振动的测量,同济大学汽车实验室,周 鋐,同济大学汽车实验室,概述,机械振动的概念： 质点或物体在平衡位置处作往复运动的现象,机械的工作过程中，汽车的行驶中都会产生机械振动。 机械振动的危害： 损耗机械系统的能量、降低系统的效率；一定程度给机械系统造成疲劳破坏；机械振动和形成的噪声对人体环境造成危害。 机械振动的利用： 利用机械振动制成各种节省能量提高工效的振动机械，如振动压路机、振动筛分机、振动桩机等。 利用人为的给出与机械系统固有振动相位相反的机械振动来抑制机械系统的振动实现主动抗振。,同济大学汽车实验室,测量机械振动的意义,通过对振动的测量来评价振级的大小； 测定机械系统的动态特性，获得在各种激励下机械系统的响应； 通过对振动的测量直接为控制机械振动提供条件； 合理进行有限寿命设计提供依据。,同济大学汽车实验室,概述,振动的分类： 简谐振动 复杂的周期振动 随机振动 其中 都是随机变量。 一般更通俗的分类为稳态振动会和瞬态振动包括冲击和随机振动。,同济大学汽车实验室,概述,振动的描述 时域分析：在时域中直接通过测量获得振动的位移、速度、加速度和时间的关系，从这些关系来分析振动时域特性。 频域分析：通过测量获得的时域信号计算出振动的幅值、相位、功率等与频率的关系，从这些关系来分析振动的频率特性。 振动的测量方法 实际测量法：测定机械系统在实际客观激励下的响应，对于汽车来说也就是在实际道路行驶中各部件的响应。此法一般用于评价和改进机械系统。 响应测量法：测定给定激励下系统的响应规律，即系统幅频，相频特性，求得系统的传递函数等。此方法适用于研究和设计机械系统。,同济大学汽车实验室,概述,测振系统： 被测振动通常为位移、速度、加速度，因为这三者之间有明确的微积分关系，一般无需同时测量。测量中对其中一个参数进行测量，另二个可用微积分求得。在测振系统中的各个环节都要能如实的反映动态变化信号，也就是说在测振中对每个环节都有一定的幅频和相频要求。测量系统的工作频带宽度选择要合理，要注意测量系统各环节的配用。,同济大学汽车实验室,测振传感器,测振传感器 测振传感器的功用是将被测的位移、速度或加速度这些非电量转换成电量进行测量。 测振传感器的分类： 按被测参数分有：位移、速度、加速度； 按转换原理分有：磁电、压电晶体、电阻、电容、电感； 按参考座标分有：相对、绝对（惯性）。 按上分类的情况，如要清楚描述一种测量用的传感器，要将三种分类都反映其中，如要测量一个物体的振动要选择一个“惯性式压电晶体加速度传感器”。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,相对式测振传感器,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,工作原理 相对式传感器的壳体与大地固定，即被测量相对大地运动。活动顶杆靠弹簧顶紧或用螺丝固结在被测振动物体上。 此类传感器描述振动的方法是，以壳体作为参考基准，被测振动为输入，顶杆与固定在壳体上的标尺的相对运动为输出。这类传感器的输出量常为相对位移，相对速度。这些相对运动必须转换成电量才能进行测量。 相对式传感器的跟随条件 采用弹簧顶杆时其测量的条件要求测量顶杆始终与被测物体保持接触。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,能满足始终接触的一个保守条件为弹簧顶杆系统能产生的最小加速度amin大于被测物体的最大加速度amax, 即 aminamax 因为 式中： F弹簧变形后的回复力； m顶杆质量； K弹簧刚度； L弹簧变形初压缩量。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,若被测物体作简谐振动时 amax=2Xm 所以上式可写成 可改写成 又因为弹簧顶杆系统的固有频率可表达成:,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,从上式表明：这类弹簧顶杆传感器可测频率受 条件的限制，可表达成: 实际的顶杆弹簧系统的固有频率 很难做的很大，所以此类传感器的测量频率也提不高。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,两种典型的相对式测振传感器 电感式位移传感器 电感式位移传感器的结构为图所示，它利用顶杆带铁芯在线圈之运动，使之产生电感的变化，从而测量振动。 此类传感器的原理与特性均在前位移传感器的讨论中介绍了。在这里着重强调其“相对”性，即壳体和线圈均固定在大地上，被测物体带动顶杆相对线圈运动。从而将相对的位移转换成电感变化量进行测量。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,电感式位移传感器,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,磁电式速度传感器 工作原理,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,由图可知，磁电式速度传感器也是一个弹簧顶杆系统，在测量时弹簧顶杆系统所带的线圈在磁场中以V的速度切割磁力线，就产生感应电势： 如果用运动的速度来表示其关系可表达成 式中：B磁感应强度； l线圈导线总长度； 线圈和磁铁间相对直线运动的线速度； 运动方向与磁场方法的夹角。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,因为 运动方向和磁场方向垂直，90 所以 从此表达式中将可以得出，因为传感器制成磁场为一永久磁铁，磁场强度是一个常量；线圈的导线长度也是一个常量。所以此类传感器在测量物体振动速度时，感应电势 与速度成正比。 也就是说可以用感应电势来反映所测的振动速度。因此此类传感器称之为速度传感器。,同济大学汽车实验室,相对式测振传感器,从原理上看此类传感器输出的感应电势和被测速度成正比，但实际上此类传感器在频率很低时感应电势弱受磁场的实际非线性影响大；频率高时又受到弹簧顶杆的接触条件限制。所以此类传感器的使用范围一般在2500HZ的范围内。即可测2500HZ内的简谐振动和有效频宽包含在2500HZ范围内的复杂振动。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,以上讨论的相对式测振传感器原理简单，但在一般情况下由于被测物体附近很难找到一个参考静止点。如汽车在道路上行驶，飞机在天空中飞行，船在海中航行等都不可能找到一个相对被测物体不动的基准。这样此类传感器就很难用于这些物体的振动测量，因此人们就想到了用所谓“惯性式”或称绝对式测振传感器。