機械振動的測試

1、Measurement and Test for Mechanical Vibration第第7章章 機械振動的測試機械振動的測試第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 學習機械振動的基本知識，重點掌握機械系統(tǒng)的力學習機械振動的基本知識，重點掌握機械系統(tǒng)的力學模型、單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動、慣性式測振傳學模型、單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動、慣性式測振傳感器（特別是壓電式加速度計）的原理與結(jié)構(gòu)。對振動感器（特別是壓電式加速度計）的原理與結(jié)構(gòu)。對振動的激勵、振動系統(tǒng)參數(shù)的測試有一般了解。的激勵、振動系統(tǒng)參數(shù)的測試有一般了解。重點重點單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動，慣性式測振傳感單自由度振動系統(tǒng)的

2、受迫振動，慣性式測振傳感器原理，壓電式加速度計。器原理，壓電式加速度計。學習目標學習目標重點與難點重點與難點難點難點慣性式測振傳感器原理。慣性式測振傳感器原理。第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.1 概述概述7.2 振動測試的理論基礎(chǔ)振動測試的理論基礎(chǔ)7.3 測振傳感器測振傳感器7.4 振動的激勵振動的激勵7.5 機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計7.6 振動測試示例振動測試示例學習內(nèi)容學習內(nèi)容第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 機械振動是工程技術(shù)中常見的物理現(xiàn)象。除了利用機械振動是工程技術(shù)中常見的物理現(xiàn)象。除了利用振動原理進行工作的機械以外，振動都是有害的。振

3、動振動原理進行工作的機械以外，振動都是有害的。振動能破壞機械的正常工作，加快機械的失效，降低其壽命。能破壞機械的正常工作，加快機械的失效，降低其壽命。振動本身以及由它引起的噪聲，對人體的健康也是有害振動本身以及由它引起的噪聲，對人體的健康也是有害的。通過對機械設(shè)備振動的測量，可以對其工作狀態(tài)進的。通過對機械設(shè)備振動的測量，可以對其工作狀態(tài)進行實時檢測，進行故障診斷，還可以為改進其動態(tài)特性行實時檢測，進行故障診斷，還可以為改進其動態(tài)特性提供依據(jù)。提供依據(jù)。 7.1 概述概述Introduction第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試機械振動（簡稱振動）機械振動（簡稱振動）：一種特殊的運動

4、形式，指的是：一種特殊的運動形式，指的是機械系統(tǒng)的某些運動學參數(shù)（如振幅、振動速度、振動機械系統(tǒng)的某些運動學參數(shù)（如振幅、振動速度、振動加速度等）在一定數(shù)值附近隨時間變化的振蕩現(xiàn)象。加速度等）在一定數(shù)值附近隨時間變化的振蕩現(xiàn)象。7.1.1 機械振動的概念機械振動的概念7.1.2 振動的分類振動的分類1. 按產(chǎn)生振動的原因分按產(chǎn)生振動的原因分 自由振動自由振動系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈性恢復力和慣性力來維持的振動身由彈性恢復力和慣性力來維持的振動 受迫振動受迫振動由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動 自激振動

5、自激振動沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試2. 按振動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律分按振動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律分 確定性振動確定性振動 非確定性振動（隨機振動）非確定性振動（隨機振動）振動參數(shù)隨時間的變化無確定規(guī)律的振動，需按概率數(shù)理振動參數(shù)隨時間的變化無確定規(guī)律的振動，需按概率數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理統(tǒng)計的方法來處理簡諧振動簡諧振動 （正弦振動）（正弦振動）非簡諧周期振動非簡諧周期振動 瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動 振動參數(shù)隨時間按正弦或余弦規(guī)律變振動參數(shù)隨時間按正弦

6、或余弦規(guī)律變化的周期性振動，是最基本的振動形式化的周期性振動，是最基本的振動形式振動參數(shù)隨時間非按正弦或余弦規(guī)律振動參數(shù)隨時間非按正弦或余弦規(guī)律變化的周期性振動變化的周期性振動振動參數(shù)隨時間按非周期規(guī)律變化的振動參數(shù)隨時間按非周期規(guī)律變化的振動振動第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試3. 按振動系統(tǒng)的自由度分按振動系統(tǒng)的自由度分 單自由度振動單自由度振動用一個廣義坐標即可描述振動體位置的振動用一個廣義坐標即可描述振動體位置的振動 多自由度振動多自由度振動需用兩個或兩個以上廣義坐標才能描述振動體位置的振動需用兩個或兩個以上廣義坐標才能描述振動體位置的振動 連續(xù)彈性體振動連續(xù)彈性體振動需用

