第第5章章 振动测量技术振动测量技术n5.1 振动和振动测量系统振动和振动测量系统n5.2 振动参量的测量振动参量的测量n5.3 机械阻抗测量机械阻抗测量n5.4 振动信号的频谱分析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。无无论论是是利利用用振振动动还还是是防防止止振振动动，都都必必须须确定其量值确定其量值。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。5.1 振动和振动测量系统振动和振动测量系统5.1.1 振动信号分类振动信号分类振动信号按时间历程的分类如图5.1所示，即将振动分为确定性振动确定性振动和随机振动随机振动两大类。 确定性振动确定性振动可分为周期性振动周期性振动和非周期性振动非周期性振动。周期性振动包括简谐振动简谐振动和复杂周期振动复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动准周期振动和瞬态振动瞬态振动。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。随随机机振振动动是一种非确定性振动，它只服从一定的统计规律性。可分为平平稳稳随随机机振振动动和非非平平稳稳随随机机振振动动。平稳随机振动又包括各各态态历历经经的平稳随机振动的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动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确定定性性的的振振动动，又包含有随随机机振振动动，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。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 历经图5.1振动信号的分类5.1.2 振动测量系统振动测量系统1.振动测量方法分类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电测法、机械法机械法和光学法光学法。其简单原理和优缺点见表5.1。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表5.1振动测量方法分类2. 电测法振动测量系统电测法振动测量系统图5.2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。由由图图可可见见，一一个个一一般般的的振振动动测测量量系系统统通通常常由由激激振振、拾拾振振、中中间间变变换换电电路路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成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。(1) (1) 测振传感器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。根据线性系统的叠加原理，振动的响应是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。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5.3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:（5.1）mz。kc图5.3由载体运动引起的振动响应质量块m相对于载体的相对位移为:（5.2）则上式可改写成:（5.3）设载体的运作为谐振动，即:则式（5.3）可写成:（5.4）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:（5.5）（5.6）其幅频特性曲线曲线如图5.4所示。图5.4由载体运动引起的位移响应(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:（5.7）(5.8) 其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5-6和图5-5所示。图5.6由载体运动引起的速度响应图5.7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:（5.9）(5.10)其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图5.7和图5.5所示。从图5.4图5.7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。对于速度计来说，则要求其工作在=1，即谐振区附近。 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。(2)(2) 激振器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5.3列举了部分常用的激振器。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，设备复杂表5.3部分常用的激振设备(3)(3) 振动分析仪器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。2.频率分析仪频率分析仪模拟量频谱分析仪目前仍是振动测量较常用的分析设备。振动信号转换成电信号后，经中间变换电路输入频率分析仪，手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析。3.FFT分析仪分析仪随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，用数学技术处理振动测量信号的方式已广泛被采用。以微处理器为核心和以快速傅里叶变换（FFT）算法为基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强。4.4.虚拟频谱分析仪虚拟频谱分析仪虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统，通常包括计算机图形软件，数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等。当然也包括少量的仪器硬件（例如数据采集硬件）以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。和传统的FFT分析仪相比，具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口，采样速率和频谱二进制数，且价格低，技术更新快，具有灵活的开放功能等。5.2 振动参量的测量振动参量的测量 振振动动参参量量是是指指振振幅幅、频频率率、相相位位角角和和阻阻尼尼比比等等物理量。物理量。1. 振幅的测量振幅的测量振振动动量量的的幅幅值值是是时时间间的的函函数数，常常用用峰峰值值、峰峰峰峰值值、有有效效值值和和平平均均绝绝对对值值来来表表示示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为: Z Z有效有效 = Zrms Zrms =（5.11）Z Z平均平均 = Z = Z =（5.12）对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为:(5.13)式中，Zf 为振动峰值。2. 谐振动频率的测量谐振动频率的测量谐振动的频率是单一频率，测量方法分直接法直接法和比较法比较法两种。直直接接法法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示波器通过比较测得频率。常用的比较法有录波比录波比较法较法和李沙育图形法李沙育图形法。录波比较法录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期或频率。 李沙育图形李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y轴及x轴，根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率。3. 