關于振動測量技術第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一 振動是工程技術和日常生活中常見的物理現象，在大多數情況下，振動是有害的，它對儀器設備的精度，壽命和可靠性都會產生影響。當然，振動也有可以被利用的一面，如輸送、清洗、磨削、監(jiān)測等。

無論是利用振動還是防止振動，都必須確定其量值。

第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一5.1振動和振動測量系統(tǒng)5.1.1振動信號分類

機械振動非周期的隨機的確定性的的周期的非平穩(wěn)的平穩(wěn)的簡諧振動復雜周期振動準周期振動瞬態(tài)和沖擊各態(tài)歷經的非各態(tài)歷經第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一 振動信號按時間歷程的分類如圖5.1所示，即將振動分為確定性振動和隨機振動兩大類。 確定性振動可分為周期性振動和非周期性振動。周期性振動包括簡諧振動和復雜周期振動。非周期性振動包括準周期振動和瞬態(tài)振動。第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

隨機振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性?？煞譃槠椒€(wěn)隨機振動和非平穩(wěn)隨機振動。平穩(wěn)隨機振動又包括各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動和非各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動。一般來說，儀器設備的振動信號中既包含有確定性的振動，又包含有隨機振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。

第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一5.1.2振動測量系統(tǒng)1.振動測量方法分類振動測量方法按振動信號轉換的方式可分為電測法、機械法和光學法。其簡單原理和優(yōu)缺點見表5.1。第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一名稱原理優(yōu)缺點及應用電測法將被測對象的振動量轉換成電量，然后用電量測試儀器進行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負荷，影響測試結果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學法利用光杠桿原理、讀數顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應等進行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標定中用得較多表5.1振動測量方法分類第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一2.

電測法振動測量系統(tǒng)

圖5.2振動測量系統(tǒng)的一般組成框圖

激振系統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一由于振動的復雜性，加上測量現場復雜，在用電測法進行振動量測量時，其測量系統(tǒng)是多種多樣的。圖5.2所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。

下面分別就這些組成環(huán)節(jié)作一簡單介紹。

(1)測振傳感器 拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

根據線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運動所引起的。如圖5.3所示。設載體的絕對位移為z1，質量塊m的絕對位移為z0則質量塊的運動方程為:

（5.1）第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一mz。kc圖5.3由載體運動引起的振動響應

第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一質量塊m相對于載體的相對位移為:

（5.2）則上式可改寫成:

（5.3）設載體的運作為諧振動，即:則式（5.3）可寫成:

（5.4）第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

考慮這樣幾種情形下的響應特性：

(1)z01相對于載體的振動位移z1，此時相當于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.5）

（5.6）

其幅頻特性曲線曲線如圖5.4所示。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一圖5.4由載體運動引起的位移響應第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(2)z01相對于載體振動速度

，此時相當于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.7）

(5.8)

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5-6和圖5-5所示。第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一圖5.6由載體運動引起的速度響應圖5.7由載體運動引起的加速度響應第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

（5.9）

(5.10)其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖5.7和圖5.5所示。第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一從圖5.4~圖5.7可以看出：測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。

第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(2)

激振器

激振器是對試件施加某種預定要求的激振力，使試件受到可控的、按預定要求振動的裝置。為了減少激振器質量對被測系統(tǒng)的影響，應盡量使激振器體積小、重量輕。表5.3列舉了部分常用的激振器。

第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅動線圈與支承部件固聯，線圈通電產生電動力驅動固聯于支承部件的試件產生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體相連，線圈通電產生電動力使振動臺體作機械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設備結構較復雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅動臺面產生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負載大，易于自控和多臺激振，設備復雜表5.3部分常用的激振設備第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(3)

振動分析儀器 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點檢測到的力信號需經過適當的分析處理，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT分析儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀2.頻率分析儀3.FFT分析儀4.虛擬頻譜分析儀

第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一5.2振動參量的測量振動參量是指:

振幅、頻率、相位角和阻尼比等物理量。1.

振幅的測量

振動量的幅值是時間的函數，常用峰值、峰峰值、有效值和平均絕對值來表示。峰值是從振動波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰值到負峰值之間的距離。第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一在考慮時間過程時常用有效（均方根）值和平均絕對值表示。有效值和平均絕對值分別定義為:

Z有效=Zrms

=（5.11）

Z平均=Z=（5.12） 對于諧振動而言，峰值、有效值和平均絕對值之間的關系為:(5.13)

式中，Zf

為振動峰值。第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一2.

