第5章振動測量技術(shù)應(yīng)用

1、第5章振動測量技術(shù)應(yīng)用 振動是工程技術(shù)和日常生活中常見的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下，振動是有害的，它對儀器設(shè)備的精度，壽命和可靠性都會產(chǎn)生影響。當(dāng)然，振動也有可以被利用的一面，如輸送、清洗、磨削、監(jiān)測等。 無論是利用振動還是防止振動，都必須無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值確定其量值。 5.1 振動和振動測量系統(tǒng)振動和振動測量系統(tǒng)5.1.1 振動信號分類振動信號分類 機械振動非 周 期的隨機的確定性的的周期的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧振動復(fù)雜周期振動準(zhǔn)周期振動瞬態(tài)和沖擊各態(tài)歷經(jīng)的非各態(tài)歷經(jīng)振動信號按時間歷程的分類如圖5.1所示，即將振動分為確定性振動確定性振動和隨機振動隨機振動兩大類。確定性振

2、動確定性振動可分為周期性振動周期性振動和非周期性非周期性振動振動。周期性振動包括簡諧振動簡諧振動和復(fù)雜周期振復(fù)雜周期振動動。非周期性振動包括準(zhǔn)周期振動準(zhǔn)周期振動和瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動。 隨機振動隨機振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性?？煞譃槠椒€(wěn)隨機振動平穩(wěn)隨機振動和非平非平穩(wěn)隨機振動穩(wěn)隨機振動。平穩(wěn)隨機振動又包括各態(tài)歷經(jīng)的平各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機振動穩(wěn)隨機振動和非各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機振動非各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機振動。 一般來說，儀器設(shè)備的振動信號中既包含有確定性的振動確定性的振動，又包含有隨機振動隨機振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術(shù)化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最

3、基本也是最簡單的振動。5.1.2 振動測量系統(tǒng)振動測量系統(tǒng)1.振動測量方法分類振動測量方法分類 振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法電測法、機械法機械法和光學(xué)法光學(xué)法。 其簡單原理和優(yōu)缺點見表5.1。名稱原理優(yōu)缺點及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普

4、勒效應(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多表5.1 振動測量方法分類2. 電測法振動測量系統(tǒng)電測法振動測量系統(tǒng) 圖5.2 振動測量系統(tǒng)的一般組成框圖 激 振系 統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功 放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器 由于振動的復(fù)雜性，加上測量現(xiàn)場復(fù)雜，在用電測法進(jìn)行振動量測量時，其測量系統(tǒng)是多種多樣的。圖5.2所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀

5、器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。 下面分別就這些組成環(huán)節(jié)作一簡單介紹。(1) (1) 測振傳感器測振傳感器 拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。 根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運動所引起的。如圖5.3所示。設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0則質(zhì)量塊的運動方程為: （5.1）0)()(1010202zzkdtzzdcdtzdmm

6、z。kc202dtzdm)()(1010zzdtdckzz圖5.3 由載體運動引起的振動響應(yīng) 質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為: （5.2）則上式可改寫成: （5.3）設(shè)載體的運作為諧振動，即:則式（5.3）可寫成: （5.4）1001zzz21201012012dtzdmkzdtdzcdtzdmtzmkzdtdzcdtzdmmsin1201012012,sin)(11tztzm考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：(1)z01相對于載體的振動位移z1 ，此時相當(dāng)于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.5） （5.6）其幅頻特性曲線曲線如圖5.4所示。2222101)/2 (

7、)/(1 )/(nnnmmdzzAd2)/(1)/(2arctgnn 圖5.4 由載體運動引起的位移響應(yīng)(2)z01相對于載體振動速度 ，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.7） (5.8) 其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5-6和圖 5-5所示。221014)/(1nnnmmzzA2)/(1)/(22nnVarctg(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為: （5.9） (5.10)圖5.5所示。2222101)/2 ()/(1 / 1nnmmazzA2)/(1/2nnaarctg

8、從圖5.4圖5.7可以看出：測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。 (2) (2) 激振器激振器 激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。表5.3列舉了部分常用的激振器。名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動力驅(qū)動固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動

9、臺體相連，線圈通電產(chǎn)生電動力使振動臺體作機械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產(chǎn)生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設(shè)備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動臺面產(chǎn)生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負(fù)載大，易于自控和多臺激振，設(shè)備復(fù)雜 表5.3 部分常用的激振設(shè)備(3) (3) 振動分析儀器振動分析儀器從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT分析

10、儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀測振儀2.頻率分析儀頻率分析儀分析儀分析儀4.4.虛擬頻譜分析儀虛擬頻譜分析儀5.2 振動參量的測量振動參量的測量 振動參量是指振動參量是指: 振幅、頻率、相位角和阻尼比等物振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。理量。1. 振幅的測量振幅的測量振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、振動量的幅值是時間的函數(shù)，常用峰值、峰峰值、有效值和平均絕對值來表示。峰峰值、有效值和平均絕對值來表示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰值到負(fù)峰值之間的距離。 在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。有效值和平均絕對值分別定義為: Z Z有效有效 = Zr

11、ms Zrms = （5.11） Z Z平均平均 = Z = Z = （5.12） 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關(guān)系為: (5.13) 式中，Zf 為振動峰值。TdttzT02)(1TdttzT0| )(|1frmszzz21222. 諧振動頻率的測量諧振動頻率的測量 諧振動的頻率是單一頻率，測量方法分直接法直接法和比較法比較法兩種。 直接法直接法是將拾振器的輸出信號送到各種頻率計或頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。 在缺少直接測量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測得頻率。常用的比較法有錄波比錄波比較法較法和李沙育圖形法李沙育圖形法。 錄波比較法錄波比較法是將被測振動信

