第9章 机械振动的测试

第九章机械振动的测试本章要点:1.机械振动的类型2.振动的激励和激振器3.测振传感器原理及选择4.振动参数的测量第一节概述振动产生原因：（1）力的变化、零部件之间的碰撞和冲击。如回转件不平衡、负载不均匀、润滑不良、间隙等（2）能量传递、存贮和释放等诱发激励振动。振动的危害：（1）破坏机器正常工作和原有性能，如影响精度、寿命、可靠性甚至损坏。（2）产生噪声，恶化环境和工作条件，危害健康。振动的有效利用：如输送、清洗、磨削、监测等。无论是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，这些都离不开振动的测量。研究机械振动的意义：（1）对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，确保设备安全运行及产品质量；（2）对机械结构进行振动分析和设计，提高和改善机械设备的抗振能力。（3）通过对振动信号的监测，及时对工作环境实施控制。振动测试应用：作为现代技术手段，广泛应用于机械制造、建筑工程、地球物理勘探、生物及医疗等领域。电动机的在线识别例：下图表示在某电动机生产线上，利用响应频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。具体检测步骤如下：（1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上的电动机；（2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪；（3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较；（4）进行合格与否判断，输出判断信号。上图分别为典型的合格品与废品的振动频谱。从图中可知，废品频谱图中往往在某一频率有较大幅值。基本概念：振动：狭义上讲，把具有时间周期性的运动称为振动。广义上讲，任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动（如机械振动、电磁振动）。机械振动：物体在一定位置附近作周期性往复运动。机械振动系统：指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼c表征。机械振动测试的内容（两类）：（1）测量设备在运行时的振动参量目的：了解振动状态，评定振动等级和寻找振源以便进行监测、诊断、识别及评估（2）施加外加激励，求取被测对象的振动力学参量或动态性能分类：振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验被测对象测振传感器功率放大器激振器显示记录仪器振动分析仪器测量电路信号发生器机械振动测试系统组成框图机械振动测试系统的基本要求：（1）幅频特性和相频特性在测试范围内满足不失真条件；（2）注意各环节间的匹配。比如：传输环节的阻抗匹配；（3）系统稳定可靠。如防止屏蔽、接地等措施排除电磁干扰，合理滤波排除或削弱信号干扰。激振系统测振传感器中间变换电路功放振动分析仪器显示记录反馈控制干扰信号发生器如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可以求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就是求取系统系统动态特性的一种试验方法。一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：1)激励部分功能：实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。组成：主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。2)拾振部分功能：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)。组成：主要由传感器、可调放大器组成。拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。3)分析记录部分功能：将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接进行分析处理并记下处理结果。组成：主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。拾振器检测到的振动信号和激振点检测到的力信号要经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚拟频谱分析仪等。a.测振仪：振仪是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰—峰值、平均值或均方值的仪器。b.频率分析仪：振动信号转换成电信号后，经中间变换电路输入频率分析仪，手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析。c.FFT分析仪：是以微处理器为核心、快速傅里叶变换（FFT）算法为基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强。d.虚拟频谱分析仪：虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统，通常包括计算机图形软件，数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等。当然也包括少量的仪器硬件（例如数据采集硬件）以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。和传统的FFT分析仪相比，具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口，采样速率和频谱二进制数，且价格低，技术更新快，具有灵活的开放功能等。第二节机械振动的类型一、振动的类型及其表征参数机械振动确定性振动随机振动非周期振动周期振动平稳性非平稳性简谐振动周期振动准周期振动瞬态振动各态历经非各态历经按产生振动的原因分：自由振动：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。