1、 第八章 振動測量本章內(nèi)容：振動力學原理、振動測量設備及振動測量8-1概述：振動的測量力學原理 一、單自由度（線形）系統(tǒng)的受迫振動分析 圖8-1為典型的單自由度系統(tǒng)（線性系統(tǒng)）的力學模型簡圖，它是一個由慣性質(zhì)量塊m、理想的彈簧支撐k及粘滯阻尼器c組成。 7/19/20221現(xiàn)代測試技術 當受到一外界激振力作用時。該系統(tǒng)的振動特性可用下列二階線性微分方程來描述： （1）式中：m 質(zhì)點的質(zhì)量； c 粘性遲滯阻尼系數(shù)； k 彈簧剛度系數(shù)； F(t)外界激振力。其中：激振力的形式為：F(t)7/19/20222現(xiàn)代測試技術1.簡諧激振力引起的受迫振動 簡諧激振力式中： 激振力的振幅； 激振力的圓頻率。

2、該系統(tǒng)的運動方程為：若考慮該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動過程，該方程的特征解為：式中： 受迫振動的振幅； 受迫振動的圓頻率； 物體振動位移x與激振力F(t)之間的相位差。將 、 、 代人式（1），求出該系統(tǒng)及特征值（曲線）。 7/19/20223現(xiàn)代測試技術因此，該系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性分別為：頻響函數(shù)： 或 a.幅頻特性 （物理意義是幅值比（放大系數(shù)）（注：s= ，s靈敏度，靜態(tài)特性s=1）其中： 幅值（或振幅模型）比； 振型矩陣；b.相頻特性7/19/20224現(xiàn)代測試技術靜移位； 頻率比；= 阻尼比。=，圖8-3和圖8-4分別為該系統(tǒng)（s=1）的幅頻特性和相頻特性由圖可求出該系統(tǒng)的固有頻率 ，搜索比

3、較方便（在小阻尼時）。7/19/20225現(xiàn)代測試技術 2.支承運動引起的受迫振動 圖8-5為支承運動引起的受迫振動系統(tǒng)的力學模型簡圖。 設支承點的絕對位移為x1 ，質(zhì)量塊m的絕對位移為x0 ，若考慮質(zhì)量塊m對支承點的相對運動，則質(zhì)量塊m相對支承點的相對位移x01 為 （8-12） 又設支承點作簡諧運動，即 （8-13）則系統(tǒng)(質(zhì)點m)的運動方程為 （8-14）7/19/20226現(xiàn)代測試技術 若考慮質(zhì)量塊m相對基礎（支承）的相對運動，（8-14）式可寫為：相對運動方程式或因此，該系統(tǒng)的幅頻特性 和 及相頻特性 分別為： （8-17） （8-18） 其幅頻特性和相頻特性曲線如圖8-6、圖8-7

4、所示。7/19/20227現(xiàn)代測試技術3.其他激振力作用下引起的受迫振動 (1)激振力為非簡諧周期激振力時： 應用諧波分析方法，將非簡諧周期激振力展開為一系列的不同頻率的簡諧周期激振力，然后建立系統(tǒng)的運動方程，求出該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應，描繪出相應的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。 (2)外界激振力是非周期的任意激振力時， 應用Duhamel（積分法將任意激振力簡化為一系列脈沖的作用。首先分別求出系統(tǒng)對每個脈沖的響應，然后再將它們疊加起來，就能得到該系統(tǒng)對任意激振力的響應。7/19/20228現(xiàn)代測試技術 應注意：在任意激振力的情況下，系統(tǒng)通常沒有穩(wěn)態(tài)振動而只有瞬態(tài)振動。在激振力作用停止后，系統(tǒng)仍按固有