7、無限個廣義坐標才能描述振動體位置的振動需用無限個廣義坐標才能描述振動體位置的振動4. 按振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特征分按振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特征分 非線性振動非線性振動需用非線性微分方程描述的振動，不能運用疊加原理需用非線性微分方程描述的振動，不能運用疊加原理可用線性微分方程描述的振動，能運用疊加原理可用線性微分方程描述的振動，能運用疊加原理 線性振動線性振動第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.1.3 振動測試的主要工作內(nèi)容振動測試的主要工作內(nèi)容1. 基本振動參數(shù)的測試基本振動參數(shù)的測試 產(chǎn)品質(zhì)量檢測、工況監(jiān)測、故障診斷產(chǎn)品質(zhì)量檢測、工況監(jiān)測、故障診斷液壓馬達、機車牽引電機振動的檢測液壓馬

8、達、機車牽引電機振動的檢測第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 7.2 振動測試的理論基礎(chǔ)振動測試的理論基礎(chǔ)Theoretical Foundation forTest and Measurement of Vibration7.2.1 簡諧振動簡諧振動 簡諧振動是最簡單、最基本的簡諧振動是最簡單、最基本的機械振動形式，其振動參數(shù)（振幅、機械振動形式，其振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）均為時間振動速度、振動加速度）均為時間的正弦或余弦函數(shù)。的正弦或余弦函數(shù)。其他復雜的振其他復雜的振動都可以看成許多或無窮個簡諧振動都可以看成許多或無窮個簡諧振動的合成（疊加）。動的合成（疊加）。第第

9、7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 tAtzzsin)(振幅振幅振動速度振動速度 2sin)( tAdttdzz 振動加速度振動加速度 tAdttzdzsin)(222 )(tz第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.2.2 單自由度振動系統(tǒng)的力學模型單自由度振動系統(tǒng)的力學模型 對于一般的機械系統(tǒng)來說，其力學模型通?？珊喕癁閷τ谝话愕臋C械系統(tǒng)來說，其力學模型通?？珊喕癁橐粋€一個二階的二階的“質(zhì)量質(zhì)量-彈簧彈簧-阻尼阻尼”單自由度振動系統(tǒng)單自由度振動系統(tǒng)。 “質(zhì)量質(zhì)量-彈簧彈簧-阻尼阻尼”系統(tǒng)系統(tǒng)阻尼比阻尼比kmc2 固有頻率固有頻率mkn 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的

10、測試1. 由作用在質(zhì)量上的力所引起的受迫振動由作用在質(zhì)量上的力所引起的受迫振動 振動方程為振動方程為)(22tfkzdtdzcdzzdm 振動系統(tǒng)動態(tài)特性振動系統(tǒng)動態(tài)特性測試的理論基礎(chǔ)！測試的理論基礎(chǔ)！22dtzdz 振動加速度振動加速度dtdzz 振動速度振動速度z振幅振幅7.2.3 單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)kcsmssFsZsH 21)()()(頻響函數(shù)頻響函數(shù) nnjkjFjZjH /2/1/1)()()(2 kmc2 其中其中 ， 。mkn 222/2/1/1)(nnkA 幅頻特性幅頻特性相頻特性相

11、頻特性 2/1/2arctan)(nn 二階二階低通低通第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試707. 0 幅值（位移）共振幅值（位移）共振：當：當 時，對應于某一頻率幅頻時，對應于某一頻率幅頻特性值出現(xiàn)最大峰值的現(xiàn)象。特性值出現(xiàn)最大峰值的現(xiàn)象。221 nr幅值（位移）共振頻幅值（位移）共振頻率率當當 很小時，很小時， ，據(jù)此可估計固有頻率。，據(jù)此可估計固有頻率。nr 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試n 90)( n 相位共振相位共振： 當當 時，必有時，必有 ，位移響，位移響應的相位一定落后于激振力應的相位一定落后于激振力90，稱為相位共振。，稱為相位共振。 通過測定位移響

12、應的相位落后于激振力通過測定位移響應的相位落后于激振力90所對應的頻率所對應的頻率（相位共振頻率（相位共振頻率 ），也可估計固有頻率。），也可估計固有頻率。 n 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試2. 由基礎(chǔ)運動所引起的受迫振動由基礎(chǔ)運動所引起的受迫振動 振動方程為振動方程為21222dtzdmkzdtdzcdtzdm 10zzz 1z基礎(chǔ)相對大地（慣性參照系）的絕對運動基礎(chǔ)相對大地（慣性參照系）的絕對運動 0z質(zhì)量塊相對大地的絕對運動質(zhì)量塊相對大地的絕對運動 z質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)的相對運動質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)的相對運動 慣性式測振傳感器慣性式測振傳感器測振的理論基礎(chǔ)！測振的理論基礎(chǔ)！第第7

