机械振动的测试讲解
机械振动测量
dt
a dv 2 A sin(t )
dt
➢ 简谐振动的位移、速度、加速度的振动形式和振动频率 都是一样的，只是三者的相位和幅值不同。
➢ 由此可得，任何一个简谐振动都可以三者中的任意一个 量与时间关系来表征。
10
二、振动的测试内容及测量方法
测试的内容包括两方面：
[1 ( / n )2 ]2 (2 / n )2
zm
( / n )2 xm [1 ( / n )2 ]2 (2 / n )2
传感器输出的辐值和相 位角均与ω/ωn和ζ有
关。
tan 1
2 ( / n ) 1 ( / n )2
惯性系统阻尼比； 惯性系统的固有角频率。 17
一、绝对式测振传感器原理
11
三、振动测试系统的构成
➢ 被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量， 通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数 字处理技术，检测出有用的信息。
➢ 工程上，振动的测试主要讨论的是系统的传输特性，尤其是频率响应特性。 通过测试的数据，推估出系统的动态特性参数。
则顶杆不能满足跟随条件，与被测物体之间发生撞击。
因此，传感器使用范围与被测最大位移和频率有关。 28
三、测振传感器的选择
主要涉及：频率特性、量程范围和灵敏度。 (1) 不同类型的传感器测量范围不同，只有在恰当的频率测
量范围内．传感器才能正确反映被测物休的振动规律。
据前分析： ➢ 低频振动场合，加速度幅值不大，通常选择振动位移的
21
一、绝对式测振传感器原理
3、测振动加速度
测振传感器的振动参数是加速度时，有：
A( )a
测试技术第九章机械振动测试PPT课件
H (ω )
(
ω ωn
)2
1
(
ω ωn
)
2
2
jξ
ω ωn
A (ω )
(
ω ωn
)2
1
(
ω ωn
)2
2
(
2
ξ
ω ωn
)2
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(ω )
arctg
2 ξ ωn
1 ω
2
ωn
测试技术与信号处理
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• 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(ω)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。
•这种现象被广泛用于测振仪器中。
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测试技术与信号处理
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第九章 机械振动测试 §9-2 测振系统
一、测振系统的组成
二、单自由度系统的受迫振动
图9-1为典型的单自由度线性系统的力学模型图，它是一个 惯性质量、理想的弹簧和粘性阻尼器组成，受外界激振力作用 的单自由度线性系统的受迫振动问题。
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§9－1 振动的基本原理
该系统的运动特性可以用二阶线性 微分方程来表示：
md d22 zt cd dztkzft
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测试技术与信号处理
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第九章 机械振动测试
§9-1 振动的基本原理
一、机械振动的类型 1、按振动的规律分类 （1）确定性振动
机械振动的测量方法
机械振动的测量方法机械振动是指物体在其中一固定点或者固定坐标系中围绕其中一平衡位置作周期性的往复运动。
机械振动测量的目的是为了评估物体的振动特性，找到振动源，分析振动原因，以进一步改进设计和提供振动控制措施。