5、頻率繼續(xù)作自由振動。二、振動測量的分類1.振動參數(shù)測量（對現(xiàn)有設備受到的振動進行測量與分析） 振動基本參數(shù)：振動位移；振動速度與加速度；固有頻率。 振動特性：頻率響應特性的幅頻特性、相頻特性，進行分析其系統(tǒng)的自身振動特性。7/19/20229現(xiàn)代測試技術2.激振試驗： 對現(xiàn)有設備設備施加某種形式的激勵，測定系統(tǒng)的輸入 (激振力)和輸出 (振動響應)有關特性. 激勵系統(tǒng)的動態(tài)響應試驗（也稱模態(tài)試驗分析），同時測量系統(tǒng)的輸入 (激振力)和輸出 （振動響應)有關特性，測出：頻率響應特性，固有頻率，振型，剛度，阻尼等模態(tài)參數(shù)。舉例：（1）振動參數(shù)測量：門機叉車司機椅振動參數(shù)的測量：固有頻率，振動加速度

6、（國家、部頒標準檢測要求）。（2）激振實驗: 港機系實驗室大型結構疲勞實驗機實際上是做大型結構的激振實驗，測出其共振固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)。7/19/202210現(xiàn)代測試技術8-2 測振傳感器和激振器一、測振傳感器常用測振傳感器發(fā)展動態(tài)： 通常用位移傳感器和加速度傳感器來測量振動參數(shù)，近年來隨著測試儀器和計算機結合的發(fā)展，應用最為廣泛的是加速度傳感器，下面著重加以介紹。7/19/202211現(xiàn)代測試技術 1.電阻應變式加速度傳感器 （1）結構：圖8-2 等強度梁1作為彈性元件，其一端固定在殼體3上，另一端裝有質(zhì)量塊2。該等強度梁上貼有4片電阻應變片，并接成全橋電路。殼體3內(nèi)充滿硅油5，硅油起

7、阻尼作用，可調(diào)節(jié)硅油的濃度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼率。7/19/202212現(xiàn)代測試技術（2）工作原理： 利用應變原理，當傳感器固定在被測物體上隨之振動時，質(zhì)量塊相對殼體的位移，使等強度梁產(chǎn)生變形，產(chǎn)生的電阻變化值正比于質(zhì)量塊的位移，即正比于被測物體的振動的加速度。 （3）特點：具有線性度好、靈敏度高、低頻響應特性好，與動態(tài)電阻應變儀配合使用，測試儀器配置簡單。7/19/202213現(xiàn)代測試技術（4）主要性能指標：表8-1性能指標。 a)靈敏度： b)工作頻率范圍：01000HZ c)加速度量程：150（200g） d)線性度： e)重量： 100450（g） 7/19/202214現(xiàn)代測試技術2.壓

8、電式加速度傳感器 (1) 結構：壓電晶體、慣性塊、底座及外殼等。 產(chǎn)品類型7/19/202215現(xiàn)代測試技術 （2）工作原理：當加速度傳感器殼體被固定在被測物體上并隨之一起振動，加速度傳感器的質(zhì)量塊的慣性力作用于晶體片上產(chǎn)生壓電效應，輸出電荷(或電壓)信號，輸出信號正比于慣性力即正比于振動加速度。 （3）性能參數(shù)（表8-2性能參數(shù)） a.靈敏度： b.橫向靈敏度：一般小于或等于主軸方向靈敏度的5以內(nèi)。 c.頻率范圍及頻響特性： 工作頻率范圍：一般010kHZ 頻響特性：取A(f)-f曲線的平坦曲線部分，圖12-14 。 7/19/202216現(xiàn)代測試技術 d.安裝自然諧振頻率： 加速度傳感器固

9、定在一個無限大的堅硬物體上所獲得的諧振頻率稱為安裝諧振頻率。其值是決定加速度傳感器使用頻率上限的依據(jù)。一般是工作頻范圍的35倍。 e.加速度值最大量程：一般在10，20，100，500，1000，5000g范圍。（4）加速度傳感器的安裝方法：圖8-15安裝方法有6種，常用的有： a.磁鐵座法 b.粘接劑法（502膠水） 蠟粘 c.探針法（手持法） d.鋼螺栓固定法7/19/202217現(xiàn)代測試技術二、激 振 器 在激振試驗中，激振器是用來對被測物體施加某種預定要求的激振力激被測試件產(chǎn)生振動的裝置。 根據(jù)激勵方式和激振力的種類不同，激振器的結構型式主要有如下幾種：1激振器的種類 激振器 7/19

