振動測試試驗講義摘錄

1、振動測試實驗課的學習內(nèi)容?常用振動測試設備的原理及使用。?振動測試系統(tǒng)的選擇、安裝與使用。?振動信號的數(shù)據(jù)采集、分析處理的理論與實踐。?動態(tài)信號分析儀的原理與使用。?模態(tài)試驗的基本理論、試驗方法與試驗過程。目標與要求? 了解振動測試的目的和意義。? 了解振動測試的基本手段和方法。?掌握基本的振動測試技術。振動測試與動態(tài)分析包括三個部分?振動測量與數(shù)據(jù)采集，?動態(tài)信號分析，?機械或結構動態(tài)特性測試。1、振動測量與數(shù)據(jù)采集機械或結構振動的位移、速度、加速度；沖擊的加速度；噪聲的聲壓和聲強 等等，這些物理量是隨時間變化的，稱之為動態(tài)信號，對其測量稱之為動態(tài)測量 振動測量屬于動態(tài)測量范圍。動態(tài)測量是指

2、由傳感器測得這些非電物理量并轉為電信號，然后經(jīng)過放大、 濾波等適調環(huán)節(jié)，對信號作適當調節(jié)，對測量結果進行顯示、記錄的全過程。工程中的物理量都是隨時間連續(xù)變化的，相應的連續(xù)時間信號稱為模擬信 號。將連續(xù)時間信號轉換為離散數(shù)字信號的過程稱為數(shù)據(jù)采集。2、動態(tài)信號分析對于振動、沖擊等快變物理量，數(shù)據(jù)采集得到的時間歷程信號尚不足以描述 其特征，而有效值、峰值等參數(shù)反映的信息量又太少。因此，對所測得的動態(tài)信 號往往需要進行分析，即動態(tài)信號分析。通過動態(tài)信號分析，獲得更多的能夠較 詳盡反映物理特征的各項參數(shù)。如頻率響應函數(shù)、功率譜密度函數(shù)、相關函數(shù)等 等。3、機械或結構動態(tài)特性測試實際測量、分析的物理量，

3、往往是被試對象在一定運行環(huán)境中受到某種激勵 的動態(tài)響應，前者是輸入后者是輸出。由于線性系統(tǒng)的輸入、輸出之間存在簡單 的因果關系，因此可以通過對被試系統(tǒng)輸入、輸出物理量的測量和分析來確定系 統(tǒng)的動態(tài)特性，這就是動態(tài)特性測試。例如結構模態(tài)試驗就是第一章振動測試設備振動測試設備主要包括：傳感器、適調器、激振裝置、數(shù)據(jù)采集器、信號分 析處理軟件等。傳感器：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、激光傳感器、力傳感 器。激振裝置：激振器、力錘、振動臺。適調器：電荷放大器（或恒流源）、抗混濾波器、程控放大器。數(shù)據(jù)采集器：采樣/保持器、A/D變換器。振動傳感器振動傳感器一將振動運動轉變?yōu)殡姡ɑ蚱渌锢恚┬盘柕?/p>

4、裝置。分類：?根據(jù)被測振動量是位移、速度還是加速度，可以將振動傳感器分為：位移傳感 器、速度傳感器和加速度傳感器。?從電學原理上可以將振動傳感器分為：電感型、電動型、渦流型、壓電型和壓阻型。?從力學原理可以將振動傳感器分為：絕對式傳感器和相對式傳感器。絕對式傳感器又稱為基礎式或慣性式傳感器。最常用的是：絕對式壓電加速度傳感器！1.1.1 振動傳感器原理絕對式位移振動傳感器可用于測量頻率遠高于傳感器固有頻率的振動。加速度傳感器用在低于傳感器固有頻率范圍的振動測量。O振動傳感器技術指標?頻率響應特性（包括幅頻特性和相頻特性）?靈敏度：電信號輸出與被測運動輸入之比。?動態(tài)范圍：可測量的最大振動量與最

