机械振动测量分析课件

11机械振动的测量2l机械振动现象普遍。机械振动现象普遍。l机械设备运动时，都存在不同程度的振动。机械设备运动时，都存在不同程度的振动。有害：有害：大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使大多数情况，破坏机器的正常工作，降低机器、设备的使用寿命，用寿命，机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条机械振动还能直接或问接地产生噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康。件，危害人们的健康。机械振动的测量机械振动的测量振动：振动：物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用，物质运动的一种形式，当某物体受到外力作用，就会在其平衡位置周围作往复运动，这种每隔一就会在其平衡位置周围作往复运动，这种每隔一定时间的往复机械运动即振动。定时间的往复机械运动即振动。2机械振动现象普遍。机械振动的测量振动：物质运动的一种形式3有利：有利：振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行振动输送机、清洗机、脱水机等就是利用振动的原理进行工作的。工作的。机械振动的测量机械振动的测量3有利：机械振动的测量4机械振动的测量机械振动的测量l现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，设计机械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振械结构要求有高的抗振性能，要进行必要的振动分析和振动设计；动设计；l为了保证大型机电设备正常、有效的运行，必须对其振动为了保证大型机电设备正常、有效的运行，必须对其振动信息进行监测、故障诊断。信息进行监测、故障诊断。振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要4机械振动的测量现代机电产品、设备提出了低振动和低噪声要求，5机械振动的测量机械振动的测量振动给料机振动给料机水泥回转窑水泥回转窑5机械振动的测量振动给料机水泥回转窑6周期振动周期振动非周期振动非周期振动瞬态振动瞬态振动稳态振动稳态振动复杂周期振动复杂周期振动(非简谐振动非简谐振动)准周期振动准周期振动正弦周期振动正弦周期振动(简谐振动简谐振动)11 概述概述 一、振动的类型一、振动的类型1 1、按振动的规律分类、按振动的规律分类（1 1 1 1）稳态振动（确定性振动）稳态振动（确定性振动）稳态振动（确定性振动）稳态振动（确定性振动）一般分为以下几种：一般分为以下几种：6周期振动非周期振动瞬态振动稳态振动复杂周期振动(非简谐振动7随机振动随机振动非平稳随机振动非平稳随机振动平稳随机振动平稳随机振动各态历经振动各态历经振动非各态历经振动非各态历经振动11 概述概述 一、振动的类型一、振动的类型1 1、按振动的规律分类、按振动的规律分类（2 2 2 2）随机振动）随机振动）随机振动）随机振动一般分为以下几种：一般分为以下几种：7随机振动非平稳随机振动平稳随机振动各态历经振动非各态历经振8（1 1 1 1）自由振动）自由振动）自由振动）自由振动（2 2 2 2）受迫振动）受迫振动）受迫振动）受迫振动一、振动的类型一、振动的类型2 2、按振动的原因分类、按振动的原因分类3 3、按振动系统的自由度数目分类、按振动系统的自由度数目分类 （1 1 1 1）单自由度振动）单自由度振动）单自由度振动）单自由度振动 （2 2 2 2）两自由度、多自由度系统振动）两自由度、多自由度系统振动）两自由度、多自由度系统振动）两自由度、多自由度系统振动8（1）自由振动一、振动的类型2、按振动的原因分类3、按振动9一、振动的类型一、振动的类型振动的基本参数振动的基本参数 幅值、幅值、幅值、幅值、频率、相位频率、相位频率、相位频率、相位称为振动三要素。只要测定这称为振动三要素。只要测定这3 3 个个要素，也就决定了整个振动运动要素，也就决定了整个振动运动幅值：反映振动强、弱程度，可以用振动的峰值、平均幅值：反映振动强、弱程度，可以用振动的峰值、平均值、有效值来描述；值、有效值来描述；通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源；而可以寻找振源；利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件利用相位关系可确定共振点、进行振型测量以及旋转件的平衡、有源振动的控制等。的平衡、有源振动的控制等。9一、振动的类型振动的基本参数 幅值、频率、相位10一、振动的类型一、振动的类型振动的基本参数振动的基本参数 幅值、幅值、幅值、幅值、频率、相位频率、相位频率、相位频率、相位简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个量与时间关系来表征。量与时间关系来表征。