第七章机械工程测试技术振动测试课件

第七章第七章 振动测试振动测试 第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定第五节第五节 激振试验设备及振动信号简介激振试验设备及振动信号简介 第七章第七章第七章第七章 振动测试振动测试振动测试振动测试 第一节第一节 概概 述述 机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。很多机械设机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。很多机械设备和装置内部安装着各种运动的机构和零部件（都是弹性体），在运备和装置内部安装着各种运动的机构和零部件（都是弹性体），在运行时由于负载的不均匀、结构的刚度各向不等、表面质量不够理想等行时由于负载的不均匀、结构的刚度各向不等、表面质量不够理想等原因，使得工作时不可避免地存在着原因，使得工作时不可避免地存在着振动现象振动现象。在许多情况下，这种。在许多情况下，这种振动是有害的。但在某些情况下，振动也有可被利用的一面。振动是有害的。但在某些情况下，振动也有可被利用的一面。机械振动的两重性机械振动的两重性机械振动的两重性机械振动的两重性 有害的一面：有害的一面：有害的一面：有害的一面：许多设备故障的产生就是由于振动过大，产生有损机械许多设备故障的产生就是由于振动过大，产生有损机械结构的动载荷，而导致系统特性参数发生变化，严重时可能使部件产结构的动载荷，而导致系统特性参数发生变化，严重时可能使部件产生裂纹、机构强度下降或使机上设备失灵，其后果严重影响机器设备生裂纹、机构强度下降或使机上设备失灵，其后果严重影响机器设备的工作性能和寿命，甚至使机器破坏。同时，强烈的振动噪声还对人的工作性能和寿命，甚至使机器破坏。同时，强烈的振动噪声还对人的生理健康产生极大的危害。的生理健康产生极大的危害。第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 有利的一面：有利的一面：有利的一面：有利的一面：利用振动原理研制的振动机械用于运输、夯实、捣固、利用振动原理研制的振动机械用于运输、夯实、捣固、清洗、脱水、时效等方面，只要设计合理，它们有着耗能少、效率高、清洗、脱水、时效等方面，只要设计合理，它们有着耗能少、效率高、结构简单的特点。结构简单的特点。机械振动对结机械振动对结构强度的影响构强度的影响机械振动对机械振动对人体的影响人体的影响第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 振动给料机振动给料机振动按摩椅振动按摩椅振动筛选机振动筛选机第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分，它机械振动测试是现代机械振动学科的重要组成部分，它是研究和解决工程技术中许多动力学问题必不可少的手段。是研究和解决工程技术中许多动力学问题必不可少的手段。机械振动测试，用于不同目的，大致可分为两类：机械振动测试，用于不同目的，大致可分为两类：1）寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所）寻找振源，减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所存在的振动。存在的振动。2）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗）测定结构或部件的动态特性以便改进结构设计，提高抗振能力。振能力。第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 在工程振动理论中，常用理论分析计算法来解决工程振在工程振动理论中，常用理论分析计算法来解决工程振动问题。利用振动系统的质量、阻尼、刚度等物理量描述系动问题。利用振动系统的质量、阻尼、刚度等物理量描述系统的物理特性，从而构成系统的力学模型。统的物理特性，从而构成系统的力学模型。实际工程结实际工程结构振动分析构振动分析某种理想化某种理想化的力学模型的力学模型简化为简化为求出在自由振动求出在自由振动下的模态特性下的模态特性数学分析数学分析单自由单自由度系统度系统多自由多自由度系统度系统基础基础固有频率、模态质量、模态阻尼、模态刚度和模态矢量质量m、刚度k、阻尼系数c不随时间变化，线性系统。用二阶常系数微分方程描述。某些工程结构可简化为一个单自由系统。运动运动方程方程 频率响频率响应函数应函数 幅频幅频特性特性 相频相频特性特性 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析 1质量块受力所引起的受迫振动质量块受力所引起的受迫振动 图7-1 单自由度系统在质量块受力时所引起的受迫振动 2基础运动所引起的受迫振动基础运动所引起的受迫振动 设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为z0，则质量块上所，则质量块上所受的力为受的力为 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 图7-2 单自由度系统的基础激励 在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础运动引起的。