機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第七章

機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第七章第一頁，共48頁。第一節(jié)概述

機(jī)械振動是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中極為常見的現(xiàn)象。很多機(jī)械設(shè)備和裝置內(nèi)部安裝著各種運動的機(jī)構(gòu)和零部件（都是彈性體），在運行時由于負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)的剛度各向不等、表面質(zhì)量不夠理想等原因，使得工作時不可避免地存在著振動現(xiàn)象。在許多情況下，這種振動是有害的。但在某些情況下，振動也有可被利用的一面。

機(jī)械振動測試是現(xiàn)代機(jī)械振動學(xué)科的重要組成部分，它是研究和解決工程技術(shù)中許多動力學(xué)問題必不可少的手段。

機(jī)械振動測試，用于不同目的，大致可分為兩類：1）尋找振源，減少或消除振動，即消除被測量設(shè)備和結(jié)構(gòu)所存在的振動。2）測定結(jié)構(gòu)或部件的動態(tài)特性以便改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高抗振能力。第二頁，共48頁。第二節(jié)慣性式傳感器的力學(xué)模型

一、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型與特性分析

1．質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動

單自由度系統(tǒng)單自由度系統(tǒng)在質(zhì)量塊受力時所引起的受迫振動第三頁，共48頁。運動方程頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性相頻特性第四頁，共48頁。2．基礎(chǔ)運動所引起的受迫振動設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為z1，質(zhì)量m的絕對位移為z0，則質(zhì)量塊上所受的力為第五頁，共48頁。當(dāng)質(zhì)量塊對基礎(chǔ)發(fā)生相對運動，則質(zhì)量塊的相對位移為將其代入上式，則有頻率響應(yīng)幅頻特性第六頁，共48頁。相頻特性第七頁，共48頁。當(dāng)時，，質(zhì)量塊幾乎跟隨著基礎(chǔ)一起振動，兩者相對運動極小。當(dāng)時，，質(zhì)量塊和殼體之間的相對運動（輸出）和基礎(chǔ)的振動（輸入）近乎相等。這表明質(zhì)量塊在慣性坐標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。該現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于測振儀器中。就高頻和低頻兩頻率區(qū)域而言，系統(tǒng)的響應(yīng)特性類似于“高通”濾波器，但在共振頻率附近的頻率區(qū)域，則根本不同于“高通”濾波器，輸出位移對頻率、阻尼的變化都十分敏感。特性分析：1）在使用時，一般取，即傳感器慣性系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)低于被測振動的下限頻率。此時其幅值，不產(chǎn)生畸變，。第八頁，共48頁。2）選擇適當(dāng)阻尼，可抑制處的共振峰，使幅頻特性平坦部分?jǐn)U展，從而擴(kuò)大下限的頻率。例如，當(dāng)取時，若允許誤差為±2％，下限頻率可為；若允許誤差為±5％，下限頻率則可擴(kuò)展到。增大阻尼，能迅速衰減固有振動，對測量沖擊和瞬態(tài)過程較為重要，但不適當(dāng)?shù)剡x擇阻尼會使相頻特性惡化，引起波形失真。當(dāng)時，相頻曲線在附近接近直線，稱為最佳阻尼。3）該種傳感器測量上限頻率在理論上是無限的，但在實際應(yīng)用中則要受到具體儀器結(jié)構(gòu)和元器件的限制，因此上限不能太高，下限頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和慣性塊尺寸、質(zhì)量的限制，使不能過小。因此該種傳感器的頻率范圍是有限的。幅頻曲線上幅值比最大處的頻率稱為位移共振頻率。令，得第九頁，共48頁。位移共振頻率速度共振頻率加速度共振頻率位移傳感器的工作范圍速度傳感器的工作范圍加速度傳感器的工作范圍二、單自由度振動系統(tǒng)受迫振動小結(jié)

