振动测试及其信号处理

振动测试及其信号处理

伏晓煜倪青吴靖宇王伟

摘要：随着试验条件和技术的不断完善，越来越多的领域需要进行振动测试，尤其是土木工程领域。本文首先介绍了振动测试的基本内容和测试系统的组成，其次对振动测试中的激励方式进行了简单的概括，最后总结了信号数据的处理一般方法，包括数据的预处理方法、时域处理方法和频域处理方法。

关键词：振动测试测试系统信号处理

Vibration Test and Signal processing

Fu Xiaoyu Ni Qing Wu Jingyu Wang Wei

Abstract: Vibration test has been applied in more and more fields, especially in civil engineering, as experiment methods and technology elevated. This paper introduced the contents of vibration test and consists of test system firstly, and generalized the exciting mode subsequently. General methods of vibration signal processing were summarized in the end, including preprocessing, time-domain processing and frequency-domain processing methods.

Key words: vibration test; test system; signal processing

0 引言

研究结构的动态变形和内力是个十分复杂的问题，它不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变化规律以及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、材料性质以及细部构造等密切相关。在实际结构工程中遇到的问题更加复杂。虽然通过有限元动力分析计算方法可以解决许多结构振动方面的问题，但所依据的模型和边界条件仍然不可能完全符合实际情况。尤其是对于复杂结构，或者牵涉到非线性机理时，除了理论分析之外，通过振动试验或直接进行振动测试始终是一个重要的、不可或缺的手段。振动测试广泛地应用于动力强度试验、结构动力特性测试、抗震性能测试、机械设备的状态监测和故障诊断和隔振或减振性能测试。

1 振动测试的基本内容[1]

振动测试是指测量并记录振动物体的某些指定位置上的振动响应随时间变化的过程。振动响应包括位移、速度、加速度、应变及力等。以图形表示的振动响应过程一般称为振动时程曲线。振动测试的基本内容一般分为连个部分，即振动强度测试和动力特性测试。

1.1 振动强度测试

振动强度测试通常在两种振动环境下进行，一是实际振动环境，二是模拟振动环境。实际环境下的振动强度测试大多为工程检测或环境检测。主要是测试实际振动环境对周围结构

或设备的影响。图1所示的是三峡电站厂房结构振动测试现场。模拟振动环境通常是靠激振设备或其他一些人为的方法（如小药量爆破、小火箭冲击）产生的振动来检验产品、结构模型或实际结构抵抗振动的能力。图2所示的是高压断路器抗震性能考核试验。

图1 三峡电站厂房结构振动测试图 2 高压断路器抗震性能试验

1.2 动力特性测试

在振动测试中，确定结构的动力特性参数是一项重要任务。结构的动力特性参数包括结构的各阶固有频率、相应的阻尼比和振型及广义刚度和广义质量。动力特性测试的振动环境也分为实际的振动环境和模拟振动环境两种。

动力特性的实际振动环境主要是由地脉动和脉动风形成的随机激振环境。建筑物周围大地环境的微小振动和空气环境的流动会引起工程结构的振动，可把引起结构振动的地脉动和脉动风作为动力特性测试的环境激励。环境随机激励的优点是无激振设备要求，测试简便，所需的人力少，不受结构形状、大小的限制，费用低。缺点是信噪比低，测试时间长。图3所示的是安庆长江悬索桥振动测试现场。

图3 安庆长江悬索桥振动测试图4 南京国际商厦模型振动台试验动力特性测试的模拟振动环境也主要是通过激振设备来人为制造的。激振力或激振加速

度的大小一般比振动强度测试的激励低得多。由于激励较小，结构的响应信噪比低，处理数据时需要通过多次平均来降低随机噪声的影响，因此激振时间会较长。

振动强度测试与动力特性参数测试在试验方法上是由区别的。振动强度试验主要是检测产品或结构模型作用下是否会产生塑性变形或破坏，激振信号多采用的是实际振动的时程信号记录、实际地震记录信号或人工模拟地震波，激振强度比较大。动力特性参数测试一般在结构的线弹性变形条件下进行的，激振强度较低。图4为南京国际商厦结构模型振动台试验。

2 振动测试系统的组成[2]

振动测试系统是指测量并记录振动物理量的设备或系统。一般来说，振动测试系统主要由振动测量部分和振动数据采集部分组成。

2.1 振动信号测量

振动信号测量部分由信号传感器和将传感器输出信号进行加工的放大器或变换器组成。振动传感器又称为拾振器，是将振动信号转化成电参量的一种敏感元件，其作用是将被测的振动物理量转化成电量如电压、电荷或电参量如电阻、电容、电感等为主要形式的信号。由于不同传感器输出的信号电参量的单位或量级不是一样的，往往需要通过相应的放大器或变换器对不同种类的电信号进行诸如放大、调制解调、阻抗变换等处理加工，使之变为满足需要、便于输送以及可做数字化处理的模拟电信号。通常处理后的模拟信号为电压信号。2.2 振动数据采集

振动数据采集部分由转换模拟信号为数字信号的数据采集器以及操纵数据采集器进行采样并保存数字信号的计算机和采集软件系统组成。数据采集器的工作过程首先按一定的等长度时间间隔对模拟信号进行采样即离散化，然后将离散时间信号的每一个瞬时模拟量通过数模转换装置转换成数字量即量化，于是得到时间离散的数字信号。

3 振动测量仪器[3]

振动测量中常用的传感器按用途分类有加速度计、速度计、位移计、应变计、力传感器、动水压力计等。振动传感器按工作原理分为两类。一类是发电式传感器，它输入的是振动物理量，输出的是电量（电荷、电压）。这一类传感器有主要用于测量速度的电动式传感器，测量加速度和力的压电式传感器。另一类是参数式传感器，它的输入是振动物理量，输出是电参数（电阻、电容、电感）。电阻式传感器主要有应变计、应变式压力计和应变式速度计，电容式传感器主要有加速度计、压力计和位移计，电感式传感器主要有电涡式位移计等。为了组成完整的测量系统，通常应变式传感器必须配上相应的动态应变仪，压电式传感器必须配上相应的电荷放大器。图5所示的是压电式加速度传感器。图6所示的是应变式拉杆位移传感器。图7是电荷放大器。图8是动态应变放大器。