机械工程测试技术第7章 振动测试ppt课件.ppt

第7章 振动的测量 Vibration Measurement,7.1概述7.2 惯性式传感器的力学模型7.3 振动测量传感器 Sensors of Vibration Measurement7.4 振动测量系统及标定7.5 激振实验设备及振动信号简介,1、机械振动定义振动 ：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。振动有各种不同的形式：机械振动，电磁振动 2、机械振动产生的物理原因机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测试的研究内容 测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找振源； 对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。,7.1 概 述,利：钟表、振动筛、振动沉桩机等 。,4、振动的利弊,弊：磨损，减少寿命，影响强度； 引起噪声，影响劳动条件； 消耗能量，降低精度等。,一、振动的分类 （1）从产生振动的原因来分： 系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动，系统在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动。 自由振动问题虽然比强迫振动问题单纯但自由振动反映了系统内部结构的所有信息，是研究强迫振动的基础。,7.1.1 振动的基础知识 (Basic of Vibration),（2）从振动的规律来分：,简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动,（3）从自由度个数来分：,单自由度振动多自由度振动,振动信号三要素：1） 幅值 amplitude 振动体离开其平衡位置的最大位移。振动强度的标志。峰值、有效值平均值。2） 频率 frequency 周期的倒数。频谱分析 主要频率成分及其幅值大小 寻找振源3） 相位 phase 确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控制等,7.1.2 振动的类型及其表征参数,简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运动规律可用简谐函数表示,对应于该简谐振动的速度v和加速度a,位 移,振动方程,加速度,速度,速度v的最大值比位移的最大值超前90 加速度的最大值和比位移的最大值超前180 ,振动位移y是研究强度和变形的重要依据；振动加速度a与作用力成正比是研究动力强度和疲劳的依据；振动速度v决定了噪声的高低。,一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析单自由度系统在两种不同激励下的响应1、质量块受力所引起的受迫振动,单自由度系统的受迫振动力学模型,输入,输出,f(t)激振力，为系统的输入,其质量块m在外力f(t)作用下的运动方程为：,7.2 惯性式传感器的力学模型,Z0为质量块上作用有静力F0时的位移：Z0=F0/K：基础运动的圆频率； n：振动系统的固有频率,可知，该系统为典型的二阶系统,1)当0.707时， A()1无谐振，A()随增加而单调下降。2)当0.707时，在/n 1处（谐振频率处）产生谐振，A()有峰值。3)当=0，在r=n处，A()。,1、由,得谐振位移共振频率：,n,n,n,n,n,n,此时可求峰值：,2、位移共振： 总是n阻尼越小两者越靠近。小阻尼时r n， 此时可以用r 作为n的预估值。3、在相频图上，不管系统的阻尼比为多少，在/n=1处共振时位移相位始终落后于激振力90,这是判断共振频率的一个十分有用的指标,幅频特性,相频特性,n,n,4、当系统有一定阻尼后，幅频曲线变得较为平坦，这时从幅频曲线上不易测得测准最高点5、在相频图上，在固有频率处相位过-90,而这段曲线比较陡，比较容易测定系统的固有频率。,幅频特性,相频特性,n,n,n,n,n,n,6、特性分析：在n时：输出位移接近零，质量块近乎静止。这时系统响应特性也类似于低通滤波器。在靠近n区间时，() 随频率的变化而剧烈变化，当越小，这种变化越剧烈。,n,n,n,n,n,n,7、二阶系统是一个振荡环节。要选择一个恰当的固有频率与阻尼比的组合，从而获得较小的误差与较宽的工作频率范围。一般取 （0.60.8）n,=(0.650.7)。,n,n,2. 由基础运动所引起的受迫振动,在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。这种情况称位移激励。 设基础的绝对位移为z1(t)，质量块m的绝对位移为z0(t)，如图所示。考察质量块M对基础的相对运动，即M的相对位移z01(t)= z0(t) - z1(t) 。其运动方程为：,输入,输出z01(t) =z0(t) - z1(t) ,m,m,基础的绝对位移z1(t)为输入信号，质量块m对基础的相对位移z01=z0(t) - z1(t) 为输出信号。,将z01(t)= z0(t) - z1(t) 代入上式运动方程,n：振动系统的固有频率,特性分析：当n时，A()接近1，即 与 几乎相等，这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,质量块m的绝对位移为z0(t)=0,分析,n,n,分析,n,n,特性分析：1）在使用时，一般取 (3-5)，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。2）若选择适当阻尼，可抑制 =1 处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用 中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使 不能过小,位移共振频率： 速度共振频率：加速度共振频率：,基础振动的幅-频曲线,1、由,得谐振位移共振频率：,位移共振频率： 速度共振频率：加速度共振频率：,基础振动的幅-频曲线,1、由r可以看出位移的共振频率随着阻尼的减少而向固有频率n靠近。所以小阻尼时r接近n的估计值。2、若输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性的最大值处的频率称为速度共振频率v，3、加速度相应共振频率a，总大于n，当阻尼很小时三者近似,测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。 