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现代测量技术201304第八章振动的测量

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    • 1、现代测试技术,2,导言,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,3,导言,学习目标 振动基本知识和振动测量系统 测振传感器的工作原理及应用 振动参数的测量和估计方法 振动信号的频谱分析,4,第八章 振动的测量,8.1 振动和振动测量系统,5,8.1 振动和振动测量系统,8.1.1 振动信号分类 按时间历程分类,分为确定性振动和随机振动两大类。,机械振动,非周期的,随机的,确定的,周期的,非平稳的,平稳的,简谐 振动,复杂周期振动,准周期 振动,瞬态和 冲击,各态历 经的,非各态 历经,6,8.1 振动和振动测量系统,一般来说,仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振 动,又包含有随机振动,但对于一个线性振动系统来说,振 动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振 动是最基本也是最简单的振动。,7,8.1 振动和振动测

      2、量系统,8,8.1 振动和振动测量系统,9,8.1 振动和振动测量系统,10,8.1 振动和振动测量系统,11,8.1 振动和振动测量系统,8.1.2 单自由度系统的受迫振动 简谐振动是最基本的周期运动,各种不同的周期运动都 可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。下面讨论 最为简单的单自由度系统在两种不同激励下的响应(即单自由 度系统的受迫振动): 质量块受力产生的受迫振动 基础运动产生的受迫振动,12,8.1 振动和振动测量系统,1、质量块受力产生的受迫振动 如图所示为单自由度系统在质量块受力所产生的受迫振 动示意图。在外力f(t)的作用下,质量块m的运动方程为:,C 阻尼系数; K 弹簧刚度; y(t) 振动系统位移输出,13,8.1 振动和振动测量系统,这是一个典型的二阶系统,当f(t)为正弦激励力,f(t)=F0sinwt。 其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数以及相频特性函数j(w) 分别为:,14,8.1 振动和振动测量系统,幅频和相频曲线如图所示。根据振动理论定义,振动幅 频特性曲线上幅值极大的频率称为共振频率。对幅频特性函 数A(w)一阶导数并令其为零,可以得

      3、到共振频率wr为:,15,8.1 振动和振动测量系统,由上式可见,在幅频特性图上,质量块受力产生的受迫振动其 共振频率wr总是小于系统的固有频率wn,阻尼越小两者越靠近 ,因此,在小阻尼情况下可以采用wr作为的wn估计值;,16,8.1 振动和振动测量系统,而在相频特性图上,不管系统的阻尼比为多少,在wr/wn=1 时位移始终落后于激振力90,这是判别共振频率的一个十分 有用的指标。,当系统有一定的阻尼后,幅频曲线变得较为平坦,这时从幅频曲线上不易测准幅值最高点。从相频曲线看,在固有频率处相位过90,而且这段曲线比较陡峭,容易测定系统的固有频率。,17,8.1 振动和振动测量系统,在激振力频率远小于固有频率时,输出位移随激振频率的变化十分小,这时系统响应特性类似于低通滤波器; 在激振频率远大于固有频率时,输出位移接近于零,质量块近于静止。这时系统响应特性也类似于低通滤波器; 在激振频率接近系统固有频率时,系统的响应特性主要取决于系统的阻尼,并随频率的变化而剧烈变化。,18,8.1 振动和振动测量系统,2、基础运动产生的受迫振动 设基础的绝对位移为y1(t),质量块m的绝对位移为y0(t

      4、), 如图所示。质量块m的运动方程为:,令y01(t)=y0(t)-y1(t),则上式为:,19,8.1 振动和振动测量系统,其系统频率响应函数H(w)和幅频特性函数A(w)以及相频特 性函数j(w)分别为:,20,8.1 振动和振动测量系统,幅频和相频曲线如图所示。,21,8.1 振动和振动测量系统,当激振频率远小于系统固有频率时,质量块相对于基础的振动幅值为零,这意味着质量块几乎跟随基础一起振动,两者相对运动极小; 当激振频率远高于固有频率时,A(w)接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动和基础的振动近似相等,说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,y01(t)=y0(t)-y1(t),22,8.1 振动和振动测量系统,8.1.3 振动测量系统 1、振动测量方法分类 振动测量方法按振动信号转换的方式可分为: 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; 机械法:利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来; 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;,23,8.1 振动和振动测量系统,机械法:利用杠杆原理将振动量放大后直接记录

      5、下来;下图给出机械式测振仪的工作原理:,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。,24,8.1 振动和振动测量系统,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; 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。,25,8.1 振动和振动测量系统,电测法:将被测的振动量转换成电量,再用电量测试设备进行测量的方法。与机械法和光学法相比,电测法具有使用频率范围宽,动态范围广,测量灵敏度高等特点。而且电测法能够广泛使用各种不同的测振传感器,而电信号也易于被记录,处理和传送。因此电测法是最为广泛使用的振动测量方法。,26,8.1 振动和振动测量系统,电测法振动测量系统框图 一个一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换 电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。,27,8.1 振动和振动测量系统,2、测振传感器 拾取振动信息的装置通常称拾振器,振动传感器是其核 心组成部分。拾振器的作用是检测被测对象的振动参数(位 移、速度、加速度、频率、相位),在要求的频率范围内正 确地记

