振动测试系统[业界荟萃]

物体经过它物体经过它的的平衡位置平衡位置所作的往复所作的往复运动运动或某一或某一物理量在其物理量在其平衡值附近平衡值附近的来回变动。的来回变动。1行业知识振动测试包括：振动测试包括： 获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、获得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、相位和模态等。阻尼、相位和模态等。 测量工作机械或结构在测量工作机械或结构在工作状态下存在的振动工作状态下存在的振动，如振动的位移、速度、加速度、频率和相位等。如振动的位移、速度、加速度、频率和相位等。（1 1）了解被测对象的振动状态）了解被测对象的振动状态（2 2）评定等级）评定等级（3 3）寻找振源）寻找振源（4 4）进行监测、分析、诊断和预测）进行监测、分析、诊断和预测 对机械设备或结构上加对机械设备或结构上加某种激励某种激励，测量其受迫振动。，测量其受迫振动。2行业知识振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼振动系统力学模型三要素：质量、弹性和阻尼振动三要素（信号三要素）振动三要素（信号三要素） 幅值、频率、相位幅值、频率、相位 幅值幅值：振动：振动强度大小强度大小的标志。表示方法：单峰的标志。表示方法：单峰值、有效值、平均值等。值、有效值、平均值等。 频率频率：周期的倒数。通过：周期的倒数。通过频谱分析频谱分析可以确定主可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施。采取措施。 相位：相位：振动信号的相位信息十分重要。振动信号的相位信息十分重要。4.1 4.1 振动的基础知识振动的基础知识3行业知识4.2 4.2 测振传感器测振传感器4.2.1 4.2.1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器中心安装压缩型中心安装压缩型环形剪切型环形剪切型三角剪切型三角剪切型（机座）（机座）（压电片）（压电片）（弹簧）（弹簧）（质量快）（质量快）4行业知识 压电式加速度传压电式加速度传感器属于惯性式（绝感器属于惯性式（绝对式）测振传感器，对式）测振传感器，可简化为右图所示的可简化为右图所示的力学模型。力学模型。01x0 x1x1 1、惯性式传感器的力学模型、惯性式传感器的力学模型5行业知识01x0 x1xp 传感器输入：传感器输入：被测振动件的振动位移为被测振动件的振动位移为x x1 1p 传感器输出：传感器输出：质量块相对于壳体的相对位质量块相对于壳体的相对位移为移为x x0101 假设假设: 质量块的力学表达式为质量块的力学表达式为: 00101202kxdtdxcdtxdm1010 xxx0.01.01m)(xxCkx?(X0为绝对位移为绝对位移)6行业知识0)(010121012kxdtdxcdtxxdm21201012012dtxdmkxdtdxcdtxdm)()()()(120101012sXmsskXscsXsXms7行业知识kcsmsmssXsXsH22101)()()(kjcmmH22)(js mknkmc2nnjH2)(22)()()()(120101012sXmsskXscsXsXms8行业知识nnnjH2)(1)()(2222222)(1 )()(nnnA2)(12arctan)(nn9行业知识2 2、惯性式、惯性式位移位移传感器的正确响应条件传感器的正确响应条件（1 1） ，一般取，一般取 ，即传感器惯性，即传感器惯性系统的系统的固有频率固有频率远低于远低于被测振动被测振动下限频率下限频率，此时，此时 ， 接近于一条水平直线，不产生振接近于一条水平直线，不产生振幅畸变。幅畸变。 1/n5)3(/n)(A（2 2）选择适当阻尼，可）选择适当阻尼，可抑制抑制 处的处的共振峰共振峰，使幅频特性平坦部分，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限频率，最佳阻扩展，从而扩大下限频率，最佳阻尼尼1/n7 . 06 . 01)(xA10行业知识3 3、惯性式、惯性式加速度加速度传感器的正确响应条件传感器的正确响应条件 惯性式加速度传感器质量块的惯性式加速度传感器质量块的相对位移相对位移与被与被测振动的测振动的加速度加速度成成正比正比，因而可用质量块的，因而可用质量块的位移位移量量来反映被测振动加速度的大小。加速度传感器来反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特性为：幅频特性为：2222210121201)/(2)/(1 1)(nnnaXXdtxdXA11行业知识(2)(2)选择适当阻尼，可该善选择适当阻尼，可该善 的共振峰处的幅频特性，以的共振峰处的幅频特性，以扩扩大测量上限频率大测量上限频率，一般取，一般取n1(1) (1) ，一般取，一般取 ，即即 ，此时，此时， 接近于一条水平直线。接近于一条水平直线。 