5、小振動量之比。?橫向靈敏度：垂直于主軸的橫向振動也會是使傳感器產(chǎn)山輸出信號。該信號與主軸靈敏度的百分比為橫向靈敏度。?幅值線性度：實際傳感器的輸出信號只在一定幅值范圍內(nèi)與被測振動成正比（即保持線性特性）。在規(guī)定線性度內(nèi)可測幅值范圍稱為線性范圍。1.1.2 慣性式加速度傳感器?壓電加速度傳感器，？壓阻加速度傳感器，？伺服加速度傳感器壓電加速度傳感器是目前使用最為廣泛的傳感器！壓電加速度傳感器特點優(yōu)點：?使用頻率范圍很寬：，?動態(tài)范圍大：0.001g-10000g;?附加質量小：可以小到1g以下。缺點：?對后繼信號適調器要求較高.一般需要采用較為復雜的電荷放大器，?不適合測量超低頻信號：1）理論上

6、可測的頻率下限可以到零，實際上低頻范圍受 限于信號適調器（電荷放大器）的輸入級時間常數(shù)T,即RC高通濾波器的-3dB頻率.2） 當頻率很低時，加速度信號很小，將受到測量電噪聲的影響。壓阻加速度傳感器特點?頻響可從0Hz開始。無零飄，頻率上限由慣性測量系統(tǒng)的固有頻率決定，可達 25004000Hz;?體積小、重量輕。1.1.3 速度與位移傳感器一、電動式速度傳感器電動式速度傳感器基于電磁感應原理，即當運動的導體在固定磁場里切割磁 力線時，導體的兩端就感應出電動勢。電動式速度傳感器的輸出電壓與導線相對于磁力線的切割速度成正比。電動式速度傳感器特點優(yōu)點?電壓靈敏度高，可直接測量；？噪聲小;？耐高溫.

7、缺點：?質量大;？測量低頻（10Hz混差大。二、渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器特點?主要特點是它與被測點沒有接觸，是相對式測量。可以測量靜態(tài)信號。?結構簡單、線性度好、抗干擾能力強。1.1.4 動態(tài)壓電式力傳感器壓電傳感器的輸出電荷與外力成正比振動傳感器的選擇與安裝選擇：振動傳感器的選擇是振動測試首先要考慮的問題！?對于超低頻（<2Hz）«量，盡量選擇位移傳感器。若位移較大，也可選用低頻性 能較好的加速度傳感器。?對于較低頻（25Hz）測量，建議使用壓阻式加速度傳感器。?沖擊測量選擇壓電加速度傳感器。?由于壓電加速度傳感器的普遍擁有和性能質量的逐步提高，使用壓電加速度傳 感器

8、是振動測量的首選。理論上，只要獲得位移、速度和加速度的其中之一，即可換算得到其它量。選擇加速度傳感器考慮因素?靈敏度：所選傳感器的的靈敏度應與被測振動的大小匹配。靈敏度高的傳感器往往自身質量較大，諧振頻率較低。?傳感器諧振頻率：通常測量頻率范圍為安裝諧振頻率的三分之一。?傳感器質量：傳感器的質量相對于被測對象的質量，越小越好。一般而言，<1100?動態(tài)范圍：測量小加速度時，不宜選擇動態(tài)范圍較大的傳感器， 測量很大加速 度（包括沖擊）時，必須選擇有足夠動態(tài)范圍的傳感器。?止匕外，必須考慮傳感器的使用環(huán)境，如溫度、電磁場等加速度傳感器的安裝加速度傳感器與被測體的連接是傳感器安裝的一個關鍵問題