在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础运动引起的。当质量块对基础发生相对运动，则质量块的相对位移为当质量块对基础发生相对运动，则质量块的相对位移为 将其代入上式，则有将其代入上式，则有 频率响应频率响应 幅频特性幅频特性 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 相频特性相频特性 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 图7-3 基础激振时，以质量块对基础的相对位移为响应时的频率响应特性a)幅频特性 b)相频特性当 时，质量块几乎跟随着基础一起振动，两者相对运动极小。当 时，质量块和壳体之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近乎相等。这表明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。该现象被广泛应用于测振仪器中。就高频和低频两频率区域而言，系统的响应特性类似于“高通”滤波器，但在共振频率附近的频率区域，则根本不同于“高通”滤波器，输出位移对频率、阻尼的变化都十分敏感。特性分析：1）在使用时，一般取 ，即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率。此时其幅值 ，不产生畸变，。第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 2）选择适当阻尼，可抑制 处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。例如，当取 时，若允许误差为2，下限频率可为 ；若允许误差为5，下限频率则可扩展到 。增大阻尼，能迅速衰减固有振动，对测量冲击和瞬态过程较为重要，但不适当地选择阻尼会使相频特性恶化，引起波形失真。当 时，相频曲线在 附近接近直线，称为最佳阻尼。3）该种传感器测量上限频率在理论上是无限的，但在实际应用中则要受到具体仪器结构和元器件的限制，因此上限不能太高，下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使 不能过小。因此该种传感器的频率范围是有限的。幅频曲线上幅值比最大处的频率称为幅频曲线上幅值比最大处的频率称为位移共振频率位移共振频率。令 ，得第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 位移共振频率位移共振频率 速度共振频率速度共振频率 加速度共振频率加速度共振频率 位移传感器的工作范围 速度传感器的工作范围加速度传感器的工作范围 二、单自由度振动系统受迫振动小结二、单自由度振动系统受迫振动小结 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 在测试工作中，经常遇到实际的工程问题，往往可简化成弹簧-阻尼-质量块构成的单自由度振动模型系统来描述。在不同的场合下，输入量、输出量不同，其频率响应函数及幅频、相频特性也不相同。第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 第二节第二节第二节第二节 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器 测振传感器的测振传感器的分类分类：按是否与被测件接触：按是否与被测件接触：接触式接触式和和非接触式非接触式。接触式接触式传感器：磁电式速度传感器、压电式加速度计传感器：磁电式速度传感器、压电式加速度计非接触式非接触式传感器：而电容传感器、涡流传感器传感器：而电容传感器、涡流传感器按所测的振动性质：按所测的振动性质：绝对式绝对式和和相对式相对式。绝对式绝对式传感器：测振时，其壳体和被测物固接，壳体的振动视传感器：测振时，其壳体和被测物固接，壳体的振动视等于被测物的振动，也即传感器的输入，其力学模型如图等于被测物的振动，也即传感器的输入，其力学模型如图7-4所所示。壳体对传感器内的质量块的相对运动量用来描述被测物体示。壳体对传感器内的质量块的相对运动量用来描述被测物体的绝对振动量并作为力学模型的输出，供有关的机的绝对振动量并作为力学模型的输出，供有关的机电转换元电转换元件转换成电量，成为传感器的输出。件转换成电量，成为传感器的输出。相对式相对式传感器：其壳体和测量体分别与不同被测件联系，其输传感器：其壳体和测量体分别与不同被测件联系，其输出是描述此两试件间的相对振动。出是描述此两试件间的相对振动。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 惯性式传感器的力学模型惯性式传感器的力学模型 对于测振传感器的对于测振传感器的要求要求：1）有较高的灵敏度；）有较高的灵敏度；2）在测量的频率范围内有平坦的幅频特性曲线以及与频率成）在测量的频率范围内有平坦的幅频特性曲线以及与频率成线性关系的相频特性曲线；线性关系的相频特性曲线；3）传感器的质量小。）传感器的质量小。