傳感器測(cè)試基礎(chǔ)第七章 振動(dòng)測(cè)試

1、傳感器測(cè)試基礎(chǔ)第七章 振動(dòng)測(cè)試第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日7.1 概述小轎車的乘坐舒適性試驗(yàn)框圖 第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日機(jī)械振動(dòng)定義機(jī)械振動(dòng)是物體在一定位置附近所作的周期性往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，例如單擺。 構(gòu)成機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去的性質(zhì)，恢復(fù)性就是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。三個(gè)基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，2

2、1點(diǎn)30分，星期日產(chǎn)生的物理原因機(jī)械在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等因素，產(chǎn)生各種振動(dòng)。振動(dòng)研究所涉及的問(wèn)題 測(cè)量設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)參量，了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)，尋找振源；對(duì)設(shè)備激振，測(cè)試其受迫振動(dòng)，以求得被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、機(jī)械阻抗等。第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一般組成框圖 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量方法 按振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式分:電測(cè)法機(jī)械測(cè)量法光測(cè)法第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日振動(dòng)的分類(1) 從產(chǎn)生振動(dòng)的方式來(lái)分： 自由振動(dòng)：僅受初始條件(初始位移、初始速度)

3、激勵(lì)而引起的振動(dòng)； 受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在持續(xù)外力激勵(lì)下的振動(dòng)。 自激振動(dòng)：在沒(méi)有外激勵(lì)作用的情況下，由系統(tǒng)自身激發(fā)所產(chǎn)生的一種振動(dòng)(2)從振動(dòng)的規(guī)律來(lái)分 簡(jiǎn)諧振動(dòng) 復(fù)合周期振動(dòng) 瞬態(tài)振動(dòng) 隨機(jī)振動(dòng)(3)按系統(tǒng)自由度分單自由度振動(dòng) 多自由度振動(dòng) 連續(xù)彈性體振動(dòng) 第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日7.2 振動(dòng)的基本知識(shí)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)質(zhì)量m在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)方程為 c粘性阻尼系數(shù)； k彈簧剛度；(t)系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入；z(t)系統(tǒng)的輸出。 拉氏變換 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 傳遞函數(shù)為 (1)單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng) 第7頁(yè)

4、，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日令s=jw，則 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)系統(tǒng)的固有頻率 系統(tǒng)的阻尼率 第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日幅頻曲線 相頻曲線 第9頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日在幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為位移共振頻率 隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動(dòng)； 幅頻曲線 當(dāng)無(wú)阻尼時(shí)，位移共振頻率wr即為固有頻率wn 當(dāng)系統(tǒng)的阻尼x很小時(shí)，位移共振頻率wr接近系統(tǒng)的固有頻率wn，可用作為的估計(jì)值。 第10頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在w /wr

5、=1時(shí)位移始終落后于激振力90，此現(xiàn)象稱為相位共振。 相頻曲線 利用相頻特性來(lái)確定固有頻率比較準(zhǔn)確 幅頻曲線 第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(2)由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng) 單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng) 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)第12頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng) 設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為Z1，質(zhì)量m的絕對(duì)位移為Z0，則系統(tǒng)的振動(dòng)可用方程式表示為： 拉氏變換并，令s=jw ，得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日幅頻曲線 相頻曲線 第14頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，

6、5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(3)多自由度系統(tǒng)振動(dòng) 多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)方程式一般是相互耦合的常微分方程組；通過(guò)坐標(biāo)變換，可以把系統(tǒng)的振動(dòng)方程變成一組相互獨(dú)立的二階常微分方程組，其中的每一個(gè)方程式可以獨(dú)立求解；系統(tǒng)參數(shù)由若干個(gè)固有頻率、阻尼率、當(dāng)量剛度、當(dāng)量質(zhì)量、主振型等參數(shù)；多自由度系統(tǒng)在特定條件下，都按某一階固有頻率進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為主振型。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(4) 機(jī)械阻抗的概念機(jī)械阻抗: 線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵(lì)的情況下，在頻域內(nèi)激勵(lì)與響應(yīng)之比 K(s)=F(s)/Y(s) K(w)=F(w)/Y(w)傳遞函數(shù) H(s)=Y(s)

7、/F(s) 頻率響應(yīng)函數(shù) H(w)=Y(w)/F(w)機(jī)械阻抗為系統(tǒng)傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù) 機(jī)械阻抗的倒數(shù)為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納機(jī)械系統(tǒng)框圖 第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日7.3 振動(dòng)的測(cè)量 如果知道了系統(tǒng)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動(dòng)態(tài)特性。振動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗(yàn)方法。為了完成上述測(cè)試任務(wù)，一般說(shuō)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個(gè)主要部分：被測(cè)對(duì)象傳感器測(cè)量電路振動(dòng)分析儀顯示記錄激振器功率放大器信號(hào)發(fā)生器機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖第17頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日激勵(lì)部分實(shí)現(xiàn)

