1、動態測試技術南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室吳義鵬振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室2本章主要內容本章主要內容振動測試簡介振動測試方法及系統組成振動測試原理振動參量的測試加速度測試及其系統構成機械結構力學及控制國家重點實驗室35.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義 從狹義上講，把具有時間周期性的運動稱為振動。從廣義上講，任何一個物理量在某一數值附近所做的周期性變化都稱做振動。機械振動是指物體在平衡位置附近所作的往復運動。動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室4 降低機械加工的精度和表面粗糙度，危害結構的強度，發生大變形導致機器或結構的破壞甚至

2、釀成災難性的事故。 振動給料機、振動篩選機、振動破碎機、振動球磨機、 振動打樁、振動測樁、振動拋光、結構的減振、抗震等都是利用振動的特性進行工作的。5.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室5動態測試技術：振動測試技術 5.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義機械結構力學及控制國家重點實驗室6實驗表明：實驗表明：振動頻率在48Hz之間時，人體將處于垂直方向振動的共振狀態，胸、心臟不適。振動頻率在1012Hz之間時，腹部共振。振動頻率在0.10.3Hz之間時，頭暈。5.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技

3、術機械結構力學及控制國家重點實驗室75.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室85.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室9確定系統的特性（固有頻率、振型等），預防共振研究動平衡、隔振、減振方法，以消除振動的影響進行振動檢測、故障診斷及環境噪聲控制振動技術的利用5.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室10振動測試的主要內容振動測試的主要內容 振動基本參數的測量：測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位。

4、振動系統特征參數的測試：固有頻率、阻尼、剛度和振型等動態參數。 測量機械設備或結構在工作狀態下的振動。 對機械設備或結構施加某種激勵，測量其受迫振動，以便求得被測對象的振動力學參量或動態性能。 振動振動測試的兩種方式測試的兩種方式5.1 5.1 振動測試的意義振動測試的意義動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室115.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成 慣性：是能使系統當前運動持續下去的性質，通常由物理參數質量M表征；恢復性：是能使系統位置恢復到平衡狀態的性質，通常由物理參數剛度K表征；阻尼：是能使系統能量消耗掉的性質,由物理參數阻尼C表征。動態測試技

5、術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室12振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數。位移位移速度速度 加速度加速度 )sin()(txtxm)cos()(txdtdxtvmxtxdtdvtam22)sin()(5.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室13 機械式測量方法 將工程振動的參量轉換成機械信號，再經機械系統放大后，進行測量、記錄。 常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現場測試時較為簡單方便。 特點：抗干擾能力強，頻率范圍及動態、線性范圍窄、測試時會給工件加上

6、一定的負荷，影響測試結果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量5.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室14 光學式的測量方法 將工程振動的參量轉換為光學信號，經光學系統放大后顯示和記錄。比如讀數顯微鏡和激光測振儀等。 特點：不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標定中用得較多。 5.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室15 電測法 將工程振動的參量轉換成電信號，經電子線路放大后顯示和

7、記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應用得最廣泛的測量方法。特點：靈敏度高，頻率范圍及動態、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。5.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室16振動傳感器振動傳感器對應二次儀表對應二次儀表振動分析儀振動分析儀顯示、記錄顯示、記錄振動傳感器：把被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的信號，對于電測法是轉換為電量進行測試。二次儀表：專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此

8、外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。振動分析及顯示、記錄環節：從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器、記錄設備等。5.2 5.2 振動測試方法及系統組成振動測試方法及系統組成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室175.3 5.3 振動測試原理振動測試原理 振動傳感器并不是直接將原始要測的機械量轉變為電量，而是將原始要測的機械量作為振動傳感器的輸入量Mi，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量Mt，最后由機電變換部分再將Mt變換為電量E，因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決

9、定的。動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室18相對式：傳感器測出的是被測振動相對某一取作為參考用的相對靜止坐標的運動，又可分為直接式和跟隨式。絕對式（慣性式）：這種傳感器不需要依賴外界，而是利用本身慣性在慣性空間建立坐標，測定的是被測振動相對大地或慣性空間的絕對運動，因此稱為慣性式或絕對式。5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室19 在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸桿與被測物體的振動方向一致，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當物體振動時，觸桿就跟隨它一起運動，并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物

10、體的位移隨時間的變化曲線，根據這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數。 5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室20 將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質量塊m 將與外殼發生相對運動。慣性式測振傳感器是由與傳感器殼體之間用彈簧和阻尼器聯系著的慣性質量塊組成的單自由度振蕩系統。 5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室21022xykdtxydCdtydm 殼體相對于慣性塊的振動與被測振動之間的關系可由振動理論推出： y

