機(jī)械振動的測量1第一頁，共五十三頁。機(jī)械振動現(xiàn)象普遍。機(jī)械設(shè)備運動時，都存在不同程度的振動。有害：大多數(shù)情況，破壞機(jī)器的正常工作，降低機(jī)器、設(shè)備的使用壽命，機(jī)械振動還能直接或問接地產(chǎn)生噪聲，惡化環(huán)境和勞動條件，危害人們的健康。機(jī)械振動的測量振動：

物質(zhì)運動的一種形式，當(dāng)某物體受到外力作用，就會在其平衡位置周圍作往復(fù)運動，這種每隔一定時間的往復(fù)機(jī)械運動即振動。2第二頁，共五十三頁。有利：振動輸送機(jī)、清洗機(jī)、脫水機(jī)等就是利用振動的原理進(jìn)行工作的。機(jī)械振動的測量3第三頁，共五十三頁。機(jī)械振動的測量現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品、設(shè)備提出了低振動和低噪聲要求，設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)要求有高的抗振性能，要進(jìn)行必要的振動分析和振動設(shè)計；為了保證大型機(jī)電設(shè)備正常、有效的運行，必須對其振動信息進(jìn)行監(jiān)測、故障診斷。振動的測試在生產(chǎn)和科研等各方面都十分重要4第四頁，共五十三頁。機(jī)械振動的測量振動給料機(jī)水泥回轉(zhuǎn)窯5第五頁，共五十三頁。周期振動非周期振動瞬態(tài)振動穩(wěn)態(tài)振動復(fù)雜周期振動(非簡諧振動)準(zhǔn)周期振動正弦周期振動(簡諧振動)§1概述

一、振動的類型1、按振動的規(guī)律分類（1）穩(wěn)態(tài)振動（確定性振動）一般分為以下幾種：6第六頁，共五十三頁。隨機(jī)振動非平穩(wěn)隨機(jī)振動平穩(wěn)隨機(jī)振動各態(tài)歷經(jīng)振動非各態(tài)歷經(jīng)振動§1概述

一、振動的類型1、按振動的規(guī)律分類（2）隨機(jī)振動一般分為以下幾種：7第七頁，共五十三頁。（1）自由振動（2）受迫振動一、振動的類型2、按振動的原因分類3、按振動系統(tǒng)的自由度數(shù)目分類

（1）單自由度振動（2）兩自由度、多自由度系統(tǒng)振動8第八頁，共五十三頁。一、振動的類型振動的基本參數(shù)

幅值、頻率、相位稱為振動三要素。只要測定這3個要素，也就決定了整個振動運動．幅值：反映振動強(qiáng)、弱程度，可以用振動的峰值、平均值、有效值來描述；通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而可以尋找振源；利用相位關(guān)系可確定共振點、進(jìn)行振型測量以及旋轉(zhuǎn)件的平衡、有源振動的控制等。9第九頁，共五十三頁。一、振動的類型振動的基本參數(shù)

幅值、頻率、相位簡諧振動的位移、速度、加速度的振動形式和振動頻率都是一樣的，只是三者的相位和幅值不同。由此可得，任何一個簡諧振動都可以三者中的任意一個量與時間關(guān)系來表征。10第十頁，共五十三頁。(1)測量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的振動如測量振動位移、速度、加速度、頻率和相位等參數(shù)，了解被測對象的振動狀態(tài)、尋找振源，以及進(jìn)行監(jiān)測、分析、診斷和預(yù)測。(2)測量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)動態(tài)特性施加某種激勵，測量其受迫振動測量固有頻率、限尼、剛度、響應(yīng)和模態(tài)等。

