第七章振动的测试课件.ppt
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1、第七章 振动的测试,第一节 概述,振动是质点或物体相对于固定参考点的振荡运动。,物体仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动。,物体在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动,振动的测试就是检测振动变化量,从中提取表征振动过程特征和振动系统特性的有用信息。,机械振动是机械或结构在平衡位置附近的往复运动。,激振,机械系统,响应,振动测试的基本参数,振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数,称为振动三要素。 幅值幅值是振动强度的标志,它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。 频率不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小,从而寻
2、找振源,采取相应的措施。 相位振动信号的相位信息十分重要,如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析,各谐波的相位关系是不可缺少的。,振动测试方式:一、激振测量是对机械设备或结构施加某种激励,测量其受迫振动,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、刚度、频率响应和模态等。二、在线测量测量机械或结构在工作状态下的振动,如位移、速度、加速度、频率和相位等,了解被测对象的振动状态,评定等级和寻找振源,对设备进行监测、分析、诊断和预测。,第二节 惯性式传感器的力学模型,振动测试的力学原理、力学模型,构成机械振动系统的基本要素有惯性
3、、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质,恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质,阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。,一、惯性式测振传感器的力学模型与特性分析,1)质量块受力产生的受迫振动,f(t)激振动,k弹簧刚度,c阻尼系数,m质量,z振动位移,f(t) 激振动,Z(t) 振动位移,振动系统,这是一个典型的二阶系统,幅频特性:,相频特性:,相频特性,幅频特性,不管系统的阻尼比是多少,在 时位移始终落后于激励力90o现象,称为相位共振。,率,2. 由基础运动所引起的受迫振动,振动系统的受迫振动是由基础的运动所引起的
4、。这种情况称位移激励。设基础的绝对位移为Z1 ,质量块m的绝对位移为ZO ,如图所示。考察质量块M对基础的相对运动,则M的相对位移的(ZO -Z1 )。其运动方程为:,这是一个典型的二阶系统,幅频特性,相频特性,由幅频特性图可见,当激振频率远小于系统固有频率时,质量块相对于基础的振动幅值为零,这意味着质量块几乎跟随基础一起振动,两者相对运动极小。而当激振频率远高于固有频率时,A()接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动(输出)和基础的振动(输入)近于相等,说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。,在振动测量时,应合理选择测量参数。,第三节 振动测量传感器,机械振动是一种物理现象,而不是一个
5、物理参数,和振动相关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等,所以振动测试是对这些振动量的检测,它们反映了振动的强弱程度。,测振传感器常称拾振器 。,分类:接触式和非接触式,按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。,相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点,测量物体上的某点对参考点的相对振动。,绝对式传感器是以大地为参考 基准,即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动,又称惯性式传感器。,测振时拾振器将固定在被测物上,其质量将成为被测振动系统的附加质量,使该系统振动特性产生变化。,惯性式测振传感器的力学模型,拾振器的质量mt造成被测系统加速度和固有频率的变化可用下式来 估计:,为装上
6、拾振器之前、后被测系统的加速度,为装上拾振器之前、后被测系统的固有频率,m为被测系统原有质量,只有当mtm时,mt的影响才可忽略。,常用测振传感器,一、电涡流式位移传感器,电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器,涡流传感器属于相对式拾振器,能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙(位移)变化。,传感器具有线性范围大、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特点。,二、电容式位移传感器,电容式位移传感器是一种非接触式测振传感器,传感器属于相对式拾振器,能方便地测量运动部件与静止部件间的间隙(位移)变化。,三、磁电式速度(计)传感器,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈
7、 5引出线 6壳体,磁电式相对速度传感器,测量振动系统中两部件之间的相对振动速度,壳体固定于一部件上,而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢产生相对运动,发出相应的电动势来。,磁电式速度传感器利用电磁感应原理将质量块与壳体的相对速度变换成电压信号输出。,被测体振动速度,连接,顶杆运动速度,线圈切割磁力线,电动势输出,磁电式绝对速度计,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,在测振时,传感器固定或紧压于被测系统,磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动,装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性 系统的质量块并在磁场中运动。,被测体振动速度,固定,壳体运动速度,线圈切割磁力
8、线,电动势输出,四、压电式加速度(计)传感器,1 压电式加速度计的结构,(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型,S是弹簧,M是质块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。,内部通常有以高密度合金制成的惯性质量块,当壳体连同基座和被测对象一起运动时,惯性质量块相对于壳体或基座产生一定的位移,由此位移产生的弹性力加于压电元件上,在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。,在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。,2 压电式加速度计的灵敏度,惯性力,惯性力加于压电元件,电压灵敏度,电荷灵敏度,
9、压电式传感器的前置放大器有:电压放大器和电荷放大器。所用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,输入阻抗高,但价格也比较贵。,工作原理,被测加速度a ma F(惯性力) Q U,等效质量块m,晶片,电荷放大器,压电式加速度计的幅频特性曲线,加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图但共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。,加速度计与试件的各种固定方法,采用钢螺栓固定,
10、是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。,阻抗头,在对机械结构进行激振试验时,为了测量机械结构每一部位的阻抗值(力和响应参数的比值),需要在结构的同一点上激振并测定它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定激振点的受力及加速度响应的特殊传感器。,它集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体,阻抗头的原理及结构图,阻抗头的安装面与被测机械紧固在一起,激振器的激振力输出顶杆与阻抗头的激振平台紧固在一起。激振器通过阻抗头将激振力传递并作用于被测结构上,激振力使阻抗头中检测激振力的压电晶片受压力作用产生电荷并从激振力信号输出口输出。机械受激振力作用后产生受迫振动,其振动加速度通过阻抗头中的惯性质量
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