振动测试技术

振动测试技术振动测试技术振动测试技术振动测试技术孙利民孙利民孙利民孙利民编编编编郑州大学郑州大学郑州大学郑州大学2004.62004.62004.62004.6振动测试技术I目录第1章振动测试技术概论…………………………………………………11.1振动试验的目的和意义……………………………………………11.2试验方法和内容……………………………………………………31.3工程振动中的被测参数……………………………………………61.4工程振动测试及信号分析的任务…………………………………131.5工程振动测试方法及分类…………………………………………15第2章机械式传感器工作原理……………………………………………172.1传感器的作用………………………………………………………172.2相对式机械接收原理………………………………………………182.3惯性式机械接收原理………………………………………………182.4非简谐振动测量时的技术问题……………………………………26第3章机电式传感器工作原理……………………………………………293.1振动传感器的分类…………………………………………………293.2电动式传感器………………………………………………………303.3压电式传感器………………………………………………………323.4电涡流式传感器……………………………………………………403.5参量型传感器………………………………………………………41第4章振动测量系统………………………………………………………474.1微积分放大器………………………………………………………474.2滤波器………………………………………………………………544.3压电加速度传感器测量系统………………………………………604.4电涡流式传感器的测量系统………………………………………654.5动态电阻应变仪……………………………………………………674.6参量型传感器测量系统……………………………………………73第5章激振设备……………………………………………………………775.1激振器……………………………………………………………775.2振动台……………………………………………………………805.3液压式振动台……………………………………………………825.4其它激振方法……………………………………………………84第6章基本振动参数的测量及仪器设备…………………………………87振动测试技术II6.1简谐振动频率的测量………………………………………………876.2机械系统固有频率的测量…………………………………………926.3简谐振动幅值的测量………………………………………………966.4同频简谐振动相位差的测量………………………………………996.5衰减系数的测量…………………………………………………103第7章模拟平稳信号分析………………………………………………1097.1波形分析的简单方法………………………………………………1097.2模拟式频率分析…………………………………………………1147.3模拟式实时频谱分析简介…………………………………………120第8章振动测试仪器的校准……………………………………………1238.1分部校准与系统校准………………………………………………1238.2静态校准法…………………………………………………………1258.3绝对校准法…………………………………………………………1268.4相对校准法…………………………………………………………127第9章数字信号分析……………………………………………………1319.1基本知识……………………………………………………………1319.2离散傅里叶变换……………………………………………………1349.3快速傅里叶变换（FFT）…………………………………………1379.4泄漏与窗函数………………………………………………………1419.5噪声与平均技术……………………………………………………1459.6数字信号分析仪的工作原理及简介………………………………148第10章实验模态分析简介………………………………………………15410.1基本概念…………………………………………………………15410.2多自由度系统的传递函数矩阵和频响函数矩阵………………16010.3传递函数的物理意义……………………………………………16210.4多自由度系统的模态参数识别…………………………………16410.5模态分析中的几种激振方法………………………………………17010.6模态分析的实验过程……………………………………………172第1章概述-3-第第第第1章章章章概概概概述述述述1.1振动试验的目的和意义唯物史观认为，世界上的一切都在运动着，运动是物质存在的形式。人类认识物质，就是认识物质的运动形式，只有通过运动才能认识各种物质的形态与性质。在物质的运动中，振动和冲击是运动的主要形式．是自然界中广泛存在的现象。同世界上一切事物无不具有两重性一样，振动和冲击也有两重性。当我们没有掌握振动与冲击的规律时，它会给人类带来严重的危害，一旦当我们认识了它的规律，它又会变害为利，给人类带来利益。振动与冲击的危害常表现在以下几个方面：(1)强烈而持续的振动，尤其是随机振动会导致结构的疲劳损坏。根据有关部门统计，在结构损坏中80％是属于疲劳损坏。交通车辆的车轴、弹簧、轴承、构架、钢结构等损坏都是在随机载荷作用下引起的，绝大多数都属于疲劳损坏。疲劳损坏往往会造成很大的危害，历史上曾发生过大型客机因一枚螺栓的疲劳断裂而导致机毁人亡，大型气轮发电机组曾因轴承振动疲劳使转子断成数段而飞出数百米外。美国的塔柯马大桥因风振而断毁。强地震造成的灾难性破坏更是令人触目惊心。工程中的种种事例，举不胜举。(2)强烈的冲击往往会造成结构的瞬时超越损坏。当结构动力响应首次超过其允许的上限值时，结构将发生首次超越损坏。