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-4 惯性式传感器的力学模型固定在被测对象上的惯性式传感器将作为附加质量使整个系统的振动特性发生变化，这些变化可近似地用下列两式表示 只有当 时，的影响才可忽略。在对轻小结构测振或作模态实验时，由于 占 的相当比例，需要对附加质量加以特别考虑。振动的位移、速度、加速度之间保持简单的微积分关系，所以在许多测振仪器中往往带有简单的微积分网络，根据需要可作位移、速度、加速度之间的切换。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 一、涡流位移传感器一、涡流位移传感器 特点：线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触测量等。应用：汽轮机组、空气压缩机组等回转轴系的振动监测、故障诊断等。1壳体 2框架3线圈 4保护套5添料 6螺母7电缆 涡流传感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平线圈组成。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-5 涡流式位移传感器二、电容传感器二、电容传感器 非接触式非接触式电容传感器常用于位移测量中，其测量内容与涡流位电容传感器常用于位移测量中，其测量内容与涡流位移传感器相近。移传感器相近。接触式接触式电容传感器常用于振动测量。电容传感器常用于振动测量。K-BeamK-Beam电容式加速度计电容式加速度计 由硅敏感元件、模拟专用集成电路（由硅敏感元件、模拟专用集成电路（ASICASIC）、调节器、放大器，）、调节器、放大器，滤波器，供电系统，信号调节电路及外壳、插头电缆等组成。滤波器，供电系统，信号调节电路及外壳、插头电缆等组成。硅敏感元件与上，下极板构成两个电容器，传感器内部封装的硅敏感元件与上，下极板构成两个电容器，传感器内部封装的气体（氮气）起阻尼作用。质量气体（氮气）起阻尼作用。质量-弹簧系统对振动的响应取决于弹簧系统对振动的响应取决于它相对两个电极的位置。测量信号经解调后，输出对应正比于它相对两个电极的位置。测量信号经解调后，输出对应正比于加速度的电压信号。加速度的电压信号。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-6 电容传感器外观图电容传感器工作原理电容传感器工作原理 这种电容加速度传感器量程至这种电容加速度传感器量程至50g，其频响范围，其频响范围0300Hz(50)，属于真正的，属于真正的DC响应。传感器重量轻（小于响应。传感器重量轻（小于8.0g）并与地绝缘。）并与地绝缘。连接方式为螺栓或粘接。其性能为低噪声，分辨率达连接方式为螺栓或粘接。其性能为低噪声，分辨率达0.1mg。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-7 电容传感器工作原理图电容传感器输出信号示意图电容传感器输出信号示意图 第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-8 电容传感器输出信号示意图三、磁电式速度计三、磁电式速度计 传感器由固定部分、可动部分以及三组拱形弹簧片组成。三组拱形弹簧片的安装方向是一致的。在振动测量时，必须先将顶杆压在被测物体上，并且应注意满足传感器的跟随条件。Mm；Kk 图7-9 磁电式相对速度计1顶杆 2、5弹簧片 3磁铁4线圈 6引出线 7壳体 感应电动势感应电动势 第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 该传感器是基于电磁感应原理，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。优点：优点：结构简单、使用方便、输出阻抗低、从外部引入的电噪声很小，输出信号较大，灵敏度大，适于低频信号。缺点：缺点：体积大、笨重、不能测量高频信号。四、压电加速度计四、压电加速度计 1压电加速度计的结构设计压电加速度计的结构设计 图7-10 压电式加速度计a）中心安装压缩型 b）环形剪切型 c）三角剪切型 S弹簧M质量块B基座压电式加速度计由绝对加速度输入，到压电片的电荷输出，实际上经过二次转换。首先将加速度输入转换成质量对壳体的相对位移。其次将与相对位移成正比的弹簧力转换成电荷输出。P压电元件R夹持环 第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 常用的压电式加速度计的结构形式如图1。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图7-10(a)是中央安装压缩型中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图7-10(b)为环形剪切型环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率和加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高温度受到限制。