9、，直接關系到傳 感器的有效使用（頻率特性和溫度特性）。傳感器的安裝連接及其頻率特性：?鋼螺栓連接：這是一種理想的安裝方法。傳感器使用頻率最高。?膠接：通常使用用環(huán)氧膠或502膠水。傳感器使用頻率較高?雙面膠連接：這是一種較方便快捷的傳感器安裝方法。 實用于較低頻率和傳感 器質量較小的情況。傳感器使用頻率較低。？石蠟粘接：簡單易行，方便快捷。傳 感器使用頻率較低。?永久磁鐵：若被測試件是鐵磁材料且有平坦表面時，可采用此連接方式。此外應固定好導線、并將傳感器于被測實踐絕緣。信號適調器對被測信號進行放大、歸一化、積分、濾波等信號變換，稱為信號適調。實 現(xiàn)信號適調的的電子儀器稱為信號適調器。?各種傳感

10、器通常配置相應的適配器。?壓電式傳感器配置電荷放大器（或恒流源）。電荷放大器：是一個具有電容負反饋、且輸入阻抗極高的高增益運算放大器。 它 能直接將壓電傳感器產(chǎn)生的電荷變換成輸出電壓。結論：1）電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器產(chǎn)生的電荷成正比；2）輸出電壓與輸入電荷的頻率特性只與反饋電容有關，而不受電纜電容等因素的影響；3）改變反饋電容的大小，就能方便地改變電荷放大器的輸出電壓。將微型電壓放大器或阻抗變換器（作用是將壓電傳感器的高輸出阻抗變換為 低輸出阻抗）直接裝進傳感器內(nèi)部，引線電容幾乎為 0,從而解決了電纜影響問 題。這就是內(nèi)置電品&式壓電傳感器（ICP傳感器）。新一代動態(tài)信號分析

11、系統(tǒng)通常帶有與之配套的信號調理器（恒流源）振動校準振動校準的主要內(nèi)容有:?靈敏度：電信號輸出與被測運動輸入之比。?頻率響應特性（包括幅頻特性和相頻特性）靈敏度在所使用的范圍內(nèi)隨頻率的 變化。?橫向靈敏度：垂直于主軸的橫向振動也會是使傳感器產(chǎn)生輸出信號。該信號與主軸靈敏度的百分比為橫向靈敏度。?幅值線性度：靈敏度隨幅值的變化關系。振動校準方法：1）絕對校準法，2）比較法，3）重力法1.3.1 比較法一般振動實驗室通常采用比較法對測量用工作傳感器進行校準，即通過被較傳感器（即工作傳感器）與標準傳感器進行比較從而到達校準的目的。加速度傳感器比較法校準原理（見參考書）。力傳感器比較法校準原理（見參考書

12、）。1.3.2 重力法重力法原理（見參考書）。激振裝置一激振器、力錘、振動臺、沖擊臺?激振是機械、結構動態(tài)特性測試中的一個重要環(huán)節(jié)。所謂激振就是對被試機械、 結構施加一定形式和大小的激振力，使之產(chǎn)生相應的振動。?動態(tài)測試的一個重要內(nèi)容就是對被測系統(tǒng)進行激勵（激振），通過振動測試、 數(shù)據(jù)采集和信號分析，由輸出和輸入確定機械、結構的動態(tài)特性。?激振需要激振裝置一激振器、力錘、振動臺、沖擊臺。?振動臺可給整個試驗對象一定頻率和大小的振動運動；激振器可對被試對象提供一定頻率和大小的振動力?力錘可對被試對象提供一定大小脈寬的振動力；?沖擊設備的作用是產(chǎn)生典型化的沖擊過程， 并且有規(guī)定精度的重復性，一模擬