10、/202218現(xiàn)代測試技術2配套設備7/19/202219現(xiàn)代測試技術激振器性能參數(shù)： a.激振力 5kg50t b.振幅 0200mm c.頻率范圍 01000HZ 1.電動式激振器 (1)構造：永磁式和勵磁式，圖8-16 一般由磁鋼(永磁)5或勵磁線圈9、頂桿1、彈簧2、動圈3及外殼7等零件組成。 7/19/202220現(xiàn)代測試技術(2)工作原理 在動圈3上有一線圈架，在其上繞有線圈。而動圈3又固定在頂桿1上，處在磁極的空氣隙中。頂桿1由上下兩組彈簧2支持，彈簧固定在殼體內(nèi)。 當動圈3的線圈中通入經(jīng)功率放大后的交變電流后，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，動圈3將受到與電流成正比的電動力的作用，

11、于是動圈3便在磁極氣隙中上下振動起來。此作用力通過頂桿1傳遞到被測試件上，激勵試件振動。注意：激振器產(chǎn)生的激勵力應為磁場產(chǎn)生的電動力與其本身可動部分的慣性力，彈性力、阻尼力之差。由于激振器可動部分的質(zhì)量很小（與試件相比），剛度和阻尼系數(shù)很小，可以忽略不計。在激振器與試件連接剛度較好的情況下，可以認為其電動力等于激振力。7/19/202221現(xiàn)代測試技術（3）激振器的安裝方法：圖8-17 電動式激振器主要用來對被測物體試件作絕對式激振，因而要求激振器在空間中基本保持靜止，保證激振器的能量盡量用于對被測試件的激勵上。安裝方法如圖8-17所示。7/19/202222現(xiàn)代測試技術 懸掛式：圖a) 圖d

12、)橡皮繩懸掛 適用于較高頻率的垂直絕對激振場合，但要求激振器與橡皮繩所組成的懸掛系統(tǒng)的固有頻率低于激振頻率的3倍以上，否則會使激振器在工作時其殼體將產(chǎn)生較大的抖動。 固定式：圖c)與圖d)方式 （剛性支架） 適用于低頻激振場合，要求安裝安裝剛性好，安裝后的系統(tǒng)固有頻率必須高于激振頻率的3倍以上。（4）電動式激振器的性能參數(shù)：如表8-3 a.最大激振力：2200N b.最大振幅：10mm(20mm) c.工作頻率范圍：01000（6000）HZ（5）應用：激振頻率范圍大，激振力小，適合小型實驗7/19/202223現(xiàn)代測試技術2.電液式激振器（1）結構原理：圖 8-18 電液式激振器是根據(jù)電液原

13、理制成的大型激振器，激振信號操縱由操縱閥和功率閥組成的電液伺服閥，并控制液壓回路使活塞作往復運動然后經(jīng)頂桿去激振被測試件。 結構復雜，制造精度高。7/19/202224現(xiàn)代測試技術 圖8-18為電液式激振器的結構原理圖，激振信號操縱由操縱閥和功率閥組成的電液伺服閥，并控制液壓回路使活塞作往復運動，然后經(jīng)頂桿去激振被測物體試件。活塞端部注入一定油壓的油，形成靜壓力戶靜對被測試件加上預載。由于油液的可壓縮性和高速流動的壓力油的摩擦，使得電液式激振器的高頻特性較差，其波形也比電動式激振器差，一般只適用低頻范圍。電液式激振器的液壓系統(tǒng)和電氣控制結構比較復雜，制造精度比較高，在大型結構的疲勞試驗中應用較

