传感器与测试技术7 振动的测量

8.1 振动的基础知识与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动，如图8.1所示。

振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。

只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。

图8.1 振动的种类和特征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。

本节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以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。

在振动测量时，应合理选择测量参数。

如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。

简谐振动简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即振动的运动规律为：(8.2)(8.3)比较式(8.1)至(8.3)可见，速度的最大值比位移的最大值导前900 ，加速度的最大值要比位移最大值导前1800 。

质量块受力产生的受迫振动如图8.2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：（8.4）式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。

这是一个典型的二阶系统，其系统频率响应函数H(ω)和幅频特性函数、相频特性函数ϕ(ω)分别为：（8.5a）图8.2 质量块受力所产生的受迫振动（8.5b）（8.5c）式中：ω基础运动的圆频率；ζ振动系统的阻尼比， ；。

（8.6） 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ωr总是小于系统的固有频率ωn，阻尼越小两者越靠近，因此，在小阻尼情况下可以采用ωr作为的ωn估计值；而在相频特性图上，不管系统的阻尼比为多少，在ωr/ωn=1时位移始终落后于激振力90°。

机床振动频率的测量一．研究背景车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。

当车床发生震动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，工件的粗糙度增大，这时必须降低切削用量，使车床的工作效率大大降低。

强烈振动时，会时车床产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。

由于振动，将使车床和刀具磨损加剧，从而缩短车床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。

尽管超精密车床具有很高的刚度，但振动仍然是影响表面粗糙度的主要因素之一。

超精密机床通常都有很高的固有频率，在超精密加工过程中，实际的工艺系统是一个非常复杂的振动系统，系统中的振动使工件与刀具之间的相对位置发生了微幅变动，最终使工件表面粗糙度增大、表面质量降低。

有关学者通过研究发现：机床主轴的振动、导轨的振动以及刀具的振动都具有高频率、小振幅的特征，积屑瘤、外界干扰、机床刚性不足以及高速旋转部件不平衡也会引起切削振动，最终导致加工表面微观特征的改变。

另外，切削系统中的动态效应对振动也有显著的影响。

因此，必须采取必要的预防措施来减小或防止振动对超精密加工表面质量的影响。

所以，我们选择测量振动频率这个课题。

二. 研究现状1．A47-V1002激光非接触振动测量仪激光非接触振动测量仪不需要在被测物体上安装传感器，只需对针测量点，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，测量被测物体的振动数据，特别适用于机器零部件，电子元器件等微小物品振动测量。

ZXP-J200振动监测仪为双通道、多功能、智能化的在线式监测仪表，用于测量轴承的绝对振动或轴的相对振动，可广泛用于监测汽轮机、发电机、风机和泵等各种旋转机械的振动。

仪表可同时测量和显示出两个通道的振动参数，参数包括：转速、振幅通频值、报警值、1X选频值和相位。

每通道可提供独立的4-20mA 标准电流输出，输出电流相互隔离。

每个通道的报警值可以各自任意设置，当测量的通频值超过各自的设置值时，各自的报警指示灯亮，相应继电器动作。

振动传感器的性能测试与研究振动传感器是一种常用的测量设备，广泛应用于机械工程、振动分析和结构监测等领域。

它能够通过检测物体的振动频率、幅度和相位等参数，帮助工程师分析和评估机械设备的工作状态。

然而，为了确保振动传感器的准确性和可靠性，性能测试与研究是必不可少的环节。

1. 振动传感器的性能参数在进行振动传感器性能测试之前，我们首先要了解振动传感器的性能参数。

振动传感器的性能参数包括灵敏度、频率响应、线性度、温度效应、非线性度等。

其中，灵敏度是指传感器输出信号的变化量与输入振动的变化量之间的比例关系；频率响应是指传感器对不同频率振动的响应能力；线性度是指传感器输出信号与输入振动的线性关系程度；温度效应是指传感器在不同温度下输出信号的稳定性；非线性度是指传感器输出信号与输入振动的非线性误差。