1/n)5131(/n)(A)53(n惯性式加速度传感器的正确响应条件惯性式加速度传感器的正确响应条件: 零频特性零频特性 高频高频测量：冲击、测量：冲击、瞬态、随机振动瞬态、随机振动低频低频测量：地震测量：地震（ 很大）很大）n12行业知识压电式加速度传感器的幅频特性曲线压电式加速度传感器的幅频特性曲线压电式加速度传感器的固定方法压电式加速度传感器的固定方法共振频率共振频率2KHz共振频率共振频率7KHz共振频率共振频率31KHz13行业知识4 4、惯性式、惯性式速度速度传感器的正确响应条件传感器的正确响应条件 惯性式速度传感器质量块的惯性式速度传感器质量块的相对位移相对位移与被测振与被测振动的速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映动的速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性为：被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性为：2222101101)/(2)/(1 )(nnnvXXdtdxXA14行业知识 要使惯性式速度传感器的输出量能正确地要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反映被测振动的速度，则必须满足如下条件：反映被测振动的速度，则必须满足如下条件：1/n 由于惯性式速度传感器的有用频率范围十由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分小，因此，在工程实践中很少使用。分小，因此，在工程实践中很少使用。15行业知识4.2.3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器工作原理工作原理电磁感应原理电磁感应原理 （1 1）磁电式相对速度传感器）磁电式相对速度传感器16行业知识测杆的跟随条件测杆的跟随条件弹簧的预压缩量：弹簧的预压缩量：mnmnmxffxxxkmx222)()(即： 相对式传感器只能在一定的相对式传感器只能在一定的频率和振幅频率和振幅范围内工作。范围内工作。 17行业知识4.2.4 4.2.4 涡流式位移传感器涡流式位移传感器 工作原理工作原理属于非接触式传感器属于非接触式传感器 利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。 传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载传感器以通有高频交流电流的线圈为主要测量元件。当载流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间流线圈靠近被测导体试件的表面时，穿过导体的磁通量随时间变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过变化，在导体表面感应出电涡流。电涡流产生的磁通量又穿过线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当被测位移量发线圈，由此引起线圈自感或线圈阻抗的变化。当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。抗的变化，通过测量电路转化为电压输出。 18行业知识p 特点特点 结构简单结构简单 线性度好线性度好 灵敏度高灵敏度高 频率范围宽（频率范围宽（010kHz010kHz） 抗干扰能力强抗干扰能力强 不受油污等介质影响不受油污等介质影响 非接触测量非接触测量 测量静态位移测量静态位移 测量汽轮机、压缩测量汽轮机、压缩机、电机等旋转轴机、电机等旋转轴系的振动、轴向位系的振动、轴向位移、转速等移、转速等 工况监测与故障诊工况监测与故障诊断中应用甚广。断中应用甚广。 p 应用应用19行业知识4.3 4.3 振动测试系统振动测试系统4.3.1 4.3.1 振动测试基本方法振动测试基本方法1 1、振幅的测量、振幅的测量 机械振动测量中，有时不需要测量振动信号的机械振动测量中，有时不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值幅值，即，即振动位移、速度和加速度信号的有效值振动位移、速度和加速度信号的有效值，有时也包，有时也包括峰值的测量。括峰值的测量。 机械工程中最常采用机械工程中最常采用压电式加速度计压电式加速度计和和磁电磁电式速度计式速度计作为测振传感器来测量机械振动。作为测振传感器来测量机械振动。 20行业知识21行业知识2 2、振动频率和相位的测量、振动频率和相位的测量(1)(1)简谐振动频率的测量简谐振动频率的测量 简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、简谐振动频率的测量方法有李萨如图形比较法、直读法、直读法、频谱分析法频谱分析法等。等。 频谱分析法：频谱分析法： 用快速傅里叶变换（用快速傅里叶变换（FFTFFT）的方法，将振动的）的方法，将振动的时域信号时域信号变换变换为为频域中的频谱频域中的频谱，从而从频谱的谱线测得振动频率。