第七讲 振动的测量

第7章振动的测量§7.1振动基础§7.2振动的激励§7.3振动测量传感器§7.4位移的测量机械振动是普遍存在的物理现象如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等振动•机械振动大多数情况下有害：破坏机器正常工作，降低其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡；•机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康；•振动也能被利用来完成有益的工作，如上料、运输等。振动测试的目的，归纳起来主要有以下几个方面：(1)检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；(2)测定机械系统的动态响应特性，并为产品的改进设计提供依据，进行振动设计；(3)分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；(4)对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。目的一般来讲，振动研究就是对“机械系统”、“激励”和“响应”三者已知其中两个，再求另一个的问题。振动研究可分为以下三类：(1)振动分析，即已知激励条件和系统的振动特性，欲求系统的响应；(2)系统识别，即已知系统的激励条件和系统的响应，要确定系统的特性，这是系统动态响应特性测试问题；(3)环境监测，即已知系统的振动特性和系统的响应，欲确定系统的激励状态，这是寻求振源的问题。振动测试内容：•测量机器或结构在工作状态下的振动–掌握被测对象的运行状态–状态监测、故障诊断–环境控制、等级评定•对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动–获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等–找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力轿车的乘坐舒适性试验框图第一节振动的基础知识分类振动：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。第一节振动的基础知识振动信号三要素：1）幅值：振动体离开其平衡位置的最大位移，是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。2）频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。3）相位第一节振动的基础知识xtATmfkx(t))sin()(tAtx质量－弹簧系统的运动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为第一节振动的基础知识sin()xAt位移dcos()dxvAtt速度22dsin()dvaAtxt加速度第一节振动的基础知识在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中之一即可利用积分或微分求出另两个参量。超前90°超前180°在振动测量时，应合理选择测量参数:振动位移是研究强度和变形的重要依据；加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度与能力和功率有关，决定了力的动量。第一节振动的基础知识单自由度系统的受迫振动为了正确理解机械振动测试和分析技术的概念，我们讨论单自由度系统在两种不同激励下的响应。质量块受力产生的受迫振动：传感器安装在某一固定点，以该点为参考点，测量物体对参考点的相对运动，相应的传感器称为相对式传感器。基础运动所引起的质量块受迫振动：传感器安装在试件上，以大地为参考基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，相应的传感器称为绝相对式(惯性式)传感器。mkc第一节振动的基础知识在外力f(t)的作用下，质量块m的运动方程为：1)质量块受力产生的受迫振动第一节振动的基础知识当激振力频率远小于固有频率时，输出位移随激振频率的变化十分小，几乎和“静态”激振力所引起的位移一样。当激振频率远大于固有频率时，输出位移接近于零，质量块近于静止。当激振频率接近系统固有频率时，系统的响应特性主要取决于系统的阻尼，并随频率的变化而剧烈变化。A(ω)/dBφ(ω)ω/ωn第一节振动的基础知识2)基础运动产生的受迫振动2001012()()0dzdmczzkzzdtdt在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引起的。设基础的绝对位移为z1，质量块m的绝对位移为z0，则质量块m的运动方程为:0101zzz22010110122dzdzdzmckzmdtdtdt质量块m的相对位移第一节振动的基础知识1.当ωωn，质量块相对基础几乎一起移动；2.当ωωn，z01≈-z1，→z0≈0，质量块几乎处于静止状态。工程中的振动问题,可用弹簧—阻尼—质量块构成的单自由度振动系统模型来描述。第一节振动的基础知识在振动测量中，在很多场合需运用激振设备使被测试的机械结构产生振动，然后进行振动测量。例如：(1)研究结构的动态特性，确定结构模态参数，如固有频率、振型、动刚度、阻尼等；(2)产品环境试验，即一些机电产品在一定振动环境下进行的耐振试验，以便检验产品性能及寿命情况等；(3)拾振器及测振系统的校准试验。在这些场合，激振设备都是不可缺少的设备。第二节振动的激励振动的激励方式通常有稳态正弦激振、随机激振和瞬态激振三种。1.稳态正弦激振稳态正弦激振又称简谐激振，它是借助于激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。是一种应用最为普遍的激振方法。在进行稳态正弦激振时，一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段再进行稳态正弦激振获取严格的动态特性。第二节振动的激励2.随机激振随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。3.瞬态激振瞬态激振给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，一次激励，可同时给系统提供频带内各个频率成分的能量使系统产生相应频带内的频率响应。测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激振方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃激励等方法。第二节振动的激励激振器激振器是对试件施加激振力，激起试件振动的装置。