位移传感器的工作范围在频率 的区域。 加速度传感器的工作范围在频率 的区域。 速度传感器的工作范围在频率 的区域。,为了完成测试任务，测试系统包括下述三个主要部分： 激励部分 实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。 拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。 分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。,7.3 振动测量传感器,按是否与被测件接触,接触式：磁电式速度传感器、压电式加速度计,非接触式：电容、涡流测振动位移,按所测振动性质,绝对式：传感器的输出被测物体的绝对运动,相对式：壳体测量体分别与不同被测件联系，其输出是描述此两试件间的相对运动,1、绝对式传感器惯性式测振传感器,绝对式：传感器壳体固定在被测件上，壳体的振动即被测物的振动Z1，也是传感器的输入。通过传感器内质量块与壳体间的相对运动Z01来描述Z0（即输出）。,相对式：壳体和测量头与不同被测件接触，输出描述的是两试件间的相对运动。,按照此质量-弹簧-阻尼系统模型，拾振器mt造成的被测系统的加速度和固有频率：,式中：,只有当mtm时，mt的影响才可忽略,电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。工作原理Usr 高频交变电压i 传感器电流F 传感器磁通量i1 感应电流F1 感应磁通链- 互感耦合系数的大小与二者之间的距离及导体的材料有关。,振动测量传感器,一、涡流位移传感器相对式、非接触,一、涡流位移传感器相对式、非接触,非接触测量结构简单，测量动态范围大；可测振幅范围为几十微米到几毫米；频率范围为020Hz。 。不受油污等介质的影响，抗干扰能力强。灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。适用旋转轴的径向和轴向振动测量。,接收形式：相对式变换形式：电涡流典型频率范围：020kHz典型线性范围：02mm典型灵敏度 ：8.0V/mm (对象为钢),8 mm,25 mm,11 mm,1壳体 2 框架 3线圈 4 保护套 5 添料 6 螺母 7一电缆,轴振动的测点布置,振动信号的表示及其轴心轨迹,y,S,t,K,S,S,S,o,P,y,t,A(p-p),x,A1,1,B1,max,S,B(p-p),传感器B,由传感器A测得的波形,传感器A,由传感器B测锝的波形,(p-p)max,S,S,涡流传感器及其测量线路 频率为 的振荡器（一般用石英振荡器）检波环节输出电压 正比于间隙d，可以分为两部分,直流部分,交流部分,调制与解调过程,Usr,Re,Usc,C,U,U0（静态位移d0）,d,0,C,L,传感器,前置器,石英,振荡器,检波器,二、电容传感器-常用于位移的测量,C1,C2,C1,C2,phase0,phase1,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。,对恒磁通磁电式传感器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种：,（a）动圈式； （b）动铁式,三、磁电速度传感器,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,要尽量降低n，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。,磁电式绝对速度传感器,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,磁电式相对速度传感器,测量振动系统中两部件之间的相对振动速度； 壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接，使传感器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。,当穿过匝数为w线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势为 置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为,式中：B磁场的感应电势强度；l单匝线圈有效长度； w线圈匝数；v线圈与磁场的相对运动速度； 线圈运动方向与磁场方向的夹角。 此即一般惯性速度计的原理。,利用某些晶体材料（如压电陶瓷锆钛酸铅等）的压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器,四、压电加速度传感器,四、压电加速度传感器,接收形式：惯性式变换形式：压电效应典型频率范围：0.2Hz10kHz线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。,测量非转动部件的绝对振动的加速度。适应高频振动和瞬态振动的测量。传感器质量小，可测很高振级。,特点频带极宽(0.220 KHz) 。本身质量小(250 g)。 动态范围很大。工作原理惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电晶体产生相应大小电荷。,(a)中心压缩型,(b)环形剪切型,固定加速度计的方法,压电式加速度计常用的安装方法如上图。安装状态直接影响可测的频率范围。一般用粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。用磁铁吸盘安装方便，便于移动位置，可测频率比用粘结方法稍差。在加速度计与被测物之间涂一层硅胶，可改善冲击状态，有利于高频响应。,五、阻抗头,集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体前端是力传感器；后面为测量激振点响应的加速度计。装在激振器顶杆和试件之间。 优点：保证测量点的响应就是激振点的响应。,测振传感器的合理选用 直接测量参数的选择。 综合考虑传感器的频率范围、量程、 灵敏度。 考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性等因素。,*7.4 振动测量系统及其标定,为了保证振动测试与试验结果的可靠性与精确度，在振动测试中对拾振器和测试系统的校难显得很重要。