第十二章 振动测量第 1 节 概述 振动是工程中极为常见的现象，尤其在热能动力机械工程中更是如此。有害振动是工程中极为常见的现象，尤其在热能动力机械工程中更是如此。有害的振动可能产生噪音，影响机器的正常工作，造成人体不适，甚至导致零部件损的振动可能产生噪音，影响机器的正常工作，造成人体不适，甚至导致零部件损坏。为了进行振动分析和振动控制，需要准确测量机械振动。坏。为了进行振动分析和振动控制，需要准确测量机械振动。 振动对人体的危害振动对人体的危害 从物理和生理学角度看，人体是一个复杂的机械系统，包含若干线性和非线从物理和生理学角度看，人体是一个复杂的机械系统，包含若干线性和非线性性“部件部件”，且机械性能很不稳定。人与人在身高、体重、骨骼、肌肉等方面差，且机械性能很不稳定。人与人在身高、体重、骨骼、肌肉等方面差别很大，涉及心理作用时，情况更为复杂。别很大，涉及心理作用时，情况更为复杂。 振动对人体的影响分为全身振动和局部振动。振动对人体的影响分为全身振动和局部振动。n全身振动全身振动人体直接位于振动体上所受的振动。人体直接位于振动体上所受的振动。n局部振动局部振动手持振动物体时引起的人体局部振动。手持振动物体时引起的人体局部振动。 对人体最有害的振动振动频率是与人体某些器官固有频率相吻合（共振）对人体最有害的振动振动频率是与人体某些器官固有频率相吻合（共振）的频率。这些固有频率是：的频率。这些固有频率是：人体：人体：6 Hz 内脏器官：内脏器官：8 Hz 头部：头部： 25 Hz人体对全身振动的主观感觉人体对全身振动的主观感觉第 2 节 振动测量的基本原理惯性式振动测量仪可简化为一惯性式振动测量仪可简化为一单自由度阻尼振动系统单自由度阻尼振动系统，设：，设：m惯性元件质量，惯性元件质量， k弹簧刚度，弹簧刚度， c阻尼系数阻尼系数振动物体振动位移：振动物体振动位移： 则：质量则：质量 m 的的运动微分方程运动微分方程为为：考虑相对运动：考虑相对运动：返回返回1返回2 相对运动的振幅相对运动的振幅 A* 与振动物体与振动物体振动加速度的振幅成正比。振动加速度的振幅成正比。可作加可作加速度传感器速度传感器。讨论：n阻尼比阻尼比=n/=n/0 0的影响：的影响：较小时，使较小时，使1 1的的/ /0 0的范围很小。的范围很小。为增大仪器的适用范围，选择为增大仪器的适用范围，选择=0.65-0.70=0.65-0.70n要使要使/ /0 01 1，需需固有频率固有频率0 0很大，很大， 即即 k k 大，大，m m 小。小。n压电加速度传感器：电荷量压电加速度传感器：电荷量q q正比于正比于A* 。 因因0 0很大，很大，q q很小，故需用电荷放大器。很小，故需用电荷放大器。 相对运动的相对运动的振幅振幅 A* 与与振动物体速度振动物体速度的振幅成正比。可作的振幅成正比。可作速度传感器速度传感器。但由。但由于系统在于系统在共振区共振区工作，不稳定，且比例系数与阻尼系数工作，不稳定，且比例系数与阻尼系数 c 有关，而有关，而 c 对温度、对温度、压力、环境等很敏感，因而在实用上有困难。压力、环境等很敏感，因而在实用上有困难。 相对运动的相对运动的振幅振幅 A* 与振动物体与振动物体位移位移的的振幅振幅成正比。可作成正比。可作位移传感器位移传感器。此时。此时质量质量 m 近似不动。近似不动。n阻尼阻尼的影响的影响: : =0.60-0.70=0.60-0.70， / /0 02.52.5 越小，达到一定准确度要求的越小，达到一定准确度要求的/ /0 0越大。越大。n要使要使/ /0 01，需固有频率需固有频率0 0很小，即很小，即 k 小，小，m 大。