机械工程测试技术基础 第3版 教学课件 ppt 作者 熊诗波 黄长艺 第7章振动测试

第七章 振动的测试,本章学习要求：,1.了解惯性式传感器的力学模型 2.掌握测振传感器、激振设备及激振信号 3.掌握振动测量系统及其标定,1、机械振动定义 物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。 2、机械振动产生的物理原因 机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。 3、振动测试的研究内容 测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找振源； 对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。,7.1 概 述,利：钟表、振动筛、振动沉桩机等 。,4、振动的利弊,弊：磨损，减少寿命，影响强度； 引起噪声，影响劳动条件； 消耗能量，降低精度等。,7.2 单自由度系统的受迫振动,一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析 1、质量块受力所引起的受迫振动,位移共振： 速度共振： 加速度共振： 共振时位移相位始终落后于激振力90,2、由基础运动所引起的受迫振动,质量块 m的相对位移为：Z01=Z0-Z1,单自由度系统的基础激励,Z1基础绝对位移 Z0质量块绝对位移,基础激励时，以质量块对基础的相对位移为响应时的频率响应特性,当激振频率远高于固有频率时， 接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,位移测量,单自由度系统的基础激励,输入：基础绝 对位移Z1 输出：质量块 相对位移Z01,基础激励时，以质量块对基础的相对速度为响应时的频率响应特性,当 时，质量块在绝对空间近乎静止，质量块和被测物之间的相对速度（输出）和被测物的绝对速度（输入）近于相等。,速度测量,单自由度系统的基础激励,输入：基础 绝对速度V1 输出：质量块 相对速度V01,磁电式速度计：V1V01 e,由基础激励引起的速度响应图,当 时，,速度测量,输入：基础 绝对速度V1 输出：质量块相对位移Z01,传感器：V1Z01 e,由基础激励引起的加速度响应,当 时，,加速度测量,压电加速度传感器：a1Z01 F e,输入：基础 绝对加速度a1 输出：质量块相对位移Z01,测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。 位移传感器的工作范围在频率 的区域。 加速度传感器的工作范围在频率 的区域。 第一种速度传感器的工作范围在频率 的区域。 第二种速度传感器的工作范围在频率 的区域。,为了完成测试任务，测试系统包括下述三个主要部分： 激励部分 实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。 拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。 分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。,7.3 振动测量传感器,按是否与被测件接触,接触式,非接触式,按所测振动性质,绝对式,相对式,一、涡流位移传感器,非接触测量结构简单，测量动态范围大；可测振幅范围为几十微米到几毫米；频率范围为DC20Hz。 。 不受油污等介质的影响，抗干扰能力强。 灵敏度与被测对象的电导率和导磁率有关。 适用旋转轴的径向和轴向振动测量。,接收形式：相对式 变换形式：电涡流 典型频率范围：020kHz 典型线性范围：02mm 典型灵敏度 ：8.0V/mm (对象为钢),轴振动的测点布置,二、电容传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。,对恒磁通磁电式传感器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种：,（a）动圈式； （b）动铁式,三、磁电速度传感器,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,要尽量降低n，采用薄片式弹性元件，并配以阻尼环3加大阻尼，使阻尼比达0.6-0.7，以增加低频段的测量范围。,磁电式绝对速度传感器,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,磁电式相对速度传感器,测量振动系统中两部件之间的相对振动速度； 壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接，使传感器内部线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势。,四、压电加速度传感器,接收形式：惯性式 变换形式：压电效应 典型频率范围：0.2Hz10kHz 线性范围和灵敏度随各种不同型号可在很大范围内变化。,测量非转动部件的绝对振动的加速度。 适应高频振动和瞬态振动的测量。 传感器质量小，可测很高振级。,固定加速度计的方法,装在激振器顶杆和试件之间。 前端是力传感器； 后面为测量激振点响应的加速度计。,五、阻抗头,测振传感器的合理选用 直接测量参数的选择。 综合考虑传感器的频率范围、量程、 灵敏度。 考虑具体使用的环境要求、价格、寿命、可靠性等因素。,7.4 激振试验设备及激振信号简介,对激振设备要求 为被测系统提供输入能量，使之发生振动。 交变力 要求的频率范围； 波形良好； 幅值足够和稳定,激振设备,振动台 激振器 力锤,一、激振设备 （1）振动台,机械振动台,电磁式振动台,电液伺服振动台,（2）激振器,电磁式激振器,电动式激振器,（3）力锤,由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。 锤击力大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。 激励的频率范围由接触表面刚度决定，锤头材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率fe越高。,力锤,1、稳态正弦激励方法 激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小（激振力大小）和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。 激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器（恒流输出）和激振器组成； 测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。,二、常用激振信号,激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量，使系统产生相应频带内的频率响应。 一种快速测试方法。常在生产现场使用。 常用的瞬态激励方法有 快速正弦扫描 脉冲锤击 阶跃松弛激励,2、瞬态激励,（1）快速正弦扫描激励,正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。 扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。,快速正弦扫描信号及其频谱,（2）脉冲锤击激励 脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。,敲击力及其频谱,（3）阶跃松驰激励,特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。 实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。,3、随机激励 （1）白噪声激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。,实际白噪声的自谱,（2）伪随机激励,伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。,伪随机信号及其功率谱,频率响应函数测量系统,7.5振动测量系统及其标定,一、振动测量系统的组成,二、测试系统的标定,加速度传感器的校准,加速度传感器,读数显微镜,振动控制台,1、绝对法,测振幅,读数显微镜,激光测振仪,测频率,数字频率计,激光干涉仪,2、相对法,背靠背比较标定法,振动控制台,被校准传感器,参考传感器,