13、7章章 機械振動的測試機械振動的測試 2222/2/1/1)(nnnkA 幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性 2/1/2arctan)(nn 二階二階高通高通第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.2.4 機械阻抗與機械導納機械阻抗與機械導納 機械阻抗機械阻抗是在機械結(jié)構(gòu)的動力分析中被廣泛應用的一是在機械結(jié)構(gòu)的動力分析中被廣泛應用的一種理論分析與試驗測試相結(jié)合的動態(tài)分析方法。定義為線種理論分析與試驗測試相結(jié)合的動態(tài)分析方法。定義為線性動力學系統(tǒng)在各種激勵（激振力）性動力學系統(tǒng)在各種激勵（激振力） 下，在頻域內(nèi)激下，在頻域內(nèi)激勵勵 與響應與響應 之比，即之比，即)( jF)( jY)(tf

14、)()()( jYjFjK 機械阻抗即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。當激勵為正弦激機械阻抗即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。當激勵為正弦激振力時，機械阻抗為系統(tǒng)頻率響應函數(shù)的倒數(shù)。振力時，機械阻抗為系統(tǒng)頻率響應函數(shù)的倒數(shù)。機械阻抗的倒數(shù)即為頻率響應，又稱為機械阻抗的倒數(shù)即為頻率響應，又稱為機械導納機械導納。第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試1. 機械阻抗機械阻抗 位移阻抗（動剛度）位移阻抗（動剛度）)()()( jYjFjKD 速度阻抗（機械阻抗）速度阻抗（機械阻抗）)()()()()( jVjFjYjFjZv 加速度阻抗（表觀質(zhì)量）加速度阻抗（表觀質(zhì)量）)()()()()( jAjFjYjFjZa

15、第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試2. 機械導納機械導納 位移導納（動柔度）位移導納（動柔度）)()()( jFjYjW 速度導納（機械導納）速度導納（機械導納）)()()()()( jFjVjFjYjB 加速度導納（慣性率）加速度導納（慣性率）)()()()()( jFjAjFjYjJ 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 7.3 測振傳感器測振傳感器Sensors for Test and Measurement of Vibration 測振傳感器也稱為拾振器（測振傳感器也稱為拾振器（pick up），是將被測振），是將被測振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）轉(zhuǎn)換為與

16、之有動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）轉(zhuǎn)換為與之有對應關(guān)系的參量（如電荷、電壓、電流、電阻、電容等）對應關(guān)系的參量（如電荷、電壓、電流、電阻、電容等）的傳感裝置。可分為：的傳感裝置?？煞譃椋?慣性式（絕對式）慣性式（絕對式） 相對式相對式 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試1z被測振動位移被測振動位移（輸入）（輸入）z質(zhì)量塊相對殼體的位移響應質(zhì)量塊相對殼體的位移響應（輸出）（輸出）0z質(zhì)量塊相對大地（慣性坐標系）的位移響應質(zhì)量塊相對大地（慣性坐標系）的位移響應7.3.1 慣性式測振傳感器原理慣性式測振傳感器原理第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測

17、試zn 速度計速度計 當當 時，時， 與被測振動的速度成正比；與被測振動的速度成正比； 加速度計加速度計當當 時，時， 與被測振動的加速度成正比。與被測振動的加速度成正比。 n zzn 振幅計振幅計 當當 時，時， 與被測振動的振幅成正比；與被測振動的振幅成正比；慣性式測振傳感器測量各振動參數(shù)的慣性式測振傳感器測量各振動參數(shù)的工作條件：工作條件：z第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試1. 壓電式加速度計壓電式加速度計 結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式 B基座基座P壓電片壓電片M質(zhì)量塊質(zhì)量塊S彈簧彈簧 7.3.2 常用測振傳感器常用測振傳感器第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試壓電式加速度計壓電

18、式加速度計常用的固定方式常用的固定方式 壓電式加速度計壓電式加速度計的幅頻特性曲線的幅頻特性曲線 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 7.4 振動的激勵振動的激勵Excitation for Vibration 在很多場合下，需要按一定的方法通過激振設(shè)備使在很多場合下，需要按一定的方法通過激振設(shè)備使特定的機械系統(tǒng)振動起來，然后通過振動測量獲取該系特定的機械系統(tǒng)振動起來，然后通過振動測量獲取該系統(tǒng)的有關(guān)信息。例如：統(tǒng)的有關(guān)信息。例如： 研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、振型、動剛度、阻尼等）；率、振型、動剛度、阻尼等）； 產(chǎn)