大。 对于电测系统，对于电测系统，振动测量与噪声测振动测量与噪声测量类似，主要区别量类似，主要区别在于是将加速度传在于是将加速度传感器和前置放大器感器和前置放大器来代替电容传声器来代替电容传声器和传声器前置放大和传声器前置放大器。器。第第 3 3 节节 振动测量系统振动测量系统振动特征参数振动特征参数有：有：振幅振幅，振动速度振动速度，振动加速度振动加速度，振动频率振动频率、相位相位，结构，结构的的振型、阻尼振型、阻尼，激振力激振力，动应力等等。，动应力等等。振动测量系统振动测量系统通常由通常由传感器传感器、信号处理和、信号处理和放大、记录放大、记录、显示和、显示和数据处理数据处理设备设备组成。组成。振动测量系统有振动测量系统有：机械测量、：机械测量、电测电测和光学测量系统。常用的是电测系统，它和光学测量系统。常用的是电测系统，它灵敏度高，频率范围和动态线性范围宽，便于分析与控制。灵敏度高，频率范围和动态线性范围宽，便于分析与控制。测量振动的测量振动的传感器传感器：位移、：位移、速度速度、加速度传感器。用得最多的是、加速度传感器。用得最多的是压电式压电式加速加速度传感器。它具有体积小、重量轻、频响宽、稳定性好、耐高温、耐冲击、度传感器。它具有体积小、重量轻、频响宽、稳定性好、耐高温、耐冲击、无需参考位置等优点。无需参考位置等优点。第第 4 4 节节 典型测振仪和激振器简典型测振仪和激振器简介介一、测振仪一、测振仪n分类：机械式，惯性式，电动式测振仪。常用电动式。分类：机械式，惯性式，电动式测振仪。常用电动式。n电动式测振仪（传感器）的功用：将待测的振动参数（位移、速度、加速度电动式测振仪（传感器）的功用：将待测的振动参数（位移、速度、加速度等）转换为电量（电压、电流、电荷）或电参数（电阻、电容、电感）的变等）转换为电量（电压、电流、电荷）或电参数（电阻、电容、电感）的变化。使所输出的电量或电参量与振动参数的瞬时值保持一定的比例关系。化。使所输出的电量或电参量与振动参数的瞬时值保持一定的比例关系。1.电磁式测振仪电磁式测振仪速度传感器速度传感器n结构结构：永久磁铁：永久磁铁1：质量较大：质量较大线圈框架线圈框架5：固定于外壳，质量很轻：固定于外壳，质量很轻片状弹簧片状弹簧2：刚度很小，连接磁铁与：刚度很小，连接磁铁与 外壳外壳n感应电动势感应电动势e:e: 式中：式中：B线圈处磁感应强度线圈处磁感应强度L线圈中的导线长度线圈中的导线长度dx*/dt线圈和磁铁间的相对速度线圈和磁铁间的相对速度n电磁式测振仪的特点：电磁式测振仪的特点：直接测量振动速度，微分一次得加速度，积分一次得位移；直接测量振动速度，微分一次得加速度，积分一次得位移；测量范围较窄（测量范围较窄（10500Hz）；）；测量灵敏度高，精度较好，受温湿度影响小，但受磁场影响大。测量灵敏度高，精度较好，受温湿度影响小，但受磁场影响大。2.电感式测振仪电感式测振仪位移传感器位移传感器n结构原理结构原理外壳的铁芯上绕有电磁线圈，通以高频交流电，外壳的铁芯上绕有电磁线圈，通以高频交流电，由软弹簧支撑的大惯性质量与铁芯间有由软弹簧支撑的大惯性质量与铁芯间有间隙，间隙，振动时，振动时，变化变化线圈周围的磁通变化线圈周围的磁通变化电动势电动势变化变化对调制波形滤波后可得对调制波形滤波后可得（近似于外壳位移）的（近似于外壳位移）的变化曲线。变化曲线。n测量范围测量范围：20-100020-1000HzHz的振动信号的振动信号3.