11.1概述11.2振動(dòng)測(cè)量的基本原理11.3測(cè)振系統(tǒng)概述11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量11.5模態(tài)測(cè)量11.6振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用實(shí)例《熱能與動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)》·第3版第11章振動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生的原因：由于不平衡質(zhì)量的存在，在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)交變的不平衡慣性力和力矩，產(chǎn)生振動(dòng)。描述振動(dòng)的主要參量：頻率、振幅、相位振動(dòng)測(cè)量的參量：位移、速度、加速度11.1

概述第11章振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)的分類(lèi)（1）從產(chǎn)生振動(dòng)的原因來(lái)分：自由振動(dòng)：系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的激勵(lì)而引起的振動(dòng)受迫振動(dòng)：系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵(lì)下的振動(dòng)自激振動(dòng)：沒(méi)有外激勵(lì)作用的情況下，由系統(tǒng)自身激發(fā)所產(chǎn)生的一種振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)自振11.1

概述第11章振動(dòng)測(cè)量（2）從產(chǎn)生振動(dòng)的規(guī)律來(lái)分：簡(jiǎn)諧振動(dòng)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí),離開(kāi)平衡位置的位移(或角位移)按余弦(或正弦)的規(guī)律隨時(shí)間變化復(fù)合周期振動(dòng)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的頻率之比為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合而成瞬態(tài)振動(dòng)：在極短時(shí)間內(nèi)僅持續(xù)幾個(gè)周期的振動(dòng)隨機(jī)振動(dòng)：沒(méi)有確定的周期，振動(dòng)量與時(shí)間也無(wú)一定的關(guān)系11.1

概述第11章振動(dòng)測(cè)量測(cè)振儀模型一般可簡(jiǎn)化為由慣性元件質(zhì)量m和彈性元件彈簧k組成，并懸掛在剛性的剛體上，框架安置在被測(cè)振動(dòng)體上，并隨振動(dòng)體振動(dòng)。設(shè)振動(dòng)體的振幅為x1,m的振幅為x2，則m相對(duì)于框架的振動(dòng)為x2-x1。如忽略阻尼，質(zhì)量m振動(dòng)的微分方程為11.2振動(dòng)測(cè)量的基本原理第11章振動(dòng)測(cè)量測(cè)振儀的固有頻率ω02=k/m，并設(shè)x1=X1sinωt，微分方程可寫(xiě)為上述方程的解為x2=[(X1ω02sinωt)/(ω02-ω2)]sinωt11.2振動(dòng)測(cè)量的基本原理第11章振動(dòng)測(cè)量可以求得質(zhì)量和框架間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值X為

當(dāng)ω/ω0遠(yuǎn)大于1時(shí)，這時(shí)振動(dòng)體的頻率ω遠(yuǎn)大于測(cè)振儀的固有頻率ω0，則X約等于-X1

，即質(zhì)量和框架間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值，近似為框架的振動(dòng)幅值。這樣就可以測(cè)出振動(dòng)體的幅值，一般稱(chēng)這類(lèi)儀器為位移計(jì)。