19、品環(huán)境試驗，即一些機電產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下進產(chǎn)品環(huán)境試驗，即一些機電產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下進行的耐振試驗，以便檢驗產(chǎn)品性能及壽命情況等；行的耐振試驗，以便檢驗產(chǎn)品性能及壽命情況等； 拾振器及測振系統(tǒng)的校準試驗。拾振器及測振系統(tǒng)的校準試驗。第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.4.1 常用激振方法常用激振方法 屬于窄帶激振，應用普遍。分點頻激振和掃頻激振，屬于窄帶激振，應用普遍。分點頻激振和掃頻激振，常用磁電式激振器、電液式激振器實現(xiàn)。優(yōu)點：激振功率常用磁電式激振器、電液式激振器實現(xiàn)。優(yōu)點：激振功率大、信噪比高、能保證響應測試的精度。缺點：需要

20、較長大、信噪比高、能保證響應測試的精度。缺點：需要較長的測定時間。的測定時間。 1. 穩(wěn)態(tài)正弦激振（簡諧激振）穩(wěn)態(tài)正弦激振（簡諧激振） 屬于寬帶激振，用白噪聲信號、偽隨機信號或在實際屬于寬帶激振，用白噪聲信號、偽隨機信號或在實際工況記錄下來的隨機信號作為激振的信號源。該方法具有工況記錄下來的隨機信號作為激振的信號源。該方法具有快速實時的優(yōu)點，但設(shè)備較復雜，價格昂貴?？焖賹崟r的優(yōu)點，但設(shè)備較復雜，價格昂貴。 2. 隨機激振隨機激振第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試 屬于寬帶激振，其測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常屬于寬帶激振，其測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。3

21、. 瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 脈沖激振（最常用）脈沖激振（最常用） 階躍激振階躍激振 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試3. 阻抗頭阻抗頭 阻抗頭內(nèi)有兩個傳感器阻抗頭內(nèi)有兩個傳感器一個是力傳感器，用一個是力傳感器，用來測量施加在被測物體上的激振力；另一個是加速度來測量施加在被測物體上的激振力；另一個是加速度計，用來測量激振點處的響應。計，用來測量激振點處的響應。 測定機械點阻抗。激振器通過它對被測物體施加測定機械點阻抗。激振器通過它對被測物體施加激振力，同時也用它測量激振力和被測物體在激振點激振力，同時也用它測量激振力和被測物體在激振點處的響應。處的響應。 作

22、用作用 組成組成第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試阻抗頭阻抗頭第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.5.1 自由振動法自由振動法02222 zdtdzdtzdnn tedtdzteztzddtdtnn sin)0(cos)0()( 給單自由度系統(tǒng)一個初始振動給單自由度系統(tǒng)一個初始振動（初始速度（初始速度 或初始位或初始位移移 ），系統(tǒng)將作衰減的自由振），系統(tǒng)將作衰減的自由振動。振動方程為動。振動方程為dtdz/ )0()0( z21 nd有阻尼自由振動的圓頻率。有阻尼自由振動的圓頻率。第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試Td/ 22224nnn 測量出測量出 、 、

23、 的大小，則的大小，則TiMniM niinMM ln 其中其中當阻尼較小（例如當阻尼較?。ɡ?）時，）時， 。3 . 0 dn 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試7.5.2 共振法共振法 單自由度系統(tǒng)在受迫振動中，當激振頻率接近固有單自由度系統(tǒng)在受迫振動中，當激振頻率接近固有頻率時，振動響應就顯著增大。頻率時，振動響應就顯著增大。 對系統(tǒng)進行激振實驗，根據(jù)實驗所得到的測試記錄結(jié)對系統(tǒng)進行激振實驗，根據(jù)實驗所得到的測試記錄結(jié)果，可以用下述方法進行系統(tǒng)的振動參數(shù)估計。果，可以用下述方法進行系統(tǒng)的振動參數(shù)估計。第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試1. 由振幅響應的幅頻特性曲線估計由振幅響應的幅頻特性曲線估計 不斷改變激振頻率，不斷改變激振頻率，可測得振幅的響應曲線?？蓽y得振幅的響應曲線。幅值最大處所對應的頻率幅值最大處所對應的頻率為振幅共振頻率為振幅共振頻率221 nr小阻尼時，小阻尼時， 。rn 小阻尼時阻尼比的估計：小阻尼時阻尼比的估計：r 12 其中其中 、 滿足：滿足：1 2/ )()()(21rAAA 2 第第7 7章章 機械振動的測試機械振動的測試2. 由振幅響應的