13、實際的沖擊效應第二章信號分析信號分析基礎?振動信號從統(tǒng)計特征，可分為確定性振動和隨機振動。確定性振動：能夠用明確的數(shù)學關系式描述。例如：彈性系統(tǒng)自由振動。隨機振動：不能用明確的數(shù)學關系式描述，無法預測未來某時刻的精確值。例如：路面對汽車的激勵，大氣紊流對飛機結構的激勵。?確定性振動又可分為周期性振動和非周期性振動。?信號分析的主要內(nèi)容是將信號的時間歷程用更能顯示信號特點的頻譜來表示。周期信號可由傅里葉級數(shù)變成離散頻譜。非周期信號可通過傅里葉變換變成連續(xù)頻譜。2.1.1 周期信號分析一傅里葉級數(shù)?任何一個周期為T的振動信號可以展開成以簡諧函數(shù)表示的傅里葉級數(shù)任何周期信號可分解為直流”和各次諧波分

14、量。周期信號的特點是它的頻譜由一些離散的譜線組成。2.1.2 非周期信號分析一傅里葉變換非周期信號可通過傅里葉變換變成連續(xù)頻譜。2.1.3 隨機信號分析幾個概念：?隨機振動是一種非確定性振動。?要了解隨機振動必須研究相同實驗條件下的多個振動記錄的統(tǒng)計特性。?若隨機過程的統(tǒng)計特性不隨時間變化，就叫做平穩(wěn)隨機過程。?當整個平穩(wěn)隨機過程的統(tǒng)計特性與每個樣本的統(tǒng)計特性相同，稱該平穩(wěn)隨機過程為各態(tài)歷經(jīng)過程。2.1.3.1 隨機振動信號的基本統(tǒng)計量?均值?均方值、均方根值?方差、標準差1）均值表征了隨機信號的直流分量。2）方差表征了交流分量。3）均方值即包含了信號的直流分量也包含交流分量。2.1.3.2

15、概率密度與概率分布概率密度函數(shù)定義（見參考書）。概率分布函數(shù)定義（見參考書）。2.1.3.3 相關函數(shù)（見參考書）。2.1.3.4 功率譜密度從自相關函數(shù)，通過幅傅里葉變換可求出另一個十分重要的函數(shù)，自功率譜密度函數(shù)。自相關函數(shù)等于自功率譜密度函數(shù)的傅里葉逆變換。動態(tài)信號譜分析2.2.1離散傅里葉變換和快速傅里葉變換（見參考書）。2.2.2 離散傅里葉變換（DFT）（見參考書）。離散傅里葉變換將N個點的時域數(shù) 據(jù)變換成N個頻域數(shù)據(jù)2.2.4功率譜密度（PSD）估計早期的數(shù)字功率譜密度估計的做法是： 先計算自相關函數(shù)，然后進行傅是氏 變換求出功率譜密度。自從提出FFT之后，功率譜密度直接由信號的

16、FFT來計算。 建立在FFT基礎上的功率譜密度可以按下式計算2 ndGxx - XKfQXNfk）ndT i 12 ndGxy Y（fk）Xi（fk）%T i 1?功率譜密度計算的具體步驟如下：（見參考書）?功率譜密度估計誤差包括：隨機誤差和偏度誤差。?減小隨機誤差采用平均處理。?偏度誤差是由頻率分辨率有限而產(chǎn)生的。 提高頻率分辨率可以大大減小偏度誤 差。?關于泄露和窗函數(shù)（見參考書）。頻率響應函數(shù)（詳見參考書）。已知系統(tǒng)的激勵和響應求出系統(tǒng)特性 （即系統(tǒng)識別）在工程中具有十分重要 的意義。頻率響應函數(shù)是頻域系統(tǒng)分析方法中的重要參數(shù)。對于平穩(wěn)隨機激勵：頻響函數(shù)可定義為2 Gyy（ ） |H（

