機械工程測試第八章振動測試

1、8.1 測振傳感器8.2 典型測振傳感器8.3 振動測量與試驗8.4 振動試驗裝置簡介 機械振動測試方法：v機械方法機械方法: 振動頻率低、振幅大、精度不高。v光學(xué)方法光學(xué)方法: 精密測量和振動傳感器的標(biāo)定 v電測方法電測方法: 應(yīng)用范圍最廣 v按測振參數(shù)分按測振參數(shù)分：位移、速度、加速度傳感器；v按參考坐標(biāo)分按參考坐標(biāo)分：相對式、絕對式(慣性式）傳感器；v按變換原理分按變換原理分：磁電式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、光學(xué)式；v按傳感器與被測物關(guān)系分按傳感器與被測物關(guān)系分：接觸式、非接觸式傳感器 拾取振動信息的裝置通常稱拾振器，傳感器是其核心組成部分。機械振動測試方法：8.1 測振傳感

2、器相對式、絕對式傳感器v相對式傳感器是以空間某一固定點作為參考點，測量物體上的某點對參考點的相對位移或速度。v絕對式傳感器是以大地為參考基準(zhǔn)，即以慣性空間為基準(zhǔn)測量振動物體相對于大地的絕對振動，又稱慣性式傳感器。測桿跟隨條件： 彈簧恢復(fù)力所產(chǎn)生的加速度大于被測振動件的加速度mmmxxmxxaamxkmF2n22maxmax)(k 對簡諧振動 如果在使用中彈簧的壓縮量不夠大，或者被測物體的振動頻率過高不能滿足上述跟隨條件，頂桿與敲測物體就會發(fā)生撞擊。因此相對式傳感器只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。相對式傳感器)()()()(22tftkydttdycdttydmnnjkH21/1)(22222

3、41/1)(nnkA212arctan)(nn絕對式(慣性式)測振傳感器 Z01(y)H(w)Z1(x)幅頻曲線慣性式測振傳感器原理v慣性傳感器是二階測試系統(tǒng)。其頻率響應(yīng)函數(shù)為： v幅頻特性 (即為輸出信號與輸入信號的幅值比) 為：v相頻特性表達式為 )(41)(22222AAnnn2)(1)(2arctan)(nnnnnjH21)/()(22慣性位移傳感器的正確響應(yīng)條件：v當(dāng)測試系統(tǒng)輸入為 ,其響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出可寫為：v可見正確響應(yīng)條件： 理論上上限頻率無限 222220041nnnxytxxcos07 . 06 . 0531nn一般取慣性式速度傳感器的正確響應(yīng)條件v當(dāng)慣性傳感器的輸入為 ,輸

4、出為 時,稱為速度傳感器。對于速度傳感器,可將式(A)的分子和分母同乘被測振動頻率,得 v慣性速度傳感器與慣性位移傳感器有著相同的幅頻特性和相頻特性。v正確響應(yīng)條件： 理論上上限頻率無限x y 2222200)(4)(1)(nnnxy7 .06 .01n慣性加速度傳感器的正確響應(yīng)條件v加速度傳感器的輸入是 ,輸出是 。由式(A)得：v若 為一常數(shù),則傳感器質(zhì)量元件相對殼體的位移與被測振動加速度成正比。為便于分析幅頻特性,將式改寫：v正確響應(yīng)條件22222200)(4)(11nnnxyx y200 xy222220204)(11nnnxy7 .06 .031511）（一般?。簄n理論上下限頻率為