諧振動頻率的測量

諧振動的頻率是單一頻率，測量方法分直接法和比較法兩種。

直接法是將拾振器的輸出信號送到各種頻率計或頻譜分析儀直接讀出被測諧振動的頻率。第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

在缺少直接測量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測得頻率。常用的比較法有錄波比較法和李沙育圖形法。

錄波比較法是將被測振動信號和時標信號一起送入示波器或記錄儀中同時顯示，根據它們在波形圖上的周期或頻率比，算出振動信號的周期或頻率。

李沙育圖形法則是將被測信號和由信號發(fā)生器發(fā)出的標準頻率正弦波信號分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據熒火屏上呈現出的李沙育圖形來判斷被測信號的頻率。第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一3.

相位角的測量

相位差角只有在頻率相同的振動之間才有意義。測定同頻兩個振動之間的相位差也常用直讀法和比較法。

直讀法是利用各種相位計直接測定。

比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。錄波比較法利用記錄在同一坐標紙上的被測信號與參考信號之間的時間差τ求出相位差；（5.14） 李沙育圖測相位法則是根據被測信號與同頻的標準信號之間的李沙育圖形來判別相位差。第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一5.3機械阻抗測量

振動測量從本質上說屬動態(tài)測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激勵和響應信號的測試分析，找出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動測量是結構模態(tài)分析和設備故障診斷的基礎。第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(1)機械阻抗與機械導納機械阻抗與機械導納的一般定義為:(Z)=（5.23）

(M)= =(5.24)第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

機械系統(tǒng)的激勵一般是力，系統(tǒng)的響應可用位移、速度和加速度來表達，故機械阻抗和機械導納又各有三種形式。位移阻抗又稱為動剛度，位移導納稱為動柔度，速度阻抗稱為機械阻抗，速度導納簡稱導納，加速度阻抗又稱為視在質量，加速度導納又稱為機械慣性。 機械阻抗是復量，可寫成幅值、相角、或實部、虛部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。

第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

在評價結構抗振能力時常用動剛度，在共振區(qū)動剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動對人體感受影響時，常用速度阻抗；在分析振動引起的結構疲勞損傷時，常用機械慣性；在分析車廂等振動、噪聲時則常用速度導納。 機械阻抗測試是在結構上施加激振力，同時測量力和響應，所得機械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質無關。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨機激勵測試和瞬態(tài)激勵測試三種。第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(2)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試

穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的一種激勵方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點，可分為單點激勵和多點激勵。

單點激勵就是采用一個激振器，對結構上某一點進行激勵。

多點激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進行激勵。

第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一圖5.11穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器機械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機電荷放大器加速度計柔性桿力傳感器被測試件第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一 阻抗頭是一個高精度、由力傳感器和加速度計同軸安裝構成的傳感器，如圖5.12所示。它裝在激振器頂桿和試件之間，前端是力傳感器，后面為測量激振點響應的加速度計。在構造上應使兩者盡量接近，質量塊為鎢合金制成，殼體用鈦制造。為了使力傳感器的激振平臺具有剛度大、質量小的性能，采用鈹來制造。

第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一 分析儀器的作用是對激勵及響應信號進行采樣、變換、運算，從而求出傳遞函數的幅值、相位或實部、虛部。

穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式和數字相關積分式分析儀，也可用FFT分析儀。

第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一圖5.12阻抗頭

1—力敏壓電片；2—加速度信號輸出；3—安裝面；4—外殼；5—質量塊；6-加速度敏壓電片；7—力信號輸出；8—硅橡膠密封圈；9—驅動端面第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一(3)瞬態(tài)激勵測試

磁帶記錄儀電荷放大器器傳遞函數分析儀脈沖錘加速度計微型計算機X-Y繪圖儀打印機去計算機中心圖5.13脈沖錘擊法測試原理框圖第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

脈沖錘是錘擊法的主要激振設備，其結構如圖5.14所示。它由錘頭、測力計、附加質量和錘柄四部分組成。錘頭力傳感器錘柄附加配重圖5.14脈沖錘結構第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一

表5.4常用錘頭材料及使用范圍

材料橡皮尼龍66有機玻璃銅鋼使用頻率（Hz）