      6、录,并将此机械量转换成电信号输出。,28,8.1 振动和振动测量系统,测振传感器不同的分类原则: 按测振参数分:位移传感器、速度传感器、加速度传感器; 按参考坐标分:相对式传感器、绝对式传感器; 按变分原理分:磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、光学式; 按传感器与被测物关系分:接触式传感器、非接触式传感器,29,8.1 振动和振动测量系统,1)惯性式测振传感器 当wwn时,质块和壳体的相对运动(输 出)和基础的振动(输 入)近乎相等,质块在惯性坐标系中几乎静止。,惯性式拾振动器的力学模型,基础运动产生的受迫振动,30,8.1 振动和振动测量系统,对于接触式传感器,测振时拾振器将固定在被测物上,其 质量将成为被测振动系统的附加质量,使该系统振动特性产生 变化。则拾振器的质量mt造成被测系统加速度和固有频率的变 化可用下式来估计:,惯性式拾振动器的力学模型,有当mtm时,mt的影响才可忽略,31,8.1 振动和振动测量系统,2)电涡流式位移传感器 电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器,其基本 原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。,高频电磁场 涡流Is 反向的

      7、磁场 线圈自感L或线圈阻抗ZL的变化,Is,32,8.1 振动和振动测量系统,电涡流传感器除用来测量静态位移外,被广泛用来测量汽 轮机、压缩机、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等, 在工况监测与故障诊断中应用甚广。,电涡流位移传感器测量轴振动的示意图,轴心轨迹和2个传感器的时域波形图,33,8.1 振动和振动测量系统,3)磁电式振动速度传感器 磁电式速度传感器为惯性式速度传感器,其工作原理为: 当有一线圈在穿过其磁通发生变化时,会产生感应电动势,电 动势的输出与线圈的运动速度成正比。 磁电式绝对速度计 磁电式相对速度计,34,8.1 振动和振动测量系统,磁电式绝对速度计 在测振时,传感器固定或紧压于被测系统,磁钢4与壳体2 一起随被测系统的振动而振动,装在芯轴6上的线圈5和阻尼环 3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,35,8.1 振动和振动测量系统,基础运动所引起的受迫振动,当wwn时,质块和壳体的相对运动和 基础的振动近乎相等。 根据上述原理,被测物(它和壳体固接)与质量块的相对速度就近似 其绝对速度。这样绝对式速度计实际上是

      8、先由惯性系统将被测物体的振动 速度转换成质块壳体的相对速度,而后用磁电变换原理,将转换成输出 电压。,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,36,8.1 振动和振动测量系统,磁电式相对速度计 磁电式传感器还可以做成相对式的,用来测量振动系统中 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。从而使传感器内部的线圈与磁钢产生相对运 动,发出相应的电动势来。,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,8.1 振动和振动测量系统,压电式加速度计,中心压缩型 高的共振频率,基座变形影响输出,测试对象和环境温度变化易引起温度飘逸 三角剪切型 有高的共振频率和良好的线性,对底座变形和温度变化有良好的隔离作用 环形剪切型 极小型的,高的共振频率,最高工作温度受限制,使用时注意: 共振频率与加速度计的固定状况有关,8.1 振动和振动测量系统,压电加速度计的幅频特性,加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率,8.1 振动和振动测量系统,加速度计的使用上限频率取决于共振频率。加速度计不同固定方法,其共振频率不同。 钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28k

      9、Hz,涂簿蜡层29kHz,手持法2kHz,永久磁铁固定法7kHz。,压电式加速度计的固定方法,8.1 振动和振动测量系统,压电加速度计的灵敏度和前置放大器,灵敏度 电荷灵敏度与电压灵敏度 前置放大器 电压放大器:受连接电缆对地电容的影响 电荷放大器:不受电缆电容的影响,8.1 振动和振动测量系统,电荷放大器,8.1 振动和振动测量系统,测振传感器的合理选择,直接测量参数的选择 低频时加速度信噪比差 高频时位移信噪比差 综合考虑传感器的各个指标 灵敏度、测量范围、频率范围 考虑到具体的使用环境,8.1 振动和振动测量系统,44,8.1 振动和振动测量系统,4)测振传感器的合理选择 例子:低频时加速度的幅值有可小到与测量噪声相当的程度,因此如用加速度计测量低频振动的位移,会因低信噪比使测量不稳定和增大测量误差,不如直接用位移拾振器更合理。,45,8.1 振动和振动测量系统,在振动测量时,传感器选择时应合理选择测量参数,力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得: 振动位移是研究强度和变形的重要依据; 振动加速度与作用力或载荷成正比,是研究动力强度和疲劳的重要依据; 振动速度决定了噪声的高低,人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的,振动速度又与能量和功率有关,并决定了力的动量。,46,8.1 振动和振动测量系统,3、激振器 目的:在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能 ,如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等时,需要对被测对 象施加一定的外力,让其作受迫振动或自由振动,以便获得相 应的激励及其响应。 常用的激振器有电动式和机械式等几种。,激 振 器,定义 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力,激起试件振动的装置。 作用 在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力 常用的激振器 电动式、电磁式、电液式。,8.1 振动和振动测量系统,电动式激振器,8.1 振动和振动测量系统,电动式激振器,按其磁场的形成又分为永磁式(小型激振器)和励磁式(大型激振器)。 注意 由顶杆施加到试件上的激振力不等于线圈受到的电动力 一般最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件,以便精确测出激振

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