机械振动的测量方法

振动的测量方法摘要本文主要介绍了振动的测量方法与分类，并简要说明了各测量方法的原理及 优缺点，以及在测量过程中所使用的传感器。并且详细的介绍了加速度传感器与 磁电式速度传感器的工作原理。简要介绍了振动量测量系统的原理框图关键词： 加速度传感器、振动、磁电式速度传感器1引言机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机器、 仪器和设备在其运行时，由于诸如回转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的 各向异性、润滑状况的不良及间隙等原因而引起力的变化、各部件之间的碰撞和 冲击，以及由于使用、运输和外界环境条件下能量的传递、存储和释放等都会诱 发或激励机械振动。2 振动概述2.1振动测量方法分类振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。各测量方法的原理及优缺点见表 1.表1振动测量方法分类名称原理优缺点及应用电测法将被测对象的振动量转换成电量，然后用 电量测试仪器进行测量灵敏度咼，频率范围及动态、 线性范围宽，便于分析和遥 测，但易受电磁场干扰。是目 前最广泛采用的方法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，频率范围及动 态、线性范围窄、测试时会给 工件加上一定的负荷，影响测 试结果，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，激光多普勒效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度 咼，适于对质量小及不易安装 传感器的试件作非接触测量。 在精密测量和传感器、测振仪 标定中用得较多2.2 振动测试的内容：1. 振动基本参数的测量。 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位。其目的是了解被 测对象的振动状态、评定振动量级和寻找振源，以及进行监测、诊断和评估。2. 结构或部件的动态特性测量。 以某种激振力作用在被测件上，对其受迫振动进行测试，以便求得被测对象 的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测 试又可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验等。2.3 振动测量的基本原理与方法 振动检测按测量原理可分为相对式与绝对式（惯性式）两类。振动检测按测量 方法可分为接触式与非接触式两类。2.3.1 相对式振动测量相对式振动测量是将振动变换器安装在被测振动体之外的基础上，它的测头与被测振动体采用接触或非接触的测量。所以它测出的是被测振体相对于参考点 的振动量图 1 相对式测振仪的原理1 测量针与笔 2 被测物体 3 走动纸2.3.2 绝对式振动测量采用弹簧质量系统的惯性型传感器（或拾振器），把它固定在振动体上进行测量，所以测出的是被测振动体相对于大地或惯性空间的绝对运动。1、图 2 绝对式测振仪原理1 质量块 2 弹簧 3 阻尼器 4 壳体机座 5 振动体3 常用传感器3.1 常用的测振传感器测振传感器，是将振动量变换成相应电信号的装置。根据参考坐标的不同， 测振传感器分为相对式与绝对式两类。相对式测振传感器所测出的是被测物体相 对于某一参考“静止”坐标物体的振动；绝对式测振传感器所测的则是绝对量， 在振动测试中，最常用的是压电式加速度传感器和磁电式速度传感器，它们都是 惯性式测振传感器。3.1.1 压电式加速度传感器压电式加速度计是利用压电效应将与相对位移成正比的弹性力转换成电信号输出的惯性式加速度计。(iO外绿囲宦型(h)中闸固宦电 (C)倒置中间固定型加)叩切结构型.图3压电式加速度计结构S 压紧弹簧 M 质量块 P 压电片 B 基座 L 引出线2)(b)(c)图 4压电式加速度计的安装方法及幅频特性曲线3.1.2 压电式加速度计的影响因素对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。 一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权 衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。横向灵敏度:压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度 计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度 或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向， 一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的 3。因此，压电式加速度 计在测试时具有明显的方向性。3.1.3 磁电式速度计磁电式速度计是利用电磁感应原理将惯性系统中质量块与壳体的相对速度 变换成输出电压信号的一种测振传感器。磁电式速度计的工作原理：当有一线圈 在穿过其磁通发生变化时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度 成正比。图 5 磁电式相对速度传感器1 顶杆 2 弹簧片 3 磁铁 4 线圈 5 引出线 6 壳3.2 振动量的测试系统正弦测量系统：适用于按简谐振动规律的系统。对机电产品进行动态性能测 试及环境考验时，也都是用正弦测量系统测量其响应。正弦测量系统的优点在于 测量比较精确，因而也最为常用。应用正弦测量系统，除了测量振幅外，有时还要求测量振幅对于激励力的相 位差，以及观察振动波形的畸变情况。典型的正弦测量系统如图 6 所示。整披啊压*出5，aa =- - *- 11111也荷啟土老1均廿按卑压親111Pn职职舟- -嶂直电庶*IJ L琨划时电荊联丸SI图 6 测试系统框图总结随着现代工业技术的发展，对各种机械设备提出了低振动和低噪声的要求， 尽管振动的理论研究已经发展到很高的水平，但是实际所遇到的振动问题非常复 杂，结构中的许多参数，如阻尼系数、边界条件等要通过实验来确定。对于现成 的机械或结构，为改善其抗震性能，也要测量振动的强度（振级）、频谱甚至动 态响应，以了解振动的状况、寻找振源，采取合理的减振措施（如隔振、吸振、 阻振等）。因而振动的测试在生产和科研的许多方面占有重要的地位参考文献1 廖伯偷，机械故障诊断基础.北京：冶金工业出版社.1994.2 钟秉林等.机械故障诊断学.机械工业出版社.1997.3 平鹏等.机械工程测试与数据处理技术.冶金工业出版社.2001.4张雄伟.DSP集成开发与应用实例M.北京:电子工业出版社,2002.卢文祥机械工程测试信息信号分析M.武汉:华中理工大学出版社，2003.