第八章振动测量技术基础振动测量技术基础n1 振动和振动测量系统 n2 振动参量的测量n3 机械阻抗测量n4 振动信号的频谱分析 振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象，在大多数情况下， 振动是有害的，它对仪器设备的精度，寿命和可靠性都会产生影响。当 然，振动也有可以被利用的一面，如输送、清洗、磨削、监测等，无论 是利用振动还是防止振动，都必须确定其量值。在长期的科学研究和工 程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计 算和分析。但这些毕竟还是建立在简化和近似的数学模型上，还必须用 试验和测量技术进行验证。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各 种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要 设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的 测量。1. 振动和振动测量系统1.1 振动信号分类 振动信号按时间历程的分类如图1所示，即将振动分为确定性振动 和随机振动两大类。图1 振动信号的分类机械振动非周期的随机的确定性的 的周期的非平稳的平稳的简谐振 动复杂周期振 动准周期振 动瞬态和冲 击各态历经 的非各态历 经确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动包括简 谐振动和复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动。准 周期振动由一些不同频率的简谐振动合成，在这些不同频率的简谐分量 中，总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数，因而是非周 期振动。随机振动是一种非确定性振动，它只服从一定的统计规律性。可分 为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历经的平 稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。一般来说，仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动，又包含 有随机振动，但对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术 化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。1.2 振动测量系统1 )振动测量方法分类振动测量方法按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法和光学法。其简 单原理和优缺点见表1。 表1 振动测量方法分类名称原理优缺点及应用电测法将被测对象的振动量转换成电 量，然后用电量测试仪器进行 测量灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽， 便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。是目 前最广泛采用的方法机械法利用杠杆原理将振动量放大后 直接记录下来抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围 窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响 测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测 量光学法利用光杠杆原理、读数显微镜 、光波干涉原理，激光多普勒 效应等进行测量不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量 小及不易安装传感器的试件作非接触测量。 在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较 多目前广泛应用的是电测法，所以我们主要讨论电测法。 2） 电测法振动测量系统图2 振动测量系统的一般组成框图 激 振系 统测振传感 器中间变换电 路功 放振动分析仪 器显示记 录反馈控 制干扰信号发生 器由于振动的复杂性，加上测量现场复杂，在用电测法进行振 动量测量时，其测量系统是多种多样的。图5.2所示为用电测法 测振时系统的一般组成框图。由图可见，一个一般的振动测量系 统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录 装置等环节所组成。下面分别就这些组成环节作一简单介绍。 3) 测振传感器拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定 了整个仪器或系统的性能。表2列举了部分常用的测振传感器。分类工作原理适用范围优缺点发电型压电式振动时，使传感器 中的压电元件受到 惯性重块的惯性力 作用而产生电荷。 输出量与振动加速 度成正比惯性式加速度传感器的适用频率范围： 与前置电压放大器配套时为2104 Hz 与电荷放大器配套时为0.32104 Hz量程为 10-4-104 g（最大达10-5-105 g）特别适用于冲 击测量，经积分后，可测速度和位移； 相对式测力传感器用于测0104Hz范围内的 激振力灵敏度高，频率范围 宽，结构尺寸和重量 小，受温度、噪声等 的影响大，需要高阻 抗前置放大器配用， 目前应用最广电动式振动时，使传感器 中的可动线圈在磁 场中振动，切割磁 力线而感应出电动 势输出量与振动速 度成正比惯性式速度传感器用于测10500Hz范围内的 线速度和角速度，经积分可测0.0011mm振 幅，经微分测10g以下加速度。相对式速度 传感器用于测2500Hz范围的相对速度、位 移或加速度；地震式传感器用于测 0.5100Hz微幅振动灵敏度高，测量精度 高，结构尺寸和重量 大，受温度、湿度影 响小而受磁场影响大 ，永久磁钢衰减会引 起灵敏度变化，低阻 抗输出，故引起的干 扰噪声小电磁式振动时，使传感器 中在磁场里的静止 线圈周围磁通量发 生变化而感应电动 势。 输出量与振动速度 成正比相对式非接触型传感器用于测201000Hz范 围内线速度或角速度，经积分或微分后可测 位移或加速度非接触型，测量时对 振动没有影响，灵敏 度较差，测量精度差 ，要求被测物是导磁 体或导电体表2 电测法测振常用的传感器 电参数变化型电容式相对式由振动体与传 感器作为电容的两极 ，振动时两极的间隙 或相对有效面积产生 变化而使电容变化。 惯性式由惯性重块和 传感器基座组成电容 的两极。 