10一、振动的类型振动的基本参数 幅值、频率、相11(1)(1)测量测量机械设备或结构机械设备或结构工作状态下的振动工作状态下的振动如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解如测量振动位移、速度、加速度、频率和相位等参数，了解被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊被测对象的振动状态、寻找振源，以及进行监测、分析、诊断和预测。断和预测。(2)(2)测量测量机械设备或结构机械设备或结构动态特性动态特性施加某种激励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、施加某种激励，测量其受迫振动测量固有频率、限尼、刚度、响应和模态等。响应和模态等。振动的测量方法：振动的测量方法：机械法、电测法、光测法。机械法、电测法、光测法。二、振动的测试内容及测量方法二、振动的测试内容及测量方法测试的内容包括两方面：测试的内容包括两方面：11(1)测量机械设备或结构工作状态下的振动二、振动的测试内12三、振动测试系统的构成三、振动测试系统的构成被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数字处理技术，检测出有用的信息。字处理技术，检测出有用的信息。工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的而组成测试系统的任何一个环节都有其固有的频率响应特性，整个系统的特性是由各个环节串联而成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一特性是由各个环节串联而成的。因此正确选用测试装置，对测试结果有一定的影响。定的影响。12三、振动测试系统的构成被测对象在激振力的作用下产生受迫振132 常用测振传感器常用测振传感器 测振传感器的种类很多。测振传感器的种类很多。（1 1）按测振参数）按测振参数 位移传感器、速度传感器、加速度传感器。位移传感器、速度传感器、加速度传感器。（2 2）按传感器与被测物位置关系）按传感器与被测物位置关系 接触式传感器、非接触式传感器。接触式传感器、非接触式传感器。接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式；接触式：电阻应变式、电感式、压电式、磁电式；非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。非接触式：电容式、电涡流式和光学式等。（3 3）按测试参考坐标）按测试参考坐标 相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。相对式测振传感器、绝对式（惯性式）测振传感器。132 常用测振传感器 测振传感器的种类很多。（1142 常用测振传感器常用测振传感器 相对式测振相对式测振相对式测振相对式测振 传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对传感器设置在被测物体外的静止基准上，测量振动物体相对 于基准点的相对振动。于基准点的相对振动。绝对式测振绝对式测振绝对式测振绝对式测振 传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体传感器固定在被测物体上，以大地为参考基准，测量物体相对于大地的绝对振动，相对于大地的绝对振动，因此传感器又称为惯性式测振传感器，如因此传感器又称为惯性式测振传感器，如 惯性式位移传感器、惯性式位移传感器、压电式加速度传感器等，压电式加速度传感器等，这类传感器在振动测量使用普遍。这类传感器在振动测量使用普遍。142 常用测振传感器 相对式测振152 常用测振传感器常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理x(t)x(t)为为被测物体振动位移；被测物体振动位移；y(t)y(t)为惯性质量块的振动位移；为惯性质量块的振动位移；z(t)z(t)为壳体相对惯性质量块的振动位移；为壳体相对惯性质量块的振动位移；m m为质量块质量；为质量块质量；k k 为支撑质量块的弹簧刚度；为支撑质量块的弹簧刚度；c c为阻尼系数。为阻尼系数。则惯性质量块的动力方程式可写成则惯性质量块的动力方程式可写成:力学模型力学模型152 常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理x(t)162 常用测振传感器常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理力学模型力学模型设设 162 常用测振传感器 一、绝对式测振传感器原理力学模型17一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理设设 解方程解方程 惯性系统阻尼比；惯性系统阻尼比；惯性系统的固有角频率。惯性系统的固有角频率。传感器输出的辐值和相传感器输出的辐值和相传感器输出的辐值和相传感器输出的辐值和相位角均与位角均与位角均与位角均与/n/n和和和和 有关。有关。有关。有关。