第一章测试技术3振动测量方法ppt课件.ppt
1,1.5振动测量的基本方法,1.5.1振幅（位移）的测量方法1.5.1.1 读数显微镜法用读数显微镜法测量振幅（位移）的装置如图1.72所示。图中：1电磁振动台；2支架；3读数显微镜；4目标；5振动体 图1.72读数显微镜测幅装置示意图,2,目标的刻划与测量如图1.73所示。可测微幅振动的幅值。常用的读数显微镜的测量范围有：图1.73读数显微镜的目标刻划与测量如 JC2型的测量范围：，放大倍数：倍；读数鼓刻度： 。,3,1.5.1.2 电测法以磁电式速度传感器和GZ型测振仪所组成的振动测试系统框图如图1.74所示。图1.74GZ型测振仪原理框图指示电信号有效值的电压表，测量时存在读数换算问题。,4,一计算公式（简谐振动） 1.微积分选择开关置于“”档（）该档对应的是积分网络。对于简谐振动，则有（1.132）式中振动体的位移峰值（）；积分网络对于CD型传感器的电路常数（）。积分网络输出电压有效值，表头指示值（）。2.置于“”档（ ）（1.133）式中各项物理量的量纲与前相同。,5,3.置于“”档（）测加速度该档对应的是微分网络，则有（1.134）式中振动体的加速度峰值（）；微分网络对于CD型传感器的电路常数（）；微分网络输出电压有效值，表头指示值（ ）。二电路常数的确定以“”档的积分网络为例由1.3.1.2 中可知，于是有积分网络的输出电压为：（1.136）,6,即（1.137）由式（1.4）和（1.12）可解得（1.138）对于磁电式速度传感器，它的特性为：（1.139）式中灵敏度（）。整理得（1.140）式中积分网络配用磁电式速度传感器的电路常数（）。,7,例配用CD型速度传感器。对于“”档，已知、（积分网络参数），则同理，对于“”档，已知、（积分网络参数），则而对于“”档，已知、（微分网络参数），则,8,1.5.1.3振幅的其他测量方法一振动幅尺测量法原理：做一带有刻度的黑色三角形作为振动幅尺，如图1.79所示。测量前，将振动幅尺固定在被测振动体上。振动时，此三角形块将随振动体一起运动，利用人的视觉暂留的生理作用，可观察到其中重叠部分变成了一个更黑的不动的三角形，如1.79所示。依几何关系，则有 （1.141）式中振动体的振幅。测量时，只要观察到值，就可以利用式（1.141）算出振幅。也可利用式（1.141）将直接刻成振幅值。必须保证且，便于用眼观察。,9,振动幅尺测量法适用于振幅大于，频率大于的正弦振动信号，如图1.79所示。图1.79振动幅尺测量法示意图,10,二百分表（或千分表）法1)直接式测幅仪：百分表（或千分表）外壳固定在不动的参考体上，触杆顶紧在振动体上，如图 1.80所示。2)惯性式的位移式测幅仪：百分表（或千分表）、惯性块、框架一起固定在被测振动体上，如图 1.80所示。图1.80百分表测幅法示意图,11,直接式可测振幅为到几毫米，可测频率为惯性式测量时，必须保证，可测范围如图1.80所示。其顶杆不能脱离质量块。图1.80百分表测幅法示意图,。,12,1.5.2振动频率的测量方法以简谐振动的频率测量为例。1.5.2.1 比较法用被测振动体的未知量与已知量（同一类型）进行比较，进而确定未知量的大小。一李萨如图形比较法测量时，振动体的振动信号通过CD1型磁电式速度传感器、GZ2型六线测振仪，输入到阴极射线示波器的轴，而在示波器的轴，由信号发生器输入一个已知的周期信号。当振动体的振动频率恰好等于已知的输入周期信号的频率时，则示波器的屏幕上将出现一个椭圆图形，称为李萨如图形，如图1.82所示。,13,图1.82李萨如图形,14,当，而是某一分数（包括整数倍）时，则示波器上合成的轨迹不再是椭圆，而是变得更为复杂的图形，当其比值为时，则李萨如图形为一个字形，如图1.83所示。,15,图1.83李萨如图形,16,二录波比较法被测振动体的信号和时标发生器提供的等间距脉冲时标信号同时输入到 S16 型光线振子示波器中，两者进行比较，测试系统如图1.84所示。