5、零v測振時拾振器將固定在被測物上，其質(zhì)量將成為被測振動系統(tǒng)的附加質(zhì)量。v拾振器的質(zhì)量造成被測系統(tǒng)加速度和固有頻率的變化可用下式來估計：v只有當(dāng)mtn時，質(zhì)量塊在絕對空間中近乎靜止，從而被測物（它和殼體固接）與質(zhì)量塊的相對位移、相對速度就分別近似其絕對位移和絕對速度。 慣性式速度傳感器工作原理磁電式相對速度傳感器用來測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速度，殼體固定于一部件上，而頂桿與另一部件相連接，使傳感器內(nèi)部線圈與磁鋼產(chǎn)生相對運動，發(fā)出相應(yīng)的電動勢來。 8.2.2 壓電式加速度傳感器 （1 1）壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)）壓電式加速度計的結(jié)構(gòu) l 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。屬于慣性式傳感器

6、。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。l 由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)過阻抗變換以后，可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示儀表或記錄器。l 目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起，方便了使用，降低了成本。 a)中央安裝壓縮型b)環(huán)形剪切型c)三角剪切形壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)加速度計的使用上限頻率取決于共振頻率。加速度計不同

7、固定方法，其共振頻率不同。鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。壓電式加速度計的固定方法壓電式加速度計的靈敏度壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。方法。前者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比；后者前者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電壓（是加速度計輸出電壓（mVmV）與所承受加速度之比。）與所承受加速度之比。式式 中：中： q加速度計產(chǎn)生的電荷加速

8、度計產(chǎn)生的電荷(-微微 微微 庫庫 侖侖); a加速度計所受加速度加速度計所受加速度; ea加速度計的開路電壓加速度計的開路電壓(mV);幾乎所有測振儀器都用幾乎所有測振儀器都用g g作為加速度單位。作為加速度單位。 aesaqsaua 對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。 橫向靈敏度:壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。

9、一般在殼體上用小紅點標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。壓電式加速度計的影響因素8.3 振動測量與試驗 振動參數(shù)：表示振動特性的量值。振動位移（振幅）、速度、加速度、頻率、衰減系數(shù)（阻尼）、相位、固有頻率、振型、激振力、動應(yīng)力等。速速 度度sin()cos()2dxvAtAtdt 2468101214-1-0.50.51vt xa)tcos(Ax 位位 移移振動方程振動方程加速度加速度22cos()cos()dvaAtAtdt 電壓測量系統(tǒng)電壓測量系統(tǒng)（1）、壓電式加速度傳感器測量系統(tǒng)）、壓電式加速度傳感器測量

10、系統(tǒng) 壓壓 電電 式式加速度傳感器加速度傳感器阻抗變換器阻抗變換器積分放大器積分放大器測振儀測振儀電荷放大器電荷放大器毫伏表毫伏表記錄儀表記錄儀表電荷測量系統(tǒng)電荷測量系統(tǒng)（2）、電動式速度傳感器測量系統(tǒng)）、電動式速度傳感器測量系統(tǒng) 電電 動動 式式速度傳感器速度傳感器微積分放大器微積分放大器電電 壓壓 表表測測 振振 儀儀（3）、渦流式位移傳感器測量系統(tǒng)）、渦流式位移傳感器測量系統(tǒng) 渦渦 流流 式式位移傳感器位移傳感器振蕩器振蕩器高頻放大器高頻放大器鑒頻器鑒頻器功率放大器功率放大器 輸輸 出出位移指示位移指示交流放大器交流放大器檢波器檢波器振動指示振動指示振動量測量系統(tǒng)v正弦測量系統(tǒng)： 適用于

11、按簡諧振動規(guī)律的系統(tǒng)。對機電產(chǎn)品進行動態(tài)性能測試及環(huán)境考驗時，也都是用正弦測量系統(tǒng)測量其響應(yīng)。正弦測量系統(tǒng)的優(yōu)點在于測量比較精確，因而也最為常用。v應(yīng)用正弦測量系統(tǒng)，除了測量振幅外，有時還要求測量振幅對于激勵力的相位差，以及觀察振動波形的畸變情況。典型的正弦測量系統(tǒng)如圖所示。2 . 簡諧振動頻率的測量1)、李沙育圖形法振動物體傳感器測量放大器示波器Y軸輸入X軸輸入信號發(fā)生器李李沙沙育育圖圖形形2)、錄波比較法利用時標(biāo)信號確定振動物體的頻率振動物體傳感器測量放大器光線振子示波器時標(biāo)信號：1秒、0.1秒、0.01秒0.01秒10 0.01秒（6T）秒01. 0106T秒601THz601Tf光光線