第十頁，共48頁。第十一頁，共48頁。第十二頁，共48頁。第三節(jié)振動測量傳感器測振傳感器的分類：▲按是否與被測件接觸：接觸式和非接觸式。接觸式傳感器：磁電式速度傳感器、壓電式加速度計非接觸式傳感器：而電容傳感器、渦流傳感器▲按所測的振動性質(zhì)：絕對式和相對式。絕對式傳感器：測振時，其殼體和被測物固接，殼體的振動視等于被測物的振動，也即傳感器的輸入。殼體對傳感器內(nèi)的質(zhì)量塊的相對運動量用來描述被測物體的絕對振動量并作為力學(xué)模型的輸出，供有關(guān)的機(jī)一電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電量，成為傳感器的輸出。相對式傳感器：其殼體和測量體分別與不同被測件聯(lián)系，其輸出是描述此兩試件間的相對振動。第十三頁，共48頁。慣性式傳感器的力學(xué)模型對于測振傳感器的要求：1）有較高的靈敏度；2）在測量的頻率范圍內(nèi)有平坦的幅頻特性曲線以及與頻率成線性關(guān)系的相頻特性曲線；3）傳感器的質(zhì)量小。第十四頁，共48頁。固定在被測對象上的慣性式傳感器將作為附加質(zhì)量使整個系統(tǒng)的振動特性發(fā)生變化，這些變化可近似地用下列兩式表示只有當(dāng)時，的影響才可忽略。在對輕小結(jié)構(gòu)測振或作模態(tài)實驗時，由于占的相當(dāng)比例，需要對附加質(zhì)量加以特別考慮。振動的位移、速度、加速度之間保持簡單的微積分關(guān)系，所以在許多測振儀器中往往帶有簡單的微積分網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要可作位移、速度、加速度之間的切換。第十五頁，共48頁。一、渦流位移傳感器

特點：線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等。應(yīng)用：汽輪機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組等回轉(zhuǎn)軸系的振動監(jiān)測、故障診斷等。1—殼體2—框架3—線圈4—保護(hù)套5—添料6—螺母7—電纜渦流傳感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平線圈組成。第十六頁，共48頁。二、電容傳感器非接觸式電容傳感器常用于位移測量中，其測量內(nèi)容與渦流位移傳感器相近。接觸式電容傳感器常用于振動測量。K-Beam電容式加速度計由硅敏感元件、模擬專用集成電路（ASIC）、調(diào)節(jié)器、放大器，濾波器，供電系統(tǒng)，信號調(diào)節(jié)電路及外殼、插頭電纜等組成。硅敏感元件與上，下極板構(gòu)成兩個電容器，傳感器內(nèi)部封裝的氣體（氮氣）起阻尼作用。質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)對振動的響應(yīng)取決于它相對兩個電極的位置。測量信號經(jīng)解調(diào)后，輸出對應(yīng)正比于加速度的電壓信號。第十七頁，共48頁。電容傳感器工作原理這種電容加速度傳感器量程至50g，其頻響范圍0～300Hz(±50％)，屬于真正的DC響應(yīng)。傳感器重量輕（小于8．0g）并與地絕緣。連接方式為螺栓或粘接。其性能為低噪聲，分辨率達(dá)0．1mg。第十八頁，共48頁。電容傳感器輸出信號示意圖第十九頁，共48頁。三、磁電式速度計

傳感器由固定部分、可動部分以及三組拱形彈簧片組成。三組拱形彈簧片的安裝方向是一致的。在振動測量時，必須先將頂桿壓在被測物體上，并且應(yīng)注意滿足傳感器的跟隨條件。M>>m；K>>k1—頂桿2、5—彈簧片3—磁鐵4—線圈6—引出線7—殼體感應(yīng)電動勢第二十頁，共48頁。四、壓電加速度計

壓電加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計a）中心安裝壓縮型b）環(huán)形剪切型c）三角剪切型S—彈簧M—質(zhì)量塊B—基座P—壓電元件R—夾持環(huán)壓電式加速度計由絕對加速度輸入，到壓電片的電荷輸出，實際上經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換。首先將加速度輸入轉(zhuǎn)換成質(zhì)量對殼體的相對位移。其次將與相對位移成正比的彈簧力轉(zhuǎn)換成電荷輸出。第二十一頁，共48頁。2．壓電式加速度傳感器的靈敏度電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度與電壓靈敏度的關(guān)系：第二十二頁，共48頁。3．壓電加速度傳感器的頻率特性加速度傳感器的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率ωn。一般小阻尼（ζ≤0．1）的加速度傳感器，上限頻率若取為共振頻率ωn的1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12％）；若取為共振頻率ωn的1/5，則可保證幅值誤差小于0．5dB(即6％)，相移小于3°。第二十三頁，共48頁。4．加速度傳感器的安裝方法a)鋼螺栓固定b)絕緣螺栓和云母墊片固定c)薄蠟粘貼固定d)手持探針e)專用永久磁鐵固定f)硬性粘接螺栓固定g)粘接劑固定第二十四頁，共48頁。5．壓電加速度傳感器的前置放大器壓電加速度傳感器所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把電荷泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。前置放大器電壓放大器電荷放大器{電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗更高，但價格也比較昂貴。第二十五頁，共48頁。五、阻抗頭

1、4—壓電片2—激振平臺3—橡膠5—質(zhì)量塊6—鈦質(zhì)殼體阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，其作用是在力傳遞點同時測量激振力和該點的運動響應(yīng)。第二十六頁，共48頁。第四節(jié)振動測量系統(tǒng)及其標(biāo)定

