第六章 振动的测试分析

振动的测试•概述
•单自由度系统的受迫振动•振动的激励
•激振器
•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器
•测振装置的校准
•机械系统动参数的估计
振动的测试概述
•机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象•振动的危害
•机械振动的利用
•振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面的应用
振动的危害
振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故。

在大多数的情况下，机械振动是有害的。

精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传来的振动
机械振动的利用
主要体现在振动机械上，通过合理设计，达到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。

振动信号在设备运行状态检测和
故障诊断方面的应用
机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具有相同的频率组成。

虽然两者传输方式以及各自的频率成分之间的强度比例都不一样，但它们的频谱都在某种程度上反映机器运行状况，均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参数。

振动的测试概述(2)
•振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位–机械设备的性能分析、运行过程的监测、诊断、对工作环境的控制等
•应用实例
车身模态分析（多输入多输出）
在意大利AIENIA测试的机身结构（8个激振器和896个传感器）
振动的测试概述(3)
•振动测试大致可分为两类
1.测量设备和结构所存在的振动。

2.对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；此类振动测试的目的是研究设备或结构的力学动态特性。

提醒注意:
对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动频率。

有时则需要对所测的信号作进一步的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。

求出被测对象的频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提供依据。

振动的测试•概述
•单自由度系统的受迫振动•振动的激励
•激振器
•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准
•机械系统动参数的估计
单由度系统质量块受力引起的的受迫振动)
(22t f kz dt
dz c dt t d m =++运动方程频率响应、幅频特性、相频特性
位移共振频率、速度共振频率和相位共振通常把频幅曲线上幅值比最大处
的频率称为位移共振频率；
若输入为力,输出为振动速度
时,则系统幅频特性最大处的频率
称为速度共振频率.(速度共振频
率始终和固有频率相等)；
对加速度响应的共振频率则总
是大于系统的固有频率。

从相频曲线上可看到,不管系统
的阻尼比是多少,在(ω/ ωn)=1
时位移始终落后于激振力90O,这
被称为相位共振
小结：
⑴在激振频率远小于固有频率时,输出位移随激振频率的变化非常小；
⑵当激振频率大于固有频率时，输出位移为零,质量块近于静止；
⑶当激振频率接近固有频率时,系统的响应特性取决于系统阻尼,并随频率的变化而剧烈的变化。

单由度系统由基础运动引起的受迫振动•质量块绝对运动方程
•质量块相对运动方程•频率响应幅频特性相频特性0
)()(101020
2=-+-+z z k z z c m dt d dt z d 21201201
2dt
z d 01dt dz dt z d m kz c m -=++[][]()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-===-+-+-2ωn ωn ω2ξ2n
ωω22n ωω
2n ωωn ωω2n ωω2n ωω1)(2ξ)(1)(2j ξ)(1)
(arctg (ω)A(ω)H(ω)ϕ
•小结
当激振频率远小于系统固有频率时
质量块相对基础的振动为0，也就
是质量块几乎随着基础一起振动；
而当激振频率远远高于固有频率时，A(ω)接近1，说明质量块和壳体的
相对运动（输出）和基础的振动
（输入）近似相等。

从而表明质量
块在惯性坐标系中几乎处于静止状
态。

这种现象被广泛用于测振仪器中
振动的测试•概述
•单自由度系统的受迫振动•振动的激励
•激振器
•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准
•机械系统动参数的估计
激振方式的分类
稳态正弦激振
随机激振瞬态激振稳态正弦激振是最普遍的激振方法，主要优点：激振功率大、信噪比高能保证测试的精确度；缺点：测试周期长。

随机激振是宽带激振方法，一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。

优点：可以实现快速甚至“实时”测试；缺点：所需设备复杂而且价格昂贵。

瞬态激振也是宽带激振方法.按照激振方式的不同又可以分为:快速正弦激振脉冲激振阶跃激振
振动的激励
脉冲激励-----力锤
脉冲锤结构与激振力频谱
振动的测试•概述
•单自由度系统的受迫振动•振动的激励
•激振器
•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准
•机械系统动参数的估计
激振器
•定义
激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。

•作用
在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力
•常用的激振器
电动式、电磁式、电液式。

电动式激振器
电动式激振器•按其磁场的形成又分为永磁式（小型激振器）和励磁式
（大型激振器）。

•注意
–由顶杆施加到试件上的激
振力不等于线圈受到的电
动力
–一般最好使顶杆通过一只
力传感器去激励试件，以
便精确测出激振力的大小
和相位。

•a) 高频激振
•b) 低频激振
•c)高频激振
注意：（绝对激振）
高频激振时应使系统固有频率低于激振频率的1/3以下；低频激振时，应使系统固有频率高于激振频率的3倍以上
车身模态分析（多输入多输出）
振动的测试•概述
•单自由度系统的受迫振动•振动的激励
•激振器
•振动测量方法和常用传感器•振动的分析方法与仪器•测振装置的校准
•机械系统动参数的估计
振动的测量方法及测振传感器振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：名称原理优缺点
电测法将被测件的振动量转化成电
量,而后用电量测试仪测量灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性范围宽。

便于分析和遥测。

易受电磁干扰。

目前应用最广。

机械法利用杠杆原理将振动量放大
后直接记录下来抗干扰能力强，频率范围、动态范围、和线形范围窄。

测试时会给试件产生一定的负载效应，影响测试结果。

主要用于低频大振幅振动及扭振的测量。

光学法利用光杠杆原理、读数显微
镜、光波干涉原理、激光多
普勒效应和光纤等进行测量不受电磁干扰，测量精度高，适用于对质量和体积小、不易安装传感器的试件作非接触测量。

在精密测量和传感器、测振仪的校准、定度中用的较多。

按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为：
接触式和非接触式
按所测的振动性质可将拾振器分为：
绝对式和相对式
拾振器
绝对式拾振器
的输出描述被测物体的绝对振动
相对式拾振器
的输出描述被测物体之间的的相对振动
使用时壳体固定在被测物体上内部利用弹簧—质量系统感受振动。

也被称为惯性拾振器使用时其壳体和测杆分别和不
同的测件联系
常用传感器•涡流位移传感器
•电容传感器
•磁电式速度计
•压电式加速度计
•阻抗头
电容传感器
非接触式电容传感器常用于位移测量中。

接触式的电容传感器常用于振动测量。

该类型信号的信号转换放大电路主要采用频率调制型（增大电路的灵敏度和可靠性）。

工作频率范围0Hz—300Hz,实现超低频测量；连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分辨率达0.1mg。

常用压电传感器1
压电式加速度计
•中心压缩型
高的共振频率，基座变
形影响输出，测试对象
和环境温度变化易引起
温度飘逸
•三角剪切型
有高的共振频率和良好
的线性，对底座变形和
温度变化有良好的隔离
作用
•环形剪切型
极小型的，高的共振频
率，最高工作温度受限
制使用时注意：
共振频率与加速度计的固定状况有关
压电加速度计的幅频特性
•加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率
压电加速度计的安装方法。