电容式测振仪电容式测振仪位移传感器位移传感器n结构原理结构原理平弹簧平弹簧2与定片与定片4构成电容的两极，构成电容的两极，惯性质量与平弹簧相连，定片随基座惯性质量与平弹簧相连，定片随基座1运动运动n电容量电容量C- - 空气的介电常数空气的介电常数S S 电极相对面积电极相对面积 、0 0 振动与静止时的电极间距振动与静止时的电极间距n另一种另一种电容式测振仪电容式测振仪 电极间隙电极间隙不变，相对面积不变，相对面积S改变。改变。电容量电容量Cn电容测振仪特点电容测振仪特点可测可测10 500Hz的振动位移的振动位移灵敏度高，结构简单灵敏度高，结构简单温湿度对测量影响大。温湿度对测量影响大。4.压电式测振仪压电式测振仪加速度传感器加速度传感器n结构原理结构原理惯性块，片簧，压电晶体（钛酸钡，镐钛酸惯性块，片簧，压电晶体（钛酸钡，镐钛酸铅，石英），压紧旋盖，电极铅，石英），压紧旋盖，电极n压电晶体预压紧力的控制压电晶体预压紧力的控制 适当的预压紧力使测量过程中惯性质量始终适当的预压紧力使测量过程中惯性质量始终与压电晶体保持接触，并有较好的灵敏度。与压电晶体保持接触，并有较好的灵敏度。n特点特点量程大：量程大：0.3 10000Hz（配电荷放大器）配电荷放大器） 2 10000Hz（配前置放大器）配前置放大器） 10-4 104 g (最大最大10-5 105 g ）灵敏度高灵敏度高体积小，质量轻体积小，质量轻受温湿度影响较大，受温湿度影响较大，需和高阻抗的前置放大器配用。需和高阻抗的前置放大器配用。n 压电传感器结构形式压电传感器结构形式隔离压缩型隔离压缩型单端压缩型单端压缩型倒置单端压缩型倒置单端压缩型剪切型剪切型振动线圈中通交流电时，振动线圈中通交流电时，将在竖直方向产生交将在竖直方向产生交变的激振力。变的激振力。n激振力的控制激振力的控制n漏磁的控制漏磁的控制1. 电动式激振器电动式激振器磁缸内励磁线圈通直磁缸内励磁线圈通直流电产生恒定磁流电产生恒定磁场经铁芯、气隙、场经铁芯、气隙、外壳外壳 构成封闭磁构成封闭磁路，气隙中布置路，气隙中布置振动线圈，并与振动线圈，并与支撑在两个片状支撑在两个片状弹簧上的顶杆连弹簧上的顶杆连接。接。 二、激振器二、激振器 进行机械振动特性参数测试或对测振仪进行标定时，需对被测机械或传进行机械振动特性参数测试或对测振仪进行标定时，需对被测机械或传感器进行激振。此时需用激振器。激振器的型式有：电动式、电磁式、电液感器进行激振。此时需用激振器。激振器的型式有：电动式、电磁式、电液伺服式、电致伸缩式、磁致伸缩式、高声强式等。伺服式、电致伸缩式、磁致伸缩式、高声强式等。n 振动系统的固有频率振动系统的固有频率设：设：f1 、f2分别为试件、激振器的固有频率分别为试件、激振器的固有频率 m1 、m2分别为试件、激振器可动部分的质量，分别为试件、激振器可动部分的质量， = = m2 /m1则：振动系统固有频率：则：振动系统固有频率：当当f1 =f2时，时，f= f1 =f2当当f1 f2时，时，f f1当当f1 f2时，时，f f1当当0 0 时，时， f= f1 2.电磁式振动台电磁式振动台组成组成：振动台，控制柜：振动台，控制柜n振动台结构原理振动台结构原理磁缸内励磁线圈通直流电产生磁缸内励磁线圈通直流电产生恒定磁场恒定磁场经铁芯、气隙、外壳经铁芯、气隙、外壳 构成封闭磁路，构成封闭磁路，气隙中气隙中布置振动线圈布置振动线圈，并与支撑在两个，并与支撑在两个片状弹簧上的台面连接片状弹簧上的台面连接振动线圈中通交流电时，将在振动线圈中通交流电时，将在竖直方向竖直方向产生交变的产生交变的激振力激振力。n激振力的控制激振力的控制n漏磁的控制漏磁的控制返回3.