振動測試技術學習資料Word版

1、一、 簡諧振動有時域測試參數(shù) 簡諧振動中常用的參數(shù)為位移、速度、加速度、激振力、振幅和振動頻率，其中前五個參數(shù)屬于時域測試參數(shù)。二、 振動測試及信號分析的任務 振動測試及信號分析主要有以下五個方面的任務：（1） 驗證振動理論和計算結(jié)果的準確性，也被稱為實驗驗證或工程振動測試中的正問題。（2） 為改進結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供充分的實驗依據(jù)。（3） 查清外界干擾力的激振水平和規(guī)律，以便采取措施來減少或控制振動。（4） 檢測診斷設備故障。（5） 振動控制。三、 壓電式、渦流式及磁電式傳感器的機電變化原理。1、壓電式傳感器的機電變換原理某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等）在一定的方向的外力作用下或承受變

2、形時，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生。這種從機械能（力或變形）到電能（電荷或電場）的變換稱為正壓電效應。而從電能（電場或電壓）到機械能（變形或力）的變換稱為逆壓電效應。因此利用晶體的壓電效應，可以制成測力傳感器。在振動測量中，由于F=ma,所以壓電式傳感器是加速度傳感器。 2、電渦流傳感器的機電變換原理 電渦流傳感器是一種相對式的非接觸傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的，主要應用于靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉(zhuǎn)機械中檢測轉(zhuǎn)軸的振動測量。3、電動式（磁電式）傳感器的機電變換原理 電動式傳感器基于電磁感應原理，即當運動的導體在固定的磁場里切割磁力線

3、時，導體兩端就感應出電動勢，因此利用這一原理而產(chǎn)生的傳感器稱之為電動式（磁電式）傳感器。它實際上是速度傳感器。四、 選擇振動傳感器的原則 選擇拾振器類型時，要根據(jù)測試的要求（如要求測位移、或測速度、加速度、力等）及被測物體的振動特性（如待測的頻率范圍，估計的振幅范圍等），應用環(huán)境情況（如環(huán)境溫度、濕度、電磁場干擾情況等）結(jié)合各類拾振器本身的各項特性指標來考慮。 下列情況可用位移拾振器： （1）位移幅值特別重要時（例如，不允許某振動部件在振動時碰到別的物體，即要求振幅時）。 （2）測量位移幅值的場合，正好就是要分析應力的場合。 （3）低頻振動。此時速度、加速度數(shù)值太小不便于采用速度或加速度計測量

4、。 下列情況下，可采用速度型拾振器： （1）位移的幅度太小，不便于測量中頻段。 （2）在與聲音有關的振動測量中應用，因為振動部件在空氣中產(chǎn)生的聲壓正比于振動的速度。 下列情況下，可采用加速度型拾振器： （1）高頻振動。 （2）量測那種對力、載荷或應力要做分析的部位時，因為力正比于加速度。 （3）量測空間受限制，不允許傳感器體積大，重要大的場合，采用壓電加速度為佳。五、測振放大器選擇及使用條件1、當選用壓電加速度計做為拾振器時，它要求二次儀表的輸入阻抗必須是高阻抗，才能把壓電加速度計由于振動而產(chǎn)生的電荷量測量出來，否則此電荷將通過測量電路的低輸入電阻釋放掉，以至無法測量，而一般的指示，記錄設備的

5、輸入阻抗較低，為此，必須在壓電加速計與記錄器之間，加入一前置放大器，它的作用是把加速度計的高輸出阻抗，轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗，以便與一般的測量儀器的低輸入阻抗向匹配，同時也把加速度計輸出信號加以放大。電荷放大器以及前置電壓放大器（又稱阻抗變換器）就是為壓電加速度計所配用的前置放大器，這兩者的主要差別在與使用前置電壓放大器時，整個系統(tǒng)對加速度計和前置放大器的導線電容的變化非常靈敏，因此，實際測量中，導線不能更換，一般其長度不超過2米，所以前置電壓放大器必須在拾振器附近；而配用電荷放大器時，導線的影響可以忽略不計算，使用導線的長度甚至可以達到上千米。當被測結(jié)構(gòu)附近不允許放置儀器時，最好選用電荷放大器，前