11.2振動(dòng)測(cè)量的基本原理第11章振動(dòng)測(cè)量當(dāng)ω/ω0極小時(shí)，則有

X≈(1/ω02)X1ω2

式中X1ω2為被測(cè)振動(dòng)體的加速度幅值，即測(cè)振儀所測(cè)得的讀數(shù)X和被測(cè)振動(dòng)體的加速度成正比。故可利用這種測(cè)振儀作振動(dòng)加速度的測(cè)量，一般稱(chēng)這類(lèi)儀器為加速度儀。11.2振動(dòng)測(cè)量的基本原理第11章振動(dòng)測(cè)量1.測(cè)振系統(tǒng)組成測(cè)振系統(tǒng)通常由能夠感知振動(dòng)參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)物理量的傳感器、信號(hào)處理和放大、記錄分析和顯示以及數(shù)據(jù)處理等設(shè)備組成。常用的測(cè)振系統(tǒng)有：機(jī)械測(cè)振系統(tǒng)、電子測(cè)振系統(tǒng)以及光學(xué)測(cè)振系統(tǒng)，其中，機(jī)械測(cè)振系統(tǒng)的使用日益減少。11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量（1）電子測(cè)振系統(tǒng)將被測(cè)的振動(dòng)量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量或電參量，經(jīng)電測(cè)系統(tǒng)放大、處理、信號(hào)變換，將振動(dòng)量顯示或記錄下來(lái)，或通過(guò)分析、計(jì)算、實(shí)時(shí)處理等，把衡量振級(jí)參數(shù)的時(shí)間歷程和頻率譜以數(shù)字或圖形的方式記錄和繪制出來(lái)。電子測(cè)振系統(tǒng)由于其靈敏度高、頻率范圍和動(dòng)態(tài)線(xiàn)性范圍寬，便于分析和控制，是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)振系統(tǒng)。但該系統(tǒng)易受電磁場(chǎng)的干擾。11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量（2）光學(xué)測(cè)振系統(tǒng)利用讀數(shù)顯微鏡、光杠桿和光干涉、激光多普勒效應(yīng)等，記錄并放大振動(dòng)量或拍攝反映振動(dòng)全貌的振型，如激光全息照片。特點(diǎn)：不受電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量精度高，適用于對(duì)質(zhì)量小及不易安裝傳感器的振動(dòng)體作非接觸精密測(cè)量。此外，它還用于對(duì)傳感器、測(cè)振儀的標(biāo)定或校驗(yàn)。11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量2.測(cè)振傳感器測(cè)振傳感器，也稱(chēng)拾振器，是指能夠感知振動(dòng)參量(位移、速度和加速度)并將其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)物理量的傳感器。根據(jù)參考坐標(biāo)的設(shè)定，分為絕對(duì)式即慣性傳感器和相對(duì)傳感器。絕對(duì)式傳感器安裝在試件上，以大地為參考基準(zhǔn)；相對(duì)式傳感器安裝在參考坐標(biāo)的支架上。根據(jù)被測(cè)量的參數(shù)，又可分為振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度傳感器。11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量3.信號(hào)放大器放大器是測(cè)試系統(tǒng)中傳感器與記錄儀的中間環(huán)節(jié)，其輸入特性必須滿(mǎn)足傳感器的要求，其輸出特性必須與記錄儀相匹配。（1）電壓放大器電壓放大器的作用是把壓電傳感器的電荷變成電壓，再進(jìn)行放大，并將壓電加速度計(jì)的高輸出阻抗變成低輸出阻抗，以便于主放大器連接。目前，通用的電壓放大器的放大倍數(shù)甚小，主要起阻抗變換作用，故又稱(chēng)為阻抗變換器。11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量（1）電壓放大器

實(shí)際上，Ri與Ra的阻值很大，相應(yīng)的R值也較大。電壓放大器輸入電壓的最大值可寫(xiě)為：

式中，D——壓電晶體的壓電系數(shù)；F——作用于壓電體上的周期力。其中Cc隨著連接電纜的長(zhǎng)度變化。若加長(zhǎng)電纜，則靈敏度下降。加速度計(jì)-電纜-電壓放大器電路等效電路11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量（2）電荷放大器電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比例，它是一個(gè)具有電容負(fù)反饋的高輸入阻抗的高增益運(yùn)算放大器。電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)如下：①電荷放大器的輸出電壓與連接電纜的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。②電荷放大器的低頻截止頻率取決于反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，為使運(yùn)算放大器工作穩(wěn)定，?？缃右浑娮鑂f。電荷放大器的下限頻率為，因此可以降低下限頻率，最低可達(dá)0.003Hz。電荷放大器的缺點(diǎn)是對(duì)電路器件要求高、造價(jià)高。加速度計(jì)—電荷放大器等效電路11.3測(cè)振系統(tǒng)概述第11章振動(dòng)測(cè)量1.振動(dòng)位移傳感器（1）電感式傳感器由于由彈簧支承的慣性質(zhì)量和與被測(cè)對(duì)象相連殼體上的電磁體間的氣隙發(fā)生變化，導(dǎo)致線(xiàn)圈周?chē)拇磐òl(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電感式傳感器原理圖及記錄波形11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