常用的激振器有电动式﹑电磁式和电液式三种。1)电动式激振器第二节振动的激励2)电磁激振器1—底座2—铁心3—励磁线圈4—力检测线圈5—被测对象6—电容位移传感器第二节振动的激励应用磁力轴承激振试验第二节振动的激励3)电液激振器1—顶杆2—电液伺服阀3—活塞4—力传感器第二节振动的激励振动测量分类按测量原理分：测量振动的方法按振动信号的转换方式可分为电测法、机械法和光学法。目前，应用最广的是电测法。按测振参数分：•位移传感器•速度传感器•加速度传感器测振传感器(拾振器)是将被测对象的机械振动量(位移、速度或加速度)转换为与之有确定关系的电量(如电流、电压或电荷)的装置。第三节振动测量传感器第三节振动测量传感器按变分原理分：•磁电式magnetoelectric•压电式piezoelectric•电阻应变式resistancestraingauge•电感式inductance•电容式capacitance•光学式optical按传感器与被测物关系分：•接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。•非接触式传感器有电涡流式和光学式等。按参考坐标分：•相对式传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对振动。•绝对式传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。第三节振动测量传感器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?涡流式位移传感器第三节振动测量传感器•涡流位移传感器特点：–结构简单–非接触式测量–频率响应范围较宽–具有较强的抗干扰能力在旋转机械轴振动检测中应用十分普遍第三节振动测量传感器磁电式速度传感器第三节振动测量传感器当穿过匝数为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sinwBlvetwedd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。第三节振动测量传感器压电式加速度传感器利用某些晶体材料（如压电陶瓷等）的压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。maF第三节振动测量传感器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)(b)第三节振动测量传感器1.采用位移传感器的情况(1)振动位移的幅值特别重要时，如不允许某振动部件在振动时碰撞其他的部件，即要求限幅；(2)测量低频振动时，由于其振动速度或振动加速度值均很小，因此不便采用速度传感器或加速度传感器进行测量。2.用速度传感器的情况(1)振动位移的幅值太小；(2)与声响有关的振动测量；(3)中频振动测量。3.采用加速度传感器的情况(1)高频振动测量；(2)对机器部件的受力、载荷或应力需作分析的场合。选用原则第三节振动测量传感器•按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。•按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。位移测量的分类位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用很广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。第四节位移的测量形式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移角位移变阻器线位移角位移1~300mm0°~360°1~1000mm0~60rad±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%分辨率较好，可用于静态或动态测量。机械结构不牢固结构牢固，寿命长，但分辨率差，电噪声大应变式非粘贴式的粘贴的半导体的±0.5%应变±0.3%应变±0.25%应变±0.1%±2%~3%±2%~3%±1%满刻度±20%不牢固牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高常用的位移传感器第四节位移的测量形式测量范围精确度直线性特点电感式自感式变气隙型螺管型特大型差动变压器涡电流式同步机微动同步器旋转变压器±0.2mm1.5~2mm300~2000mm±0.08~±75mm±2.5~±250mm360°10°60°±1%±0.5%±1%~3%±0.1~±0.7°±1%±3%0.15%~0.1%±0.5%3%±0.5%±0.05%±0.1%只宜用于微小位移测量测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差分辨率好，受到磁场干扰时需屏蔽分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响可在1200r/min的转速下工作，坚固、对温度和湿度不敏感非线性误差与变压比和测量范围有关第四节位移的测量形式测量范围精确度直线性特点电容式变面积变间距10-3~100mm10-3~10mm±0.005%0.1%±1%介电常数受环境温度、湿度变化的影响分辨率很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保持线性霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单，动态特性好感应同步器直线式旋转式10-3~100mm0°~360°2.5µm/250mm±0.5模拟和数字混合测量系统，数字显示(直线式感应同步器的分辨率可达1µm)第四节位移的测量形式测量范围精确度直线性特点计量光栅长光栅圆光栅10-3~1000mm0°~360°3µm/1mm±1模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨率0.1~1µm)磁栅长磁栅圆磁栅10-3~10000mm0°~360°5µm/1mm±1测量时工作速度可达12m/min角度编码器接触式光电式0°~360°0°~360°10-6r10-8r分辨率好，可靠性高第四节位移的测量随着数字技术的发展，出现了各式各样的数字式位移传感器。常用的数字位移传感器有计量光栅、磁尺、编码器等。它们都有线位移测量和角位移测量两种构造形式。光栅光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。第四节位移的测量当指示光栅和标尺光栅的线纹以一个微小的夹角相交时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相