机械振动的测量方法有很多种，下面就几种常用的机械振动测量方法进行介绍。
1.声学振动测量方法：这种方法是通过采集并分析物体产生的声音来测量机械振动。
它可以通过一个或多个声音传感器将机械振动转化为声音信号，然后借助声学仪器进行分析和处理。
这种方法可以用来确定振动的频率、振幅、振动模式和振动源的位置等。
它适用于非接触式测量，测量范围广，且具有较高的灵敏度。
2.惯性振动测量方法：这种方法是通过安装加速度传感器或振动传感器，直接感知机械振动的加速度或位移，然后根据牛顿运动定律计算出振动的频率、幅值和相位等参数。
这种方法适用于测量低频振动，测量结果更加准确，但需要对传感器进行定期校准。
3.光学振动测量方法：这种方法是通过光学传感器来测量机械振动。
光学传感器可以分为接触式和非接触式两类。
接触式的光学传感器通常是基于拉普拉斯原理，测量物体表面的位移或变形。
非接触式的光学传感器则通常是采用激光干涉或干涉测量的原理，利用激光束来测量物体的位移或振动速度。
光学振动测量方法精度高，分辨率高，适用于测量微小振动。
4.功率谱测量方法：这种方法是通过对机械振动信号进行频谱分析，测量不同频率成分的能量或功率，以评估振动的特性。
功率谱测量方法可以使用FFT（快速傅里叶变换）等算法将时域信号转化为频域信号，进而获取功率谱图。
功率谱图可以提供振动的频率分布、主要振动频率和传递函数等信息。
这种方法适用于复杂的振动分析和频谱分析。
值得注意的是，以上所述的机械振动测量方法仅为常用方法之一，还有一些其他的测量方法，如微机械系统(MEMS)传感器、电容式传感器、压电传感器等，这些传感器可以通过物理效应来感知机械振动。
不同的测量方法有不同的适用范围和测量精度，需要根据具体的测量需求和实际情况选择合适的方法。
机械结构的振动测试与模态分析
机械结构的振动测试与模态分析机械结构的振动是指在运动或工作过程中，由于受到外界激励或内部失稳因素的影响而出现的周期性或非周期性的振动现象。
振动不仅会影响机械结构的正常运行，还可能导致结构疲劳、损坏，甚至产生严重事故。
因此，了解机械结构的振动特性，进行振动测试和模态分析，对于结构设计、改进和维护具有重要意义。
1. 振动测试振动测试是通过实验手段对机械结构的振动特性进行测量和分析的过程。
常见的振动测试手段包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器等。
通过这些传感器，可以测量到结构在不同频率范围内的振动加速度、振动速度和振动位移等参数。
振动测试不仅可以定量地描述结构的振动特性，还可以研究振动的传播路径、频谱特性和共振现象等。
2. 模态分析模态分析是对机械结构的振动特性进行分析和研究的过程。
模态分析的目的是确定结构的振动模态，即结构的固有频率、振型和阻尼等参数。
通过模态分析，可以了解机械结构在不同频率下的振动特性，并确定结构中可能存在的共振点和振动节点。
同时，模态分析还可以帮助设计师优化结构的设计，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
3. 应用案例以汽车底盘为例，进行振动测试和模态分析的应用。
在汽车行驶过程中，底盘承受着来自路面的冲击和车辆运动的振动。
通过振动测试，可以测量到底盘在不同行驶速度下的振动加速度和振动速度等参数。
通过模态分析，可以确定底盘的固有频率和振型，判断底盘是否在某些特定频率下容易出现共振现象。
根据振动测试和模态分析的结果，可以对底盘的结构进行优化，提高底盘的刚度和减小噪声，提高驾驶的舒适性和汽车的安全性能。
4. 振动测试与模态分析的意义振动测试与模态分析对于机械结构的设计、改进和维护具有重要意义。
通过振动测试，可以了解机械结构在不同工况下的振动特性，及时发现结构的振动异常和故障等。
通过模态分析，可以确定结构的固有频率和振型，为结构的优化设计提供依据。
同时，振动测试与模态分析还可以帮助工程师评估结构的可靠性和耐久性，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
振动测量仪检测机械设备振动频率试验方法