17一、绝对式测振传感器原理设 解方程 惯性系统阻尼比；18一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理1 1、测振幅、测振幅当测振传感器的输出量当测振传感器的输出量z正确感受和反映的是被测体振动的正确感受和反映的是被测体振动的振幅量振幅量xm时，时，幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：18一、绝对式测振传感器原理1、测振幅当测振传感器的输出量19一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理1 1、测振幅、测振幅幅频特性：幅频特性：/n/n幅频特性曲线近似为常数，幅频特性曲线近似为常数，A()A()接近接近于于1 1，z zm mxxm m,表明传感器的输出正比于被测物体振表明传感器的输出正比于被测物体振动的位移。动的位移。一般：一般：19一、绝对式测振传感器原理1、测振幅幅频特性：/n幅频20一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理1 1、测振幅、测振幅相位差接近相位差接近180180，相频特性也接近直线。相频特性也接近直线。一般：一般：20一、绝对式测振传感器原理1、测振幅相位差接近180，相频21一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理2 2、测振动速度、测振动速度测振传感器的振动参数是速度时，有：测振传感器的振动参数是速度时，有：速度传感器的工作区域是速度传感器的工作区域是/n=1/n=1，此区域幅频特性没有平坦段。，此区域幅频特性没有平坦段。相频特性曲线也不接近直线，相频特性曲线也不接近直线，当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方当被测频率有微小变化时，将造成较大的幅值误差，所以很少用这种方法来测量振动速度。法来测量振动速度。21一、绝对式测振传感器原理2、测振动速度测振传感器的振动参22一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理3 3、测振动加速度、测振动加速度测振传感器的振动参数是加速度时，有：测振传感器的振动参数是加速度时，有：随着随着nn增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低，增大，测量上限频率得到提高，但灵敏度会降低，因此。因此。nn不宜选得太高。一般取：不宜选得太高。一般取：固有频率是被测频率的固有频率是被测频率的35 倍，倍，使传感器输出使传感器输出z z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：(1)(1)，幅频特性曲线趋于平坦，此时，幅频特性曲线趋于平坦，此时22一、绝对式测振传感器原理3、测振动加速度测振传感器的振动23一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理3 3、测振动加速度、测振动加速度测振传感器的振动参数是加速度时，有：测振传感器的振动参数是加速度时，有：使传感器输出使传感器输出z z能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：能正确反映被测振动的加速度必须满足下列条件：(2)(2)，出现共振峰值，选择恰当的阻尼比可抑制它。一般，出现共振峰值，选择恰当的阻尼比可抑制它。一般则保证幅值误差不超过则保证幅值误差不超过5%5%，此时相频特性曲线接近直线。，此时相频特性曲线接近直线。23一、绝对式测振传感器原理3、测振动加速度测振传感器的振动24一、绝对式测振传感器原理一、绝对式测振传感器原理l位移传感器的工作区域位移传感器的工作区域为以为以/n l,l,且且l l，一般，一般/n取取35 35；l速度传感器工作区域是速度传感器工作区域是/=1 1；l加速度传感器工作区域为加速度传感器工作区域为/nB1，则可忽略二次分量的影响。，则可忽略二次分量的影响。2 2、电磁式激振器、电磁式激振器电磁激振器频率上限电磁激振器频率上限500800Hz500800Hz40当直流电流I0=0时，则B0=0,一次分量消失。2、41特点：特点：激振力大，行程大。高频特性差。结构复杂。制造精度要求高，激振力大，行程大。高频特性差。结构复杂。制造精度要求高，成本高。成本高。一般只适用于较低的频率范围，为零点几赫到数百赫。一般只适用于较低的频率范围，为零点几赫到数百赫。3 3、电液式激振器、电液式激振器信号发生器的信号经过放大后，操信号发生器的信号经过放大后，操纵电液伺服阀控制油路，使活塞作纵电液伺服阀控制油路，使活塞作往复运动，输出很大的位移和激振往复运动，输出很大的位移和激振力，并以顶杆去激励被激对象。力，并以顶杆去激励被激对象。41特点：3、电液式激振器信号发生器的信号经过放大后，操纵电42激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动，激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动，振动的幅值与激振力成正比，振动的幅值与激振力成正比，加速度传感器检测振动的位移。加速度传感器检测振动的位移。