振动测试理论和方法综述

1振动测试理论和方法综述摘要:振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。在长期的科学研究和工程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计算和分析。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，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。振动测试技术在工业生产中起着十分重要的作用，为此设计和制造高效的振动测试系统便成为测试技术的重要内容。本文概述了振动测试的发展历程，总结和分析了振动测试系统的基本组成和应用理论，列举了几种机械振动测试系统的类型。最后分析了振动测试系统的几个发展趋势。关键词：振动测试；振动测试系统；测试技术；激振测试系统1.引言振动问题广泛存在于生活和生产当中。建筑物、机器等在内界或者外界的激励下就会产生振动。而机械振动常常会破坏机械的正常工作，甚至会降低机械的使用寿命并对机器造成不可逆的损坏。多数的机械振动是有害的。因而对振动的研究不仅有利于改善人们的生活环境和生活水平，也有助于提高机械设备的使用寿命，提高人们的生产效率。正因如此振动测试在生产和科研等多方面都有着十分重要的地位[1]。为了控制振动，将振动给人们带来的危害降至最低，就需要我们了解振动的特性和规律，对振动进行测试和研究。振动测试应运而生。振动测试有着较为长久的发展历史，是与人类社会的发展有着紧密的联系。随着计算机技术和相关高科技技术的问世和发展，振动测试系统也有了飞跃性的发展。振动测试系统从最早的简单机械设备的应用到如今的先进的计算机技术和设备的应用。从刚开始的检测人员的耳朵来进行测量、判断和计算出大概的故障点的原始方法到现在的计算机控制、存储、处理数据的处理[2]，无不体现出振动测试系统的长足发展和飞跃式的进步。与此同时，振动测试在理论方面也有了长足的发展，1656年惠更斯首次提出物理摆的理论并且创造出了单摆机械钟到现今的自动控制原理和计算机的日趋完善，人们对机械振动分析的研究已日趋成熟。而伴随着振动测试系统的进步和日臻成熟，其在国民的日常生活和生产中所扮演的角色也愈发的重要。2.振动测试与分析系统（TDM）的发展2在国内不论是振动在线监测系统（TSI），还是振动离线分析系统(TDM)的制造起步很落后，其发展经历了以下三个阶段：（1）．初期研发阶段上世纪七、八十年代，国内已有不少单位开始研发和制造振动测试仪表，如各类测振表、闪光找相平衡仪、鉴相式动平仪和多通道振动监测仪等，为现场消振，确保机组安全运行做出了贡献。随着计算机技术的发展，在这期间还研发出基于PC机的多通道振动测试与分析系统（TDM）。也为这些仪表开过不少成果鉴定会，其性能、指标在当时都处于国内先进水平，有的达到了国际同期水平。但因种种原因，既有管理体制方面的问题，也有可靠性方面的问题，使这项实用性很强的振动测试、分析技术未能获得广泛应用。在此后的十几年里，TDM技术在国内基本上处于空白状态。（2）．国外引进阶段八、九十年代，为适应经济发展，国内大量投运了200MW以上的机组，与之相应的振动故障诊断技术、转子和轴系动平衡技术也业已成熟，但缺乏相应的、适合大机组需要的测量分析仪器（DTM）。为适应电力发展的需要，从1986年开始，陆续从美国本特利公司引进了一批先进的振动测试、分析仪表，如TK20、TK83、DVF2、DVF3单／双通道平衡仪和NB108、NB208四／八通道振动数据采集仪等，为现场振动故障诊断和轴系动平衡提供了先进的测量、分析手段。从而改变了国内振动监控与测试仪表落后状态。值得一提的是，美国本特利公司的NB208型振动数据采集仪虽生产于上世纪八十年代，但由于它是基于DSP的硬件设计和合理的软件布局，使系统具有实时快速、稳定可靠和经久耐用的特点。因此，至今NB208仍然是全国各电科院（所）不可或缺的仪器。（3）．国内近期开发阶段随着改革开放的深入发展，新型的振动测试分析仪表厂家（公司）和仪表门类不断涌现。