振动测量仪检测机械设备振动频率试验方法引言本文档旨在介绍振动测量仪检测机械设备振动频率的试验方法。
振动频率的检测对于评估机械设备的性能和运行状态具有重要意义。
通过使用振动测量仪，我们可以获取准确的振动频率数据，进而判断设备是否正常工作，是否存在故障或其他问题。
检测前准备在进行振动频率的试验前，需要确保以下准备工作已完成：1. 确保振动测量仪已校准，并且其精度符合要求。
2. 选择合适的测点。
通常，振动测量应在设备的关键部位进行，如轴承、驱动装置、连接部件等等。
3. 清洁测点，确保其不受污物或腐蚀物的影响。
4. 确保测试环境稳定，避免外部干扰对测试结果的影响。
测试步骤以下是振动测量仪检测机械设备振动频率的试验步骤：1. 将振动测量仪的传感器安装在所选择的测点上。
确保传感器与设备紧密连接，并且位置正确。
2. 打开振动测量仪，并根据设备的工作状态进行合适的设置。
例如，选择合适的量程和采样频率。
3. 启动机械设备，并确保其处于正常工作状态下。
4. 等待足够的运行时间，以使设备达到稳定状态。
5. 开始记录振动频率数据。
根据测量要求，可以选择不同的记录方式，如实时记录或定时采样。
6. 持续记录一段时间，以确保获得足够的数据样本。
通常建议记录至少10个周期的数据。
7. 分析测得的振动频率数据。
可以使用专业软件进行频谱分析，以获取各个频率分量的幅值和相位信息。
8. 基于分析结果，评估机械设备的振动频率是否处于正常范围内。
根据设备的类型和要求，可以参考相关标准或经验值进行判断。
9. 如果发现振动频率异常或超过允许范围，进一步分析可能的原因，并采取相应的措施修复或调整设备。
结论通过使用振动测量仪进行振动频率的试验，我们可以准确评估机械设备的运行状态和性能。
本文档介绍了振动测量仪检测机械设备振动频率的试验方法，包括准备工作、测试步骤和数据分析。
遵循本文档的指导，可以提高振动频率试验的准确性和可靠性，从而更好地评估机械设备的振动性能。
机械振动的检测
5.2 机械振动的类型
1.简谐振动 简谐振动的振动量随时间的变化规律如图5-3所示，其位移
表达式为:
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5.2 机械振动的类型
将式(9-1)求导可得振动速度和振动加速度的表达式:
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5.2 机械振动的类型
由此可知，简谐振动的位移、速度和加速度的波形和频率都 为一定，其速度和加速度的幅值与频率有关，在相位上，速 度超前位移π/2，加速度又超前速度π/2。对于简谐振动， 只要测定出位移、速度、加速度和频率这四个参数中的任意 两个，便可推算出其余两个参数。
而且其振动量与时间也无一定的联系。诸如路面的不平对车 辆的激励;加工工件表面层几何物理状况的不均匀对机床刀具 的激励;波浪对船舶的激励;大气湍流对飞行器的激励等，都 将会产生随机振动。 随机振动的统计参数通常有均值、方均值、方差、相关函数 和功率谱密度函数等，与一般随机信号的处理一样。
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5.2 机械振动的类型
3.准周期振动 准周期振动是由频率比不全为有理数的简谐振动迭加而成，
如
这种振动如果忽略其相位角，也可用离散频谱来表征，如 图5-5所示。因而称之为准周期振动。
实际工作中遇到的两个或几个不相关联的周期振动混合作 用时，便会产生这种振动状态。
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第五章 机械振动的检测
5.1 概述 5.2 机械振动的类型 5.3 振动的激励和激振器 5.4 测振传感器 5.5 振动的测量
5.1 概述