如军工系统就曾发生过瞄准镜在打炮时由于强烈冲击而振碎，牵引火炮在牵引试验中由于道路的强烈冲击，炮车轴振断。(3)强烈的振动和冲击会导致仪器设备的功能失效。例如，强烈的振动或冲击会使仪器仪表的精度降低、元器件参数发生变化，甚至损坏，造成功能失灵。强烈或者持续的振动会使机件松动，密封受到破坏，部件产生过大的变形，以至不能工作。我国某部曾对机载产品失效情况进行分析统计，总故障中52．7％是因环境因素引起的，其中振动引起的故障占环境因素引起的故障的21．6％，冲击引起的失效占2．1％。对于运动机械，有关部门也通过统计，由于振动引起的故障率一般可达60％~70％。由此可见，振动故障在机械故障中所占比例十分高。第1章概述-4-(4)强烈持续的振动和冲击会导致动态特性欠佳的结构、设备的总体性能和总体水平下降。工程中很多机械设备、电器设备或者武器都是在振动环境下工作的。例如，各种火炮都是在振动和冲击过程中工作的，尤其是连发射击的火炮，振动对射击精度有很大的影响。有关课题研究表明，对于65式双管37mm高炮，由于振动对射弹散布的影响占总散布的80％~90％之高。某化肥厂的大型空气压缩机组、某油田的石油钻机等机械设备往往由于强烈振动而迫使停机进行检修，严重影响了产品质量和生产率。(5)强烈的振动和冲击对人体本身也会造成严重的危害。当振动和冲击超过一定的限度时，就会破坏人与环境、人与机器之间的和谐关系，干扰人的情绪，损坏人的健康，降低工作效率。研究表明，环境振动对人体的生理、心理的危害主要是由振动频率决定的，尤其是与人体某些部分的共振频率相同的振动频率会造成更大的影响。对人体影响最大的激振力频率为4—8Hz，人体不同部分对不同激振力频率的反应如下：2.5—5Hz之间的振动，可引起颈椎和腰椎的共振，振幅增大约240％。4—6Hz间的振动，可使人的驱体、肩以及颈发生共振，振幅增大约200％。20—30Hz间的振动，可使人的关节与肩之间出现强共振，其振幅增大250％。60—200Hz间的振动，可使人的眼球、手指发生共振，共振幅增大约230％。一般地面设备机械振动的频率范围是l0—100Hz，舶船设备机械振动的频率范围是5—l00Hz，可见这些振动对人体都是很有危害性的。(6)振动又是噪音的主要来源，强噪音会造成环境污染，使人不能正常工作，并造成各种职业病或污染性病害，危及人类健康。有关研究表明，结构表面声辐射的能量与振动速度、振动模态及振动强度有关。振动虽有上述种种危害性，但是一旦人们掌握了振动规律，就可以消除振动、控制振动，并可减轻以至消除振动带来的危害，还可以利用振动来为人类服务。例如，工业中常用的振动筛、工厂铸造车间用的铸件振动落砂机、用于混凝土的振动捣固机、振动打桩机以及利用共振原理制作的搅拌混料机，振动压路机，都是利用振动原理工作的机械设备，问时还可以利用振动消除构件的内应力。更为重要的是，如果很好地认识并掌握了振动规律，就可以设计制造出动态特性良好的机械设备。尤其是在振动和冲击过程中工作的机械设备，动态特性的好坏，体现了机械设备的总体性能和总体水平，因为这些机械设备，振动和冲击直接影响着设备的总体性能指标，设备本体，各部分的机械动作，所有配置的仪器仪表都要承受其振动和冲击的作用，都存在着适应性、可靠性、破坏或故障的问题。因此，振动与冲击是工程中的共同问题。第1章概述-5-研究振动与冲击，目的在于摸清振动规律，指导机械结构的优化设计，对设备的振动与冲击进行预测或进行振动控制，以保证机械设备具有良好的动态特性和良好的环境适应性，以提高机械设备的总体性能和总体水平。振动与冲击的研究包含有极其丰富的内容，既有基本机理、基本原理方面的研究，也有工程应用方面的研究，既有理论研究，也有实验研究。由于研究对象日趋复杂，实验研究占有十分重要的地位。实验不仅对研究尚未明了其机理的振动现象十分必要，还为复杂振动系统的分折与设计提供更符合实际情况的资料。实验结果是最终考核和检验工程结构动态特性好坏的最权威的手段。因此，振动与冲击的研究要立足于实验，通过实验寻求振动与冲击的规律，通过实验验证理论研究的正确性，深化理论并发展理论。1.21.21.21.2试验方法和内容试验方法和内容试验方法和内容试验方法和内容不久以前，工程界在设计机械结构时，常常只考虑静载荷和静特性，当产品试制成功后再作动载荷和动特性的测试。如果不符合产品的技术指标，采取局部补救的措施，这种设计方法称为静态设计、动态校核补救法。随着科学的迅猛发展，要求机械设备或结构具有更高的性能，更高的效率，更好的环境适应性，更高的自动化程度，更多的功能，更加轻巧并使用方便，更节省材料。这就要求机械设备或结构各部分以及配置的仪器仪表不仅具有良好的功能特性，而且要具有很好地环境适应性、可靠性，即具有良好的动态特性。这种要求迫使工程设计必须进入到动态设计阶段，并在实施(生产、加工或建造)、管理、使用、监测、维修等阶段采取全过程的．全方位的动态措施，这样才能保证生产出高质量的机械设备或结构。机械设备或结构的动力学问题，归纳起来包括以下三个方面的问题：(1)已知环境对系统(机械设备或结构)的输入(激励)和系统的动态特性，求系统的输出。工程上称为响应预测。这是结构动力学中的正问题。响应预测的目的在于寻求结构系统的目标响应，即最优响应，由目标响应进而保证结构的目标性能。(2)已知输入和输出，求系统的动态特性，工程上称为系统识别。解决这类问题的途径是根据实测到的输入(激励力)与输出(响应)的信息，按照目标函数最优的判据来确定结构系统的动态特性，这是结构动力学中的一种逆问题。系统识别的目的在于通过寻求结构系统的最优模态参数，进而保证结构系统的最优物理参数及其匹配，并为动力学分析计算的正确建模提供依据。(3)已知输出和系统的动态特性求输入，工程上称为载荷识别或环境预估，这第1章概述-6-也是结构动力学中的一种逆问题。载荷识别的目的在于用来判断结构系统的动强度、动刚度是否安全可靠。以上三方面的问题有着内部必然规律的联系