在市场竟争机制的激励下，各仪表厂商通过创新和提高，使诸多国产仪表，如手持式测振表和1、2、4通道动平仪，在性能和可靠性方面已达到或超过日本的VM63测振表和美国本特利公司的TK20、TK83、DVF2、DVF3单／双通道平衡仪，并在国内占据了一定的市场。国内研发的多通道TDM仪器，在2000年之前，是侧重于软件开发，基于PC的模3式。由于这种模式的TDM无论在分析功能上，还是在测量速度、实时性和可靠性方面，与美国本特利公司的208相比，还存在一定的差距，因此未能形成产品。2000年以后，随着嵌入式计算机技术（ARM）的发展和新型的高速DSP芯片的引进。国内从事TDM仪器研发的单位（公司）开始采用基于DSP和ARM的硬件模式，进行TDM仪器的研发。在2004年研发出8通道和16通道的TDM仪器，如VM-9509、VM-9510等。通过多年的现场实际应用，证实其性能和可靠性（返修率为3%）已超过和达到美国本特利公司的208八通道振动测试系统。如，在整个频率（3～500Hz）和振幅(1～1000μm)测量范围内，对振动高点的相位测量误差能做到±1°，还可通过局域网和Internet网实现数据共享和远程诊断。随着科学技术的发展，国产TDM仪器在技术性能方面超过本特利公司的208，已是不争的事实。然而在可靠性方面，本特利公司的208在国内毕竟已有近30年的使用史，而国产TDM仪器只有几年的使用史，还不足以改变人们对国产仪器认为不可靠的固有看法。为此，在提高国产TDM仪器技术性能的同时，必须加强可靠性设计。相信在市场经济的冲击下，国产TDM仪器在可靠性方面将会逐年提高。为了适应大机组的测试需要，国内有些公司正在研制基于第六代DSP的32通道振动测试与分析系统。还利用第六代DSP开发出手持式频谱分析仪和叶片测频仪，其速度和频率准确度已超过美国恩泰克公司的PL202频谱仪。3.振动测试的基本理论与组成振动测试就是利用现代一些测试手段，对所研究物体的振动进行测量，并对测得的信号进行更细致的分析，以及获得在各种工作状态下物体的机械振动特性，从而判断物体的振动特性是否符合要求。振动测试系统主要由传感器、信号调节部分、数模转换器、信号处理部分和数据记录部分、反馈部分等组成。传感器是将被测量转换成某种电信号的部件，是整个测试系统最重要的组成部分。信号调节部分是把传感器的输出信号转换成适合于进一步传输和处理的形式。经过加工处理使得原始信号更加便于分析和处理。这种信号的转换多数是电信号直接的转换。信号处理部分是对来自信号调节环节的信号进行各种运算和分析。这也是测试的核心意义所在，包括对时域和频域的分析，已得到各种参数。数模转换器是采用计算机等进行测试、控制系统时进行模拟信号与数字信号的相互转换的环节。测试系统的主要作用是更加便捷易懂的将初试信号转换成某种信号进行提取分析。因此最重要的是信号不能失真，不出现扰动。这就对测试系统提出了较为严格的要求[3]。44.振动测试系统的分类近几年来，振动测试理论与方法都有了很大的发展。目前振动测试方法按其原理不同可以分为四类。直观类、机械类、光学类和电测类。直观法操作简便，不受各种器材的限制。机械法利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来。使用简单，主要用于低频大振幅振动及扭振的测量。它的抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给试件加上一定的负荷，影响测试结果。测振物体的振动由探测杆接收并直接或经杠杆放大后用记录笔在移动胶片上刻出信号。光学法利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理以及激光多普勒效应进行测量。它不受制于电磁场干扰、测量精度高，适用于一些质量效应及不易安装传感器的试件进行非接触性的测量。光学法测振装置调整复杂，对测量环境要求严格，一般仅适用于实验室环境下作标准振动仪器的标准计量装置。电测法将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量。它是目前使用最为广泛的一种测量方法，主要是将被测对象的振动量转化成电量，继而用电量测试仪器进行测量。