6、置電壓放大器（阻抗變換器）一般的結(jié)構(gòu)簡單，只是起阻抗變換作用，對訊號無放大作用，所以在前置放大器后，應在配接一般的測量放大器，如微積分放大器等。 2、采用磁電式速度傳感器做拾振時，其輸出電壓與被測振動速度成正比，經(jīng)積分可得到被測振動體的位移，經(jīng)過積分就可以得到加速度。因此，速度型拾振器需配積分放大器，從而可以測量振動物體的位移，速度和加速度。由于磁電式速度拾振器因為輸入的信號大，輸出的阻抗低，所以不需要做阻抗變換就可以通過放大器指示儀來讀數(shù)如CD 1型的速度傳感器，可以通過GZI或GZ2型測振儀（微積分放大器）由表頭指示出振動物體的位移、速度及加速度。被測的頻率越高，積分的效果越好；被測得頻率

7、越低，其微分的效果越好、但積分和微分的效果越好，則其輸出的信號也越小，因此，在高頻小幅度測量時，為了保證振動小幅值測量的精度，有時將速度型拾振器的輸出不經(jīng)過微積分網(wǎng)絡而直接的線性放大，這樣先測出振動速度后，在利用速度和位移及加速度的關系來求出振動的位移和加速度來，這樣可以提高測量的精度。 3、對于電阻式（應變式）、電感式和電容式拾振器配用的放大器，多數(shù)采用載波放大的形式。振動測量常采用的載波放大器有電阻應變儀、差動變壓放大器簽頻放大器等類型。常見的電阻應變儀和差動變壓放大器屬于調(diào)幅式、簽頻放大器屬于調(diào)頻式，調(diào)相式則較少采用。六、動態(tài)電阻應變儀的工作原理。 動態(tài)電阻應變儀的原理如圖1所示。圖1

8、動態(tài)電阻應變儀的原理方框圖由應變片組成測量電橋，其載波電壓由振蕩器供給。在應變片感受應變信號后，測量電橋輸出一個調(diào)幅交流電壓，經(jīng)過交流放大器放大后的電壓為，由相敏檢波器檢波后的電壓信號為，在經(jīng)過低通濾波器濾去高次諧波，得到與原應變信號相似的電壓或是電流波形，再由記錄器記錄下來。直流穩(wěn)壓電源供給放大器和振蕩器直流工作電壓。七、電動力式激振器的工作原理及主要性能特點。 電磁式激振器是電能轉(zhuǎn)換成機械能，并將其傳遞給實驗結(jié)果的一種儀器。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2示。 圖2 電磁式激振器原理電磁式激振器由磁電路系統(tǒng)（包括勵磁線圈、中心磁極、磁極板）與動圈、彈簧、頂桿、外殼等組成。電磁式激振器工作原理如下。

9、在勵磁線圈中輸入直流電流，使中心磁極在磁極板的空氣氣隙中形成一個強大的磁場；同時再給動圈輸入一個交變電流，電流在磁場的作用下產(chǎn)生電磁感應力F。力F使頂桿做上下運動，由頂桿傳給試件的激振力是電磁感應力F和可動部分的慣性力、彈性力、阻尼力等的合力。但由于激振器的可動部分質(zhì)量很小，彈簧較軟，所以在一般情況下，其慣性力、彈性力和阻尼力可以忽略。當輸入動圈內(nèi)的電流以簡諧規(guī)律變化時，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以簡諧規(guī)律變化。與電磁式激振器配套使用的儀器還有信號放大器、功率放大器和直流穩(wěn)壓電源。電磁式激振器的優(yōu)點是能獲得較寬頻帶（從零赫茲到一萬赫茲）的激振力，即產(chǎn)生激振力的頻率范圍較寬。而可動部分質(zhì)量

10、較小，從而對被測量物體的附加質(zhì)量和附加剛度較小，使用也很方便。因此，應用比較廣泛，但這種激振器的缺點是不能產(chǎn)生太大的激振力。電磁式激振器主要有三種安裝的方式：（1）激振器固定安裝式（2）彈簧懸掛安裝方式（3）彈性安裝方式八、簡諧振動基本參數(shù)（頻率、固有頻率、振幅、相位、阻尼）的幾種測量方法及原理。1、簡諧振動頻率的測量（1） 李薩如圖形比較法。 利用示波器、信號發(fā)生器以及常用的振動信號測試設備所組成的測試系統(tǒng)，來測量簡諧振動的振動頻率，稱之為李薩如圖形比較法。運動方向相互垂直的兩個簡諧振動的合成運動軌跡，稱之為李薩如（Lissajous）圖形。使用李薩如圖形法測量振動頻率的測量系統(tǒng)如圖3所示，

