機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第六章

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課件第六章第1頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四一、機(jī)械的振動(dòng)是工程技術(shù)和日常生活常見(jiàn)的現(xiàn)象。 在大多數(shù)的情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的。振動(dòng)常常破壞機(jī)械的正常工作，振動(dòng)的動(dòng)載荷使機(jī)械加快失效，降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命身甚至導(dǎo)致?lián)p壞造成事故。振動(dòng)也有可以被利用的一方面，如運(yùn)輸、夯實(shí)、搗固、清洗、脫水、時(shí)效等。 二、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)及其產(chǎn)生的噪聲，一般都具有相同的頻率組成。 雖然兩者傳輸方式以及各自的頻率成分之間的強(qiáng)度比例都不一樣，但它們的頻譜都在某中程度上反映機(jī)器運(yùn)行狀況，均可作為監(jiān)測(cè)工況、評(píng)價(jià)運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量時(shí)的測(cè)試參數(shù)。三、振動(dòng)測(cè)試在生產(chǎn)和科研的許多方面都占有重要

2、地位。四、振動(dòng)測(cè)試大致可分為兩類： 一類是測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動(dòng)。另一類是對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生振動(dòng)，然后測(cè)量其振動(dòng)；此類振動(dòng)的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。 對(duì)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)只需測(cè)出被測(cè)對(duì)象某些點(diǎn)的位移或速度、加速度和振動(dòng) 頻率。有時(shí)則需要對(duì)所測(cè)的信號(hào)作進(jìn)一步的分析和處理，如譜分析、相關(guān)分析等，進(jìn)而確定對(duì)象的固有頻率、阻尼比、剛度、振型等振動(dòng)參數(shù)。求出被測(cè)對(duì)象的頻率響應(yīng)特性，或?qū)ふ艺裨?，并為采取有效?duì)策提提供依據(jù)。第一節(jié) 概述第2頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四(其中c為粘性阻尼系數(shù)，k為 彈性剛度，激 振力f(t)為系 統(tǒng)的輸入，振 動(dòng)位移

3、z為系統(tǒng) 的輸出)一、質(zhì)量塊受力引起的受迫振動(dòng) 如圖所示的單自由度系統(tǒng)，其質(zhì)量塊m在外力 f(t)作用下的運(yùn)動(dòng)方程為： 求系統(tǒng)頻率響應(yīng)H()和幅頻特性A()、相 頻特性 如下：第二節(jié) 單由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)第3頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四位移共振頻率、速度共振頻率和相位共振的定義 通常把頻幅曲線上幅值比最大處的頻率稱為位移共振頻率。 當(dāng) ，故 常作為 的估計(jì)值。 若輸入為力,輸出為振動(dòng)速度時(shí),則系統(tǒng)幅頻特性最大處的 頻率稱為速度共振頻率.(速度共振頻率始終和固有頻率相等) 從相頻曲線上可看到,不管系統(tǒng)的阻尼比是多少,在(/ n)=1 時(shí)位移始終落后于激振力90度,這被

4、稱為相位共振*小結(jié)：在激振頻率遠(yuǎn)小于固有頻率時(shí),輸出位移隨激振 頻率的變化非常小;當(dāng)激振頻率大于固有頻率時(shí) 輸出位移為零,質(zhì)量塊近于靜止;當(dāng)激振頻率接近 固有頻率時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)特性取決于系統(tǒng)阻尼,并隨 頻率的變化而劇烈的變化. 小結(jié)第4頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四二、由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起的受迫振動(dòng) 設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移Z1，質(zhì)量塊m的絕對(duì)位移為Z0如圖示： 若考察m的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而上式可寫(xiě)為： 可以求出頻率響應(yīng)函數(shù)H()幅頻特性A()和 相頻特性()。 小結(jié)：當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時(shí)質(zhì)量塊相對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)為0，也就是質(zhì)量塊幾乎隨著基礎(chǔ)一起振動(dòng)；而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固有頻率時(shí)，

5、A()接近1，說(shuō)明質(zhì)量塊和殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（輸出）和基礎(chǔ)的振動(dòng)（輸入）近似相等。從而表明質(zhì)量塊再慣性坐標(biāo)系中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起的受迫振動(dòng)第5頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四三、單自由度振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小結(jié) 測(cè)試工作中的許多工程問(wèn)題，往往可以用彈簧-阻尼器-質(zhì)量塊構(gòu)成的單自 由度模型來(lái)描述，但是在不同的場(chǎng)合下所處理的輸入、輸出量往往是不同的，從而其頻率響應(yīng)函數(shù)及幅頻、相頻特性也不同。由此，歸納如下表：*其中各參數(shù)如下： * * *單自由度振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)小節(jié)第6頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四輸入頻率響應(yīng)表7-1輸出頻率響應(yīng) 幅頻特性