录波图如图1.85所示。由图可知： （1.150）图1.84录波比较法测频系统框图式中被测信号的周期；时标脉冲信号的周期；振动体的信号频率；,17,时标脉冲的信号频率；两者之比（即脉冲数）。一般取或。图1.80SC16记录的波形图1被测振动体的振动波形；2零线；3时标脉冲信号,18,1.5.2.2直读法直读法直接由专用仪器读出频率。直读法的专用仪器有指针式频率计（模拟）和数字式频率计（数字）两种。图1.86是直读法测频系统框图。图1.86直读法测频系统框图,前置放大器,振动体,加速度计,19,1.5.3 同频简谐振动相位差的测量方法同频简谐振动相位差的测量方法有线性扫描法、椭圆法和相位计法。前两种方法需要利用作图计算来求得相位差，而后一种较为方便。这里仅介绍相位计法。相位计法有指针式和数字式两种，图1.88 是用相位计测相位差的测量系统框图。图1.88用相位计测相位差的测量系统框图,20,如果是个频率迭加而成的信号，必须先作滤波处理，再测量相位差。,21,1.5.4机械系统固有频率的测量方法1.5.4.1固有频率和共振频率的定义对于单自由度系统：无阻尼自由系统固有频率有阻尼自由系统固有频率对于有阻尼受迫振动（只讨论稳态解），即特解为:（1.154）,22,稳态振动速度为：（1.155）稳态振动加速度为：（1.156）极值条件：位移幅值的极值条件令，则求得（1.157）,23,速度幅值的极值条件（1.158）加速度幅值的极值条件（1.159）可见四种频率不同，但在小阻尼情况下，相差很小。,24,1.5.4.2 “速度共振”相位判别法用简谐力激振，造成系统共振，再确定系统固有频率。用相位判别法来判定“速度共振”是一种较敏感的方法。并排除了阻尼的影响。相位判别法根据速度共振时的特殊相位值及共振点前后的相位变化规律所提出来的一种共振判别法。其测量系统框图如图1.90所示。图1.90“速度共振”相位判别法测量系统框图,25,一速度传感器判别共振示波器的轴为激振力信号：示波器的轴为振动体的速度信号：相位差为：发生速度共振时、，则轴与轴的信号相位差为，屏幕为一直线，而略大于或略小于，则直线变为椭圆，记下为直线时的频率，即为振动体的速度共振频率，即为振动体的固有频率。其变化过程如图1.91 所示。传感器的振动体的。,26,图1.91李萨如图形,27,二加速度传感器判别共振使用加速度传感器拾振时，则有发生加速度共振时，则轴与轴的信号相位差为。应为一个正椭圆。当略大于或略小于时，为斜椭圆。记下正椭圆时的频率，即为振动体的固有频率。其变化过程如图1.91 所示。传感器的振动体的。,28,图1.91李萨如图形,29,1.5.5衰减系数的测量方法1.5.5.1 用自由振动波形图来测量衰减系数有阻尼单自由度系统的自由振动波形如图1.92所示。图1.92有阻尼自由振动波形图,30,设阻力系数为，衰减系数（阻尼系数）为 。对数衰减比（对数减幅系数）为（1.160）进而得（1.161）式中衰减振动周期，且，当很小（ ）时，有（1.162）,31,具体计算方法：从波形图中得与和，由式（1.160）和（1.161）算出或，进而可求得。对于机械系统（如悬臂梁、简支梁等），若想测量高阶振型的衰减系数，则必须激出该阶振型，然后以同样的方法求出该阶振型的衰减系数。,32,1.5.5.2 通过频响函数测定衰减系数由振动理论可知：单自由度有阻尼受迫振动的动力放大系数为：（1.165）频响曲线如图1.93所示。当时，下降到 处，作一水平线交曲线上、两点，且、两点的距离为，则衰减系数可由下式确定： （1.166）,33,图1.93频率响应曲线,34,测量中，绘制频响曲线，找到与值，就可以求得衰减系数。证明：（半功率点）当时，略去的高次项，则有,35,即即最后得（证毕）,36,1.5.5.3 通过共振频率来测定衰减系数若测得则可求得或当阻尼较小时，、相差很小，故用此法时，必须使用精密仪器，位数应高一些。