8、對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振裝置組成。拾振部分檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號(hào))。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。分析記錄部分將拾振部分傳來(lái)的信號(hào)記錄下來(lái)供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。第18頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(1) 振動(dòng)的激勵(lì)穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方法激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號(hào)，測(cè)出激勵(lì)大小和響應(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)的大小。瞬態(tài)激勵(lì)方法激勵(lì)信號(hào)是一種瞬態(tài)信號(hào)，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，

9、即一次同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。是一種快速測(cè)試方法?？焖僬覓呙?脈沖錘擊 階躍松弛激勵(lì)隨機(jī)激勵(lì)方法純隨機(jī)激勵(lì) 偽隨機(jī)激勵(lì)第19頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日瞬態(tài)激勵(lì)方法快速正弦掃描正弦激勵(lì)信號(hào)在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描（數(shù)秒內(nèi)完成），激振信號(hào)頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號(hào)的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵(lì)的目的?？焖僬覓哳l信號(hào)及其頻譜第20頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日脈沖錘擊激勵(lì)用脈沖錘對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，施加一個(gè)脈沖力，使之發(fā)生振動(dòng)。由于錘擊

10、力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵(lì)方法。特點(diǎn)：階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵(lì)方法。階躍松馳激勵(lì)實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過(guò)力傳感器對(duì)系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。第21頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日隨機(jī)激勵(lì)方法純隨機(jī)激勵(lì)理想的純隨機(jī)信號(hào)是具有高斯分布的白噪聲，它在整個(gè)時(shí)間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。偽隨機(jī)激勵(lì)偽隨機(jī)信號(hào)是一種有周期性的隨機(jī)信號(hào)，它在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是純隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是完

11、全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截?cái)?，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號(hào)。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日激振器電動(dòng)式激振器當(dāng)Fi以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化時(shí)，則作用在激振對(duì)象上的力F也為同頻率的簡(jiǎn)諧力。使用時(shí)在頂桿與激振對(duì)象之間加一個(gè)力傳感器，以精確地測(cè)出激振力F(t)電動(dòng)式激振器1-彈簧；2-殼體；3-磁鋼；4-頂桿；5-磁極；6-鐵心；7-驅(qū)動(dòng)線圈第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日電磁式激振器激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而被測(cè)對(duì)象作為銜鐵，在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)。電磁激振器是非接觸式的，沒(méi)有

12、附加質(zhì)量和剛度的影響，頻率上限約為500-800Hz。電磁激振器1-底座；2-鐵心；3-勵(lì)磁線圈；4-銜鐵；5-力檢測(cè)線圈；6-位移傳感器第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日脈沖錘脈沖錘由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力；錘擊力的大小由錘擊質(zhì)量和錘擊被測(cè)系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度決定。激勵(lì)的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，上限頻率w 越高。為了能調(diào)整激勵(lì)頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。 T1，即wwn的情況下，A(w)1，滿足測(cè)試幅值不失真的條件；當(dāng)系統(tǒng)的阻尼率x接近0.7時(shí)， A(w) 更接近直線由相頻圖，當(dāng)w

13、wn 時(shí)，沒(méi)有一條相頻曲線為近似斜率為負(fù)的直線，故不能滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試相位不失真的條件；而當(dāng)w (78)wn時(shí)，相位差接近-180，此時(shí)滿足測(cè)試相位不失真的條件。設(shè)計(jì)和使用慣性式拾振器時(shí)使慣性式拾振器的固有頻率較低，同時(shí)使系統(tǒng)的阻尼率在0.50.7之間，這樣可以保證工作頻率的下限到w =1.7wn，幅值誤差不超過(guò)5當(dāng)使用w (78) wn進(jìn)行相位測(cè)試時(shí)，需要用移相器獲得相位信息。幅頻曲線 相頻曲線 第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(2) 測(cè)振傳感器電渦流位移傳感器電容加速度傳感器壓阻加速度傳感器磁電式速度計(jì)壓電加速度計(jì)光學(xué)測(cè)振儀1-頂桿;2-彈簧片;3-磁鋼;4-線圈;5-引出線;6-殼體磁電式相對(duì)速度計(jì)第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日當(dāng)光程差每變化半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，明暗條紋變化一次。設(shè)一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，計(jì)得干涉條紋變化數(shù)為N，則：邁克爾遜干涉儀第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日激光多普勒測(cè)振原理第31頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(3) 振動(dòng)信號(hào)分析儀器振動(dòng)計(jì)頻率分析儀頻率特性與傳遞函數(shù)分析儀數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)第32頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)30分，星期日(4) 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例汽車平順性測(cè)