测试技术基础第六章_振动的测试
振动的测量
8.1 振动的基础知识与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动，如图8.1所示。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。
图8.1 振动的种类和特征简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。
本节讨论最为简单的单自由度系统在两种不同激励下的响应(即单自由度系统的受迫振动):质量块受力产生的受迫振动基础运动产生的受迫振动以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。
简谐振动简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即振动的运动规律为：(8.2)(8.3)比较式(8.1)至(8.3)可见，速度的最大值比位移的最大值导前900 ，加速度的最大值要比位移最大值导前1800 。
质量块受力产生的受迫振动如图8.2所示为单自由度系统在质量块受力所产生的受迫振动示意图。
在外力f(t)的作用下，质量块m的运动方程为：（8.4）式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。
这是一个典型的二阶系统，其系统频率响应函数H(ω)和幅频特性函数、相频特性函数ϕ(ω)分别为：（8.5a）图8.2 质量块受力所产生的受迫振动（8.5b）（8.5c）式中：ω基础运动的圆频率；ζ振动系统的阻尼比， ；。
（8.6） 由上式可见，在幅频特性图上，质量块受力产生的受迫振动其共振频率ωr总是小于系统的固有频率ωn，阻尼越小两者越靠近，因此，在小阻尼情况下可以采用ωr作为的ωn估计值；而在相频特性图上，不管系统的阻尼比为多少，在ωr/ωn=1时位移始终落后于激振力90°。
工程测试技术基础大纲
工程测试技术基础教学大纲适用专业：机械设计制造及自动化课程学时：40（理论学时：34，实验学时：6 ）一、课程性质、目的与任务机械工程测试技术是机械工程类本科生的一门重要专业基础课。
本课程主要教学内容有：机械工程测试中常用的传感器和相应的调理电路的工作原理；测量装置(仪器及系统)静态、动态特性的评价方法；动态信号的描述、分析处理；常见机械制造工程领域中各类静态、动态物理信号的测试分析方法。
通过本课程的学习，使学生了解信号的特征；能较正确地选用传感器等测试元件构成测试仪器及系统；掌握测试的基本理论、基本方法及基本试验技能，为进一步学习和研究测试领域的实际问题打下基础，为机械制造自动化工程服务。
二、课程教学内容（有☆号者为选讲）(一)理论教学第一部分绪论（2学时）介绍测试技术在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用情况和测试技术的发展趋势。
第二部分信号分析基础（4学时）介绍信号的分类，信号时域分析、幅值域分析、频谱分析、相关分析原理及应用。
包括：1. 基本概念：信号的分类、信号的描述方法、信号分析的内容2. 周期信号与离散频谱：正弦信号表示法、复杂周期信号的分解、周期信号的强度分析、周期信号的频谱分析3. 非周期信号与连续频谱：傅里叶变换简述、非周期信号的频谱分析、几种典型非周期信号的频谱4. 相关分析第三部分传感器及应用原理（8学时）介绍电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、半导体传感器等常用传感器的工作原理、测量电路和传感器的特性以及在制造业中的应用。
1.概述：传感器的作用及组成、传感器的分类、对传感器性能的要求简介2.电阻式传感器：电位器式电阻传感器、电阻应变式电阻传感器。
3.电感式传感器：自感型电感传感器、变压器式电感传感器、涡流式传感器4.电容式传感器：电容式传感器的类型及变换原理、实际测量电路5.压电式传感器：压电效应、压电式传感器及其等效电路、测量电路6.磁电式传感器：动圈式磁电传感器、磁阻式磁电传感器7.热电式传感器：热电偶、热电阻传感器8.半导体传感器：磁电转换元件、光电转换元件☆9.其它新型传感器简介第四部分测试系统特性（4学时）介绍测试系统基本组成，测试系统的静态、动态特性，不失真测量条件，滤波器及应用，测试系统特性的评定方法。
振动测试技术基础培训
航空航天工程应用
• 神州飞船
航天
• 飞机整机强度试验、模态
试验
• 飞机发动机试验、整机测 试、动部件测试等
• 火箭发动机点火试验
• 卫星地面试验
旋转设备状态监测
• 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关 系到整个生产线流程。通常建立状态（定期或在线）监测系统。
石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。
2 响应特性
传感器的响应特性是指在所测频率范围 内，保持不失真的测量条件。
实际上传感器的响应总不可避免地有一 定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
3 线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。在 线性范围内输出与输入成比例关系，线性范 围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传 感器工作在线性区域内，是保证测量精度的 基本条件。
4R
金属丝应变片： dR (1 2 )
R
V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变
电桥的接法：
单臂
半桥
全桥
动手做：
1. 自己动手在等强度梁上粘 贴应变片。
2. 使用应变测试系统测试等 强度梁应变值。
电涡流位移传感器
原理:涡流效应
产品：
电涡流转速传感器
磁电式速度传感器
1.变换原理:
• 在一定的应力范围（弹性形变）内， 材料的应力与应变量成正比，它们的 比例常数称为弹性模量或弹性系数 。
• 胡克定律（弹性定律）
传感器基础—被测物理量
• 振动位移：就是质量块运动 的总的距离，也就是说当质 量块振动时，位移就是质量 块上、下运动有多远。
• 位移的单位可以用µm 表示。 • 进一步可以从振动位移的时
《振动测试》课件
振动测试的技术路线
振动测试前的准备
振动测试的常用方法
振动测试的数据分析
测试前需要确保测试设备正常、 测试环境合适、测试物体无损伤。
常用的振动测试方法包括冲击法、 振动法、响应谱法等。