电测法能够广泛使用各种不同的测振传感器。与机械法和光学法相比，电测法灵敏度很高，频率范围以及动态、线性范围广，易于进行分析和远程测量，但是容易受到电磁场的干扰。这是它最大的缺点[4]。5振动测量从本质上说属动态测量，测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析，找出系统的动态特性参数，包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼比等。振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。振动测试的方法有很多种，相应地根据不用的激振方法有不同的测试方法。5.1正弦激振测试法正弦激振主要是对被测对象的频率特性进行测试，因此在被测对象的有效的响应的频率范围内，用不同的频段的正弦激振力进行激振。激振器经过力传感器对系统进行激振，是根据功率放大器将信号发生器产生的正弦电信号放大后驱动激振器来实现。加速度传感器和力传感器分别用于测量加速度响应和力激振。数据从测量仪器中读取，示波器用来监视信号的波形。测出的激振力由跟踪滤波器确定与响应只与激振频率有关。为了测量记录各频率点的响应幅值与相位，我们需要逐一改变振动频率来进行激振。进而可得到振动系统的整个相关的相频和幅频的特性曲线[5]。正弦激振的特点是信噪比低，激振功率大，有效的保证了测试的精度。但是测量周期过长。5.2瞬态激振测试法瞬态激励测试系统脉冲激励是以理想的脉冲激振力对系统进行激振。由于脉冲的整个频域频谱的范围内是恒定的，因此对应于所有频率的正弦信号同时激励。瞬态激振方法的优点是迅速，测量周期短。常用的激发有两种：快速正弦扫描法和脉冲锤击法。实验设备也比较简单，但由于激振能量分散在较宽的频率范围内，因此对于某些形态可能会存在激振能量不足，与此同时，信噪比低同时测量精度不高[5]。5.3随机激振测试法随机激振测量法是现在广泛应用的一种系统。由信号由信号发生器产生，经过功率放大器来驱动激振器，对测试系统进行激振。分别以力传感器和加速度计测量激振力和响应，信号经过处理后输出。这种方法与瞬态激振不同的是在同一时间内，以随机信号对被测对象进行连续激振，以此获得较大的激振能量[5]。这种方法抗干扰能力强，能在有噪声的情况下有效的提取有用信号。与此同时，采用随机激振测试方法对系统进行测试时，不必中断系统的正常工作，只要是所施加的激振信号与系统正常运行中的信号或扰动信号是无关的，则系统的运行信号和扰动就不会影响测试的结果。66机械振动测试系统的研究方向6.1机械振动测试系统计算机化.机械振动要求高采集速度，以及好的采集时性，应用MCS-51汇编语言编辑系统软件。通过微控制器，其特征在于，所述信号调节由软件来完成的工作，从而与硬件电路相比，逻辑功能大大简化。计算机化的机械振动试验系统与传统系统相比，不仅大大降低了生产和测试系统的测试精度和测试速度的工作量，成本也得到了很大的改善，多元化的处理功能，信号处理工程进行中按照数字形式，这可以预示一个更完整的分析和处理，提取所需的数据的形式[6]。6.2机械振动测试系统的虚拟化虚拟化的机械振动测试系统的主要依据就是基于虚拟仪器利用Labview编程以达到测试和分析机械振动的目的，既可以在一些实验教学中应用也可在一些实际生产中加以实践。虚拟仪器技术的核心是利用计算机软件和硬件设施，以实现最大限度的降低系统成本，提高灵活性和功能为目的。虚拟振动测试系统是利用虚拟测试仪器完成机械振动信号的测量，数据分析和有效的处理。通常以PC机作为系统硬件平台的核心。一方面，振动信号采集部分以用单片机为核心的串口同学的数据采集卡为主。软件部分的主要原理是将振动分析算法转换成虚拟仪器的应用程序[7]。另一方面，Labview图形化的编程语言提供了一个方便快捷的工作环境[8]。为了便于日后系统的扩充以及数据采集、信息管理、信号预处理、频域分析、时域分析等功能的扩展，采用了模块化设计[9]。最后，为了使系统更加完善，发挥更大的功效。在以后的研究中，需要不断提高通信方面的传输速度[10]。选