6、相頻特性 絕對(duì)速度相對(duì)速度位移速度加速度位移速度加速度基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)位移頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性 速度頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性加速度頻率響應(yīng)幅頻特性相頻特性力f(t)表7-1 單自由度振動(dòng)系統(tǒng) 的頻率響應(yīng)第7頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四第三節(jié) 振動(dòng)的激勵(lì)激振方式的分類穩(wěn)態(tài)正弦激振隨機(jī)激振瞬態(tài)激振穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法，主要優(yōu)點(diǎn)：激振功率大、信噪比高能保證測(cè)試的精確度；缺點(diǎn)是：測(cè)試周期長(zhǎng)。隨機(jī)激振是寬帶激振方法.優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)快速甚“實(shí)時(shí)”測(cè)試.缺點(diǎn)：所需設(shè)備復(fù)雜而且價(jià)格昂貴。瞬態(tài)激振也是寬帶激振方法.按照激振方式的不同又可以分為:快速正弦激振脈沖激振階躍激振第8頁(yè)，

7、共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四 激振器是對(duì)試件施加某中預(yù)定要求的激振力，激起試件振動(dòng)的裝置。 通常的激振器有：電動(dòng)式、電磁式、電液式。 一、電動(dòng)式激振器 按起磁場(chǎng)的形成又分為永磁和勵(lì)磁。 二、電磁式激振器 三、電液式激振器 第四節(jié) 激振器第9頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四振動(dòng)測(cè)量方法按振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后的形式可分為：電測(cè)法、機(jī)械法、 光學(xué)法。原理見(jiàn)上表：第五節(jié) 振動(dòng)的測(cè)量方法及測(cè)振傳感器名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)電測(cè)法將被測(cè)件的振動(dòng)量轉(zhuǎn)化成電量,而后用電量測(cè)試儀測(cè)量靈敏度高，頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、和線形范圍寬。便于分析。易受電磁干擾。目前應(yīng)用最廣。機(jī)械法利用光杠桿

8、原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多普效應(yīng)和光纖等測(cè)量抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、和線形范圍窄。測(cè)試時(shí)會(huì)給試件產(chǎn)生一定的負(fù)載效應(yīng)，影響測(cè)試結(jié)果。主要用于低頻大振幅振動(dòng)及扭振的測(cè)量。光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理、激光多普效應(yīng)和光纖等測(cè)量不受電磁干擾，測(cè)量精度高，適用于對(duì)質(zhì)量和體積小、不易安裝傳感器的試件作非接觸測(cè)量。在精密測(cè)量和傳感器、測(cè)振儀的校準(zhǔn)、定度中用的較多。第10頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四拾振器 按測(cè)振時(shí)拾振器是否與被測(cè)件接觸可將拾振器分為：接觸式和非接觸式 按所測(cè)的振動(dòng)性質(zhì)可將拾振器分為：絕對(duì)式和相對(duì)式拾振器絕對(duì)式拾振器的輸出描述

9、被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)相對(duì)式拾振器的輸出描述測(cè)物體之間的的相對(duì)振動(dòng)使用時(shí)殼體固定在被測(cè)物體上內(nèi)部利用彈簧量系統(tǒng)感受振動(dòng)。也被稱為慣性拾振器使用時(shí)其殼體和測(cè)桿分別和不同的測(cè)件聯(lián)系第11頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四幾種常用的傳感器一、渦流位移傳感器二、磁電式速度計(jì)三、壓電式加速度計(jì)四、伺服式加速度計(jì)五、壓阻式加速度計(jì)六、阻抗頭七、測(cè)振傳感器的合理選用 直接測(cè)量參數(shù)的選擇 綜合考慮傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度 考慮具體使用的環(huán)境要求、價(jià)格、壽命、可靠性等因素。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四信號(hào)發(fā)生器功放激振器測(cè)試對(duì)象拾振器拾振器中間轉(zhuǎn)換電路振

10、動(dòng)分析儀記錄儀器參考信號(hào)第六節(jié) 振動(dòng)的分析方法與儀器一、基于帶通濾波技術(shù)的頻譜分析儀 對(duì)模擬信號(hào)作譜分析的實(shí)質(zhì)是用不同中心頻率的帶通濾波器分離出信號(hào)在濾波器帶通內(nèi)的信號(hào)。二、跟蹤濾波技術(shù) 跟蹤濾波是指濾波器中心頻率能自動(dòng)的跟隨參考信號(hào)，從而達(dá)到在強(qiáng)噪聲干 擾下提取有用信息的濾波方法。 第13頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四相關(guān)濾波器一、相關(guān)濾波技術(shù)測(cè)試信號(hào)參考信號(hào)或光電脈沖正交信號(hào)發(fā)生（變換）裝置低通濾波器低通濾波器坐標(biāo)變換頻率測(cè)量（相乘）（積分平均）7-24 利用相關(guān)原理進(jìn)行濾波的振動(dòng)分析儀原理圖從式中可以看出相關(guān)濾波提取了信號(hào)x(t)中頻率與參考信號(hào)一致的成分的幅值

