第七章 振动的测试

激振
机械系统
响应
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，称为振 动三要素。 幅值——幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、 平均值等不同的方法表示。 频率——不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频 谱分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。 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、测量振型、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。
相对法此法又称为背靠背比较校准法。此法是将待校准的 传感器和经过国家计量等部门严格校准过的传感器背靠背 地（或仔细地并排地）安装在振动试验台上承受相同的振 动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频 率点待校准传感器 的灵敏度。这时，严格校准过的传感 器起着“振动标准传递”的作用。通常称为参考传感器。
测振时拾振器将固定在被测物上，其质量将成为被测振动系 统的附加质量，使该系统振动特性产生变化。
惯性式测振传感器的力学模型
拾振器的质量mt造成被测系统加速度 和固有频率的变化可用下式来 估计：
m a a m mt
'
f n'
m m mt
fn
m为被测系统原有质量
a和a
f n和f
'
' n
2、电磁式振动试验台
电动式振动试验台属高频、大位移、大推力振动试验台，频率范围为5－ 3000Hz，推力可达十六吨，位移可达25.4mm。适宜于任何形式的给定信 号的振动及冲击试验。电磁式振动试验台是一种闭环式振动试验设备
3、电－液式振动试验台
电液式振动试验台属中低频大位移、大推力振动试验台，频率为 2－ 200Hz，推力可达数十吨，位移可达50mm左右。适宜于低频定振试验或中 低频扫频试验及随机试验和冲击实验。电液式振动试验台是一种闭环式 振动试验设备。
d 2z dz m 2 c kz f (t ) dt dt
f(t)——激振动 m——质量 c——阻尼系数 z——振动位移 k——弹簧刚度
f(t) 激振动 振动系统
Z(t) 振动位移
d 2z dz m 2 c kz f (t ) dt dt
这是一个典型的二阶系统
幅频特性：
A( )
被测体振动速度 线圈切割磁力线 磁电式绝对速度计 1—弹簧 2—壳体 3—阻尼 环 4—磁钢 5—线圈 6—芯 轴 在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系 统的振动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性 系统的质量 块并在磁场中运动。 被测体振动速度 线圈切割磁力线 固定 壳体运动速度 电动势输出 连接 顶杆运动速度 电动势输出
第二节 惯性式传感器的力学模型
构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统 当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性 质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物 理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。
振动测试的力学原理、力学模型 一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析 1)质量块受力产生的受迫振动
1
2 2 2 [1 ( ) ] (2 ) n n
k
相频特性：
2 ( ) n ( ) arct an 2 1 ( ) n
幅频特性
相频特性
不管系统的阻尼比是多少，在 时位移 始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。
1 n
率
2. 由基础运动所引起的受迫振动
四、压电式加速度（计）传感器
1 压电式加速度计的结构
(a)中心安装压缩型Leabharlann Baidu
(b)环形剪切型
(c) 三角剪切型
S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。 内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基 座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产 生一定的位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在 压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。
2
压电式加速度计的灵敏度
在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频 率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
惯性力
F ma
惯性力加于压电元件
q DF Dma
电荷灵敏度
Sq
dq da
Dm
q uo Ca
电压灵敏度
Dm Sv Ca
压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大 器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆 对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使 用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、 器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。
第四节 振动测量系统及其标定
一、振动测试系统的组成
振动系统测试就是求取系统输入和输出的一种试验方法。为 了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括下述三个 主要部分：
1)激励部分
实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。它 主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。 2)拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转 换成一定的形式(通常为电信号)。它主要由传感器、可 调放大器组成。 3)分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直 接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设 备和频谱分析设备组成。
第三节 振动测量传感器
机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相 关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动 测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。 测振传感器常称拾振器 。 分类：接触式和非接触式 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。 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振动。 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。