11、表示質量塊的絕對位移，x表示被測物體的絕對位移，z表示質量塊相對于被測物體的位移。則有 z = y-x 2222dtxdmkzdtdzCdtzdm5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室22若被測物體的振動為諧振動，則有sinmxxt根據二階系統響應特性得到傳感器輸出位移量應為tAxzmsin5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術2222214nnnA機械結構力學及控制國家重點實驗室23因此有)sin()2()(1 ()(2222txznnnm2)(12arctannn5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理

12、動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室24由上式可以得到傳感器的輸出z與被測振動x以及傳感器參數之間的關系。z與x的波形完全一致，而靈敏度和相位差是傳感器參數與被測振動頻率之比的函數，上兩式統稱為傳感器的頻率特性。由傳感器的輸出z和可以求出振動的位移x和頻率 。 5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理動態測試技術：振動測試技術)sin()2()(1 ()(2222txznnnm機械結構力學及控制國家重點實驗室25 根據振幅（位移）計的工作狀態，要求傳感器輸出能正確反映被測振動的位移量。 幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性nxz動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測

13、試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室26 當無量綱頻率比/ n顯著大于1 時，振幅比就幾乎與頻率無關，而趨近于1。 當無量綱頻率比/ n顯著大于1 時，無量綱衰減系數顯著小于1 時，相位差也幾乎與頻率無關，而趨于180， 因此，作為一個位移傳感器它應該滿足的條件 1, 1nxtxtxzmnnnmsin)sin()2()(1 ()(2222動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室271）一般取/n (35),即傳感器慣性系統的固有頻率遠低于被測振動的下限頻率。2）若選擇適當阻尼，可以抑制/n=1處的共振峰， 使幅頻特性平坦部

14、分擴展，從而擴大下限頻率。增大阻尼，能迅速衰減固有振動， 對測量沖擊和瞬態過程較為重要，但是不適當的選擇阻尼會使相頻特性惡化，引起波形失真。當=0.60.7時，相頻曲線/n=1附近接近直線，稱為最佳阻尼。3）振幅計的上限頻率理論上是無限的， 但是實際應用中則要受到具體一起結構和元器件的限制，因此上限不能太高，下限頻率則受到彈性元件的強度和慣性快尺寸、質量的限制，使n不能過小。動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室28 進行加速度測試要求傳感器的輸出z能正確反映加速度a= n 2x ,則靈敏度為222222411nnnmnmaxzazS

15、2)(12nnaarctg動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室29 傳感器相對振動的位移表達式和被測物體的加速度函數表達式非常相似。傳感器的相對振幅是被測加速度幅值的1/ 2n倍，在相位上相對振動位移的時間歷程落后于被測加速度的時間歷程的相位差為，即只差180相角。 1, 1n時，加速度計的幅頻特性曲線加速度計的幅頻特性曲線動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室30atxtxznmnnnnm22222221sin1)sin()2()(1 ()(1, 1n可實現加速度測試，靈

16、敏度為 21n 加速度計要求傳感器慣性系統的固有頻率遠遠高于被測振動的頻率，一般應大于5倍。 為使n遠大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸，質量可以做的很小動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室31傳感器輸出正確反映速度，即 xv速度計的幅頻特性曲線速度計的幅頻特性曲線 動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室32vtxtxznmnnnnm21sin21)sin()2()(1)(22221, 1n實現速度測試；靈敏度為 n21動態測試技術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原

17、理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室33（1）當用測振儀測量被測對象的振動時，位移計總是被用來測量低頻大振幅的振動，其固有頻率必須設計得很低，加速度計適合測量高頻振動，其固有頻率則要設計得很高。因此，通常位移計的尺寸和重量較大，而加速度計的尺寸和重量很小。（2）阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響，對位移計和加速度計而言，當取值在0.60.8范圍內時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內也幾乎是直線。對于速度計而言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計測量振動速度的響應時，往往使其在很大的過阻尼狀態下工作。動態測試技

18、術：振動測試技術5.3 5.3 振動測試原理振動測試原理機械結構力學及控制國家重點實驗室345.4 5.4 振動參量的測試振動參量的測試 振動參量的測量就是測量振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位等參量。位移：更多采用非接觸方法測量。速度：常采用慣性式、跟隨式測試方法。頻率: 采用直接法和比較法測量且振動的頻率是單一頻率 。相位：測定同頻兩個振動之間的相位差。 動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室35位移傳感器（測振）：渦流傳感器，電容傳感器5.4 5.4 振動參量的測試振動參量的測試動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室36速度傳感器（測振