（反映系统内部结构所有信息，是研究强迫振动的基础）受迫振动：系统在持续的外作用力激励下的振动自激振动：无外部激励作用，由系统本身原因产生的振动。按振动规律分：(一)简谐振动(单自由度无阻尼系统的自由振动)2468101214-1-0.50.51vtxa)sin()(txtxm)2sin()cos(/)(tvtxdtdxtvmm)sin()cos(/)(222tatxdtxdtamm结论：(1)单自由度无阻尼系统的自由振动是以正弦或余弦函数或统称为谐波函数表示的，故称为简谐振动；(2)自由振动的角频率即系统的自然频率仅由系统本身的参数所确定，而与外界激励、初始条件等均无关。(3)无阻尼自由振动的周期为(4)自由振动的振幅X和初相角由初始条件所确定。(5)单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。kmT/2已知x(t)、v(t)、a(t)、f中任意两个，可推算其它两个振动参数应根据实际需要予以选择：位移是研究强度和变形的主要依据；加速度与作用力或载荷成正比，是研究疲劳和动力强度的重要依据；速度决定了噪声的高低，又与能量和功率有关，并决定了力的动量；人对振动的敏感程度很大频率范围内由速度决定；频率则是寻找振源和分析振动的主要依据。振动在受振机械上的效果与振动频率和系统固有频率有很大关系。(二)复合周期振动由两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合而成。(三)准周期振动准周期振动是由频率比不全为有理数的简谐振动迭加而成。(四)瞬态振动、冲击瞬态振动是指在极短时间内仅持续几个周期的振动。冲击是指单个脉冲。特点：过程突然发生，持续时间极短，能量却很大。通常由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。(五)随机振动没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系。统计参数通常有均值、方均值、方差、相关函数和功率谱密度函数等。二、单自由度系统的受迫振动(一)由作用在质量块上的力所引起的受迫振动)(22tfkydtdycdtydm当f(t)=F0sin(t-)时，)sin(202222tYydtdydtydnnn特解：y(t)＝Ysin（t--）22220)/(4])/(1[nnYY2)/(1/2arctannnmkn/固有频率kmc2/阻尼比静力F0产生的位移Y0=F0/k22220)/(4])/(1[1nnYYM放大因子共振曲线性质：①共振曲线只取决于/n和ξ；②/n→0时，M→1，→0；③/n→∞时,M→0,→180º；④/n=1时，位移始终落后于激励力90现象，称相位共振（与阻尼比无关，可用相位确定n）。此时M=1/2；⑤1/√2=0.707时,无极大值；⑥=0时，/n=1处M=∞；⑦M的极大值和相位差2max12/1M)/21arctan(2221nr位移共振频率(二)由基础运动所引起的受迫振动位移激励:振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的。设基础的绝对位移为x(t)，质量块m的绝对位移为y(t)，质量块m对基础的相对位移为(y-x)。其运动方程为：0)()(22xykdtxydcdtydm设基础运动x(t)＝Xsint，则稳态振动的解为y(t)＝Ysin（t-）222222)/(4])/(1[)/(41nnnXY2222)/(4)/(1)/(2arctannnn定义Y/X为传递率xdtdxydtdydtydnnnn222222①当/n=时，传递率为1，与阻尼比无关22)2/(11/XY③当/n0时，，而当/n时，18②当/n=l时，=arctan（1/2）三、振动计量器具检定系统（P203）(一)振动计量基准器具国家振动基准装置：复现按正弦规律振动的位移、速度、加速度单位的基准装置。国家振动副基准装置：用于振动量值传递。按频率分类：低、中、高频国家振动基准装置组成：激励振动系统、精密位移测量系统、频率测量系统包括振动计量标准和仪器的定度规程两部分内容频段频率范围激振方式位移测量方法频率测量低频0.1~60Hz电动式直接记数法（迈克尔逊干涉仪）频率计中频20~2000Hz电动式多周期记数法（迈克尔逊干涉仪）高频2~50kHz压电式贝塞尔函数法、相位圆细分法国家振动基准装置的结构及频率范围(二)低频国家振动基准装置（1）激励振动系统分类：垂直向激振系统、水平向激振系统组成：正弦信号发生器、功率放大器、振动台提高精度措施：a.振动台运动件（动圈弹簧）为空气弹簧（橡胶气囊），与活动质量配合可得到较低自振频率；橡胶阻尼性好，隔离干扰振源和吸收高次谐波；调节气囊压力，可保证活动系统线性工作。b.空气静压轴承，对动圈导向。不产生机械摩擦，噪声小，减小横向和扭曲振动，从而减小台面失真度。c.增加导向装置，保证动圈上、下平稳；（2）位移测量系统（迈克尔逊干涉仪）振动一个周期内光强变化N次，即干涉条纹数：N=4n=8Xm/λ则振动振幅：Xm=Nλ/8（3）频率测量通过高精度频率计测量信号发生器的频率。(三)中频国家振动基准装置（1）激励振动系统范围：20——2000Hz结构：与低频装置基本相同。a.为提高共振频率，需减小动圈质量，动圈骨架为氮化硅材料。b.密度小，可提高共振频率，降低功放功率和振动台面失真度。c.材料热膨胀系数小，故动圈变形小，动圈和空气轴承间的气隙小，从而减小台面横向振动量。（2）位移测量系统（迈克尔逊干涉仪）相比低频较大振幅，中频振幅要较小。记数方法采用多个周期记数的整数取平均，提高准确度。（3）频率测量通过高精度频率计测量信号发生器的频率。(四)高频国家振动基准装置（1）激励振动系统范围：5——20kHz设备：压电式振动台（2）振幅测量系统由于振幅较小，故在激光干涉仪的基础上采用贝塞尔函数法和相位圆细分法等。贝塞尔函数法：由贝塞尔函数可知，当振动位移达到最大值(Xm)时，贝塞尔函数也达到最大值。若已知贝塞尔函数振幅关系式，通过调节振动位移，使光电检测器输出信号达到极大值，反求振幅值。相位圆细分法：将光强变化频率和振动频率之比用专用示波器分频，经负载转化为脉冲信号输出，计数器计数，计算后求振幅。（3）频率测量通过高精度频率计测量信号发生器的频率。五、振动测量仪器的检定要求：制造单位严格检定，使用者定期校准、重要实验前定度。（一）振动传感器及其测量系统的主要技术参数1.灵敏度：输出电量（U、Q）与输入机械量之比2.频率响应：包括幅频特性和相频特性3.幅值非线性：规定测量范围内、输入频率不变情