17、） Gxy（）第三章動態(tài)信號采集?動態(tài)數(shù)據(jù)采集：將模擬信號轉變?yōu)楸阌诖鎯?、傳輸和分析處理的?shù)字信號。將 一個連續(xù)變化的模擬量信號在時間域上離散化 （稱為采樣），然后再將時間離散、 幅值連續(xù)的信號轉變?yōu)榉涤螂x散的數(shù)字信號（稱為量化）。?連續(xù)信號經(jīng)采樣將產(chǎn)生所謂的頻率混疊問題，導致采樣信號的偏度誤差。?量化將引起量化噪聲，降低信號的信噪比。采樣與量化（見參考書）。3.1.1程控放大器（見參考書）。采樣與頻率混疊（見參考書）。采樣定理：（見參考書）。3.2 .1頻率混疊?直觀物理解釋：信號一個周期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)點不超過 2個，采集的離散序列不 足以表現(xiàn)信號的周期性。?理論解釋：若信號中含有大于采樣頻

18、率1/2的頻率成分，將疊加到采樣頻率1/2 以內(nèi)，并與該頻率內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生混淆。?解決頻率混疊的方法：1）提高采樣頻率。2）在信號進入采樣之前用模擬式低 通濾波器（抗混濾波器）。3.2.2抗混濾波器?濾波器是具有一定傳遞特性的信號變換電路。 理想的低通濾波器在通帶內(nèi)傳遞 特性為1,而在高于截止頻率的阻帶內(nèi)傳遞特性為 00?上述理想濾波器在物理上是無法實現(xiàn)的。 對于實際低通濾波器，通常是分別對 阻帶、通帶及過度帶傳遞特性提出一定要求，使之成為接近理想濾波器的傳遞特性。?抗混濾波器通常要求指標為1）過度帶衰減斜率0 -80120dB/Oct2）阻帶衰減7580dB3）通帶波紋度& ±

19、;±1dB3.3.1 采樣/保持器（S/H）（見參考書）。3.3.2 數(shù)/模轉換器（A/D）（見參考書）。第四章動態(tài)信號分析儀及其使用動態(tài)信號分析儀簡介動態(tài)信號分析儀是將動態(tài)信號采集、顯示、存儲、分析集 成一體的儀器設備。動態(tài)信號分析儀大多有24個輸入通道，一個信號源輸出。每個輸入通道 由程控放大器、抗混濾波器、采樣/保持器（S/H）和模數(shù)*$換器（A/D）組成。動態(tài)信號分析儀含有CPU DSP FPP RAM、控制軟件、計算分析軟件。動態(tài)信號分析儀的主要功能?時域分析：時間波形、自相關函數(shù)、互相關函數(shù)、脈沖響應函數(shù)等；?頻域分析：線形譜、功率譜（均方譜）、功率譜密度函數(shù)、頻率響應函

20、數(shù)、相干 函數(shù)等。動態(tài)信號分析儀的主要技術指標功能?頻率范圍：0100KHz?精 度： 一,一2deg?動態(tài)范圍：7285dB4.2動態(tài)信號分析儀使用?關 鍵：根據(jù)測量分析目的，正確合理地選擇和設置測量、分析參數(shù)。?需要優(yōu)先選擇的參數(shù)是：頻率范圍、頻率分辨率和記錄長度。?為了減小頻率分析結果的偏度誤差，應優(yōu)先考慮。?若信號長度有限（例如瞬態(tài)信號），應優(yōu)先選擇記錄時間.設置硬件參數(shù)和分析參數(shù)1）數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置a）輸入?yún)?shù)：各各通道量程，輸入模式（電壓、電荷、ICP）,耦合方式（DC 或AC）,傳感器靈敏度等。b）觸發(fā)參數(shù)：觸發(fā)方式（輸入觸發(fā)、信號源觸發(fā)、外觸發(fā)），觸發(fā)電平與斜 率，觸發(fā)延遲。c