振動的測量方法：機(jī)械法、電測法、光測法。二、振動的測試內(nèi)容及測量方法測試的內(nèi)容包括兩方面：11第十一頁，共五十三頁。三、振動測試系統(tǒng)的構(gòu)成被測對象在激振力的作用下產(chǎn)生受迫振動，測振傳感器測出振動力學(xué)參量，通過振動分析（時域中的相關(guān)技術(shù)，頻域中的功率譜分析）以及計算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)，檢測出有用的信息。工程上，振動的測試主要討論的是系統(tǒng)的傳輸特性，尤其是頻率響應(yīng)特性。通過測試的數(shù)據(jù)，推估出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。而組成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)都有其固有的頻率響應(yīng)特性，整個系統(tǒng)的特性是由各個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的。因此正確選用測試裝置，對測試結(jié)果有一定的影響。12第十二頁，共五十三頁。§2常用測振傳感器

測振傳感器的種類很多。

（1）按測振參數(shù)位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。

（2）按傳感器與被測物位置關(guān)系接觸式傳感器、非接觸式傳感器。

接觸式：電阻應(yīng)變式、電感式、壓電式、磁電式；

非接觸式：電容式、電渦流式和光學(xué)式等。（3）按測試參考坐標(biāo)相對式測振傳感器、絕對式（慣性式）測振傳感器。13第十三頁，共五十三頁?！?常用測振傳感器

相對式測振傳感器設(shè)置在被測物體外的靜止基準(zhǔn)上，測量振動物體相對于基準(zhǔn)點的相對振動。絕對式測振

傳感器固定在被測物體上，以大地為參考基準(zhǔn)，測量物體相對于大地的絕對振動，

因此傳感器又稱為慣性式測振傳感器，如

慣性式位移傳感器、

壓電式加速度傳感器等，這類傳感器在振動測量使用普遍。14第十四頁，共五十三頁?！?常用測振傳感器

一、絕對式測振傳感器原理x(t)為被測物體振動位移；y(t)為慣性質(zhì)量塊的振動位移；z(t)為殼體相對慣性質(zhì)量塊的振動位移；m為質(zhì)量塊質(zhì)量；k為支撐質(zhì)量塊的彈簧剛度；c為阻尼系數(shù)。則慣性質(zhì)量塊的動力方程式可寫成:力學(xué)模型15第十五頁，共五十三頁?！?常用測振傳感器

一、絕對式測振傳感器原理力學(xué)模型設(shè)

16第十六頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理設(shè)

解方程

慣性系統(tǒng)阻尼比；

慣性系統(tǒng)的固有角頻率。傳感器輸出的輻值和相位角均與ω/ωn和ζ有關(guān)。17第十七頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理1、測振幅

當(dāng)測振傳感器的輸出量z正確感受和反映的是被測體振動的振幅量xm時，幅頻特性：相頻特性：18第十八頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理1、測振幅幅頻特性：ω/ωn幅頻特性曲線近似為常數(shù)，A(ω)接近于1，zm≈xm,表明傳感器的輸出正比于被測物體振動的位移。一般：19第十九頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理1、測振幅相位差接近180，相頻特性也接近直線。一般：20第二十頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理2、測振動速度測振傳感器的振動參數(shù)是速度時，有：速度傳感器的工作區(qū)域是ω/ωn=1，此區(qū)域幅頻特性沒有平坦段。相頻特性曲線也不接近直線，當(dāng)被測頻率有微小變化時，將造成較大的幅值誤差，所以很少用這種方法來測量振動速度。21第二十一頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理3、測振動加速度測振傳感器的振動參數(shù)是加速度時，有：隨著ωn增大，測量上限頻率得到提高，但靈敏度會降低，因此。ωn不宜選得太高。一般取：固有頻率是被測頻率的3~5倍，使傳感器輸出z能正確反映被測振動的加速度．必須滿足下列條件：

(1)，幅頻特性曲線趨于平坦，此時22第二十二頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理3、測振動加速度測振傳感器的振動參數(shù)是加速度時，有：使傳感器輸出z能正確反映被測振動的加速度．必須滿足下列條件：

