機械振動的測試

MeasurementandTestforMechanicalVibration第7章機械振動的測試

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）的原理與結構。對振動的激勵、振動系統(tǒng)參數(shù)的測試有一般了解。重點單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動，慣性式測振傳感器原理，壓電式加速度計。學習目標重點與難點難點慣性式測振傳感器原理。7.1概述7.2振動測試的理論基礎7.3測振傳感器7.4振動的激勵7.5機械系統(tǒng)振動參數(shù)的估計7.6振動測試示例學習內容機械振動是工程技術中常見的物理現(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。振動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的。通過對機械設備振動的測量，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)特性提供依據(jù)。

7.1概述Introduction機械振動（簡稱振動）：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7.1.2振動的分類1.按產生振動的原因分●

自由振動——系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈性恢復力和慣性力來維持的振動●

受迫振動——由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動●

自激振動——沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動2.按振動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律分●

確定性振動●

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)理統(tǒng)計的方法來處理簡諧振動（正弦振動）非簡諧周期振動瞬態(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3.按振動系統(tǒng)的自由度分●

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●

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●

連續(xù)彈性體振動——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)結構參數(shù)的特征分●

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——可用線性微分方程描述的振動，能運用疊加原理●

線性振動7.1.3振動測試的主要工作內容1.基本振動參數(shù)的測試

——產品質量檢測、工況監(jiān)測、故障診斷液壓馬達、機車牽引電機振動的檢測

7.2振動測試的理論基礎TheoreticalFoundationforTestandMeasurementofVibration7.2.1簡諧振動簡諧振動是最簡單、最基本的機械振動形式，其振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）均為時間的正弦或余弦函數(shù)。其他復雜的振動都可以看成許多或無窮個簡諧振動的合成（疊加）。振幅振動速度振動加速度7.2.2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?？珊喕癁橐粋€二階的“質量-彈簧-阻尼”單自由度振動系統(tǒng)。“質量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)阻尼比固有頻率1.由作用在質量上的力所引起的受迫振動振動方程為振動系統(tǒng)動態(tài)特性測試的理論基礎！——振動加速度——振動速度——振幅7.2.3單自由度振動系統(tǒng)的受迫振動傳遞函數(shù)頻響函數(shù)其中，。幅頻特性相頻特性二階低通幅值（位移）共振：當時，對應于某一頻率幅頻特性值出現(xiàn)最大峰值的現(xiàn)象。幅值（位移）共振頻率當很小時，，據(jù)此可估計固有頻率。相位共振：當時，必有，位移響應的相位一定落后于激振力90°，稱為相位共振。通過測定位移響應的相位落后于激振力90°所對應的頻率（相位共振頻率），也可估計固有頻率。2.由基礎運動所引起的受迫振動振動方程為——基礎相對大地（慣性參照系）的絕對運動——質量塊相對大地的絕對運動——質量塊相對基礎的相對運動慣性式測振傳感器測振的理論基礎！幅頻特性相頻特性二階高通7.2.4機械阻抗與機械導納

機械阻抗是在機械結構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）下，在頻域內激勵與響應之比，即機械阻抗即為系統(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)。機械阻抗的倒數(shù)即為頻率響應，又稱為機械導納。1.機械阻抗■位移阻抗（動剛度）■速度阻抗（機械阻抗）■加速度阻抗（表觀質量）2.機械導納■位移導納（動柔度）■速度導納（機械導納）■加速度導納（慣性率）

7.3測振傳感器SensorsforTestandMeasurementofVibration測振傳感器也稱為拾振器（pickup），是將被測振動參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度）轉換為與之有對應關系的參量（如電荷、電壓、電流、電阻、電容等）的傳感裝置?？煞譃椋骸?/p>

慣性式（絕對式）●

相對式●

接觸式●

非接觸式——被測振動位移（輸入）——質量塊相對殼體的位移響應（輸出）——質量塊相對大地（慣性坐標系）的位移響應7.3.1慣性式測振傳感器原理■速度計

——當時，與被測振動的速度成正比；■加速度計——當時，與被測振動的加速度成正比?！稣穹?/p>

——當時，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)的工作條件：z1.壓電式加速度計結構形式B——基座P——壓電片M——質量塊S——彈簧7.3.2常用測振傳感器壓電式加速度計常用的固定方式

壓電式加速度計的幅頻特性曲線

7.4振動的激勵ExcitationforVibration在很多場合下，需要按一定的方法通過激振設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統(tǒng)的有關信息。例如：●

研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，確定結構模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、振型、動剛度、阻尼等）；●

產品環(huán)境試驗，即一些機電產品在一定振動環(huán)境下進行的耐振試驗，以便檢驗產品性能及壽命情況等；●

拾振器及測振系統(tǒng)的校準試驗。7.4.1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，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：需要較長的測定時間。1.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，但設備較復雜，價格昂貴。2.隨機激振屬于寬帶激振，其測試設備簡單，靈活性大，故常在生產現(xiàn)場使用。3.瞬態(tài)激振■脈沖激振（最常用）■階躍激振■快速正弦掃描激振3.阻抗頭

阻抗頭內有兩個傳感器——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?！鲎饔谩鼋M成阻抗頭7.5.1自由振動法給單自由度系統(tǒng)一個初始振動（初始速度或初始位移），系統(tǒng)將作衰減的自由振動。振動方程為——有阻尼自由振動的圓頻率。測量出、、的大小，則其中當阻尼較?。ɡ纾r，。7.5.2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果，可以用下述方法進行系統(tǒng)的振動參數(shù)估計。1.由振幅響應的幅頻特性曲線估計不斷改變激振頻率，可測得振幅的響應曲線。幅值最大處所對應的頻率為振幅共振頻率小阻尼時，。小阻尼時阻尼比的估計：其中、滿足：2.由振幅響應的相頻特性曲線估計不論阻尼比如何，當激振頻率等于固有頻率時，都有（相位共振）。據(jù)此可估計出固有頻率。設則即阻尼比可根據(jù)相頻特性曲線在處的斜率估計出來。3.由振幅響應的實、虛頻特性曲線估計對于7.2.3中的單自由度振動系統(tǒng)，其實、虛頻特性為在r=1處，實部為零，虛部接近最小值。據(jù)此可估計固有頻率。確定出實頻特性曲線上兩個峰