21、）信號源參數(shù)：信號類型（隨機、正弦、瞬態(tài)）和輸出電平。2）測量分析參數(shù)設置： A）窗函數(shù)a）漢寧窗：主要用于隨機信號分析，以減 小功率泄漏。b）力窗和指數(shù)窗：在頻響函數(shù)測試中，對脈沖力信號加力窗提高 信噪比，對脈沖響應信號加指數(shù)窗防止信號截斷，減小功率泄漏提高信噪比。c）矩形窗：主要用于瞬態(tài)信號分析。B）平均方式與平均次數(shù)。動態(tài)信號分析儀實際操作內(nèi)容實驗三：測量雙簡支梁（或懸臂梁）的頻率響應函數(shù)（分別用激振器隨機信號激勵、正弦掃頻）實驗目的：1） 了解動態(tài)信號分析儀的基本功能。2）初步掌握動態(tài)信號分析儀的基本操作方法和過程。3）基本掌握用（激振器）隨機信號激勵的頻率響應函數(shù)測試方法（參數(shù)設置）

22、。4） 了解Hanning、指數(shù)窗的作用與應用。5） 了解平均處理的作用。第五章機械、結構試驗模態(tài)分析?幾個概念：模態(tài)一一機械結構的無阻尼自由振動（即固有振動）具有的一定的模式。模態(tài)參數(shù) 描述各模態(tài)特性的固有頻率（又稱模態(tài)頻率）和對應的振型。試驗模態(tài)分析（即模態(tài)試驗） 一一基于系統(tǒng)響應和激振力的動態(tài)測試，由系統(tǒng)輸入（激振力）和輸出（響應）數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理（獲得頻率響應函數(shù)）和 參數(shù)識別（頻率響應曲線擬合）確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。計算模態(tài)分析（即有限元分析）一一從機械結構的幾何特性與材料特性原始 數(shù)據(jù)出發(fā)，采用有限元素法形成系統(tǒng)的離散數(shù)學模型（質量矩陣和剛度矩陣），然后通過求解特征值問題，確定系統(tǒng)的

23、模態(tài)參數(shù)。？計算模態(tài)分析的目的：確定系 統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，用模態(tài)迭加法，可以分析機械結構在已知外載荷作用下的動態(tài)響 應。試驗模態(tài)分析的目的：由系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。用 途：1）檢驗有限元計算結果。2）由模態(tài)參數(shù)構造系統(tǒng)，再用該系統(tǒng)求動態(tài)響應 或動態(tài)載荷?，F(xiàn)代常用的模態(tài)識別采用頻域方法。即由實測的頻率響應函數(shù)來確定模態(tài)參 數(shù)。頻率響應函數(shù)與模態(tài)參數(shù)的關系NTH（ ）2-r 1 mr （ r ） j2 r rN自由度的頻率響應，等于N個單自由度系統(tǒng)頻率響應的線性迭加。為了確定全部的模態(tài)參數(shù)，實際上只需測量頻率響應矩陣的一列（固定一點 激振，各點響應）或一行（依此各點激振，固定一點響應

24、）。模態(tài)參數(shù)識別（頻率響應曲線擬合）?試驗模態(tài)分析（模態(tài)參數(shù)識別）的任務就是由一定頻段內(nèi)的實測頻率響應函數(shù) 數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。?參數(shù)識別：由系統(tǒng)的輸入、輸出出發(fā)，采用一定的優(yōu)化算法確定一類描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學模型的參數(shù)，使之在一定準則下與實際測試結果符合最好。曲線擬合得到實測頻率響應函數(shù)的眾極點和留數(shù)。極點與模態(tài)參數(shù)的關系式如下：Si s i ij ij i i i ij j 1i:：第i階固有圓頻率為：一22i , ii第i階模態(tài)阻尼比i :同一模態(tài)的眾留數(shù)所組成的列陣即為該階模態(tài)的固有振型。若激勵點p不1iApi2iA2PiniAnPi變，響應點r（l=1,2, n）洪第i階模態(tài)所對應的留數(shù)為，則其第i階模態(tài)的固有振 型為試驗模態(tài)分析過程與實施 模態(tài)試驗四個主要步驟：1）試件仿真（安裝）；2）激振器與傳感器