(2)，出現(xiàn)共振峰值，選擇恰當(dāng)?shù)淖枘岜瓤梢种扑Ｒ话銊t保證幅值誤差不超過5%，此時相頻特性曲線接近直線。23第二十三頁，共五十三頁。一、絕對式測振傳感器原理位移傳感器的工作區(qū)域為以ω/ωn>>l,且ξ＜l，一般ω/ωn取3~5；速度傳感器工作區(qū)域是ω/ω=1；加速度傳感器工作區(qū)域為ω/ωn<<l,且ξ＜0.6左右。絕對式測振傳感器工作時，固定在被測體上，因而它的質(zhì)量將影響被測體振動的大小和固有頻率。只有當(dāng)傳感器的質(zhì)量遠(yuǎn)小于被測體質(zhì)量時，其影響才可以忽略。簡單總結(jié)：24第二十四頁，共五十三頁。二、相對式測振傳感器原理相對式測振傳感器分接觸式和非接觸式兩種。接觸式：電感式位移傳感器、磁電式速度傳感器等；非接觸式：電渦流式、電容式等。25第二十五頁，共五十三頁。磁電式速度傳感器1-頂桿2-彈簧3-輸出4-線圈5-磁鋼6-限幅器它可以直接檢測振動速度。測量時，傳感器安裝在靜止基座上，活動頂桿壓在被測物體上，使彈簧產(chǎn)生一定的變形和壓力，頂桿與被測物體接觸，跟隨被測物體一起運動。固定在頂桿上的線圈在磁場里運動，產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其感應(yīng)電勢正比于物體振動速度。設(shè)傳感器活動部分的質(zhì)量為m，彈簧剛度為k，彈簧變形后的恢復(fù)力為F，根據(jù)牛頓定律恢復(fù)力能產(chǎn)生的最大加速度為正確反映被測物體振動的關(guān)鍵是活動頂桿要跟上被測振動。為了保證被測振動良好傳遞及頂桿與被測物休始終接觸，恢復(fù)力產(chǎn)生的最大加速度必須大于被測振動的最大加速度，即26第二十六頁，共五十三頁。磁電式速度傳感器設(shè)被測振動是簡諧振動:

則加速度為：所以：即：滿足該式，頂桿才能正確地傳遞振動27第二十七頁，共五十三頁。磁電式速度傳感器可以看出：傳遞和跟隨條件與被測振動頻率、振幅和傳感器活動部分的固有頻率有關(guān)。如果彈簧的預(yù)壓量△L不夠，或被測振動的頻率較高時，則頂桿不能滿足跟隨條件，與被測物體之間發(fā)生撞擊。因此，傳感器使用范圍與被測最大位移和頻率有關(guān)。若把活動部分的質(zhì)量和彈簧看成一個振動系統(tǒng)，其固有角頻率則28第二十八頁，共五十三頁。三、測振傳感器的選擇主要涉及：頻率特性、量程范圍和靈敏度。(1)不同類型的傳感器測量范圍不同，只有在恰當(dāng)?shù)念l率測量范圍內(nèi)．傳感器才能正確反映被測物休的振動規(guī)律。據(jù)前分析：低頻振動場合，加速度幅值不大，通常選擇振動位移的測量；高頻振動場合，且固有頻率高出被測頻率5倍以上，加速度幅值較大，通常選擇振動加速度的測量。29第二十九頁，共五十三頁。三、測振傳感器的選擇(2)對于慣性式測振器，靈敏度的選擇與慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量有關(guān)。一般：

質(zhì)量大的測振器上限頻率低、靈敏度高；

質(zhì)量輕的測振器上限頻率高、靈敏度低。如壓電式加速度計：作超低振級測量的質(zhì)量超過100g,靈敏度很高的加速度計，作高振級（如沖擊）測量的都是小到幾克或零點幾克的加速度計。

30第三十頁，共五十三頁。三、測振傳感器的選擇(3)對相位有嚴(yán)格要求的振動測試（如作虛實頻譜、幅相圖、振型等測量），

除了應(yīng)注意測振傳感器的相頻特性外，

還要注意測試系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)和儀器的相頻特性，如放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)放大器的相頻特性。31第三十一頁，共五十三頁?！?振動的激勵與激振器