机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理 现象。各种机器、仪器和设备在其运行时，由于诸如回转件 的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、润滑状况 的不良及间隙等原因而引起力的变化、零部件之间的碰撞和 冲击，以及由于使用、运输和外界环境条件下能量的传递、 存储和释放等都会诱发或激励机械振动。所以说，任何一台 运行着的机器、仪器和设备都会存在着振动现象。
第7章_机械振动的测试chjd
贵州大学机械工程学院
陈家兑
测试技术
3．非周期振动
第7章 机械振动的测试
若机械振动量随时间变化是非周期的，则称之为非周期振 动。非周期振动的特点是突然发生、持续时间短、能量很大。 非周期振动在时域一般可以用确定性函数来描述，在频域 可以应用傅里叶变换来进行频谱分析。非周期振动的频谱是连 续频谱。在工程实际中，最常见的非周期振动有冲击和暂态振 动。
稳态正弦激振所使用的测试仪器、设备比较通用，测试的 可靠性也较高，故仍不失为一种常用的激振方法。
贵州大学机械工程学院 陈家兑
测试技术
第7章 机械振动的测试
在工程中常用扫频激振，激振的频率随时间而变化。严格 地说，任何扫频激振都属瞬态激振，但若扫描的速度足够慢， 所画的奈魁斯特图可以与逐点稳态正弦激振所得的相近。但对 待这个问题必须十分小心，因为用扫频激振所得的奈魁斯特图 并非准确的奈魁斯特图。通常，用扫频激振先求得系统的概略 特性，进而对靠近固有频率的重要频段再认真严格地用稳态正 弦激振校核。 随着电子技术的飞速发展，以小型计算机和FFT为核心的 谱分析仪和数据处理机在实时处理能力、分析精确度、频率分 辨率、分析功能等方面提高得很快，而且价格也越来越便宜， 因此各种宽带激振的技术也越来越被大家所重视。
第一节
概
述
机械、机构、零件及其组成部分在某些条件或因素作用下 可能引起它们在其平衡位置(或平均位置)附近作微小的往复运 动，这种每隔一定时间的往复机械运动，称为机械振动。机械 振动是一种普遍存在的现象。在大多数情况下，机械振动是有 害的，它将影响机械设备的正常工作的功能和性能，如降低机 床的加工精度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂 而破坏，造成事故。同时，机械振动也导致机械设备发出噪声， 而噪声会污染环境，危害人类健康。然而，在有些情况下，振 动也是可以利用的，如振动筛、振动传输、机械锤、振动搅拌 器等一些机械设备就是利用机械振动原理进行工作的。
机械振动的运动量和常用测量方法
h
2h
（3－8）
机械振动的运动量和常用测量方法
式（3－8）证明相位差的测定
? 示波器测试法
二、椭圆法
设有两个同频信号为
?x
? ?
y
? ?
Xm sin ? t Xm sin(? t
?
?
)
它们在示波器上形成的椭圆图象如 图（3 －7）所示。以x 为参考信号 ，因此y信号落后x 信号φ角。显然 当t=0 时
机械振动的运动量和常用测量方法
§3－3 两个同频简谐振动相位差的测定
? 示波器测试法
一、直接比较法
（1）分别测出ab及ac的长度，则相位差为
? ? ac ? 360?
ab
（3－7）
（2）量出振动波形的峰值A及两曲线交点M处的纵坐标值h，则
? ? 2 arctan ( A)2 ? 1 ? 2 arctan ( 2A)2 ? 1
§3－2 简谐振动频率的测定
? 里萨茹图形法
在方程（3－2）中，若 ? x ? ?，y 合成图形将不再是椭圆，而是 更复杂的图形。但是只要两频率之比是一个正有理数，总能形 成一个稳定的图形。图（3－3）为几个不同频率比时的里萨茹 图形。一般的规律是：若图形与y轴的交点数为m，与x轴交点 数为n，则频率比为 ? x / ? y ? m / n
二、椭圆法
局限性
? 应用上式计算相位差时一般不能确定 φ 是领先还是 落后的相位，只有当运动频率低于10Hz 时，才能看出 光点的运动方向；如果光点逆时针旋转，则y 轴上的信 号落后于x轴上的信号。
? 当 φ>450 时，应用上述方法的测量误差将随 φ 的 增大而迅速增大，这是因为 sinφ 随着 φ 的增大其变 化越来越小。在700左右时，误差可达20％。
