
2 d Td
Mi n ln M in
y(t)
Mi
Mi+n t
＝
n
2
2 2 2
n 4 n
d
1
2
n
n是两个超调量相隔的峰值个数。
共振法 当激振频率接近于系统的固有频率时，振动 响应就急剧增大
位移共 振频率
r n 1 2
2
A(r ) 1 A(0) 2 1 2
n

半功率法
2－ 1 ＝ 2 n
适合阻尼比较小。
4、衰减系数及相对阻尼系数的测定 衰减系数及相对阻尼系数是通过振动系统的某 些其它参数进行间接测量的。通常，可用自由振动 衰减法，半功率点法和共振法进行测定。
自由振动法通常只能用来测量第一阶固有振型 的衰减系数。如果要测量高阶固有振型的衰减系数， 必须确知能激出高阶振型，并确知要测的某阶固有 频率。利用带通滤波器阻断其他各阶自由振动信号， 只容待测得那一阶通过，然后可用以上方法来求得 待测阶数的衰减系数。
X 01 X 01 1 Aa ( ) 2 2 d x1 X 1 n2 [1 ( / n ) 2 ]2 [2 ( / n )]2 dt 2
具有低通特性。
惯性式加速度传感器的正确响应条件:
1 1 / n 1 ，一般取 / n ( ~ ) ， 3 5 即 (3 ~ 5) ，此时，A( ) 接近 n
用快速傅里叶变换（FFT）的方法，将振动的时域信 号变换为频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。 同频简谐振动相位差的测量 同频简谐振动相位差的测量方法也有多种，如线性扫 描法、椭圆法、相位计直接测量法、频谱分析法等
3、机械系统固有频率的测量
固有频率 机械系统作自由振动时的振动频率，与系 统本身的质量(或转动惯量)、刚度有关。 共振频率 在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率 达到某一特定值时，振动量的振幅值达到极大值 的现象称为共振。共振时的激励频率就称为共振 频率。
于一条水平直线。
当阻尼
0.6 ~ 0.7
时，A( ) 水平
直线宽度最宽，即扩大了上限频率。 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频 特性，即理论上它的可测下限频率为零，实际上是 可测频率极低。惯性式加速度传感器使用广泛
4、惯性式速度传感器的正确响应条件
惯性式速度传感器质量块的相对位移与被测振
动的速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映
被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性为：
X 01 X 01 Av ( ) dx1 X 1 2 [1 ( / ) 2 ]2 [2 ( / )]2 n n n dt
要使惯性式速度传感器的输出量能正确地
反映被测振动的速度，则必须满足如下条件：
2
m H ( ) 2 m jc k
2
k n m
c 2 km
H ( )
2 1 ( ) j 2 n n
2 ( ) n
2 ( ) n
2 X 01 n A( ) ( ) arctan X1 2 22 2 1 ( ) [1 ( ) ] [2 ] n n n
（2）拾振
拾振部分是振动测试系统的最基本部分，它 的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。最常 用的是压电加速度传感器和磁电式速度传感器。 （3）振动分析仪器 从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测 到的力信号需经过适当的分析处理，以提取出各 种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振 仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚似频谱分析仪 等。
2 ( ) n 22 2 [1 ( ) ] [2 ] n n
解：已知：
f n 1Hz , 0, f 2Hz , X 01 1.25mm
2 ，所以 X 01 因为 n X1
所以振动系统的真实振幅为：
2 ( ) n 22 2 [1 ( ) ] [2 ] n n
其转换成电信号的一种传感器。
测振参数分类：位移、速度、加速度传感器 相对式传感器： 只有活动件与被测 对象接触，其余固定在基础上 绝对式传感器：完全置于被测对象 上，利用弹簧支撑一个惯性体来感 受振动，故又为惯性式测振传感器
测 振 传 感 器
参考坐标系分类
变换原理分类：磁电式、压电式、电阻应变式、电 感式、电容式、光学式 传感器与被测物关系分类：接触式、非接触式 在振动测试中，最常用的是压电式加速度传感器和磁电式绝 对速度传感器，都属于惯性式测振传感器。
第五章、振动测试系统
5.1 振动的基础知识
5.2 测振传感器 5.3 振动测试系统
5.1 振动的基础知识
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。机械振动具有双面性，
有益也有害。 振动类型 • 稳态振动 • 随机振动
振动的基本参数 振动三要素（信号三要素）：幅值、频率、相位 • 幅值 振动强度大小的标志。表示方法：单峰 值、有效值、平均值等。