一、振動的激勵測量動態(tài)特性時，首先要激勵被測對象，讓其按測試的要求作受迫振動或自由振動。激勵方式通常3種：穩(wěn)態(tài)正弦激振瞬態(tài)激振隨機(jī)激振32第三十二頁，共五十三頁。一、振動的激勵1、穩(wěn)態(tài)正弦激振對被測對象施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力。

優(yōu)點：激振功率大、信噪比高，能保證低頻響應(yīng)對象的測試精度。

缺點：需要很長的測試周期才能得到足夠精度的測試數(shù)據(jù)，特別是對小阻尼對象，為了達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”，要有足夠的時間。33第三十三頁，共五十三頁。一、振動的激勵對被測對象施加一個瞬態(tài)變化的力。2、瞬態(tài)激振

(1)脈沖激振用一個裝有傳感器的錘子（又稱脈沖錘）敲擊被測對象，對被測對象施加一個脈沖力。其有效頻率范圍取決于脈沖的持續(xù)時間τ

，τ則取決于錘端的材料，材料越硬τ越小，而頻率范圍越大。(2)階躍激振在激振點處用一根剛度大、質(zhì)量輕的弦通過力傳感器將弦的張力施加于被測對象上，使之產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦，相當(dāng)于對被測對象突然卸載，施加一個負(fù)的階躍激振力。34第三十四頁，共五十三頁。一、振動的激勵3、隨機(jī)激振

一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號作為信號源，是一種寬帶激振。特點：隨機(jī)激振測試系統(tǒng)具有快速、實時測試的優(yōu)點。所用設(shè)備要復(fù)雜，價格較昂貴。許多機(jī)械結(jié)構(gòu)在工作時受到的干擾力或動載荷往往都具有隨機(jī)的性質(zhì)。35第三十五頁，共五十三頁。二、激振器由信號源輸出的各類激振電信號經(jīng)功率放大后，需通過轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為激振力信號，才能對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行激振。這類執(zhí)行裝置稱為激振器。要求激振器：在其頻率范圍內(nèi)良好波形、幅值，足夠和穩(wěn)定的交變力。

常用激振器：電動式、電磁式、電液式

36第三十六頁，共五十三頁。二、激振器電動激振器主要用于絕對激振方式。低頻激振時可將激振器剛性地安裝在地面或剛性很好的架子上。有時必須在激振器與被激對象之間用一根激勵力向上、剛度很大而橫向剛度很小的柔性桿連接，以保證傳遞激振力。1、電動式激振器永磁式：用于小型激振器激磁式：用于較大型的振動臺工作頻率范圍：5Hz~2000Hz。驅(qū)動線圈固裝在頂桿上，并由彈簧支承在殼休中，驅(qū)動線圈位于磁極與鐵芯的氣隙中。當(dāng)驅(qū)動線圈通入交變電流時，將產(chǎn)生交變的電動力，此力通過頂桿傳到被測對象，即為激振力。37第三十七頁，共五十三頁。二、激振器2、電磁式激振器利用電磁鐵的磁力作為激振力，常川于非接觸激振場合，它由鐵芯、激勵線圈（包括一組直流線圈和一組交流線圈）、力檢測線圈和底座組成激勵線圈通電，產(chǎn)生磁通，從而在鐵芯和銜鐵之間產(chǎn)生電磁力。將鐵芯和銜鐵分別固定在兩個被測對象上，可實現(xiàn)兩者間無接觸相對激振銜鐵也可以由導(dǎo)磁材料的被測對象充當(dāng)。測力線圈檢測激振力。位移傳感器測量激振器與銜鐵之間的相對位移。38第三十八頁，共五十三頁。2、電磁式激振器激勵線圈通過電流時，鐵芯對銜鐵產(chǎn)生的吸引力為：B：氣隙的磁感強(qiáng)度，