相位角的测量相位角的测量相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法直读法和比较法比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差求出相位差；（5.14）李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。5.3 机械阻抗测量机械阻抗测量振动测量从本质上说属动态测量，测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振振动动测测量量的的一一个个主主要要目目的的就就是是通通过过对对激激励励和和响响应应信信号号的的测测试试分分析析，找找出出系系统统的的动动态态特特性性参参数数，包包括括固固有有频频率率、固固有有振振型型、模模态态质质量量、模模态态刚刚度度、模模态态阻阻尼尼比比等等。振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。(1)(1)机械阻抗与机械导纳机械阻抗与机械导纳机械阻抗与机械导纳的一般定义为: (Z)= （5.23） (M)= = (5.24)机械系统的激励一般是力，系统的响应可用位移、速度和加速度来表达，故机械阻抗和机械导纳又各有三种形式。位位移移阻阻抗抗又又称称为为动动刚刚度度，位位移移导导纳纳称称为为动动柔柔度度，速速度度阻阻抗抗称称为为机机械械阻阻抗抗，速速度度导导纳纳简简称称导导纳纳，加加速速度度阻阻抗抗又又称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性。 机械阻抗是复量，可写成幅值、相角、或实部、虚部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特图表示。在评价结构抗振能力时常用动刚度，在共振区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一；在分析振动对人体感受影响时，常用速度阻抗；在分析振动引起的结构疲劳损伤时，常用机械惯性；在分析车厢等振动、噪声时则常用速度导纳。 机械阻抗测试是在结构上施加激振力，同时测量力和响应，所得机械阻抗只决定于系统本身，而与激振力性质无关。 按激励方式的不同，测试方法通常分为稳稳态态正正弦弦激激励励测测试试、随随机机激激励励测测试试和瞬瞬态态激激励励测测试试三种。(2)(2)稳态正弦激励测试稳态正弦激励测试稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力，是最常用的一种激励方式。它它具具有有能能量量集集中中、精精度度高高等等优优点点，可可分分为为单单点点激激励励和和多多点点激励。激励。单单点点激激励励就就是是采采用用一一个个激激振振器器，对对结结构构上上某某一点进行激励。一点进行激励。多多点点激激励励是是用用两两个个或或两两个个以以上上的的激激振振器器对对被被测物同时进行激励。测物同时进行激励。图5.11是对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图。被测试件按实际工作条件固定。在其上选择激励点和测量点，激励点和测量点应避开各阶模态的节点或节线。激振器用橡皮绳悬吊，阻抗头与激振器之间用一个柔性杆连接（以减小激振器对试件非激励方向的附加刚度约束）。信号器输出单一频率的正弦信号经功率放大器推动激振器，使试件产生受迫振动。振动信号与力信号分别通过电荷放大器放大，并转变为电压信号输入分析仪进行分析运算，结果由记录仪或打印机输出。图5.11稳态正弦激励测试原理框图激振器功放信号发生器机械阻抗分析仪X-Y记录仪打印机电荷放大器加速度计柔性杆力传感器被测试件阻抗头是一个高精度、由力传感器和加速度计同轴安装构成的传感器，如图5.12所示。它装在激振器顶杆和试件之间，前端是力传感器，后面为测量激振点响应的加速度计。在构造上应使两者尽量接近，质量块为钨合金制成，壳体用钛制造。为了使力传感器的激振平台具有刚度大、质量小的性能，采用铍来制造。分分析析仪仪器器的的作作用用是是对对激激励励及及响响应应信信号号进进行行采采样样、变变换换、运运算算，从从而而求求出出传传递递函函数数的的幅幅值值、相相位位或或实实部部、虚虚部部。稳态正弦激励测试常用的分析仪器有两类，即模模拟拟量量跟跟踪踪滤滤波波器器式式和数数字字相相关关积积分分式式分分析析仪仪，也可用FFT分析仪。图5.12阻抗头1力敏压电片；2加速度信号输出；3安装面；4外壳；5质量块；6-加速度敏压电片；7力信号输出；8硅橡胶密封圈；9驱动端面(3)瞬态激励测试磁带记录仪电荷放大器器传递函数分析仪脉冲锤加速度计微型计算机X-Y绘图仪打印机去计算机中心图5.13脉冲锤击法测试原理框图目前常用的瞬态激励方法为脉冲锤击法，它是用带有力传感器的手锤敲击试件，给试件一脉冲力。用装在试件上的加速度计或位移传感器测量响应，将力及响应信号同时送入分析仪以求出传递函数。锤击法测试原理如图5.13所示。脉冲锤是锤击法的主要激振设备，其结构如图5.14所示。它它由由锤锤头头、测测力力计计、附附加加质质量量和和锤锤柄柄四四部部分分组组成成。锤头装在测力计上，敲击时直接与试件接触。为了得到不同的脉冲宽度，锤头可用不同的材料制成，根据测试频响要求，进行更换。锤头的材料越软，其脉冲频谱越窄；反之锤头材料越硬，则脉冲频带越宽。几种常用锤头材料及使用频率范围见表5.4。脉冲锤的质量（包括锤头、力传感器及附加配重）大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关。若力锤太小，能量不够；力锤太大，灵敏度低。所以应根据试件刚度和质量大小、频率范围等选择力锤的适当大小。锤头力传感器锤柄附加配重图5.14脉冲锤结构 表5.4常用锤头材料及使用范围材料橡皮尼龙66有机玻璃铜钢使用频率（Hz）500以下5001000以下1k3k2k5k(4)(4)随机激振随机激振随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，也是一种宽带激振方法。白噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数也是在=0处形成陡峭的峰，只要稍偏离零，自相关函数就很快衰减，其自功率谱密度函数也接近为常值。当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时，由于功放和激振器的通频带不是无限宽的，所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数，但它仍然是一种宽带激振，能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动。配合频谱分析仪，利用Sxy(f)=H(f)Sx(f)式可以得到被测对象的频率响应。5.4 振动信号的频谱分析振动信号的频谱分析在振动测量中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。利利用用信信号号处处理理技技术术，通通过过傅傅里里叶叶变变换换，将将时时域域信信号号转转换换成成频频域域信信号号加加以以分分析析的的方方法法就就称称为为频频谱谱分分析析。频频谱谱分分析析技技术术包包括括幅幅值值谱谱分分析析、自自功功率率谱谱密密度度函函数数分分析析、互互功功率率谱谱密密度度函函数数分分析析、相相干干函函数数分分析析、倒倒频频谱谱分分析析等等。振动信号经过频谱分析，可以求得信号的频率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断。图5.15电动机的在线识别图5.15表示在某电动机生产线上，利用响应频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。具体检测步骤如下：（1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上运送的电动机；（2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪；（3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较；（4）进行合格与否判断，输出判断信号。图5.16和图5.17分别为典型的合格品与废品的振动频谱。从图中可以看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。