磁电式相对速度传感器 测量振动系统中两部件之间的相对 振动速度，壳体固定于一部件上， 而顶杆与另一部件相连接。从而使 传感器内部的 线圈与磁钢产生相 对运动，发出相应的电动势来。 1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量块与壳体的相对速度变换成电 压信号输出。
A(ω)
α
v
x
ω
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
加速度a v (t ) x (t )
' "
微/积分放大器
根据振动频率范围而推荐 选用振动量测量的范围
拾振器的被测量为振动位移、 速度或加速度，它们是ω的等 比数列，可通过微积分电路来 实现它们之间的换算。由于换 算存在一定的误差，应尽量以 最直接、最合理的方式获得最 重要的参数。
为装上拾振器之前、后被测系统的加速度 为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率 只有当mt<<m时，mt的影响才可忽略。
常用测振传感器
一、电涡流式位移传感器
电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，涡流传感 器属于相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间 的间隙（位移）变化。
x z (外接电路） 电量输出
二、测量系统的标定
为了保证振动测试的可靠性和精确度，必须对传感器及其测 试系统进行校准。 1、绝对法 绝对法将拾振器固定在校准振动台上，由正弦信号发生器 经功率放大器推动振动台，用激光干涉振动仪直接测量振 动台的振幅，再和被校准拾振器的输出比较，以确定被校 准拾振器的灵敏度，这便是用激光干涉仪的绝对校准法。 2、相对法
二、振动的激励激振动信号
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。它的优点是激振功率大、 信噪比高、能保证响应测试的精度。因而是一种应用最为普 遍的激振方法。即ƒ(t)= F0sin(ωt)。该频率是可调的。
阻抗头
在对机械结构进行激振试验时，为了测量机械结构每一部位 的阻抗值(力和响应参数的比值)，需要在结构的同一点上激 振并测定它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定 激振点的受力及加速度响应的特殊传感器。 它集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体
阻抗头的原理及结构图
阻抗头的安装面与被测机械紧固在一起，激振器的激振力输出 顶杆与阻抗头的激振平台紧固在一起。激振器通过阻抗头将激 振力传递并作用于被测结构上，激振力使阻抗头中检测激振力 的压电晶片受压力作用产生电荷并从激振力信号输出口输出。 机械受激振力作用后产生受迫振动，其振动加速度通过阻抗头 中的惯性质量块产生惯性力，使检测加速度的晶片受力作用产 生电荷，从加速度信号输出端口输出。
随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在 壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。
测振传感器的合理选择
振动量的测量 振动量通常指反映振动的 强弱程度的量，亦即指振动位 移，振动速度和振动加速度的 大小。这三者之间存在着确定 的微分或积分关系。
' 速度 v ( t ) x (t ) 位移x(t )
第七章 振动的测试
第一节 概述
振动是质点或物体相对于固定参考点的振荡运动。
物体仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起 的振动称为自由振动。 物体在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动．
机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复运动。
振动的测试就是检测振动变化量，从中提取表征振动过程 特征和振动系统特性的有用信息。
传感器具有线性范围大、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特点。
二、电容式位移传感器
电容式位移传感器是一种非接触式测振传感器，传感器属于 相对式拾振器，能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙 （位移）变化。
x c (外接电路） 电量输出
三、磁电式速度（计）传感器
工作原 理
被测加速度a ma F(惯性力) Q U
等效质量块m
晶片
电荷放大器
压电式加速度计的幅频特性曲线
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图但共 振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅 频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。 加速度计与试件的各种固定方法 采用钢螺栓固定，是使共振频 率能达到出厂共振频率的最好 方法。
第五节 激振试验设备及激振动信号简介
一、振动台 有机械式振动台、电磁式振动台和电－液伺服振动台。 1、机械式振动试验台
机械式振动试验台属低频大载荷振动试验台，频率为5－80Hz，载荷从50kg －1000kg，位移为5mm左右，加速度为3－20g。适宜于低频定振试验或低 频定位移扫频试验，不能作定加速度扫频试验，机械式振动试验台是一种 开环式振动试验设备。一次装夹可实现垂直和水平两方向振动。
振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称位 移激励。设基础的绝对位移为Z1 ，质量块m的绝对位移为ZO ， 如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，则M的相对位移的 (ZO -Z1 )。其运动方程为：
z01 z0 z1
Z0 Z01 Z1
mz0 c z0 z1 k z0 z1 0
d 2 zo1 (t ) dZo1 (t ) d 2 Z1 m C KZ O1 (t ) m 2 2 dt dt dt


这是一个典型的二阶系统
幅频特性
相频特性
由幅频特性图可见，当激振频率远小于系统固有频率 时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质 量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而 当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1。这表 明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振 动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎 处于静止状态。 在振动测量时，应合理选择测量参数。
振动测试方式：
一、激振测量 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、频率响应和模 态等。 二、在线测量 测量机械或结构在工作状态下的振动，如位移、 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，对设备进行监 测、分析、诊断和预测。