A：鐵芯截面積，

u0：真空磁導(dǎo)率，B0：直流電流I0產(chǎn)生的不變磁感應(yīng)強(qiáng)度；B1：交流電流I1產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值得電磁吸力為靜態(tài)電磁力交變電磁力F1二次諧波交變電磁力F239第三十九頁，共五十三頁。當(dāng)直流電流I0=0時，則B0=0,一次分量消失。由式可知，F(xiàn)-B曲線是非線性，如圖，且無論B1是正是負(fù)，F(xiàn)總是正的，因此B變化半周而力F變化一周，后者的頻率為前者的兩倍，且波形嚴(yán)重失真，幅值也很小。當(dāng)加上直流電流后，直流磁感應(yīng)強(qiáng)度B0不再為零，將工作點移到F-B近似直線的中段B0處，這時產(chǎn)生的電磁交變吸力F1的波形與交變磁感應(yīng)波形基本相同。由于存在二次分量，電磁吸力的波形有一定失真，二次分量與一次分量的福值比為B1／4B0，若取B0>>B1，則可忽略二次分量的影響。2、電磁式激振器電磁激振器頻率上限500~800Hz40第四十頁，共五十三頁。特點：激振力大，行程大。高頻特性差。結(jié)構(gòu)復(fù)雜。制造精度要求高，成本高。一般只適用于較低的頻率范圍，為零點幾赫到數(shù)百赫。3、電液式激振器信號發(fā)生器的信號經(jīng)過放大后，操縱電液伺服閥控制油路，使活塞作往復(fù)運動，輸出很大的位移和激振力，并以頂桿去激勵被激對象。41第四十一頁，共五十三頁。激振力通過頂桿加在雙簡支梁上，支梁產(chǎn)生受迫振動，振動的幅值與激振力成正比，加速度傳感器檢測振動的位移。依次改變激振信號頻率，可繪出加速度幅頻特性曲線，根據(jù)加速度曲線，找出系統(tǒng)的固有頻率?！?振動系統(tǒng)特性測試

以雙簡支梁為例，測量系統(tǒng)的固有頻率42第四十二頁，共五十三頁?！?機(jī)械振動參數(shù)的估計

機(jī)械振動參數(shù)主要是指

固有領(lǐng)率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)．實際系統(tǒng)大多是

多自由度振動系統(tǒng)，

具有多個固有頻率，在頻率響應(yīng)曲線上會出現(xiàn)多個峰值根據(jù)線性振動理論。對于多自由度線性系統(tǒng)，在它任何一點的振動響應(yīng)可以認(rèn)為是反映系統(tǒng)特性的多個單自由度響應(yīng)的疊加。本節(jié)討論單自由度系統(tǒng)：固有頻率和阻尼比的測試。方法：自由振動法、共振法

43第四十三頁，共五十三頁。單自由度振動系統(tǒng)，若給系統(tǒng)以初始沖擊，則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動，§5機(jī)械振動參數(shù)的估計

1、自由振動法其表達(dá)式為m——質(zhì)量；c——粘性阻尼系數(shù)k——彈簧的剛度系數(shù)設(shè)——系統(tǒng)的固有角頻率；——系統(tǒng)的阻尼率；44第四十四頁，共五十三頁?！?機(jī)械振動參數(shù)的估計

1、自由振動法——衰減振動角頻率；阻尼比或的測定，可以根據(jù)記錄曲線的相鄰峰值的衰減比來確定。根據(jù)衰減振動記錄曲線，周期T可通過曲線確定，可得：在系統(tǒng)阻尼小的時候，可以認(rèn)為45第四十五頁，共五十三頁?！?機(jī)械振動參數(shù)的估計

1、自由振動法阻尼比或的測定，可以根據(jù)記錄曲線的相鄰峰值的衰減比來確定：Mi和Mi+1分別為自由振動記錄曲線的相鄰超調(diào)量。46第四十六頁，共五十三頁。2、共振法單自由度系統(tǒng)受迫振動，當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時，其振動幅值會急劇增大。對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振，通過