压电晶体激振器压电晶体激振器压电晶体的压电晶体的逆压电效应逆压电效应压电晶体上施加压电晶体上施加交变电压交变电压，使晶体产生振动。，使晶体产生振动。在结构中置入压电晶体，形成智能材料。其振动状况受人为施加的电压控在结构中置入压电晶体，形成智能材料。其振动状况受人为施加的电压控制。在现代的主动和半主动控制技术中应用广泛。制。在现代的主动和半主动控制技术中应用广泛。n特点特点：体积小，工作频带宽（达体积小，工作频带宽（达1000kHz）激振力小激振力小，晶体较脆易损，适用温度范围小（小于，晶体较脆易损，适用温度范围小（小于40 2000C)。第第 6 6 节节 内燃机振动测量内燃机振动测量n内燃机内燃机振动的来源振动的来源：1. 燃烧爆发力燃烧爆发力2. 曲柄连杆机构往复惯性力曲柄连杆机构往复惯性力3. 侧倾扭矩侧倾扭矩4. 机械系统相互作用力机械系统相互作用力一、内燃机振动的分类一、内燃机振动的分类1.内燃机整体的刚体振动内燃机整体的刚体振动1.上下振动、侧倾是单缸机主要振动上下振动、侧倾是单缸机主要振动形式形式2.曲轴系的扭振曲轴系的扭振是多缸机主要振动形式是多缸机主要振动形式3.曲轴的曲轴的弯曲振动弯曲振动是多缸机主要振动形式是多缸机主要振动形式4.其他振动其他振动活塞敲击，敲缸活塞敲击，敲缸，配气机构振动，气门脱跳配气机构振动，气门脱跳工作异常工作异常二、内燃机台架试验的振动测量二、内燃机台架试验的振动测量1.振动烈度振动烈度-振动速度的均方根值振动速度的均方根值2. 测得某点测得某点 i 在一个振动周期在一个振动周期T内在内在x方向上的振动速度变化曲线为方向上的振动速度变化曲线为v(t) ，3.定义：均方根值定义：均方根值为为i点在点在x方向上的振动烈度。方向上的振动烈度。 当该点在该方向上的振动速度的频谱分布为：当该点在该方向上的振动速度的频谱分布为：2.当量振动烈度当量振动烈度-整机振动的评价指标整机振动的评价指标3. 为了评价内燃机整机的振动水平，标准一般规定要测量多个测点在为了评价内燃机整机的振动水平，标准一般规定要测量多个测点在x,y,z三三个方向的振动。设：在个方向的振动。设：在x,y,z三个方向的测点数分别为：三个方向的测点数分别为：Nx，Ny，Nz，i 测点测点在在x,y,z三个方向的振动烈度为：三个方向的振动烈度为：则当量振动烈度为：则当量振动烈度为：测试工况测试工况：标定工况：标定工况三、曲轴扭振测量三、曲轴扭振测量1.电子式扭振仪电子式扭振仪n结构原理结构原理壳体壳体1 1和被测轴相连；当被测轴扭振和被测轴相连；当被测轴扭振时，因惯性质量仍保持匀速转动，故时，因惯性质量仍保持匀速转动，故磁棒就在胶木架上的线圈磁棒就在胶木架上的线圈6 6内振动，内振动，引起相应的电感变化，通过振荡电路引起相应的电感变化，通过振荡电路将变化的电感信号变成频率的偏移，将变化的电感信号变成频率的偏移，经高频放大和鉴频器把频率的偏移转经高频放大和鉴频器把频率的偏移转换成电压变化，再经放大输出。对测换成电压变化，再经放大输出。对测出的扭振波形，采用频偏标定法来确出的扭振波形，采用频偏标定法来确定扭振振幅。定扭振振幅。 2.非接触式扭振仪非接触式扭振仪当曲轴转动时，传感器将转速信号转当曲轴转动时，传感器将转速信号转变为脉冲重复频率数，一定转速相应变为脉冲重复频率数，一定转速相应一定的脉冲重复频率数。当存在扭振一定的脉冲重复频率数。当存在扭振时，瞬时转速不均匀，脉冲重复频率时，瞬时转速不均匀，脉冲重复频率也相应变化，这一变化转换成电压输也相应变化，这一变化转换成电压输出，经积分放大后可得扭振波形。出，经积分放大后可得扭振波形。