2. 振动传感器性能测试方法为了对振动传感器的性能进行测试，我们可以采用多种方法。

常见的方法包括标准振动源测试、频响测试、线性度测试、温度测试以及非线性度测试等。

标准振动源测试是指将振动传感器与标准振动源相连，通过改变标准振动源的振动参数，比如振幅和频率等，来验证传感器的灵敏度和频率响应等性能参数。

频响测试是指通过改变输入的振动信号频率，然后观察传感器的输出信号，从而确定传感器的频率响应特性。

一般可以采用无源测量法或激励测量法进行。

线性度测试是指通过改变输入振动信号的幅度，然后观察传感器的输出信号，从而判断传感器的线性度参数。

常用的方法包括全范围线性度测试和非全范围线性度测试。

温度测试是指在不同的温度条件下，对传感器进行性能测试，以评估传感器在不同温度下的稳定性和准确性。

非线性度测试是指通过输入不同的非线性输入信号，如三角波、方波等，然后观察传感器的输出信号，从而评估传感器的非线性度。

3. 振动传感器性能研究除了性能测试，振动传感器的性能研究也是一个重要的方面。

性能研究可以帮助我们了解传感器的工作原理和内部结构，以及传感器在特定应用场景下的适应性和优化方法。

振动测试与分析引言：在各行各业中，振动测试与分析是一项重要的技术，它可以帮助我们了解各种物体和系统的振动特性，以及找出潜在的问题并提供解决方案。

本文将介绍振动测试与分析的基本原理和方法，以及其在不同领域的应用。

一、振动测试的原理振动测试是通过将传感器安装在被测试物体上，测量物体在振动过程中产生的加速度或速度来获取振动信号。

传感器将振动信号转换为电信号，再经过信号放大和采样，最终得到振动波形。

常用的传感器包括加速度计、速度计和位移传感器。

二、振动测试的方法1.自由激振法：在物体上施加外力进行振动，然后测量物体的振动响应。

这种方法适用于研究物体的振动特性和固有频率。

2.强迫激振法：通过施加特定的激励信号，使物体以特定频率和幅度振动。

这种方法常用于测试物体的耐振性和振动特性。

3.模态分析法：通过激励物体的不同模态形式，测量物体不同模态的振动响应，从而研究物体的模态特性和阻尼特性。

三、振动测试与分析的应用1.机械工程领域：振动测试与分析在机械工程中有广泛的应用。

例如，在汽车工业中，振动测试可以用于测试汽车零件的耐用性和可靠性，预测零件的寿命。

在航空航天领域，振动测试可以用于测试航天器的结构强度和振动特性，以提高飞行安全性。

2.电子工程领域：振动测试与分析在电子工程领域也有重要的应用。

例如，在手机制造业中，振动测试可以用于测试手机零件的质量，确保手机在使用过程中的稳定性和可靠性。

另外，在电子设备的设计中，振动测试可以用于优化电路板的设计，减少振动对电子元器件的损坏。

3.土木工程领域：振动测试与分析在土木工程领域有助于评估建筑物和结构的安全性。

例如，在地震工程中，振动测试可以用于评估建筑物的抗震性能，预测地震情况下的结构变形和破坏程度。

此外，振动测试还可以用于监测桥梁、隧道等工程结构的安全状况。

4.生物医学领域：振动测试与分析在生物医学领域中也有应用。

例如，医学领域中常用的超声波检测技术，就是利用振动信号来获取人体组织和器官的内部信息。

【课堂教学小结】3分钟）1、振动与噪音本质上相同，只是频率和传播介质不同。

2、我们所学振动检测，重点掌握环境振动的检测，适合我们矿业的作业场所。

参考位置等优点，由于它的脉冲响应优异，更适合于冲击的测量。

CI=史=2力V=Q时)2Adt4)拾振器的充分利用一般情况尽量用同参数相应的传感器进行测量，也可用电学微积分原理进行测量，但测量误差较大。

7.4拾振器7.4.1 压电式加速度计1.1.1 工作原理(1)组成：压电晶体、弹簧元件、外壳、引线。

(2)原理：(图示说明)2)特点体积小、灵敏度高、测量频率宽。

3)主要参数(1)灵敏度:输出量的变化与输入量变化的比值(2)安装方法与上限频率(3)前置放大器与下限频率(4)横向灵敏度(5)动态范围(6)环境影响程度1.1.2 磁电式速度计1)结构原理(1)组成：线圈、磁钢、顶杠、弹簧片、附件。