12、線振振子子示示波波器器結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡圖圖出紙速度出紙速度mm/s250v時標(biāo)時標(biāo)秒1 . 05T量出量出mm735TLs292. 0mm/s250mm735T周期：周期：s0584. 05292. 0T頻率：頻率：Hz1 .170584. 011Tf出紙速度由示波器面板讀出，出紙速度由示波器面板讀出，也可以由時標(biāo)線之間的長度計算得出。也可以由時標(biāo)線之間的長度計算得出。秒1 . 0出紙速度：出紙速度：tlvt時標(biāo)時標(biāo)時標(biāo)長度時標(biāo)長度如果取如果取 n 個波形，量出長度個波形，量出長度nL則頻率計算公式為：則頻率計算公式為：nLvnf3)、直讀法（數(shù)字頻率計數(shù)器測頻法）振動物體傳感器測量放大器放大整形

13、主控閘門計數(shù)器顯示器石英晶體振 蕩 器整 形分頻器門時選擇主控電路數(shù)字頻率計數(shù)器3. 相位差的測量1)、李沙育圖形法振動物體傳感器測量放大器示波器Y軸輸入X軸輸入信號發(fā)生器maxy1y)sin(11xAx)sin(22yAyyxmax112arcsinyy)(sin)cos(212212212221AyAxAyAx當(dāng)：0 x)sin(122 Ay即：max112arcsinyy2)、錄波比較法振動物體傳感器測量放大器光線振子示波器用光線振子示波器記錄兩個振動信號的波形1、360abac2、1222hAarctg3)、直讀法（相位差計測量法）模擬式相位計數(shù)字式相位計4 機械系統(tǒng)固有頻率的測量1)

14、、共振法位移共振：221n221n速度共振：1nn加速度共振：2211n221n小阻尼情況：11212共振頻率：n系統(tǒng)的固有頻率共振法測量固有頻率的測量系統(tǒng)試件激振器信號發(fā)生器功率放大器傳感器測 振 儀示 波 器頻 率 計恒壓恒流采用掃頻試驗，測量系統(tǒng)的各階固有頻率?？蓽y頻率范圍，由激振器的使用頻率范圍決定。1)、共振法 小阻尼情況：1共振頻率：n系統(tǒng)的固有頻率2)、敲擊法（自由振動法）試件傳感器測 振 儀光線振子示波器示波器Y軸輸入X軸輸入信號發(fā)生器5 阻尼的測量1）、自由振動法小阻尼情況：)sin()(tAetxdtn21nd2112lnlndniiTAA12?。篘iiAANln1ln2自

15、由振動法測量系統(tǒng)的阻尼試件激振器信號發(fā)生器功率放大器傳感器測 振 儀示 波 器頻 率 計恒壓恒流光線振子示波器關(guān)閉功率放大器的增益，系統(tǒng)作自由衰減振動。記錄衰減振動波形調(diào)節(jié)激振頻率，使系統(tǒng)在某一階主振型下振動，記錄該階主振型的衰減振動曲線。2）、半功率點法2220)2()1 (1BB小阻尼情況下：1品質(zhì)因子：21Q1212半功率點222)2()1 (12212Q解出：22212)21 (12121 121nn)1 ( )1 (21212n212系統(tǒng)的帶寬nn2212 測出系統(tǒng)的幅頻特性曲線，采用半功率點法求出系統(tǒng)的相對阻尼比。3）分量法求固有頻率和阻尼比v受迫振動的頻率響應(yīng)函數(shù)為： 2)1 (1)(2jH222224)1 (1)(ReH22224)1 (2)(ImH實部實部虛部虛部分量法求固有頻率