图7-10(c)为三角剪切型三角剪切型，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 2压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度 电荷灵敏度电荷灵敏度 电压灵敏度电压灵敏度 电荷灵敏度与电压灵敏度电荷灵敏度与电压灵敏度的关系：的关系：第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-11 加速度传感器工作原理示意图及等效电路a）工作原理示意图 b）等效电路图 3压电加速度传感器的频率特性压电加速度传感器的频率特性 加速度传感器的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率n。一般小阻尼（0.1）的加速度传感器，上限频率若取为共振频率n的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12）；若取为共振频率n的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB(即6)，相移小于3。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-12 压电加速度传感器的频率特性4加速度传感器的安装方法加速度传感器的安装方法 a)a)钢螺栓固定钢螺栓固定b)b)绝缘螺栓和绝缘螺栓和云母垫片固定云母垫片固定c)c)薄蜡粘贴固定薄蜡粘贴固定d)d)手持探针手持探针e)e)专用永久磁铁固定专用永久磁铁固定f)f)硬性粘接螺栓固定硬性粘接螺栓固定g)g)粘接剂固定粘接剂固定 第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 图7-13 固定加速度传感器的方法5压电加速度传感器的前置放大器压电加速度传感器的前置放大器 压电加速度传感器所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把电荷泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。前置放大器电压放大器 电荷放大器 电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元器件，输入阻抗更高，但价格也比较昂贵。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 五、阻抗头五、阻抗头 图7-14 阻抗头1、4压电片 2激振平台3橡胶 5质量块6钛质壳体 阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器,另一部分是加速度传感器，其作用是在力传递点同时测量激振力和该点的运动响应。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材料试样的测量。无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。六、现代振动测量与振动传感器的发展六、现代振动测量与振动传感器的发展1、压电加速度计压电加速度计 压电加速度计是应用最广泛的振动测量传感器。近年来在压电材料、结构和性能上均有很大的改善。近年来培植的人工晶体应用于加速度计，使其性能得到大幅度提高。近年来惯性加速度计在结构设计上也有很大的改进。随着微电子技术的发展，传感器中嵌入阻抗转换电路，得到电压输出，简化了后续设备；嵌入存储有传感器的序列号、灵敏度等信息的数字芯片，与相应的测量仪器连接，仪器开机后可自动读入这些信息。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 3232近年来惯性加速度计在结构设计上有很大的改进。如图所示。图7-16 新型的三轴传感器中心部分结构图。图7-15 剪切设计的加速度计机构1-阻抗变换器 2-质量块 3-敏感元件 4-底座 5-外壳第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 3333图7-17 新兴三轴传感器X、Y、Z三个方向的主振型图。图7-18 新型三轴传感器照片。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 34342、激光多普勒振动测量系统激光多普勒振动测量系统 利用激光多普勒效应不仅能测量固体的振动速度，还可以测量流体的流动速度激光多普勒速度计有单点测量型和扫描型两种。激光多普勒效应是当波源向着接收器之间传递的波将发生变化，波长缩短，频率升高；反之，当波源背接收器移动时，波源和接收器之间传递的波长变长，频率会降低。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 3535图7-19 单点激光多普勒速度计图7-20 扫描型激光多普勒测速计。第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 3636 使用激光多普勒测速计实现汽车车身多点振动测量或模态试验。