一、振動測量系統(tǒng)的組成

機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動測量主要是指測定振動體（或振動體上某一點）的位移、速度、加速度大小以及振動頻率、周期、相位、振型、頻譜等。在工程實踐中有時還要通過試驗來測定振動系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，如固有頻率、阻尼、動剛度、動質(zhì)量等。測量時，用傳感器將被測振動量轉(zhuǎn)換成電量，而后再通過對電量的處理獲取對應(yīng)的振動量。振動測量系統(tǒng)就是按這個原理，針對不同的測量類型組成的。根據(jù)測試的對象和任務(wù)不同，一般可將其分為兩種類型：第二十七頁，共48頁。

這類測試主要發(fā)生在兩種情況之下。第一種情況是系統(tǒng)在一定的初始條件下發(fā)生自由振動，此時只要測得其自由振動的時間歷程即可求出系統(tǒng)的動態(tài)特性；第二種情況是系統(tǒng)在自然激勵（例如環(huán)境激勵或工作激勵）作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動，系統(tǒng)的輸入一般難以測量或不可測量，此時主要通過測出系統(tǒng)的輸出，求出其相關(guān)函數(shù)或功率譜密度函數(shù)來確定系統(tǒng)的動態(tài)特性或找出引起振動的原因。2．同時測量輸入和輸出

這類測試是典型的實驗室方法，被測系統(tǒng)通常在人為激勵（例如脈沖錘擊激勵）作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動，同時測出系統(tǒng)的輸入和輸出，求取系統(tǒng)的動態(tài)特性。1．僅測量系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）

第二十八頁，共48頁。最簡單的振動測量系統(tǒng)測量記錄系統(tǒng)第二十九頁，共48頁。加濾波器的測量系統(tǒng)頻響函數(shù)測量系統(tǒng)第三十頁，共48頁。二、測試系統(tǒng)的標(biāo)定

為了保證振動測試與試驗結(jié)果的可靠性與精確度，國家建立了振動的計量標(biāo)準(zhǔn)和測振傳感器的檢定標(biāo)準(zhǔn)并設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)測振裝置和儀器作為量值傳遞基準(zhǔn)?！鴮τ谛律a(chǎn)的測振傳感器都需要對其靈敏度、頻率響應(yīng)、線性度等進(jìn)行校準(zhǔn)；▲使用一段時間后的測試儀器必須定期按它的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)；▲使用中還經(jīng)常碰到各類型的拾振器和放大器、記錄設(shè)備配套問題，進(jìn)行重大測試工作之前常常需要作現(xiàn)場校準(zhǔn)或某些特性校準(zhǔn)。第三十一頁，共48頁。標(biāo)定的過程一般分為三級精度：國家計量院進(jìn)行的標(biāo)定是一級精度的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。在此處標(biāo)定出的傳感器叫標(biāo)準(zhǔn)傳感器，它具有二級精度。用標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以對出廠的傳感器和其他方式使用的傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到的傳感器具有三級精度，也就是我們在試驗現(xiàn)場所用的傳感器。

傳感器進(jìn)行標(biāo)定時，應(yīng)有一個對傳感器產(chǎn)生激振信號，并知其振源輸出大小的標(biāo)準(zhǔn)激振設(shè)備（振動臺和激振器）。

激振器可安裝在被測物體上直接產(chǎn)生一個激振力作用于被測物上。

振動臺則是把被測物裝在振動平臺上，振動臺產(chǎn)生一個變化的位移而對被測物體施加激振。激振設(shè)備可以產(chǎn)生振幅和頻率可調(diào)的振動，是測振傳感器校準(zhǔn)不可缺少的工具。常用的靈敏度標(biāo)定方法有：絕對法、相對法和校準(zhǔn)器法。第三十二頁，共48頁。1．絕對法

將被標(biāo)定的傳感器固定在標(biāo)定振動臺上，用激光干涉測振儀直接測量振動臺的振幅，再和被標(biāo)定的傳感器的輸出比較，以確定被標(biāo)定傳感器的靈敏度。這一般是由國家計量院實行一級標(biāo)定所用的方法，用來標(biāo)定二級精度的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。

在進(jìn)行頻率響應(yīng)測試時，使信號發(fā)生器作慢速的頻率掃描，同時用反饋電路使振動臺的振動速度或加速度幅值保持不變，并測量傳感器的輸出，便可給出被校速度或加速度傳感器的頻響曲線。