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,惯性式测振传感器 工作原理与基本特性 在测量物体的机械振动时，传感器的壳体刚性地固定在振动物体上，因此传感器壳体是随振动物体一起振动的。 如果设想传感器中放置一质量弹簧系统，且质量m比较大，而弹簧较软，即K小。那么当振动物体的振动频率足够高时，弹簧质量的响应跟不上，甚至没有响应。如果在一定条件下弹簧质量系统没响应，即静止不动了，此时就可以将这在运动着的壳体里静止不动的质量块作为绝对基准，也就是相对大地绝对不动来作为对运动着的物体即传感器壳体机械振动测量的基准。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,绝对参考点建立的条件 由质量m，弹簧k，阻尼c组成 一个惯性式传感器，传感器固 定在被测物体上。 设：y振动物体相对大地的绝对位移； xm质量块相对大地的绝对位移； x振动物体或壳体与质量块之间的相对位移。 这三者之间的关系式用式子表达为,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,由牛顿第二定律Fma得到作用在质量上的力为质量块上的 惯性力弹簧力阻尼力。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,用x、xm、y三者之间的关系代入改写上式后得 用拉普拉斯算代入 此式若把所测振动物体相对大地的位移y看成是传感器的输入，把质量 块相对于大地的位移xm看成是输出，则此传感器的传递函数可表达为 此式两边同时1可改写成,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,令：振动的衰减系数为 固有频率 为 代入前式 由于测振传感器测量的是动态物理量，因此传感器的频率特性是很重要的。所以在讨论中可将频率因子j代入，令s=j， 则传递函数为： 此式为惯性式测振传感器的特性方程。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,因此在前讨论中 ，所以又可表达成 此传感器幅频特性为 相频特性为,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,此两特性可用下图直观地表达：,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,由图可见，当 1，即 时， 幅频特性 相频特性是一定斜率的直线。 这表达了当 时，也就是被测物体的振动频率远大于传感器的固有频率时，被测物体相对于质量块的相对位移等于被测物体相对于大地的绝对位移。这样满足了一定的条件后可以用x来代替y，在一个运动的被测物体上找到了一个相对大地绝对不动的参考点。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,从上讨论可以得出： 当幅频特性（幅值比）为1时，壳体或被测物体相对质量块的位移反映了壳体或被测物体相对于大地的位移； 反之，若不能满足 1传感器的特性就很差不能工作，所以此种用壳体或被测物体相对质量块的位移来代替壳体或被测物体相对于大地的位移的测振传感器低频段特性很差，是否此类惯性式传感器低频段特性都很差。 ？有没有什么方法可以使之低频段特性好？,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,利用壳体相对于质量块位移代替壳体相对于大地的加速度 在全面的讨论是X与y的关系，同样利用可以用壳体或被测物体相对于质量块位移X，来反映壳体或被测物体相对于大地的振动加速度ay。 传感器的结构和前一样，微分方程也一样为：,因为,改变形式,同样作拉普拉斯变换,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,壳体或被测物体相对于大地的振动加速度ay作为输入，壳体或被测物体相对于质量块的位移作为输出。,同理，用 代入,同样用频率因子代入,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,因为 是传感器的固有频率，传感器做好后它是一个常数，将其移到等式的左边， 幅频特性 相频特性,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,同样可用幅频、相频图形直观地表示,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,和前讨论一样，当幅频特性 时，幅值比是一常数 ，相频同样是一定斜率直线，可以壳体或被测物体相对于质量块的位移来代替壳体或被测物体相对于大地的加速度 。它们之间差一个 常数。 并且从特性可以看出此种对应关系的传感器低频端很好，高频端受到限制。 一般此类传感器的 做的很高这样可以克服高频端的不足。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,以上讨论了两个对应关系，即xy；x 。同样还可以讨论多种对应关系如x Vy；Vxy； y；。因为受到从机械量到电量转换方法的限制，虽然从理论上讲有许多对应关系而实际应用于惯性式测振传感器的只有三种即xy ；VxVy；和x 。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,几种常用的惯性式传感器 以上讨论了二种对应形式的惯性式传感器： Xy对应形式的传感器一般体积较大用在建筑物、桥、大型机械较多。 X 的对应形式做成的传感器较小而且结构简单，所以在车辆和一般的机械振动测量中应用较多。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,惯性式速度传感器（vx-vy）,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,应变式加速度传感器 工作原理：应变式加速度传感器以等强度梁作为弹性元件（它相当于弹簧）加之支架、应变片、质量块和阻尼材料构成，见图。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,当被测物体产生振动加速度 时，就会使壳体和质量块之间产生位移X，并以 的形式使梁产生一个弯矩 M，此弯矩使得贴在梁上的应变片感受弯矩变形后而产生电阻的变化。由此完成了从输入 到应变片输出 的转换，最后通过应变仪将其测量出来。 此类传感器在硅油阻尼下有较好的特性，当0.707时， 范围内特性平直。其可测的工作频率为 00.40 。一般此类结构传感器工作频率范围为090HZ。因为此类结构形式0不易做高所以频率特性高端较差，只适宜于较低频率的振动测量。,同济大学汽车实验室,惯性式测振传感器,压电晶体式加速度传感器 压电效应：