，从而从频谱的谱线测得振动频率。 (2)(2)同频简谐振动相位差的测量同频简谐振动相位差的测量 线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、线性扫描法、椭圆法、相位计直接测量法、频谱频谱分析法分析法等等 22行业知识3 3、机械系统固有频率的测量、机械系统固有频率的测量 固有频率固有频率共振频率共振频率 机械系统作机械系统作自由振动时自由振动时的振动频率的振动频率( (也称自然也称自然频率），与系统的初始条件无关，与系统本身的频率），与系统的初始条件无关，与系统本身的质量质量( (或转动惯量或转动惯量) )、刚度刚度有关。有关。 在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达在系统作受迫激励振动过程中，当激振频率达到某一特定值时，振动量的振幅值达到极大值的现到某一特定值时，振动量的振幅值达到极大值的现象称为共振。共振时的激励频率就称为共振频率。象称为共振。共振时的激励频率就称为共振频率。 mkn/23行业知识加速度共振频率加速度共振频率速度共振频率速度共振频率位移共振频率位移共振频率221nanv221nr 注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，注意：在有阻尼的情况下，只有速度共振时，测得的速度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。测得的速度共振频率才是系统的无阻尼固有频率。固有频率的测量方法：共振频率法、敲击法固有频率的测量方法：共振频率法、敲击法24行业知识4 4、相对阻尼系数的测定、相对阻尼系数的测定 通常，可用通常，可用自由振动衰减法，半功率点法自由振动衰减法，半功率点法和和共共振法振法进行测定。进行测定。（1 1）自由振动衰减法）自由振动衰减法（有阻尼的单自由度系统自由振动）（有阻尼的单自由度系统自由振动）25行业知识23112lnAA对数衰减比：对数衰减比：2当当 较小时：较小时：21dn2122nddT又因为：又因为：所以：所以：(p124)(p124)26行业知识（2 2）半功率点法）半功率点法n21221见书见书p262127行业知识4.3.2 4.3.2 测振系统的定度和校准测振系统的定度和校准（1 1）绝对校准法）绝对校准法 绝对校准法是将被校准的传感器置于绝对校准法是将被校准的传感器置于精密的振精密的振动台上动台上承受振动，通过承受振动，通过直接测量振动直接测量振动的振幅、频率的振幅、频率和传感器的输出电量来确定传感器的特性参数。和传感器的输出电量来确定传感器的特性参数。 绝对校绝对校准法准法振动校准法振动校准法互易法互易法激光干涉校准法激光干涉校准法重力加速度法重力加速度法共振梁法共振梁法28行业知识（2 2）比较校准法）比较校准法 比较校准法，是将被校准的传感器比较校准法，是将被校准的传感器与标准传感与标准传感器相比较器相比较。校准时，将被校准传感器和标准传感器。校准时，将被校准传感器和标准传感器一起安装在标准振动台上，使它们一起安装在标准振动台上，使它们承受相同的振动承受相同的振动，然后，精确地测定它们的输出电量，被校传感器的然后，精确地测定它们的输出电量，被校传感器的灵敏度由下式计算得到：灵敏度由下式计算得到：00)/(aaaSeeS 29行业知识“背靠背背靠背”安装法安装法30行业知识4.3.34.3.3测试方案制定和测试系统的选择测试方案制定和测试系统的选择（1 1）测试方案的制定）测试方案的制定 所要研究、解决问题的性质与要求；所要研究、解决问题的性质与要求； 所测对象的情况所测对象的情况( (如尺寸、质量和频率等如尺寸、质量和频率等) )，试件或，试件或激振器的安装方式激振器的安装方式( (弹性支承或刚性固紧弹性支承或刚性固紧) )，夹具和激振推，夹具和激振推力杆的传递恃性等；力杆的传递恃性等； 测量要求，振动类型、频率范围、振级和环境条件，测量要求，振动类型、频率范围、振级和环境条件，传感器的安装方式及其质量对振动的影响；传感器的安装方式及其质量对振动的影响； 分析研究或监测要求；分析研究或监测要求； 整个测试方案，仪器系统及对整个测量系统整个测试方案，仪器系统及对整个测量系统( (包括包括电缆电缆) )进行进行校准和标定校准和标定等。等。31行业知识（2 2）测试系统的选择）测试系统的选择 性能稳定可靠；性能稳定可靠； 足够的测试精度和对环境的适应性；足够的测试精度和对环境的适应性； 足够的动态特性和抗干扰能力；足够的动态特性和抗干扰能力； 功能的多样性和对信号数据的处理功能；功能的多样性和对信号数据的处理功能； 对测试数据的长期存储和低功耗多种电对测试数据的长期存储和低功耗多种电源供电等。源供电等。 要完成测试（或监测要完成测试（或监测) )任务任务, ,就应该对包括传感器、放大器、就应该对包括传感器、放大器、显示、记录、分析仪在内的整套系统作全面、综合的考虑。显示、记录、分析仪在内的整套系统作全面、综合的考虑。32行业知识