图7-21 车身和车轮的多点振动测量与模态试验第三节第三节第三节第三节 振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器振动测量传感器 第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 一、振动测量系统的组成一、振动测量系统的组成 机械结构的振动测量主要是指测定振动体（或振动体上某一点）的位移、速度、加速度大小以及振动频率、周期、相位、振型、频谱等。在工程实践中有时还要通过试验来测定振动系统的动态特性参数，如固有频率、阻尼、动刚度、动质量等。振动测量广泛采用电测法。测量时，用传感器将被测振动量转换成电量，而后再通过对电量的处理获取对应的振动量。振动测量系统就是按这个原理，针对不同的测量类型组成的。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 这类测试主要发生在两种情况之下。第一种情况是系统在一定的初始条件下发生自由振动，此时只要测得其自由振动的时间历程即可求出系统的动态特性；第二种情况是系统在自然激励（例如环境激励或工作激励）作用下发生强迫振动，系统的输入一般难以测量或不可测量，此时主要通过测出系统的输出，求出其相关函数或功率谱密度函数来确定系统的动态特性或找出引起振动的原因。2同时测量输入和输出同时测量输入和输出 这类测试是典型的实验室方法，被测系统通常在人为激励（例如脉冲锤击激励）作用下发生强迫振动，同时测出系统的输入和输出，求取系统的动态特性。1仅测量系统的输出（响应）仅测量系统的输出（响应）第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 根据测试的对象和任务不同，一般可将其分为两种类型：图7-22 最简单的振动测量系统 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-22所示系统是一种最简单的振动测试系统，它用于第一类测试。加速度计将被测的机械振动量转换成电量，从振动计上可以直接读出振动量的位移、速度和加速度的量值，用于现场测量很方便。图7-24 加滤波器的测量系统 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-23 测量记录系统 图7-23所示系统能把现场的振动信号记录下来，供分析时反复使用。若配上适当的滤波器组成图7-24所示系统，不仅在现场读出振动的量级，还可以对振动信号作频率分析。图7-25 频响函数测量系统 图7-25所示为频响函数测量系统。系统中若采用低阻加速度计则不用电荷放大器，而使用前置放大器（即电压放大器）。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 二、测试系统的标定二、测试系统的标定 为了保证振动测试与试验结果的可靠性与精确度，国家建立为了保证振动测试与试验结果的可靠性与精确度，国家建立了了振动的计量标准振动的计量标准和和测振传感器的检定标准测振传感器的检定标准并设有标准测振装并设有标准测振装置和仪器作为量值传递基准。置和仪器作为量值传递基准。对于新生产的测振传感器都需要对其灵敏度、频率响应、对于新生产的测振传感器都需要对其灵敏度、频率响应、线性度等进行校准；以保证测量数据的可靠性。线性度等进行校准；以保证测量数据的可靠性。由于测振传感器使用一段时间后，其某些电气、机械性能及由于测振传感器使用一段时间后，其某些电气、机械性能及灵敏度都可能发生变化，所以测试仪器必须定期按它的技术指灵敏度都可能发生变化，所以测试仪器必须定期按它的技术指标进行全面严格的标定和校准；标进行全面严格的标定和校准；使用中还经常碰到各类型的拾振器和放大器、记录设备配使用中还经常碰到各类型的拾振器和放大器、记录设备配套问题，进行重大测试工作之前常常需要作现场校准或某些套问题，进行重大测试工作之前常常需要作现场校准或某些特性校准。特性校准。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 标定的过程一般分为三级精度：标定的过程一般分为三级精度：国家计量院进行的标定是国家计量院进行的标定是一级精度一级精度的标准传递。在此处标的标准传递。在此处标定出的传感器叫标准传感器，它具有定出的传感器叫标准传感器，它具有二级精度二级精度。用标准传感器。用标准传感器可以对出厂的传感器和其他方式使用的传感器进行标定，得到可以对出厂的传感器和其他方式使用的传感器进行标定，得到的传感器具有的传感器具有三级精度三级精度，也就是我们在试验现场所用的传感器。，也就是我们在试验现场所用的传感器。传感器进行标定时，应有一个对传感器产生激振信号，并传感器进行标定时，应有一个对传感器产生激振信号，并知其振源输出大小的标准激振设备（振动台和激振器）。知其振源输出大小的标准激振设备（振动台和激振器）。激振器激振器可安装在被测物体上直接产生一个激振力作用于被可安装在被测物体上直接产生一个激振力作用于被测物上。测物上。振动台振动台则是把被测物装在振动平台上，振动台产生一个变则是把被测物装在振动平台上，振动台产生一个变化的位移而对被测物体施加激振。化的位移而对被测物体施加激振。激振设备可以产生振幅和频率可调的振动，是测振传感器激振设备可以产生振幅和频率可调的振动，是测振传感器校准不可缺少的工具。校准不可缺少的工具。常用的灵敏度标定方法有：绝对法、相对法和校准器法。常用的灵敏度标定方法有：绝对法、相对法和校准器法。