(2)原理：切割磁力线产生感生电动势(图示说明)。

2)特点a.只能测量质点振动b.可以做成相对和绝对两种(约20分钟) (约20分钟)c.输出幅度大d.输出阻抗低e.体积较压电式大1.1.3 拾振器的合理选择1）自振频率和工作频率的选择2）灵敏度的选择3）测量范围的选择4）测量内容的选择（本节无作业）【课堂教学小结】（3分钟）1、振动测量主要是根据振动类型正确选择拾振器;2、合理布置拾振器；3、准确分析测量结果。

（约12分钟）举例课程名称：安全环境监测技术7∙6测振仪的校准与标定1）标定内容X⑴拾振器灵敏度标定在振动台上进行，fW200Hz,a≤10g灵敏度Sv=U∕Xa=4π2f2A A为振幅读书；U为输出电压；f为频率（2）实验室条件下的二次标定2）频率特性的标定（1）频率响应：测频带（带宽）⑵谐振频率7.7振动允许标准（约20分钟）D人体允许振动标准（246页）人体可以通过各种感受器接收振动的信息，并通过大脑对振动作出相应的反应和判断。

根据振动对人影响的程度，可以建立振动的评价标准。

答案+我名字2020年春季学期课程作业传感器与测试技术第1次传感器与测试技术题号一二合计已做/题量20 / 2020 / 2040 / 40得分/分值36 / 4054 / 6090 / 100一、单项选择题(共20 题、36 / 40 分)1、测量快速变化的温度时，要选用（）测量。

正确!收藏该题展开该题2、应变式传感器的温度误差产生的主要原因（）。

正确!收藏该题展开该题3、具有压电效应的物体称为（）。

正确!收藏该题展开该题4、能够测量大气湿度的传感器称为（）。

正确!收藏该题展开该题5、工业测量用得最多的温度传感器是（）。

正确!收藏该题展开该题6、测试系统的输出与输入系统能否像理想系统那样保持正常值（）的一种度量称为线性度。

A、重复性B、线性度C、比例关系D、平方关系收藏该题7、如果一个信号的频谱是离散的，则该信号频率成分是（）。

正确!收藏该题展开该题8、以下（）的频谱为连续频谱。

正确!收藏该题展开该题9、半导体应变片具有( )等优点。

正确!收藏该题展开该题10、以下属于无源型传感器是（）。

正确!收藏该题展开该题11、时域信号持续时间压缩，则频域中低频成分（）。

正确!收藏该题展开该题12、以下属于应变计温度误差产生的原因是（）。

正确!收藏该题展开该题13、热电偶测量温度时( )。

正确!收藏该题展开该题14、不是基于物质的热胀冷缩现象来反映被测温度高低的是（）。

正确!收藏该题展开该题15、随着人们对各项产品技术含量要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展。

其中，典型的传感器智能化结构模式是( )。

正确!收藏该题展开该题16、下列关于光电管哪一项是正确的（）。

正确!收藏该题展开该题17、汽车仪表盘的油量指示表用的传感器是（）。

A、电磁传感器B、电容传感器C、浮子液位传感器D、电缆式浮球开关收藏该题18、在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，对同一被测量进行多次重复测量，这样的测量称为( )。

传感器与检测技术山东省高等教育自学考试《传感器与检测技术》02202考试大纲第一部分学习过程评价部分考核大纲一、学习过程评价的课程性质及课程设置的目的、课程基本要求(一)课程性质与学习过程评价的设置目的传感器与检测技术是机电一体化工程专业的一门专业基础课。