電容式傳感器11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（3）電渦流式傳感器渦流式位移傳感器是一種非接觸式測(cè)振傳感器，其基本原理是利用金屬體在交流磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)。渦流傳感器可分為高頻反射型和低頻反射型兩種。高頻反射型渦流傳感器低頻反射型渦流傳感器11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量渦流傳感器具有頻響寬、線(xiàn)性測(cè)量范圍寬、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、安裝使用方便、能長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定地工作和非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，探頭可在水、油等介質(zhì)中工作。利用這種變換原理，可構(gòu)成多種傳感器。11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（4）激光位移傳感器激光與普通光相比，具有四項(xiàng)突出的優(yōu)點(diǎn)。①高相干性②高方向性③高單色性④高亮度因此，激光被廣泛地應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高準(zhǔn)確度的位移測(cè)量。在工程測(cè)試中，激光還可以用于長(zhǎng)度、位移、速度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和工件表面缺陷的檢測(cè)等。11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量激光干涉法測(cè)距原理根據(jù)光的干涉原理，兩列具有固定相位差，并且有相同頻率、相同振動(dòng)方向或振動(dòng)方向之、間夾角很小的光相互交疊，就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，激光干涉儀利用這個(gè)原理，使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條數(shù)，這些條紋由光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)處理后,由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的檢測(cè)。11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀是一種新型的激光干涉儀，基本原理如圖所示，它利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)(此處指由于振源相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的頻率變化的現(xiàn)象)產(chǎn)生頻差的原理來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量。11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（5）光纖式傳感器光纖傳感器的基本原理是：光源經(jīng)光纖送人調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)（顏色）、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光，信號(hào)光再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器、調(diào)節(jié)器而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器的組成11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（5）光纖式傳感器在振動(dòng)位移測(cè)量中，應(yīng)用最廣的是振幅調(diào)制光纖式傳感器，其工作原理是：當(dāng)光纖由于振動(dòng)而導(dǎo)致變形時(shí)，傳輸特性也會(huì)發(fā)生變化。例如將光纖制成一個(gè)u形結(jié)構(gòu)。光纖兩端固定，中部可感受振動(dòng)運(yùn)動(dòng)量，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，輸入光將受到振幅調(diào)制而在輸出光中反映出來(lái)，通過(guò)測(cè)量輸出光的變化可以檢測(cè)振動(dòng)量。振幅調(diào)制光纖式傳感器11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

電磁式傳感器原理圖1-磁鐵2-平彈簧3-支柱4-底座5-框架11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（2）多普勒效應(yīng)振動(dòng)傳感器這種傳感器屬于光纖傳感器的一類(lèi)，是一種非接觸式傳感器，它可以用來(lái)測(cè)量高頻小振幅的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)物體的振動(dòng)方向與光纖的光線(xiàn)方向一致時(shí)，測(cè)知反射光的頻率變化，即可測(cè)知振動(dòng)速度。多普勒效應(yīng)振動(dòng)傳感器11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量3.壓電式加速度傳感器原理是利用壓電元件，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、石英晶體等，在振動(dòng)時(shí)受到慣性質(zhì)量對(duì)其施加交變的壓力而輸出交變電荷（稱(chēng)為壓電效應(yīng)）的原理來(lái)測(cè)量振動(dòng)的，其電荷輸出量與振動(dòng)加速度成正比。由于壓電式傳感器靈敏度高、頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)尺寸小和質(zhì)量輕，目前這類(lèi)傳感器應(yīng)用最廣。但它受溫度、濕度等影響較大，需和高阻抗前置放大器配用。壓電式傳感器11.4經(jīng)典振動(dòng)參數(shù)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量1.模態(tài)測(cè)量基本原理在模態(tài)測(cè)量中，為了測(cè)得機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)，可以通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的激勵(lì)與響應(yīng)的測(cè)試而獲得。以某種激勵(lì)作用在被測(cè)對(duì)象上，使之產(chǎn)生受迫振動(dòng)，測(cè)出輸入（激勵(lì)）和輸出（響應(yīng)）的信息，從而確定出被測(cè)系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比以及振動(dòng)形態(tài)等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，進(jìn)而尋求系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)及其匹配。對(duì)于一般的線(xiàn)性振動(dòng)結(jié)構(gòu)，考慮阻尼作用和外激振力，運(yùn)動(dòng)方程可以描述為：11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