19、）磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器測量頻率范圍：幾赫茲到千赫茲之間。測量的是測量的是絕對振動絕對振動速度速度。5.4 5.4 振動參量的測試振動參量的測試動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室37123345678相對式電動速度傳感器相對式電動速度傳感器1、頂桿、頂桿2、限幅塊、限幅塊3、拱形簧片、拱形簧片4、連接桿、連接桿5、磁鋼、磁鋼6、線圈、線圈7、引出線、引出線8、外殼、外殼 相對式電動傳感器適用于測量兩個相對運動物體的振動量。測量頻率范圍：01000HZ5.4 5.4 振動參量的測試振動參量的測試動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室38加速度

20、傳感器（測振）1、上蓋、上蓋2、彈簧、彈簧3、質量、質量塊塊4、基座、基座5、插座、插座6、壓電晶體、壓電晶體片片7、導電、導電片片8、螺栓、螺栓中心壓縮式中心壓縮式剪切式剪切式5.4 5.4 振動參量的測試振動參量的測試動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室39加速度傳感器基本結構加速度傳感器基本結構 加速度傳感器通常是質量彈簧阻尼二階慣性系統。由質量塊m、彈簧k和阻尼器c所組成的慣性型二階測量系統。 質量彈簧阻尼系統可以把加速度轉換成與之成比例的質量塊相對于傳感器基座的位移。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力

21、學及控制國家重點實驗室40 壓阻式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器 應變式加速度傳感器5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室41 壓阻式加速度傳感器利用單晶硅作為懸臂梁在其根部擴散出四個電阻，當懸臂梁自由端的質量塊受有加速度作用時，懸臂梁受到彎矩作用，產生應力，使四個電阻阻值發生變化。 擴散電阻質量塊硅梁基座 h b l330421mlEbhf 正確地選擇這種加速度傳感正確地選擇這種加速度傳感器的尺寸與阻尼系數，則可用來器的尺寸與阻尼系數，則可用來測量低頻加速度與直線加速度。測量低頻加速度與直線加速度。 固有頻率固

22、有頻率5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室42 壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應 。當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數。 F=maq=dF=dma 測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小 。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室43123465應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器 測量加速度時，將傳感器殼體和被測對象剛性連接。當有加速度

23、作用在殼體上時，由于梁的剛度很大，慣性質量塊也以同樣的加速度運動，其產生的慣性力正比于加速度a的大小，慣性力作用在梁的端部使梁產生變形。 應變片加速度傳感器不適用應變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊場合于頻率較高的振動和沖擊場合 一般適用頻率為一般適用頻率為1060 Hz范圍。范圍。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室44壓電式加速度傳感器前置放大器的作用 將壓電加速度傳感器的高輸出阻抗轉換為低輸出阻抗，以便同后續儀器相匹配。 放大加速度傳感器輸出的微弱信號，使電荷信號轉換成電壓信號。 實現輸出電壓歸一

24、化，在相同的加速度值時，與不同靈敏度的加速度傳感器相配合，實現相同的輸出電壓。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室45前置放大器的類型 電壓放大器：輸出電壓正比于輸入電壓。作用是放大加速度傳感器的微弱輸出信號，把傳感器的高輸出阻抗轉換為低輸出阻抗。 電荷放大器：輸出電壓正比于加速度傳感器的輸出電荷。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室46電壓放大器等效電容為：等效電容為：C=Ca+Cc+Ci 等效電阻為：等效電阻為：fafRRRRa

25、R2)(1RCRFdumxm輸出電壓：輸出電壓：5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術機械結構力學及控制國家重點實驗室47 電纜電容對電壓放大線路的影響也是一個主要因素。電纜電容Cc是隨導線長度和種類而變化的，所以，隨著電纜種類和長度的改變，將引起輸入電壓的改變，從而使電壓靈敏度、頻率下限也發生變化。 當測量靜態參數時（=0），則um = 0，即壓電式加速度傳感器沒有輸出，所以它不能測量靜態參數。 當測量頻率足夠大時（1/R ），則um= dxFmR ， 即電壓放大器的輸入電壓是頻率的函數，隨著頻率的下降而下降。5.5 5.5 加速度測試及其系統構成加速度測試及其系統構成動態測試技術：振動測試技術