11、它是把被測信號送入陰極射線示波器的垂直偏轉(zhuǎn)軸Y，而把已知頻率的比較電壓信號（由信號發(fā)生器提供）送入水平偏轉(zhuǎn)軸X，這時在電子示波器的顯示屏上將形成李薩如圖形。圖3 李薩如圖形測頻的實驗框圖（2） 錄波比較法。 這種方法是將被測振動信號的時標信號（一般為等間距的時間脈沖信號）一 起送入光線示波器中，然后根據(jù)記錄紙上的振動波形和時標信號兩者之間的周期比測定被測振動波形的頻率。如圖4所示為這種記錄圖像，若測出被測信號在周期T長度中的時標脈動數(shù)n，則被測信號頻率 式中，為時標信號的頻率，一般選取n=510，便可得到較準確的結(jié)果。此法順便還可以利用振動信號的波形，直接讀出振動的振幅值A。 圖4 錄波比較測

12、頻方法（3） 直接測量法。 它是使用頻率計數(shù)器直接測定簡諧波形電壓信號的頻率或周期的一種方法。頻率計數(shù)器有指針式和數(shù)字式兩種，其中數(shù)字式頻率計數(shù)器的測量精度較高，它是目前普遍采用的測頻儀器。一般來說，此類儀器由三部分組成：計數(shù)部分、時基信號發(fā)生器和顯示部分。其測頻原理如圖5所示。 圖5數(shù)字式計數(shù)器的測頻原理方框圖2、簡諧振動固有頻率頻率的測量（1）自由振動法。用自由振動法測量機械系統(tǒng)的固有頻率，一般都是測量此系統(tǒng)的最低階固有頻率，因為較高階自由振動衰減較快，幾乎在振動波形圖中無法看到。通常為了讓機械系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動，一般采取兩個途徑：初位移法（如圖6）和敲擊法（如圖7示）。 圖6 初位移法示意

13、圖 圖7 敲擊法示意圖（2）強迫振動法。它實質(zhì)上就是利用共振的特點（共振時振幅最大）來測量機械系統(tǒng)的固有頻率，因此這種方法也叫共振法。在振動測量中，產(chǎn)生強迫振動的方法很多，主要有以下幾種： 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法（如圖8示）。調(diào)節(jié)干擾頻率的方法。包括用電磁激振器激振和將整個機械系統(tǒng)（實物或模型）安裝在在振動臺臺面上（如圖9示）。 圖8 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法示意圖 圖9 調(diào)節(jié)干擾力頻率法示意圖3、簡諧振動幅值的測量對簡諧振動來說，只要能夠測出位移、速度和加速度的幅值中的任何一個，就能夠很容易的計算出其他兩個。因此，可以分別用壓電加速度傳感器、磁電式傳感器等測量系統(tǒng)測量，只要選擇適當?shù)牧砍?，從電壓表或在示波器中就?/p>

14、以讀出其振動的幅值。下面是幾種常用的方法：（1） 指針式電壓表直讀法。（2） 數(shù)字式電壓表直讀法。（3） 光學法。包括用讀數(shù)顯微鏡觀察法（如圖10示）和楔形觀察法（如圖11示）。 圖10 讀數(shù)顯微鏡觀察法 圖11 楔形觀察法4、同頻率簡諧振動相位差的測量 （1）示波器測量法。用電子示波器測量相位差，常用的是線性掃描法和橢圓法。 （2）相位直接測量法。相位計的基本原理與雙線示波器直接比較法是相同的，他根據(jù)通道A的信號正向過零時與通道B的信號正向過零時的時間差及信號周期來計算相位差。5、簡諧振動阻尼的測量由簡諧振動系數(shù)的阻尼系數(shù)或阻尼比可以導出衰減系數(shù)，因此，可根據(jù)衰減系數(shù)求得系統(tǒng)阻尼。根據(jù)衰減系

