内燃机测试技术 04振动测量

振动测量主要内容：振动概述；振动测量的基本原理；振动测量系统及其分类；测振传感器与激振器；内燃机振动测量。第一节振动概述从广义上说，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。从狭义上说，通常把具有时间周期性的运动称为振动，如机械振动。力学量（如位移）机械振动电磁振动电磁量（如I、V、E）机械振动机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动。机械振动系统，就是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。按作用力特性分为：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．机械振动的类型机械振动的类型按信号特点分为：•简谐振动•复合周期振动•准周期振动•瞬态振动、冲击•随机振动1.简谐振动以正弦或余弦函数或统称为谐波函数表示的振动，称为简谐振动。简谐振动是振动分析的基础。在简化模型中，振动体的位置或形状只需用一个独立坐标来描述的系统称为单自由度系统。单自由度系统的无阻尼自由振动和简谐力激励下的有阻尼强迫振动是最典型的简谐振动．单自由度无阻尼自由振动系统xok运动学特征动力学特征合F由kxmaF合微分方程特征0xdtxd222kx以弹簧振子为例得出普遍结论：xxmka2mk加速度22cos()cos()dvaAtAtdt速度sin()cos()2dxvAtAtdt2468101214-1-0.50.51vtxa解可得0xdtxd222)tcos(Ax位移振动方程常数A和的确定002020xvtgvxA＝sincos00AvAx)tsin()cos(AdtdxvtAx说明：(1)一般来说的取值在－π和π(或0和2π)之间；(2)在应用上面的式子求时，一般来说有两个值，还要由初始条件来判断应该取哪个值。常用方法：由2020vxA＝求A，然后由x0=Acosv0=-Aωsin两者的共同部分求。(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。12nmTfk单自由度系统的受迫振动由作用在质量块上的力所引起的受迫振动022202000222222222()sin()2sin()1()4())1()11()4()nnnnnnnnftFtdydyyYtdtdtYFYM00ny(t)=Ysin(t--)外加干扰力：为质量块上作用有静力时的静位移Y=F/k式中：振幅Y=2(相位差：=arctan振幅放大因子：1.不管系统的阻尼比是多少，在时位移始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。1n2.率。2.复合周期振动复合周期振动是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。3.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叠加而成。4.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。•冲击是单个脉冲。•特点：过程突然发生，持续时间短，能量很大。通常它由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。有阻尼系统的自由振动2()()()0()2()()0,22nnnnmxtcxtkxtxtxtxtkccmmmk式中：通解为：x=e-ntAcos(ωt+φ)5.随机振动没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系。实例机器与基础的振动第二节振动测量的基本原理测振仪模型一般可简化为由惯性元件质量m和弹性元件弹簧k组成，并悬挂在刚性的刚体上，框架安置在被测振动体上，并随振动体振动。设振动体的振幅为x1,m的振幅为x2，则m相对于框架的振幅为x1-x2。如忽略阻尼，质量m振动的微分方程为mx”2+k(x1-x2)=0设ω02=k/m，并设x1=X1sinωt，微分方程可写为x”2+ω02x2=ω02X1sinωt上述方程的解为x2=[(X1ω02sinωt)/(ω02-ω2)]sinωt通过推导，可以求得质量和框架间的相对运动幅值X为X=[X1(ω/ω0)2]/[1-(ω/ω0)2]当ω/ω0远大于1时，质量这时振动体的频率ω远大于测振仪的固有频率ω0，则X约等于-X1，即质量和框架间的相对运动幅值，近似为框架的振动幅值。这样就可以测出振动体的幅值，一般称这类仪器为位移计。当ω/ω0极小时，则有X≈(1/ω02)X1ω2式中X1ω2为被测振动体的加速度幅值，即测振仪所测得的读数X和被测振动体的加速度成正比。故可利用这种测振仪作振动加速度的测量，一般称这类仪器为加速度仪。第三节振动测量系统及其分类振动测量系统的组成：一般包括感受件、中间件和效用件。•感受件：直接与振动对象发生联系，感知振动参量，并将其转换为适当物理量的振动传感器。•中间件：将感受件的输出信号进行放大、变换、运算后传递到效用件的装置。•效用件：传统的效用件主要有指示式仪器和记录式仪器，前者指示被测参数在数量上的大小，后者可记录被测参数的变化历程。现代的虚拟仪器一般同时具有指示和记录的功能。•振动测量系统的分类：1、机械测振系统2、电子测振系统（1）由振动传感器、信号调理器（放大、变换、运算）、A/D采集卡、计算机、采集分析软件组成（2）由振动传感器、测振仪（将放大、变换、运算和幅值分析及显示功能集成）、频谱分析仪、磁带记录仪等组成。3、光学测振系统激光多普勒测振仪是利用激光多普勒效应进行振动测量的。当激光照射到振动体上时，振动散射的光频率将偏离入射光频率，这种现象就叫激光多普勒效应，其中散射光与人射光之间的频率偏离量称作多普勒频移。多普勒频移与振动体的速度成正比。因此，测量出多普勒频移就可以测得振动速度。第四节测振传感器与激振器•一、测振传感器测振传感器分类：a、按与振动体的接触方式分为接触式和非接触式；b、按工作原理分为机械式和电动式。电动式又分为电磁式、电感式、电容式和压电式。目前，压电式测振传感器在机械振动测量中应用最广。2、压电式加速度传感器内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块，当壳体连同基座和被测对象一起运动时，惯性质量块相对于壳体或基座产生一定的位移，由此位移产生的弹性力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。压电式传感器通常不用阻尼元件，且其元件的内部阻尼也很小(0.02)，系统可视为无阻尼X≈(1/ω02)X1ω2作用在压电元件上的力F为:当ω/ω0极小时,质量和框架间的相对运动幅值X为F=k2X=k2(1/ω02)X1ω2压电元件表面产生的电荷Q为Q=dF=dk2(1/ω02)X1ω2Q=CX1ω2当ω/ω0极小时，压电元件表面产生的电荷Q和被测振动体的加速度成正比。故可利用这种压电式传感器通过放大电路作振动加速度的测量。二、激振器激振器：能产生特定幅值和频率振动的装置。•功用（1）对测振系统进行标定；（2）根据系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系统的数学模型，也即动态特性参数。分类：电磁式激振器电动式激振器都是利用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．电动式激振器组成：见图，7—动圈（振动线圈）工作原理：动圈7固定在顶杆4上，处在磁极气隙中，气隙由永磁铁、磁极5、中心磁极6形成，顶杆由上下两组弹簧支承。当动圈通以交流电时，利用交变电流产生交变磁场，而被测对象随着动圈，在交变磁场作用下产生振动．