如圖，在節(jié)點(diǎn)2上施加外力，同時(shí)測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)，可以計(jì)算得到頻響函數(shù)的第二列。然后依次激勵(lì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度，同時(shí)測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)，可以計(jì)算得到整個(gè)頻響函數(shù)矩陣。11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量2.激振器在進(jìn)行動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)特性參數(shù)測(cè)試或?qū)y(cè)振儀（傳感器）進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要對(duì)被測(cè)零件或傳感器進(jìn)行激振，此時(shí)必須使用激振器。（1）電磁激振器電磁振動(dòng)臺(tái)是最常用的一種激振器，它由振動(dòng)臺(tái)和電氣控制系統(tǒng)兩大部分組成。電磁振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖1-磁缸2-壓電晶體傳感器3-臺(tái)面4-彈簧片5-消磁線(xiàn)圈6-振動(dòng)線(xiàn)圈7-勵(lì)磁線(xiàn)圈8-輸出引線(xiàn)9-陰極輸出器11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量

（a）（b）電動(dòng)式激振器簡(jiǎn)圖1-頂桿2-片彈簧3-動(dòng)圈4-磁極板5-永磁體6-中心磁場(chǎng)7-殼體8-勵(lì)磁線(xiàn)圈11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（3）電液式激振器電液激振器實(shí)際上就是液壓激振器。在這種裝置中，利用液壓原理進(jìn)行功率放大以產(chǎn)生很大的激振力。優(yōu)點(diǎn)：可以模擬實(shí)際載荷進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樗梢栽诩屿o載荷的同時(shí)又加動(dòng)載荷，更接近實(shí)際工況；可以產(chǎn)生較大振幅。11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量（4）脈沖錘脈沖錘是進(jìn)行試件模態(tài)測(cè)試時(shí)的激振源，是一個(gè)有力傳感器的敲擊錘（或稱(chēng)脈沖錘），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。進(jìn)行試件模態(tài)測(cè)試時(shí)，使用該錘敲擊試件，它對(duì)時(shí)間的作用力并不是一個(gè)理想的脈沖信號(hào)，而是近似半正弦波。脈沖錘和典型的脈沖輸入11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量有效頻率范圍取決于脈沖持續(xù)時(shí)間。錘頭墊硬脈沖持續(xù)時(shí)間越小，頻率范圍越大，使用適當(dāng)?shù)腻N頭墊材料可以得到要求的頻帶寬度。改變錘頭配重塊的質(zhì)量和敲擊加速度，可以調(diào)節(jié)激振力的大小。不同材料錘頭自功率譜圖11.5模態(tài)測(cè)量第11章振動(dòng)測(cè)量1.試件模態(tài)測(cè)量一般地說(shuō)，基本測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該包括以下三個(gè)方面內(nèi)容：（1）激勵(lì)設(shè)備，如力錘或者激振器；（2）傳感系統(tǒng)，主要為加速度傳感器，用以測(cè)量激勵(lì)的響應(yīng)；（3）信號(hào)采集和分析設(shè)備，用于采集激勵(lì)和響應(yīng)的信號(hào)，并提取我們所需的信息。頻響函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)示意圖11.6振動(dòng)測(cè)量實(shí)例