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1. 基本振动参数的测试 ——产品质量检测、工况监测、故障诊断
液压马达、机车牵引电机振动的检测
第7章 机械振动的测试
7.2 振动测试的理论基础 Theoretical Foundation for Test and Measurement of Vibration
/ n
其中 n
k m
， c 。
2 km
幅频特性 相频特性
A()
1/ k
1 / n 2 2 2 / n 2
二阶 低通
(
)
arctan
2 1
/ n / n 2
第7章 机械振动的测试
幅值（位移）共振：当 0.707 时，对应于某一频率幅频
2. 由振幅响应的相频特性曲线估计
不论阻尼比如何，当 激振频率等于固有频率时，
都有 () （9相0位共
振）。据此可估计出固有 频率。
第7章 机械振动的测试
设 r /n
则
ddr
r1
即阻尼比可根据相频特性曲线在 n 处的斜率估计出来。
■
加速度计——当
时，
n
z
与被测振动的加速度成正比。
7.3.2 常用测振传感器
1. 压电式加速度计
第7章 机械振动的测试
B——基座 P——压电片 M——质量块 S——弹簧
结构形式
第7章 机械振动的测试
压电式加速度计 常用的固定方式
压电式加速度计 的幅频特性曲线
第7章 机械振动的测试
7.4 振动的激励 Excitation for Vibration
z
z0
m
k
c
z1
基基基基
z1 ——被测振动位移（输入） z0 ——质量块相对大地（惯性坐标系）的位移响应 z ——质量块相对壳体的位移响应（输出）
第7章 机械振动的测试
z
惯性式测振传感器测量各振动参数的工作条件：
■ 振幅计
——当
时，
n
z
与被测振动的振幅成正比；
■ 速度计 ——当 n时，z与被测振动的速度成正比；
激振力，同时也用它测量激振力和被测物体在激振点 处的响应。
■ 组成 阻抗头内有两个传感器——一个是力传感器，用
来测量施加在被测物体上的激振力；另一个是加速度 计，用来测量激振点处的响应。
第7章 机械振动的测试
阻抗头
第7章 机械振动的测试
7.5.1 自由振动法
给单自由度系统一个初始振动 （初始速度 dz(0) / dt 或初始位 移 z(0)），系统将作衰减的自由振 动。振动方程为
● 受迫振动——由于外界持续干扰引起和维持的振动 ● 自激振动——没有外部激振力而由系统本身产生的交变力激
发和维持的一种稳定的周期性振动
第7章 机械振动的测试
2. 按振动参数随时间的变化规律分
简谐振动 （正弦振动）
——振动参数随时间按正弦或余弦规律变 化的周期性振动，是最基本的振动形式
● 确定性振动
（相位共振频率 n ），也可估计固有频率。
第7章 机械振动的测试
2. 由基础运动所引起的受迫振动
m
z0
k
c
m
d 2z0 dt 2
m
kz c dz
z1
dt
惯性式测振传感器 测振的理论基础！
z1 ——基础相对大地（惯性参照系）的绝对运动
z0 ——质量块相对大地的绝对运动 z ——质量块相对基础的相对运动
z0 z z1
振动方程为
m
d 2z dt 2
c
dz dt
kz
m
d 2z1 dt 2
幅频特性 相频特性
第7章 机械振动的测试
A()
1/ k / n 2
1 / n 2 2 2 / n 2
二阶 高通
(
)
arctan
of Vibration
测振传感器也称为拾振器（pick up），是将被测振 动参数（振幅、振动速度、振动加速度）转换为与之有 对应关系的参量（如电荷、电压、电流、电阻、电容等） 的传感装置。可分为：
● 惯性式（绝对式） ● 相对式
● 接触式 ● 非接触式
7.3.1 惯性式测振传感器原理
第7章 机械振动的测试
2 1
/ n / n 2
第7章 机械振动的测试
7.2.4 机械阻抗与机械导纳
机械阻抗是在机械结构的动力分析中被广泛应用的一 种理论分析与试验测试相结合的动态分析方法。定义为线
性动力学系统在各种激励（激振力）f (t ) 下，在频域内激
励 F ( j ) 与响应 Y ( j ) 之比，即