依次改变激振信号频率，可绘出加速度幅频特性曲线，依次改变激振信号频率，可绘出加速度幅频特性曲线，根据加速度曲线，找出系统的固有频率。根据加速度曲线，找出系统的固有频率。4 振动系统特性测试振动系统特性测试 以双简支梁为例，以双简支梁为例，测量系统的固有频率测量系统的固有频率42激振力通过顶杆加在双简支梁上，支梁产生受迫振动，振动的幅435 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 l机械振动参数主要是指机械振动参数主要是指 固有领率、阻尼比等模态参数固有领率、阻尼比等模态参数l实际系统大多是实际系统大多是 多自由度振动系统，多自由度振动系统，具有多个固有频率，在频率响应曲线上会出现多个峰值具有多个固有频率，在频率响应曲线上会出现多个峰值l根据线性振动理论。对于多自由度线性系统，在它任何一根据线性振动理论。对于多自由度线性系统，在它任何一点的振动响应可以认为是反映系统特性的多个单自由度响点的振动响应可以认为是反映系统特性的多个单自由度响应的叠加。应的叠加。本节讨论单自由度系统：固有频率和阻尼比的测试。本节讨论单自由度系统：固有频率和阻尼比的测试。方法：方法：自由振动法、共振法自由振动法、共振法435 机械振动参数的估计 机械振动参数主要是指 44单自由度振动系统，单自由度振动系统，若给系统以初始冲击，若给系统以初始冲击，则系统将在阻尼作用则系统将在阻尼作用下作衰减自由振动，下作衰减自由振动，5 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法其表达式为其表达式为m m质量；质量；c c粘性阻尼系数粘性阻尼系数k k 弹簧的刚度系数弹簧的刚度系数设设系统的固有角频率；系统的固有角频率；系统的阻尼比；系统的阻尼比；44单自由度振动系统，若给系统以初始冲击，则系统将在阻尼作用455 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法衰减振动角频率；衰减振动角频率；阻尼比阻尼比 的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定。的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定。根据衰减振动记录曲线，周期根据衰减振动记录曲线，周期T T可通过曲线确定，可得：可通过曲线确定，可得：在系统阻尼小的时候，可以认为在系统阻尼小的时候，可以认为455 机械振动参数的估计 1、自由振动法衰减振动角465 机械振动参数的估计机械振动参数的估计 1 1、自由振动法、自由振动法阻尼比的测定，可以根据记录曲线阻尼比的测定，可以根据记录曲线的相邻峰值的衰减比来确定：的相邻峰值的衰减比来确定：Mi和和Mi+1分别为自由振动记录曲线的相邻超调量分别为自由振动记录曲线的相邻超调量。465 机械振动参数的估计 1、自由振动法阻尼比的测定，472 2、共振法、共振法单自由度系统受迫振动，单自由度系统受迫振动，当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值会急剧增大。当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值会急剧增大。对系统进行稳态正弦激振，通过改变激励频率可以得到一系列响应曲线，对系统进行稳态正弦激振，通过改变激励频率可以得到一系列响应曲线，如图如图幅频特性曲线幅频特性曲线相频特性曲线相频特性曲线472、共振法单自由度系统受迫振动，幅频特性曲线相频特性曲线482 2、共振法、共振法在小阻尼时，可以直接用共振峰对应的频率在小阻尼时，可以直接用共振峰对应的频率rr来近似地估计来近似地估计固有频率固有频率n.n.(1)(1)利用幅频曲线进行参数估计利用幅频曲线进行参数估计当对单自由度系统进行正弦扫描激励，幅值最大处的频当对单自由度系统进行正弦扫描激励，幅值最大处的频率为位移共振频率率为位移共振频率rr482、共振法在小阻尼时，可以直接用共振峰对应的频率r来近492 2、共振法、共振法(1)(1)利用幅频曲线进行参数估计利用幅频曲线进行参数估计单自由度受迫振动系统的幅频特性可以表示为单自由度受迫振动系统的幅频特性可以表示为492、共振法(1)利用幅频曲线进行参数估计单自由度受迫振502 2、共振法、共振法(1)(1)利用幅频曲线进行参数估计利用幅频曲线进行参数估计502、共振法(1)利用幅频曲线进行参数估计512 2、共振法、共振法(1)(1)利用幅频曲线进行参数估计利用幅频曲线进行参数估计处作一条水平线，交曲线处作一条水平线，交曲线a a、b b两点，它们对应的频率两点，它们对应的频率11、22，其阻尼比的估计值为其阻尼比的估计值为必须指出：这种估计方法仅适用于小阻尼系统。必须指出：这种估计方法仅适用于小阻尼系统。因此，可在幅频曲线峰值因此，可在幅频曲线峰值512、共振法(1)利用幅频曲线进行参数估计处作一条水平线522 2、共振法、共振法(2)(2)利用相频曲线进行参数估计利用相频曲线进行参数估计根据相频特性曲线得知根据相频特性曲线得知从所测得相频特性曲线，求从所测得相频特性曲线，求=n=n处的斜率，就可以直接估计阻尼比处的斜率，就可以直接估计阻尼比522、共振法(2)利用相频曲线进行参数估计根据相频特性曲