振动测量技术综述

Ⅰ振动测量技术综述摘要振动分析和振动设计已成为产品设计中的一个关键环节，对振动的研究意义非常重大。通过掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动时工程结构和机械产品的性能、寿命及安全的有害影响；或者运用振动理论去创造和设计新型振动设备、仪表及自动化装置。依据测振传感器与被测物接触与否，振动的测量可以分为接触测量和非接触测量，本文从这两个方面分别对振动测量领域的主要方法、优缺点、原理及应用做了详细阐述。关键词综述；振动；振动测量；接触测量；非接触测量2AbstractVibrationanalysisandvibrationdesignproductdesignhasbecomeacriticalpartofthevibrationofgreatsignificance.Throughthegraspofbasictheoryandanalysisofvibration,tomakesureandlimitvibrationofengineeringstructuresandmechanicalperformance,lifeandharmfuleffectsonsecurity;ortheuseofvibrationtheorytocreateanddesignnewandautomaticvibrationinstruments.Vibrationsensorbasedoncontactswiththemeasuredobjectornot,vibrationmeasurementcanbedividedintocontactmeasurementandnon-contactmeasurement,thepaperdescribesseparatelyfromtwomainmethodsofvibrationmeasurement,advantagesanddisadvantages,applicationsandthetheoryindetail.Keywordssummarizevibrationvibrationmeasurementcontactmeasurementnon-contactmeasurement3目录摘要··························································································1Abstract·····················································································2第1章绪论·············································································41.1总述············································································41.2振动测量分类································································41.2.1振动测量一般分类·················································41.2.2接触式振动测量····················································41.2.3非接触式振动测量·················································3第2章接触式振动测量技术…………………………………………………52.1压电式加速度传感器振动测量技术·····································72.2电阻应变式振动测量技术·················································8第3章非接触振动测量技术…………………………………………………93.1声发射多普勒振动测量技术··············································93.2电涡流式振动测量技术····················································93.3光电测振技术······························································113.3.1光电测振基础实验···············································113.3.2外差式激光干涉技术············································123.4相移法散斑振动测量技术···············································123.5基于光纤的振动测量技术···············································143.6基于成像的振动测量技术···············································14第4章后级信号处理技术…………………………………………………16结论························································································21参考文献·················································································2341．绪论1.1总述从广义上说振动是指描述系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。[1]机械振动对于大多数的工业机械、工程结构及仪器仪表是有害的，它常常是造成机械和结构恶性破坏和失效的直接原因。例如，1940年美同的TacomaNarrow吊桥在中速风载下，因卡门漩涡引起桥身扭转振动和上下振动而坍塌。1972年日本海南电厂的一台66万千瓦汽轮发电机组，在试车中因发生异常振动而全机毁坏，长达51米的主轴断裂飞散，联轴节及汽轮机叶片竟穿透厂房飞落至百米以外。据统计，我国因运输车辆振动使包装不妥的产品受损、失效和破坏所造成的经济损失，一年达数亿元。超出规范标准的振动．缩短机器寿命，影响机械加工质量，降低机械及电子产品的使用性能，甚至产生公害，污染环境。现在，振动分析和振动设计已成为产品设计中的一个关键环节。学习振动力学的主要日的，就是掌握振动的基本理论和分析方法，用以确定和限制振动埘工程结构和机械产品的性能、寿命及安全的有害影响。振动电有可利用的一面，如工业上常采用的振动筛选、振动沉桩、振动输送以及按振动理论设计的测量传感器，地震仪等等即这方面的典型例子。学习振动力学的另一目的，就是运用振动理论去创造和设计新型振动设备、仪表及自动化装置。1.2振动测量分类1.2.1振动测量一般分类振动测量的分类方法有多种。依据测量的原理可以分为机械法，电测法和光电结合测量法；依据测振传感器与被测物接触与否，振动的测量可以分为接触测量和非接触测量；依据振动传感器原理的不同，又可以分为加速度型，速度型，和位移变化检测型三种。其中加速度型和速度型属于接触型测量使用时需固定将其固定在被测物体上，位移变化检测型属于非接触测量型，使用时无须安装在被测物体上。从检测频率上来看，加速度型测振传感器主要用于中频到高频范围，速度型测振传感器主要用于中频范围，而位移检测型主要用于直流到低频范围。1.2.2接触式振动测量在振动测量技术中，被测对象与测量元件是接触式或者非接触式。被测对象通过传感器的信号，经数据处理后，获取被测对象的振动信号。自20世纪605年代以来，人们进行了大量振动测量的理论及实验研究，实践发展过程中，常见的接触式测量方法可以分为以下几类：压电式，电阻式，电动式等。[2]电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。从传感器的结构上来说，电动传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比。因此就传感器的输出信号来说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比，所以压电式传感器是加速度传感器。压电式力传感器在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材料试样的测量。无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。1.2.3非接触式振动测量非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，6得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法如激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（0～10kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。电感式传感器依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公