其原理如圖所示，正弦信號發(fā)生器的輸出，一路經(jīng)功率放大后去推動振動臺，另一路送頻率測量儀作頻率測量的參考信號，被校準(zhǔn)的壓電加速度計的輸出經(jīng)電荷放大器后用高精確度數(shù)字電壓表讀出。干涉儀的工作臺臺體移動λ/2（常用的氦-氖激光波長λ=0．6328μm），光程差變化一個波長λ，干涉條紋移動一條。所以根據(jù)移動條紋的計數(shù)可以測出臺面振幅。再根據(jù)實測的頻率可以算出傳感器所經(jīng)受的速度或加速度。第三十三頁，共48頁。1—電源2—光電倍增管3—放大器4—頻率測量儀

5—參考反射鏡6—參考光束7—測量光束8—分束器

9—氦氖激光器10—電壓表11—電荷放大器12—拾振器13—振動臺14—測量反射鏡15—功率放大器16—正弦信號發(fā)生器第三十四頁，共48頁。2．相對法

將待標(biāo)定的傳感器和經(jīng)過國家計量等部門嚴(yán)格標(biāo)定過的標(biāo)準(zhǔn)傳感器背靠背地（或仔細(xì)地并排地）安裝在振動臺上承受相同的振動。將兩個傳感器的輸出進(jìn)行比較，就可以計算出在該頻率點被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度。這時，標(biāo)準(zhǔn)的傳感器起著傳遞“振動標(biāo)準(zhǔn)”的作用。通常稱為參考傳感器。被校準(zhǔn)傳感器的靈敏度第三十五頁，共48頁。第五節(jié)激振試驗設(shè)備及振動信號簡介

激振設(shè)備在振動測試系統(tǒng)中的作用是對被測系統(tǒng)（試件）施加某種預(yù)定要求的激振力，以激起被測系統(tǒng)（試件）的振動。一般要求激振設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠在所要求的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力，在某些情況下還需施加穩(wěn)定力。穩(wěn)定力能使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷，以便消除間隙或模擬某種穩(wěn)定力。常用的激振設(shè)備是振動臺、激振器和力錘。一、振動臺

機(jī)械式振動臺電磁式振動臺電-液伺服振動臺振動臺{第三十六頁，共48頁。a)原理圖b)閥芯向上移動c)閥芯向下移動電-液伺服振動臺第三十七頁，共48頁。二、激振器

激振器電動式激振器電磁式激振器{

永磁式多激振器用于小型激振器，勵磁式激振器多用于較大型的激振器，也即激振臺中。永磁式激振器勵磁式激振器{

電動式激振器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。驅(qū)動線圈6固裝在頂桿12上，由支承彈簧11支承在殼體8中，線圈6正好位于磁極板7與鐵心9的氣隙中，線圈6通入經(jīng)功率放大后的交變電流時，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，線圈將受到與電流成正比的電動力的作用，此力通過頂桿傳到試件上便是所需的激振力。第三十八頁，共48頁。1—保護(hù)罩

2—連接桿

3—螺母

4—連接骨架

5—上罩

6—線圈

7—磁極板

8—殼體

9—鐵心10—磁鋼11—支承彈簧12—頂桿13—底腳14—下罩15—手柄

電動式激振器的結(jié)構(gòu)第三十九頁，共48頁。激振器安裝方法1—激振器2—試件3—彈簧a)垂直懸掛式b)水平懸掛式c)剛性安裝第四十頁，共48頁。三、力錘

1—錘頭墊2—力傳感器3—錘體4—配重脈沖激振是指在極短的時間內(nèi)對被測對象施加一作用力使其產(chǎn)生振動的激振方式。工程測試中常用力錘敲擊被測對象實現(xiàn)脈沖激振。力錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵力的激振器，它也是目前試驗?zāi)B(tài)分析中經(jīng)常采用的一種激勵設(shè)備。第四十一頁，共48頁。敲擊激振力及其頻譜a）激振力b)激振力頻譜第四十二頁，共48頁。錘擊激振力頻譜與錘頭質(zhì)量、材料的關(guān)系

序號型號錘頭質(zhì)量／kg額率范圍／kHz備注19722A5000．1≈8．2Kistler振動傳感器29722A20000．1≈9．3Kisfier振動傳感器39724A20000．25≈6．6Kistler振動傳感器49724A50000．25≈6．9Kistler振動傳感器59726A50000．5≈5．0Kistler振動傳感器69726A200000．5≈5．4Kistler振動傳感器79728A200001．5≈1Kistler振動傳感器激振力的大小及有效頻率范圍取決于脈沖錘的質(zhì)量及敲擊時接觸時間的長短。錘頭質(zhì)量增加，激勵頻寬降低；錘頭墊越硬則敲擊時接觸的時間越短，激振力越大，有效作用頻帶越寬。反之，錘頭越軟，敲擊接觸時間越長，激振力越小，有效作用頻帶越窄。常用的錘頭墊材料有：鋼、黃銅、鋁合金、橡膠等。第四十三頁，共48頁。四、模態(tài)分析中的