11、和相位.其中T 的條件表明,只有相關(guān)處理的時(shí)長(zhǎng)足夠長(zhǎng),才有可能獲得無(wú)誤的幅相信息. 第14頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四變頻式(外差)跟蹤濾波器二、變頻式(外差)跟蹤濾波器100kHz晶體濾波器CCCC比相頻率測(cè)量比相晶體振蕩器參考信號(hào)量測(cè)信號(hào)相乘相乘相減C100kHz變頻式(外差)跟蹤濾波器原理圖第15頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四振動(dòng)信號(hào)的處理和分析三、振動(dòng)信號(hào)的處理和分析 運(yùn)用數(shù)字方法處理振動(dòng)測(cè)量的信號(hào)日益廣泛地被采用。振動(dòng)信號(hào)的處理是通過(guò)A/D接口和軟件在通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，也可以把振動(dòng)信號(hào)送如數(shù)字信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行各種譜分析和估計(jì)。一般

12、譜分析 在采樣前應(yīng)經(jīng)抗混疊濾波，并根據(jù)最高頻率和采樣定理來(lái)選擇采樣頻率。一般先估計(jì)信號(hào)中感興趣的最高頻率，據(jù)此選擇抗混疊濾波器的截止頻率，而后確定采樣頻率。通過(guò)自功率譜的分析最終可以得到信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的全貌。與激振頻率同頻成分的提取 用相關(guān)濾波或FFT算法都可以實(shí)現(xiàn)這種要求。對(duì)于FFT，為了防止泄露誤差和柵欄效應(yīng)，應(yīng)使FFT譜線落在參考信號(hào)的頻率上。為此截取信號(hào)時(shí)長(zhǎng)等于參考信號(hào)周期的整數(shù)倍。寬帶激勵(lì)下系統(tǒng)傳輸特性的求法這時(shí)分析的兩個(gè)信號(hào)記錄應(yīng)該是同時(shí)發(fā)生的，不允許有時(shí)差；兩通道應(yīng)該使用相同的采樣頻率和時(shí)長(zhǎng)；頻譜分析使用相同的窗函數(shù)和分析程序。一般采用多段記錄分析，將其進(jìn)行平均，以提高測(cè)試的精度。

13、第16頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四在阻尼較小時(shí)可以認(rèn)為 由此可知 阻尼比可以根據(jù)振動(dòng)曲線相鄰 峰值的衰減比確定。第七節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)的估計(jì)一、自由振動(dòng)法如圖所示單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)的曲線：Z(t)由阻尼振動(dòng)曲線，通過(guò)時(shí)標(biāo)確定周期T，可得： 。 圖7-26阻尼衰減振動(dòng)曲線a)力學(xué)模型 b)衰減振動(dòng)曲線a)b)T0MiMi-1第17頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四二、共振法從幅頻特性曲線進(jìn)行估計(jì) 在系統(tǒng)阻尼小的情況下，有 所以阻尼比的估 值可為： 其中二、共振法利用相頻曲線特性進(jìn)行估計(jì)當(dāng)激振頻率等于固有頻率時(shí)，位移的相位角總是滯后90度。而從

14、所測(cè)相頻曲線求得 處的斜率就可以估算阻尼比第18頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四由虛、實(shí)部的表達(dá)式和圖象可知：在 處，實(shí)部為零；虛部為 因此可以確定系統(tǒng)的固有頻率實(shí)頻曲線在 處有最大值，而在 處有最小值。由此可 以近似估計(jì)系統(tǒng)的阻尼比。（ 共振法）根據(jù)位移響應(yīng)的虛、實(shí)部頻率特性進(jìn)行估計(jì) 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng) ：則虛、實(shí)部可寫(xiě)為：圖7-28 虛頻曲線圖7-27 實(shí)頻曲線第19頁(yè)，共20頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)57分，星期四第八節(jié) 測(cè)振裝置的校準(zhǔn)因?yàn)槭罢衿髟谏a(chǎn)工廠進(jìn)行校準(zhǔn)或使用一段時(shí)間后靈敏度會(huì)改變，所以在進(jìn)行測(cè)量工作之前要校準(zhǔn)。常用的校準(zhǔn)方法有：絕對(duì)法、相對(duì)法和校準(zhǔn)器法。一、絕對(duì)法將被校準(zhǔn)拾振器固定在校準(zhǔn)工作臺(tái)上，用激光干涉測(cè)振儀直接測(cè)得振動(dòng)臺(tái)的振幅，在和被校準(zhǔn)