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 1绝对法绝对法 将被标定的传感器固定在标定振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被标定的传感器的输出比较，以确定被标定传感器的灵敏度。这一般是由国家计量院实行一级标定所用的方法，用来标定二级精度的标准传感器。在进行频率响应测试时，使信号发生器作慢速的频率扫描，同时用反馈电路使振动台的振动速度或加速度幅值保持不变，并测量传感器的输出，便可给出被校速度或加速度传感器的频响曲线。其原理如图所示，正弦信号发生器的输出，一路经功率放大后去推动振动台，另一路送频率测量仪作频率测量的参考信号，被校准的压电加速度计的输出经电荷放大器后用高精确度数字电压表读出。干涉仪的工作台台体移动/2（常用的氦-氖激光波长=0.6328m），光程差变化一个波长，干涉条纹移动一条。所以根据移动条纹的计数可以测出台面振幅。再根据实测的频率可以算出传感器所经受的速度或加速度。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-26 利用振动台和激光干涉仪的绝对校准法 1电源 2光电倍增管 3放大器 4频率测量仪5参考反射镜 6参考光束 7测量光束 8分束器9氦氖激光器 10电压表 11电荷放大器 12拾振器13振动台 14测量反射镜 15功率放大器 16正弦信号发生器 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 2相对法相对法 将待标定的传感器和经过国家计量等部门严格标定过的标准传感器背靠背地（或仔细地并排地）安装在振动台上承受相同的振动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频率点被校准传感器的灵敏度。这时，标准的传感器起着传递“振动标准”的作用。通常称为参考传感器。被校准传感被校准传感器的灵敏度器的灵敏度 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-27 用相对法标定加速度计 第五节第五节 激振试验设备及振动信号简介激振试验设备及振动信号简介 激振设备在振动测试系统中的激振设备在振动测试系统中的作用作用是对被测系统（试件）是对被测系统（试件）施加某种预定要求的激振力，以激起被测系统（试件）的振动。施加某种预定要求的激振力，以激起被测系统（试件）的振动。一般一般要求要求激振设备应当能够在所要求的频率范围内提供波形良激振设备应当能够在所要求的频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定的交变力，在某些情况下还需施加稳定力。好、幅值足够和稳定的交变力，在某些情况下还需施加稳定力。稳定力能使结构受到一定的预加载荷，以便消除间隙或模拟某稳定力能使结构受到一定的预加载荷，以便消除间隙或模拟某种稳定力。常用的激振设备是种稳定力。常用的激振设备是振动台振动台、激振器激振器和和力锤力锤。一、振动台一、振动台 机械式振动台机械式振动台 电磁式振动台电磁式振动台 电电-液伺服振动台液伺服振动台 振动台振动台第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-28 电-液伺服振动台a)原理图 b)阀芯向上移动 c)阀芯向下移动电电-液伺液伺服振动台服振动台第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 电液伺服振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面往复运动的一种设备。工作时，电液伺服振动台的阀控液压缸系统带着质量负载，其原理如图7-28。二、激振器二、激振器 激振器激振器 电动式激振器电动式激振器电磁式激振器电磁式激振器 永磁式激振器永磁式激振器多用于小型激振器，多用于小型激振器，励磁式激振器励磁式激振器多用于较大多用于较大型的激振器，也即激振台中。型的激振器，也即激振台中。永磁式激振器永磁式激振器励磁式激振器励磁式激振器 电动式激振器电动式激振器的结构如图的结构如图7-29所示。驱动线圈所示。驱动线圈6固装在顶杆固装在顶杆12上，由支承弹簧上，由支承弹簧11支承在壳体支承在壳体8中，线圈中，线圈6正好位于磁极板正好位于磁极板7与铁心与铁心9的气隙中，线圈的气隙中，线圈6通入经功率放大后的交变电流时，根通入经功率放大后的交变电流时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的电动据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到试件上便是所需的激振力。力的作用，此力通过顶杆传到试件上便是所需的激振力。