,2009.03.25周三讲到此,37,1.5.6振型节点、节线的测量方法振型振动系统在振动时的各质点的振幅比。如简支梁在振动时，其位移表达式为：（1.167）振型函数为：（1.168）前三阶振型如图1.94 所示。没有位移的点称为节点（除边界条件外）。,38,图1.94 简支梁的振型图,39,1.5.6.1 细砂颗粒跳动法适用于板类的被测振动体。如悬臂方板，振动时的振型如图 1.94所示。图1.94悬臂方板的振型图板上没有位移的点形成的线称为节线。当悬臂方板振动时，悬臂方板表面上的细砂就会跳动，并会集中移动到节线附近。,40,1.5.6.2 示波器测量法原理：节点上的位移、速度为零，节点两边的位移、速度、加速度必反相。用示波器测量振型的测试系统框图如图1.95所示。图1.95用示波器测振型节点的测量系统框图,41,当激振力的频率等于某一阶固有频率时，则振动体以该阶振型振动，此时为椭圆。当传感器放置在节点时，则为一水平直线，其变化如图1.96所示。图1.96图象随位置变化图形此外，还可利用全息摄影法来测振型。,42,1.5.7扭转振动的测量旋转件的振动类型可分为：横向振动、轴向振动和扭转振动。1.5.7.1 测量的参数和方法设平均角速度为（没有振动），交变角速度为（引起振动），则任一瞬时的角速度为，有振动。测量的参数：角振幅、应力、频率等。测量传感器大多数是惯性式传感器，但也有其自己的特点：惯性质量是均匀旋转的飞轮，；扭转振动的测量，主要对角位移与应力感兴趣，一般为位移传感器，（固有频率旋转），；弹簧的作用：带动惯性飞轮；使，有扭,43,簧和拉簧两种形式。测量的方法有两类：机械式利用相对运动得到；电测法机电转换。电阻应变式、电涡流式、电感式、电容式等拾振。两种方法的优缺点：机械式：结构简单、可靠、放大倍数稳定、使用方便，但是频率范围窄、高频性能差，如盖格尔机械扭振仪的测量频率高限。电测法：频率范围宽，、频率响应好、灵敏度高、增益大；但测量环节多，需系统标定。,44,1.5.7.2 扭转振动参数的电测法扭转振动电测法的测量系统框图如图1.98所示。图1.98扭振电测法测量系统框图一应变片的选择、粘贴和接桥方式电阻值一致，一般选 ，灵敏度应相同（即同一批产品），粘贴应牢固（常用粘接计为胶），绝缘应保证在 以上，相邻桥臂阻值相差以内，并加以密封，以防恶劣环境。,45,贴片位置与接桥方式动态应变测量时的贴片位置和接桥方式如图1.99所示。图1.99扭振动态应变的接桥方法,46,引电装置由滑环、铜编线或碳刷等构成，如图1.100所示。图1.100滑环引电装置示意图,47,振幅标定用动态应变仪的标定开关，输出一定的标准应变信号，用光线示波器或磁带记录仪记录，得到一个标准的方波图，称为参考波，如图1.101所示。图1.101电标法示意图,曲线标定法：电标法；机械标定法,标定,电标法,振幅与频率标定,48,用实测波形的应变幅值标高与参考波的应变幅值标高进行比较，即可得到实测波形的应变值大小。频率标定频率标定时，将光线示波器的时标开关打开，得到如图 1.101 中下部示意的时标，再将实测波形与之比较，就可得到实测波形的应变频率。机械标定法只能进行应变振幅的标定，并且需要系统标定，其标定机构如图1.102所示。加载后，对标定轴施加了一定的扭矩，标定轴产生一定的应变值，并在光线记录纸上记下参考波。若以横坐标为扭矩值，纵坐标为应变值，由此可得到一条标定曲线，在线性范围内，此曲线为一条直线，如图 1.103所示。,机械标定法,49,图1.102机械标定法示意图1标定轴；2杠杆；3砝码,50,应变与扭矩的关系：被测轴（1.169）标定轴（1.170）当经过仪器的电流相同时，则有于是有（1.171）,51,设为波形图中的标高，则单位标高的扭矩为，即故有（1.172）而、，在实际测量前都是已知的，所以是一固定的数值。于是由式（1.172）即可求得实际被测轴的扭矩值。