输出量与位移成正比相对式非接触型用于测20104 Hz（极化电压 方式）或0104 Hz（调制方式）范围的线位 移或角位移，特别适用于转动零件的振动测 量； 惯性式用于测10500Hz角位移或线位移（ 0.0011mm），经微分可测速度和加速度灵敏度高，结构简单、 尺寸小，对被测物影响 小，受温度，湿度及电 容间介质等的影响大， 配套仪器要求高，非接 触型的测量精度差电感式变磁阻式振动时 ，传感器中电感线圈 与铁心间磁隙（磁阻 ）变化而使电感变化惯生式或相对式位移传感器用于101000Hz 或02000Hz的线位移或角位移。非接触型用 于02000Hz范围内转动零件的振动测量灵敏度高，配套仪器简 单，稳定性差，易受温 度、磁场等的影响，惯 性式结构的重量和尺寸 大涡流式由振动体 中感应的涡流变化使 传感器的电感量变化 。输出量与位移成正 比非接触型用于测0104 Hz线位移。特别适用 于转动零件的振动测量，制成轴心轨迹仪灵敏度较高，结构尺寸 小，便于安装，对环境 影响不敏感，测量精度 中等电阻式丝式振动时，传 感器中电阻丝长度变 化而使电阻变化。压 阻式利用半导体 或某些稀有金属受力 变形时电阻率改变的 特性惯性式用于测02000 Hz加速度或102000Hz 线位移。张丝式适用于低加速度的冲击测量 。相对式用于测01000Hz范围内的激振力低频响应好，寿命和稳 定性差，易受温度、湿 度、磁场等影响，贴片 式结构简单制做方便伺 服 型液 浮 摆 式振动时液浮摆 与壳体产生相 对位移，通过 伺服放大回路 ，由力矩器使 摆回到平衡位 置。回路输出 电压与振动加 速度成正比量程为520g，分辨力10g最 高达1g，适用于测低频振动， 经积分后可测速度和位移灵敏度高、干扰 力矩小、带温度 补偿、结构复杂 、重量和尺寸大挠 性 摆 式振动时，挠性 摆与壳体产生 相对位移，通 过伺服放大回 路，由力矩器 使摆回到平衡 位置。回路输 出电压与振动 加速度成正比量程为1060g，最高达100g ，分辨力1g，最高0.1g ，适 用于测低频振动，经积分后可 测速度和位移用挠性支承取代 液浮摆式的宝石 轴承和浮液，干 扰力矩更小、分 辨力高、可靠性 好、结构复杂、 成本高各种测振传感器性能不一 ，在振动测量中，如何根据测 试目的和实际条件，合理地选 用测振传感器是十分重要的， 选择不当往往会影响测量精度 ，甚至得出错误的结论。 根据线性系统的叠加原理 ，振动的响应是振动系统拾振 部分对各个谐振动响应的叠加 。 在许多情况下，例如惯性 式测振传感器，振动系统的振 动是由载体的运动所引起的。 如图3所示。设载体的绝对位 移为z1，质量块m的绝对位移 为z0则质量块的运动方程为mz 。kc图3 由载体运动引起的振动响应 （1）质量块m相对于载体的相对位移为（2）则上式可改写成（3）设载体的运作为谐振动，即则式（3）可写成（4）考虑这样几种情形下的响应特性：（1 ）z01相对于载体的振动位移z1 ，此时相当于测振仪处于位移计工作 状态下。此时幅频特性和相频特性分别为（5）(6)其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图4和5所示。图4 由载体运动引起的位移响应 图5 相频特性曲线（2） z01相对于载体振动速度 ，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为（7）(8) 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图6 和图 5所示。 图 6 由载体运动引起的速度响应 图7 由载体运动引起的加速度响应(3) z01相对于载体的振动加速度 ，此时相当于测振仪处于加速度计的工作状 态下。此时幅频特性和相频特性分别为（9）(10)其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图7 和图5 所示。从图4图7可以看出： 测振仪在不同工作状态下，其有效工作区域是不相同的。在位移计状态 下，其工作条件为1，即工作在过谐振区。对于加速度计来说，其工 作条件为1，即工作在亚谐振区。而对于速度计来说，则要求其工作 在=1，即谐振区附近。 我们知道，当用测振仪测量被测对象的振动时，位移计敏感被测物 的振幅z1m ,而加速度计则敏感被测物的振动加速度的幅值，即。因此， 位移计总是被用来测量低频大振幅的振动，而高频振动则选用加速度计 较为合适。 根据位移计和加速度计的工作特性和测量范围，可以看出，位移计 的必须设计得很低，而加速度计的则要设计得很高。因此，通常位移计 的尺寸和重量较大，而加速度计的尺寸和重量很小。阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性都有较大的影响，对位移计 和加速度计而言，当取值在0.60.8范围内时，幅频特性曲线有最宽广而 平坦的曲线段，此时，相频特性曲线在很宽的范围内也几乎是直线。对 于速度计而言，则是阻尼比越大，可测量的频率范围越宽，因此，在选 用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作 。4） 激振器 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、 按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使 激振器体积小、重量轻。表3 列举了部分常用的激振器。 表3 部分常用的激振设备名称工作原理适用范围及优缺点永磁式电 动激振器装置于永磁体磁场中的驱动线圈与支承部件固 联，线圈通电产生电动力驱动固联于支承部件 的试件产生周期性正弦波振动频率范围宽，振动波形好， 操作调节方便励磁式电 动振动台利用直流励磁线圈来形成磁场，将置于磁场气 隙中的线圈与振动台体相连，线圈通电产生电 动力使振动台体作机械振动频率范围宽、激振力大、振 动波形好，设备结构较复杂电磁式 激振器交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性 的交变吸力，作为激振力用于非接触激振，频率范围 宽、设备简单，振动波形差 ，激振力难控制电液式 激振器用小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制 油缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动激振力大，频率较低，台面 负载大，易于自控和多台激 振，设备复杂5） 振动分析仪器 从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析 处理，以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析 仪、FFT分析仪和虚似频谱分析仪等。 （1）测振仪 测振仪是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰一峰值、 平均值或均方值的仪器。这一类仪器一般包括微积分电路、放大器、检波器和表 头。它能使人们获得振动的总强度（振级）的信息，而不能获得振动频