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 1保护罩 2连接杆 3螺母 4连接骨架 5上罩 6线圈 7磁极板 8壳体 9铁心10磁钢11支承弹簧12顶杆13底脚14下罩15手柄 电动式激振器的结构电动式激振器的结构 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-29 电动式激振器 激振器安装方法激振器安装方法 1激振器激振器2试件试件3弹簧弹簧 图7-30 绝对激振时激振器的安装a)垂直悬挂式 b)水平悬挂式 c)刚性安装 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 电动式激振器主要用于使试验对象产生绝对振动（以大地为参考坐标），因而激振时应使激振器壳体在空中保持静止，使激振器产生的能量尽量用于试验对象的振动。图7-30所示的安装方法能满足这一要求。三、力锤三、力锤 1锤头垫锤头垫2力传感器力传感器3锤体锤体4配重配重 脉冲激振是指在极短的时间内对被测对象施加一作用力使其产脉冲激振是指在极短的时间内对被测对象施加一作用力使其产生振动的激振方式。工程测试中常用力锤敲击被测对象实现脉生振动的激振方式。工程测试中常用力锤敲击被测对象实现脉冲激振。力锤是一种产生冲激振。力锤是一种产生瞬态激励力瞬态激励力的激振器，它也是目前试的激振器，它也是目前试验模态分析中经常采用的一种激励设备。验模态分析中经常采用的一种激励设备。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 图7-31 力锤 敲击激振力及其频谱敲击激振力及其频谱 图7-32 敲击激振力及其频谱a)激振力 b)激振力频谱 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 它对被测对象的作用力的变化近似半正弦波，激振力的频谱在一定频率范围内接近平直谱。锤击激振力频谱与锤头质量、材料的关系锤击激振力频谱与锤头质量、材料的关系 序号序号型型 号号锤头质量锤头质量kg额率范围额率范围kHz备备 注注19722A5000.18.2Kistler振动传感器振动传感器29722A20000.19.3Kisfier振动传感器振动传感器39724A20000.256.6Kistler振动传感器振动传感器49724A50000.256.9Kistler振动传感器振动传感器59726A50000.55.0Kistler振动传感器振动传感器69726A200000.55.4Kistler振动传感器振动传感器79728A200001.51Kistler振动传感器振动传感器 激振力的大小及有效频率范围取决于脉冲锤的质量及敲击时接触时间的长短。锤头质量增加，激励频宽降低；锤头垫越硬则敲击时接触的时间越短，激振力越大，有效作用频带越宽。反之，锤头越软，敲击接触时间越长，激振力越小，有效作用频带越窄。常用的锤头垫材料有：钢、黄铜、铝合金、橡胶等。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 由于线性简谐振动系统的频响函数与传递函数是等同的，它反映了振动系统的固有动态特性，与激振和响应的大小无关，无论激振力和响应是简谐的、复杂周期性的、瞬态的或者是随机的，所求得的传递函数都应该是一样的。但是对于动态特性不同的测试对象，采用不同的激励信号，测试结果的优劣则有区别。因此，通过实验方法获得频率响应函数的激励信号进行测量的方法很多，按照不同的激振方法可分为稳态正弦激振法、自动正弦扫描激励、瞬态激振法和随机激励。四、模态分析中的几种激励信号介绍四、模态分析中的几种激励信号介绍 第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 1稳态正弦激励稳态正弦激励 稳态正弦激励是一种测量频率响应函数的经典方法。在选定的频率范围内，从最低频到最高频选定足够数目的离散频率值，每次用单一频率信号激励被测系统，经适当延时，测出该激励下的稳定响应后，再转到下一个频率点进行同样的测量，直到在所有预先设定的离散频率点上都测量完毕。力信号力信号稳定响应信号稳定响应信号频率响应函数频率响应函数第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 2自动正弦扫描激励自动正弦扫描激励 用自动控制的方法使激励信号的频率缓慢而连续地变化，从低到高扫过所关心的频率范围。在测量前需作预扫描，以便确定能获得稳定响应的扫描速度。如果以某一速度进行由低频到高频和由高频到低频扫描所得到的曲线相同，那么这个速度就是合适的速度。3瞬态激励瞬态激励 用力锤敲击结构来提供激励，每次敲击都可以看作一次瞬态激励。对一线性系统，如果用任一瞬态函数激励，只要它的傅里叶变换在感兴趣的频带内均有值，则可以用它的傅里叶变换求取频率响应函数。根据一次瞬态激励及其响应来确定频率响应函数必然会有较大的误差。只要有可能，应采用多次激励，用平均的办法来消除误差。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定 4随机激励随机激励 运用随机信号激励有两大优点，其一是它比瞬态激励更易于控制；其二是应用功率谱的总体平均可以消除噪声和结构动特性中的非线性影响。在随机激励的模态试验中，对激励和响应信号的自相关和互相关函数进行傅里叶变换，求得激励和响应信号的自功率谱密度和互功率谱密度函数，然后由这些谱密度函数数据求得频率响应函数。第四节第四节第四节第四节 振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定振动测量系统及其标定