14、為廣泛。（2）應用： 在低頻范圍（0100HZ）內(nèi)工作，大激振力（50t）和大位移（100mm）的大型結構疲勞實驗中。7/19/202225現(xiàn)代測試技術3.脈沖激振錘 （測力錘）它是用脈沖激勵方式來研究設備動態(tài)特性的一種激振裝置。(1)構造：圖8-19 由一套裝有不同材料的錘頭和測力傳感器組成，并帶有錘體和錘柄，有些測力錘的頭部還裝有加速度傳感器。(2)工作原理： 脈沖激振錘敲擊試件時，將產(chǎn)生一個相當于半正弦波的力脈沖信號（其波形和頻譜特性如圖8-20所示），即激勵信號，激勵試件振動。敲擊力的幅值是由錘頭的質(zhì)量和敲擊的運動速度來確定的。此外，錘頭材料對力脈沖的幅值和頻率特性也有很大的影響表8-

15、4列出了幾種不同材料的錘頭及其激勵頻率上限的數(shù)據(jù)。材料有鋼質(zhì)、鋁質(zhì)、尼龍。7/19/202226現(xiàn)代測試技術 由表可見，錘頭材料越硬，則脈沖持續(xù)的時間越短，敲擊所覆蓋的頻率就越寬。相反，材料越軟敲擊覆蓋的頻率就越窄。 同樣，錘頭的質(zhì)量越輕，有效的頻率范圍則比較窄一些。(3)應用： 測力錘結構簡單、試驗方法簡便，試驗時間短，試驗結果精度較低。被測試件 7/19/202227現(xiàn)代測試技術 另外：大型結構（實型）激振試驗可采用火箭激振或強注法（斷開緊索的脈沖力）等方法。例如橋梁和建筑物激振試驗。4.阻抗頭 阻抗頭包含力傳感器和加速度傳感器，用于機械阻抗（模態(tài)試驗裝置），其結構如圖8-21所示?？赏瑫r

16、測量振動系統(tǒng)的輸入（力信號）和輸出（加速度響應信號）的試驗裝置。7/19/202228現(xiàn)代測試技術8-3 振動測量技術與應用一、振動測量系統(tǒng)的組成 1.振動參數(shù)測量系統(tǒng)：圖8-22 振動測量系統(tǒng)的組成： 傳感器、放大器、測量儀表、記錄儀器、分析儀器。 測量參數(shù)：振動參數(shù)(如振動位移、加速度等)和分析它們的頻率特性(如固有頻率、頻譜特性等)。 2.激振試驗測量系統(tǒng)：7/19/202229現(xiàn)代測試技術（1）激振器激勵法測量系統(tǒng) 測試系統(tǒng)測量參數(shù)：頻率響應特性和系統(tǒng)振動特性，如：系統(tǒng)固有頻率、振型、阻尼、剛度、質(zhì)量及頻普特性。 7/19/202230現(xiàn)代測試技術（2)脈沖激振錘激勵法測量系統(tǒng)：圖8-

17、25測量系統(tǒng)的組成：測力錘、加速度傳感器、放大器、記錄儀、分析儀。測量參數(shù)：系統(tǒng)的振動參數(shù)、振動特性。7/19/202231現(xiàn)代測試技術二振動測量技術應用 振動參數(shù)測量技術應用：1.汽車吊動態(tài)特性測試實例：汽車吊各部位的振動加速度圖8-22a).b)7/19/202232現(xiàn)代測試技術2激振試驗(機械阻抗試驗或模態(tài)試驗) 技術應用 機械阻抗試驗一般采用如下幾種激勵方法：（1）激勵方法 a.穩(wěn)態(tài)正弦掃描：分別采用不同頻率進行掃描，尋找其固有頻率及特性。 b.隨機激振：寬帶激振，一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源進行多次重復實驗，獲得系統(tǒng)特性。（2)瞬態(tài)激振法（寬帶激振法） a.脈沖激振：測力錘法 b.快速正弦掃描激振法： 在很短時間內(nèi)從低頻到高頻快速掃描獲得系統(tǒng)特性。圖8-26為快速正弦掃描信號波形及其頻譜。7/19/202233現(xiàn)代測試技術 c階躍(張弛)激振法：火箭激勵、張