12、號和時標(biāo)信號一起送入示波器或記錄儀中同時顯示，根據(jù)它們在波形圖上的周期或頻率比，算出振動信號的周期或頻率。 李沙育圖形李沙育圖形法則是將被測信號和由信號發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)頻率正弦波信號分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據(jù)熒火屏上呈現(xiàn)出的李沙育圖形來判斷被測信號的頻率。3. 相位角的測量相位角的測量相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意義。義。測定同頻兩個振動之間的相位差也常用直讀直讀法法和比較法比較法。 直讀法是利用各種相位計直接測定。直讀法是利用各種相位計直接測定。 比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。種。錄波比較法

13、利用記錄在同一坐標(biāo)紙上的被測信號與參考信號之間的時間差求出相位差； （5.14）李沙育圖測相位法則是根據(jù)被測信號與同頻的標(biāo)準(zhǔn)信號之間的李沙育圖形來判別相位差。360T5.3 機械阻抗測量機械阻抗測量 振動測量從本質(zhì)上說屬動態(tài)測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應(yīng)信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激振動測量的一個主要目的就是通過對激勵和響應(yīng)信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性勵和響應(yīng)信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動測量是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和設(shè)備故障

14、診斷的基礎(chǔ)。(1)(1)機械阻抗與機械導(dǎo)納機械阻抗與機械導(dǎo)納機械阻抗與機械導(dǎo)納的一般定義為: (Z)= （5.23） (M)= = (5.24)機械阻抗)()(RF響應(yīng)激勵機械導(dǎo)納)()(RF激勵響應(yīng)Z1 機械系統(tǒng)的激勵一般是力，系統(tǒng)的響應(yīng)可用位移、速度和加速度來表達(dá)，故機械阻抗和機械導(dǎo)納又各有三種形式。位移阻抗又稱為動剛度，位位移阻抗又稱為動剛度，位移導(dǎo)納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速移導(dǎo)納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速度導(dǎo)納簡稱導(dǎo)納，加速度阻抗又稱為視在質(zhì)量，度導(dǎo)納簡稱導(dǎo)納，加速度阻抗又稱為視在質(zhì)量，加速度導(dǎo)納又稱為機械慣性。加速度導(dǎo)納又稱為機械慣性。 機械阻抗是復(fù)量，可寫成幅

15、值、相角、或?qū)嵅?、虛部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。 在評價結(jié)構(gòu)抗振能力時常用動剛度，在共振區(qū)動剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動對人體感受影響時，常用速度阻抗；在分析振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷時，常用機械慣性；在分析車廂等振動、噪聲時則常用速度導(dǎo)納。 機械阻抗測試是在結(jié)構(gòu)上施加激振力，同時測量力和響應(yīng)，所得機械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質(zhì)無關(guān)。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試正弦激勵測試、隨機激勵測試隨機激勵測試和瞬態(tài)激勵測試瞬態(tài)激勵測試三種。(2)(2)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最

16、常用的一種激勵方式。它具有能量它具有能量集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激勵。勵。 單點激勵就是采用一個激振器，對結(jié)構(gòu)上單點激勵就是采用一個激振器，對結(jié)構(gòu)上某一點進(jìn)行激勵。某一點進(jìn)行激勵。 多點激勵是用兩個或兩個以上的激振器對多點激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進(jìn)行激勵。被測物同時進(jìn)行激勵。圖5.11 穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器機械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機電荷放大器加速度計柔性桿力傳感器被測試件 阻抗頭是一個高精度、由力傳感器和加速度計同軸安裝構(gòu)成的傳感器，如圖5.12所示。它裝在激振器頂桿和試件之間，前端是力傳

17、感器，后面為測量激振點響應(yīng)的加速度計。在構(gòu)造上應(yīng)使兩者盡量接近，質(zhì)量塊為鎢合金制成，殼體用鈦制造。為了使力傳感器的激振平臺具有剛度大、質(zhì)量小的性能，采用鈹來制造。分析儀器的作用是對激勵及響應(yīng)信號進(jìn)分析儀器的作用是對激勵及響應(yīng)信號進(jìn)行采樣、變換、運算，從而求出傳遞函數(shù)的行采樣、變換、運算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關(guān)積分?jǐn)?shù)字相關(guān)積分式分析儀式分析儀，也可用FFT分析儀。 1力敏壓電片；2加速度信號輸出； 3安裝面；4外殼；5質(zhì)量塊；6-加速度敏壓電片；7力信號輸出； 8硅橡

18、膠密封圈；9驅(qū)動端面(3)瞬態(tài)激勵測試 磁帶記錄儀電荷放 大 器器傳遞函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計微型計算機X-Y繪圖儀打印機去 計 算 機 中心圖5.13 脈沖錘擊法測試原理框圖脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5.14所示。它由錘頭、測力計、附加質(zhì)量和錘它由錘頭、測力計、附加質(zhì)量和錘柄四部分組成。柄四部分組成。錘頭力傳感器錘柄附加配重 表5.4 常用錘頭材料及使用范圍 材料橡皮尼龍66有機玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500以下5001000以下1k3k2k5k(4)(4)隨機激振隨機激振 隨機激振一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源，也是一種寬帶激振方法。5.4 振動信號的頻譜分析振動信號的頻譜分析 在振動測量中，由測振傳感器接收的信號通常是復(fù)雜的時間函數(shù)。利用信號處理技術(shù)，通利用信號處理技術(shù)，通過傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號加以過傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號加以分析的方法就稱為頻譜分析。分析的方法就稱為頻譜分析。頻譜分析技術(shù)包括幅值譜分析、自功率譜頻譜分析技術(shù)包括幅值譜分析、自功率譜密度函數(shù)分析、互功率譜密度