本课程阐述如何利用传感器将机电一体化系统典型被测物理量转换成与之有确切对应关系并且容易检测、传输、处理的信号，通过计算机数据处理，得到有关被测系统的有用信息。

传感器与检测技术是机电一体化系统的关键技术之一。

“传感器与检测技术”是一门综合性、实践性很强的课程，在自学过程中必须做一定数量的基本实验，才能掌握课程的基本内容，培养考生分析问题和解决问题的能力。

考生应高度重视实验环节。

这是学习过程评价目的之一;另外，作一定数量的习题、思考题对学好本课程也非常必要，这是学习过程评价目的之二。

(二)学习过程评价基本要求考生在学习过程中进行必要的教学实验:(1)通过电阻应变式传感器实验，掌握电阻应变式传感器工作原理和输出特性。

(2)通过电感式传感器实验，掌握电感式传感器工作原理和输出特性 (3)通过电容式传感器实验，掌握电容式传感器工作原理和输出特性 (4)通过滤波器特性实验，了解无源滤波器和有源滤波器的类型、工作原理，掌握滤波器特性及其测试方法。

(5)通过压力传感器静态标定实验，掌握压力传感器静态标定方法，学习标定数据处理及传感器特性指标的计算。

(6)通过温度传感器校准实验，掌握温度传感器的使用方法和校准方法。

(7)通过振动测试实验，了解其固有频率、阻尼比及各阶振型的测试方法;了解非接触式和接触式测振传感器的特点;附加传感器质量对测试结果的影响;了解激振、测振系统的基本组成和选择。

(8)通过切削力测量实验，了解八角换车削测力仪的结构、应变片的粘贴和组桥方法以及测力仪工作原理掌握八角环测力仪的静态标定方法。

考生在学习过程中必须完成一定数量的习题、思考题。

二、学习过程评价的课程内容和考核要求(一) 实验内容与要求实验1 电阻应变式传感器实验。

C传感器无失真检测的条件是什么？答：传感器无失真检测条件是：幅频特性应当是常数（即水平直线）；相频特性应该是线性关系。

传感器是由哪几部分组成？各有何功能？答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。

敏感元件是直接感受被测物理量，并输出与被测量成确定关系的某一种量。

转换元件接收敏感元件的输出并把输入转换成电路的参量。

转换电路把转换元件输出电路参数转换成电量输出。

测定频响函数的方法是什么？常用输入标准信号有哪几种？（测定频响函数的方法有哪几种？）答：确定频响函数的方法是以标准信号输入，测出其输山信号，从而求得需要的特性。

输入的标准信号有正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。

磁电式传感器有何优点？答：磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。

超声波的波型有几种？是根据什么来分类的？答：超声波的波型有纵波、横波、表面波（亦称瑞利波）、兰姆波依据超声场中质点的振动与声能量传播方向之间的关系来分。

常用的超声波探伤方法有哪些？各有什么特点？答：常用的超声波探伤法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。

共振法的特点是：（1）可精确的测厚，特别适宜测量薄板及薄壁管；（2）工件表面光洁度要求高，否则不能进行测量。

穿透法具有以下特点：（1）探测灵敏度较低，不易发现小缺陷；（2）根据能量的变化即可判断有无缺陷，但不能定位；（3）适宜探测超声波衰减大的材料；（4）可避免盲区，适宜探测薄板；（5）指示简单，便于自动探伤；（6）对两探头的相对距离和位置要求较高。

脉冲反射法的特点是：（1）探测灵敏度高；（2）能准确地确定缺陷的位置和深度；（3）可用不同波型探测，应用范围广。

D电桥是传感器的常用变换电路，请画直流电桥与交流电桥的电路图，并列出各自的平衡条件。

答：（1）直流电桥的平衡条件是：R1R3=R2R4（2）交流电桥的平衡条件是：Z1Z3=Z2Z4，Z i=z i e jφi；也可表达为z1e jφ1z3e jφ3=z2e jφ2z4e jφ4；即Z1Z3=Z2Z4，φ1+φ3=φ2+φ4电容传感器分为变间距型、变面积型和变介电常数型三种形式，比较这三种传感器侧位移时的量程、灵敏度和线性度。

章节测试题第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。

4、 非周期信号包括 信号和 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。

6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ ） （三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2xψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。

第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。