这是因为拾振器使用一段时间后灵敏度会有所改变，象压电材料的老化会使灵敏度每年降低25；测试仪器修理后必须按它的技术指标进行全面严格的定度和校准；进行重大测试工作之前常常需要作现场校淮或某些特性校准，以保证获得满意的结果。,对于拾振器要校准的项目很多，但绝大多数使用者最关心的是拾振器灵敏度和频率响应特性的校淮。常用的灵敏度校准方法有：绝对法、相对法和校准器法。本节将就前两者作些介绍。,1、绝对法,5、参考反射镜 6、参考管束 7、测量光束 8、分束器 12、拾振器 14、测量反射镜,将被校准的拾振器固定在校准振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被标定的拾振器的输出比较，以确定被校准拾振器的灵敏度，这便是用激光干涉仪的绝对校准法，其校准误差是0.51。此法同时也可测量拾振器的频率响应。,1,校准输出,干涉仪的工作台台体移动/2(氖激光波长 =0.6328m)，光程差变化一个波长 ，干涉条纹移动一条。所以根据移动条纹的计数可以测出台面振幅。再根据实测的频率可以算出传感器所经受的速度或加速度。,2、相对法,背靠背比较标定法,被校准传感器,参考传感器,激振台,此法又称为背靠背比较校准法。将待校准的传感器和经过国家计量等部门严格校准过的传感器背靠背地(或仔细地并排地)安装在振动台上承受相同的振动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频率点被校准传感器的灵敏度。这时，严格校准过的传感器起着“振动校准传递”的作用。通常称为参考传感器其中ua、ur分别为被校准传感器和参考传感器的输出。,ua,ur,被校准传感器的灵敏度：,振动传感器应定期校准。任何外界干扰，包括地基的振动，都会影响校准工作，带来误差。故高精确度的校准工作应在隔振的基座上进行。对于工业现场来说，这是一件很难办到的事。而实际的校准工作却又要求在模拟现场工作环境(温度、湿度、电磁干扰)下进行。考虑到工业中用于振动工况监测的传感器首先追求的是其可靠性，而不是很高的精确度等级。所以一个可行的办法是测量振动台基座的绝对振动，同时再测量台面对基座的相对振动。经过信号叠加处理获得台面的绝对振动值，也就是传感器的振动输入值。,频率响应函数测量系统,*7.5 激振试验设备及振动信号简介,一、激振台,7.5 激振试验设备及振动信号简介,对激振设备要求 为被测系统提供输入能量，使之发生振动。 交变力 要求的频率范围； 波形良好； 幅值足够和稳定,激振设备,振动台 激振器 力锤,一、激振设备 （1）振动台,机械振动台,电磁式振动台,电液伺服振动台,（2）激振器,电磁式激振器,电动式激振器,2）电磁式激振器,电磁激振器是非接触式的，可以用于对旋转着的对象进行激振，其频率上限约为500800Hz。,电磁式激振器,不动部分为U型或E型电磁铁，在磁铁上绕有直流和交流线圈，可动部分分为导磁材料制成的试件和支撑弹簧或机床上的导磁的工件。 激振器工作时，电磁铁与试件组成闭合的磁回路，气隙中的交变磁场使试件承受交变的电磁力，从而激起试件振动。 电磁激振器的优点是进行非接触激振，对试件无附加质量影响。此外，它的激振力大，工作频率范围宽，适用于对机床现场激振。缺点是波形失真大、振幅小。,1、电动式激振器,驱动线圈7位于磁极与铁芯的气隙中，并与顶杆固装在一起，由支承弹簧支承在壳体中。当线圈通以交变电流后，在磁场中受到电动力，通过顶杆作用在试件上。在使用时，往往在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t),电动式激振器,激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动 由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，如图所示，即:,为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与交流两部分组成，即:,由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。 锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。 激励的频率范围由接触表面刚度决定，锤头材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率fe越高。,力锤,（3）脉冲锤击激励,（3）脉冲锤击激励 脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。,敲击力及其频谱,二、常用激振信号,1、稳态正弦激励方法 激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小（激振力大小）和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。 激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器（恒流输出）和激振器组成； 测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。,2、瞬态激励,激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量，使系统产生相应频带内的频率响应。一种快速测试方法。常在生产现场使用。常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描脉冲锤击阶跃松弛激励,（1）快速正弦扫描激励,正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。 扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。,快速正弦扫描信号及其频谱,（2）阶跃松驰激励,特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。 实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。,3、随机激励 （1）白噪声激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。,实际白噪声的自谱,（2）伪随机激励,伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号,作业：P211 7-1，7-3,