重点与难点
重点 难点
单自由度振动系统的受迫振动，惯性式测振传感 器原理，压电式加速度计。 惯性式测振传感器原理。
第7章 机械振动的测试
学习内容
7.1 概述 7.2 振动测试的理论基础 7.3 测振传感器 7.4 振动的激励 7.5 机械系统振动参数的估计 7.6 振动测试示例
第7章 机械振动的测试
第7章 机械振动的测试
第7章 机械振动的测试
7.4.1 常用激振方法
1. 稳态正弦激振（简谐激振） 属于窄带激振，应用普遍。分点频激振和扫频激振，
常用磁电式激振器、电液式激振器实现。优点：激振功率 大、信噪比高、能保证响应测试的精度。缺点：需要较长 的测定时间。
2. 随机激振 属于宽带激振，用白噪声信号、伪随机信号或在实际
(
j
)
F( Y (
j ) j )
F( V(
j ) j )
■ 加速度阻抗（表观质量）
Za
(
j
)
F( Y(
j ) j 机械振动的测试
2. 机械导纳 ■ 位移导纳（动柔度）
W ( j ) Y ( j ) F ( j )
■ 速度导纳（机械导纳）
第7章 机械振动的测试
Measurement and Test for Mechanical Vibration
第7章 机械振动的测试
学习目标
学习机械振动的基本知识，重点掌握机械系统的力 学模型、单自由度振动系统的受迫振动、惯性式测振传 感器（特别是压电式加速度计）的原理与结构。对振动 的激励、振动系统参数的测试有一般了解。
7.2.1 简谐振动
简谐振动是最简单、最基本的 机械振动形式，其振动参数（振幅、 振动速度、振动加速度）均为时间 的正弦或余弦函数。其他复杂的振 动都可以看成许多或无穷个简谐振 动的合成（叠加）。
第7章 机械振动的测试
z(t)
振幅 振动速度 振动加速度
z z(t) Asint
K ( j ) F ( j ) Y ( j )
机械阻抗即为系统传递函数的倒数。当激励为正弦激 振力时，机械阻抗为系统频率响应函数的倒数。
机械阻抗的倒数即为频率响应，又称为机械导纳。
1. 机械阻抗 ■ 位移阻抗（动刚度）
K
D(
j
)
F( Y(
j ) j )
■ 速度阻抗（机械阻抗）
Zv
基基 k
m
z
基基基 c
基基
“质量-弹簧-阻尼”系统
固有频率
n
k m
阻尼比
c
2 km
第7章 机械振动的测试
7.2.3 单自由度振动系统的受迫振动
1. 由作用在质量上的力所引起的受迫振动
f (t)
d 2z
m
f (t ) m dt 2
z
m
k
c
kz c dz
dt
振动方程为
m
d2 dz
z
2
c
dz dt
工况记录下来的随机信号作为激振的信号源。该方法具有 快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵。
第7章 机械振动的测试
3. 瞬态激振 属于宽带激振，其测试设备简单，灵活性大，故常
在生产现场使用。 ■ 快速正弦扫描激振
■ 脉冲激振（最常用） ■ 阶跃激振
第7章 机械振动的测试
3. 阻抗头
■ 作用 测定机械点阻抗。激振器通过它对被测物体施加
特性值出现最大峰值的现象。
幅值（位移）共振频
r n 1 2 2
当 率很小时，r n ，据此可估计固有频率。
第7章 机械振动的测试
相位共振： 当 n 时，必有 ( n ) 90 ，位移响
应的相位一定落后于激振力90°，称为相位共振。 通过测定位移响应的相位落后于激振力90°所对应的频率
在很多场合下，需要按一定的方法通过激振设备使 特定的机械系统振动起来，然后通过振动测量获取该系 统的有关信息。例如： ● 研究系统的动态特性，确定结构模态参数（如固有频 率、振型、动刚度、阻尼等）； ● 产品环境试验，即一些机电产品在一定振动环境下进 行的耐振试验，以便检验产品性能及寿命情况等； ● 拾振器及测振系统的校准试验。
kz
f (t)
z ——振幅
z dz ——振动速度 dt
z
d 2z dt 2
——振动加速度
振动系统动态特性 测试的理论基础！
第7章 机械振动的测试
传递函数
H(s)
Z(s) F(s)
ms
2
1 cs
k
频响函数
H
(
j )