15、數(shù)和機械振動基本參量的不同關系，大致可分為三種測量方法： （1） 用振動波形圖測定機械系數(shù)的衰減系數(shù)。 振動波形如圖12所示。由，測量衰減系數(shù)n的問題可以轉(zhuǎn)化為測量振動頻率和振幅、的問題。（2） 用共振頻率測定機械系數(shù)的衰減系數(shù)。 其基本公式是 和（3） 用共振曲線測定機械系統(tǒng)得衰減系數(shù)（如圖13所示）。 圖12衰減振動的波形圖 圖13 共振曲線法示意圖九、應用窗函數(shù)和采樣定理的作用1、數(shù)字信號分析對有限時間長度T的離散時間序列進行離散傅里葉變換（DFT）運算，這意味著首先要對時域信號進行截斷。這種截斷將導致頻率分析出現(xiàn)誤差，其效果是使得本來集中于某一頻率的功率（或能量），部分被分散到該頻率的

16、臨近的頻率，這種現(xiàn)象稱為“泄露”效應。以余弦信號為例說明截斷前后的頻譜變化的泄露效應。設有限時間長度T的離散時間序列信號被截斷，相當于原來的余弦信號乘以矩形函數(shù)，如圖14所示。無限長度的余弦信號具有一個單一的頻率成分，其單邊譜是在處的單根分布的離散的譜線，而矩形函數(shù)的頻率是包含一個主瓣和許多旁瓣的連續(xù)譜。時域中余弦信號乘以矩形窗函數(shù)，在頻域中的頻譜就等于原信號的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，卷積的結(jié)果將導致截斷的信號頻譜由原來的離散譜變?yōu)樵谔幱幸恢靼辏瑑膳愿饔性S多旁瓣的連續(xù)譜。這就是說，原來集中在頻譜的功率，泄露到了鄰近的很寬的頻帶上。 為了抑制“泄露”，需要采用特種窗函數(shù)來代替矩形窗函數(shù)。這一過程

17、，稱為窗函數(shù)處理，或者叫加窗。加窗的目的，是使在時域上截斷信號兩端的波形有突變變?yōu)槠交?，在頻域上盡量壓低旁瓣的高度。圖14 余弦信號被矩形窗截斷形成的泄露在數(shù)字信號處理中常用的窗函數(shù)有四種：矩形（Rectangular）窗、漢寧（Hanning）窗、凱塞-貝塞爾（kaiser-bessel）窗、平頂（Rectangular）窗。2、采樣就是將連續(xù)模擬信號變換成離散數(shù)字信號的過程。離散后的信號能唯一的確定原連續(xù)信號，并要求離散信號通過D/A裝換后能恢復成原連續(xù)信號。由于離散信號是從連續(xù)信號上取出的一部分值，于連續(xù)信號的關系是局部和整體的關系，一般來說是不可能唯一確定連續(xù)信號的。只有在滿足一定的條

18、件下，離散信號才可按一定的方式恢復出原來的連續(xù)信號。這個條件就是采樣定理：采樣頻率必須大于被分析信號成分中最高頻率值的兩倍以上，即離散信號才能在一定程度上代表原信號。其中是采樣時間間隔。否則將產(chǎn)生如圖15所示的高、低頻混淆現(xiàn)象，即高頻信號經(jīng)采樣后只出現(xiàn)低頻信號，采樣信號無法還原為原信號。 圖15 高、低頻混淆現(xiàn)象十、振動數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)。 一、系統(tǒng)簡介 信號采集和處理系統(tǒng)是由微型計算機（臺式、便攜式）、數(shù)據(jù)采集器和較大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和分析軟件以及抗混濾波器組成，如圖16所示。 圖16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖1、 硬件的一般性能：（1）最高采用的頻率可達到1MHZ；（2）并行無時差的采樣通道一般為16路或32路；（3）采樣精度為12位和16位；（4）量程一般為-5V-+5V。2、 軟件的一般性能：（1）數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、程控放大和示波；（2）數(shù)據(jù)的時域分析；（3）數(shù)據(jù)的頻域分析；（4）數(shù)據(jù)的相關分析；（5）振動結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。 二、數(shù)據(jù)采集處理軟件的介紹 以某一數(shù)據(jù)采集