（应是同一衰减档）,52,1.5.8脉冲激励测量法当机械或结构在无动力环境下，要了解系统的动态特性，则必须施加一动力源，称为激振设备。试验方法：机械阻抗法；快速正弦扫描法；脉冲激励法；随机激励法。脉冲激励测量：使用激振锤（含力传感器）进行激励，激振锤的示意图如图1.104所示。测量要求：频率范围要广，激振时间要短，比高阶模态的周期要短，能量要够，便于激起高阶模态。,53,锤头有不同材料，其频率响应相应不同。一般说，钢铝尼龙橡胶。各种材料的频响曲线如图1.105所示。图1.104激振锤示意图1锤体；2配重；3测力计； 4锤头；5锤把,54,锤头越硬，频谱越宽，但其单位频率的能量却越小。所以在满足最大频率要求的前提下，尽可能选软一些的材料。对于敲击不同的被测试件，其频率范围的上限（国产锤头）参见表1.19。图1.105各种材料的锤头的频响曲线1钢；2铝；3尼龙；4橡胶表1.19频率范围上限表,55,锤子有四种类型：轻小结构（叶片、金属薄板等高频软结构）重中型结构（小汽车架、小型发动机等中高频结构）重大中型结构（机床、小型坦克等中频结构）重重型结构（建筑物、大型发动机、舰船、小型基础等低频结构）重脉冲激振测试方法简单易行，测试框图如图1.106所示。,56,图1.106脉冲激振测试框图单点激振，多点测量；多点激振，单点测量。特点：可重复试验，多次平均，以减少随机误差；可移动激振点，而固定加速度计；激振点可移动，以避免激振点处于节点位置；磁带记录仪记录，便于频谱分析。,57,1.5.9测试系统的抗干扰技术1.5.9.1 信号的传输与噪声源一信号传输信号传输的几种形式：有线传输；无线传输；超声波传输。在有线传输中，可采用调制式和基带式传输。传输信号所占有的频带称为基带（基本频带）常用的方法。基带式又可分为直接式电压和间接式电流和平衡式三种。平衡式传输信号输入电桥或自动平衡电桥，引起电量变化信号接收端。直接式传输分为直流和交流两种。直流直接式应注意传输导线电阻变化的影响（电阻随温度变化、接触电阻）。,58,交流直接式又分为交流电流式和交流电压式，应注意高频时电容、电感的影响。直接式传输具有简单、可靠、成本低的优点，但必须抑制噪声，抗干扰。二噪声源噪声测试系统中出现的无用电信号。信噪比有用信号功率与噪声功率的比值。以对数形式表示，即（1.173）噪声源： 1.放电噪声（火花、电晕）源火花放电（雷电等）,59,低频甚高频内造成干扰。此外，常见的电气设备（电焊、电火花、电刷与滑环、电气开关等）的瞬间放电。车间的天车与轨道间的放电等。电晕放电（超高压大功率输电线路、变压器、互感器等）产生高频振荡信号宽频带噪声源。 2.电器噪声源电器噪声源包括：射频噪声源；电子开关、脉冲发生器噪声源；工频噪声源；输电线、动力线噪声源；耦合噪声源等。 3.其它噪声源其它噪声源包括：电缆运动噪声源；温度噪声源；电化学噪声源；接触噪声源（接触电阻）等。,60,1.5.9.2 噪声耦合途径噪声耦合途径分为导线直接传播和电磁场耦合两大类。在电磁场耦合中又可分为电磁辐射耦合与电磁感应耦合两种。在电磁感应耦合中，当噪声源为小电流、高电压时称为电场耦合（电容性耦合）；而当噪声源为大电流、低电压时称为磁场耦合（电感性耦合）。一电磁辐射耦合二电容性耦合三电感性耦合四导线传播,61,1.5.9.3 抗干扰技术一屏蔽 电场屏蔽电场屏蔽防止静电干扰。利用与大地相连的导电性良好（铜箔、铝箔等）的材料做成的保护层隔离两部分的电力线。如低噪音同轴电缆的金属网屏蔽等。电磁屏蔽电磁屏蔽防止电和磁的干扰。采用罩的形式，妥善接地。磁屏蔽磁屏蔽防磁干扰。高导磁材料。导线的屏蔽十分关键，应采用低噪音同轴电缆，电缆应相对固定，严重时，还应敷设金属管道。,62,二接地电子测量装置（测试系统）有以下几种接地法：信号接地信号零电位线；信号源地线传感器的零信号电位基准线；交流供电电源接地；机架、机壳屏蔽层保护接地线。使用时，分别引出，连接在一起单点接地。,