通过测量数据进行分析，了解物 体的振动特性、模态分析、频率 响应等。
实验操作步骤
1 实验前的准备工作
了解实验目的，准备必要的测试设备和试验台。
振动测试的原理
1
振动的概念
振动是指物体在某个参考点或在某个参考系中偏离静止位置并产生周期性的运动。
2
振动测试的定义
振动测试是通过测量和分析物体在振动状态下的各项参数，评估物体振动特性的 一种测试方法。
3
振动测试的原理介绍
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
物体在振动过程中会产生加速度，可以通过测量加速度和频率来描述物体的振动 特性。
2 实验所需设备及材料
常见的实验设备包括加速度传感器、振动台、信号分析仪等。
3 操作步骤的详细说明
实验操作包括控制测试环境、对测试物体施加振动、测量振动参数并进行数据分析等。
振动测试案例分析
1
振动测试案例介绍
对汽车引擎进行振动测试，分析其自然频率和振动响应。
2
案例分析过程
使用加速度传感器和信号分析仪对引擎进行振动测试，并采集振动频谱图。
3
分析结果与结论
分析结果显示引擎存在不均衡问题，需要调整曲轴平衡度以降低振动水平。
结论与展望
分析出的结论
振动测试是揭示物体振动特性、解决振动问题的有效手段。
未来的研究及展望
振动测试技术将在空间、医疗、安全等领域得到广泛应用。
本次课程学习心得
本课程详细介绍了振动测试的基础知识和关键技术，对于我的研究工作有很大帮助。
《振动测试方法》PPT课件
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轴心轨迹测量
利用电涡流传感器测量轴心轨迹对分析转轴的工作状 态是十分有用的，是振动测量中的一个十分重要的内容。 轴心轨迹是指机组在一定转速下轴心相对于轴承座在轴线 垂直平面内的运动轨迹。图5.28为轴心轨迹测试图，一般 多采用传感器与水平成45°角的安装方式。
精选PPT
传感器的选择
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精选PPT
振动幅值测量
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振动幅值是一般振动测量中最感兴趣的测试内容，它一般包括图5.26所示的四种情况：
精选PPT
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转子径向相对振动的测量
图5.27是利用电涡 流传感器测量转子径向 相对振动的示意图，通 常以圆轴的转动表面在 某一半径方向的振动作 为轴心在该方向的振动。 其中（a）表示用电涡 流传感器测得的转轴振 动信号（电压），该信 号由交流分量和直流分 量两部分组成。交流分 量表示传感器探头与转 轴表面的动态电压信号， 直流分量则代表了平均 间隙电压，由此可确定 轴心在轴承中的平均位 置。
例如，当我们乘坐在运行中的汽车或火车上，就会感觉到振动；工厂中的机器、家中 的家用电器（如洗衣机、脱排油烟机等）工作时也会产生振动，并使我们听到嗡嗡的 声音。
涉及振动的工程应用分为消除振动和应用振动进行工作两种。
多数情况下，振动是有害的。振动影响机器设备的工作性能和寿命，产生损害机械设 备结构和建筑物的动载荷，并能直接地或通过产生噪声间接地危害人类的健康。因此， 除某些利用振动原理工作的机器设备（如：夯实机、捣固机、清洗机等）外，一切都 必须力求将振动量级控制在允许的范围之内。即使对那些利用振动原理工作的机器设 备，也必须采取适当的措施，将其振动的影响尽量控制在有限的空间范围内，以免危 害人类和其它结构。
大学生《机械工程测试技术基础》期末试题及答案
第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ， 收敛性 。
4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
（机械制造行业）机械工程测试技术基础课后试题及答案
（机械制造⾏业）机械⼯程测试技术基础课后试题及答案《机械⼯程测试技术基础》课后答案章节测试题第⼀章信号及其描述（⼀）填空题1、测试的基本任务是获取有⽤的信息，⽽信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是，其中⽬前应⽤最⼴泛的是电信号。
2、信号的时域描述，以为独⽴变量；⽽信号的频域描述，以为独⽴变量。
3、周期信号的频谱具有三个特点：，，。
4、⾮周期信号包括信号和信号。
5、描述随机信号的时域特征参数有、、。
6、对信号的双边谱⽽⾔，实频谱（幅频谱）总是对称，虚频谱（相频谱）总是对称。
（⼆）判断对错题（⽤√或×表⽰）1、各态历经随机过程⼀定是平稳随机过程。
（）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（）3、⾮周期信号的频谱⼀定是连续的。
（）4、⾮周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲⼀样。
（）5、随机信号的频域描述为功率谱。
（）（三）简答和计算题1、求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值µ|x|和均⽅根值x rms 。
2、求正弦信号)sin()(0?ω+=t x t x 的均值x µ，均⽅值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、求被截断的余弦函数≥<=T t T t tt x ||0||cos )(0ω的傅⽴叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。
第⼆章测试装置的基本特性（⼀）填空题1、某⼀阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输⼊信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω，幅值=y ，相位=φ。
2、试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
3、为了获得测试信号的频谱，常⽤的信号分析⽅法有、和。
振动测量技术
2. 电测法振动测量系统
干扰
激振
系统
测振传感器
中间变换电 路
信号发生器 功放
振动分析仪器
显示记录
反馈控制
图5.2 振动测量系统的一般组成框图
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。
1. 振幅的测量
振动量的幅值是时间的函数，常用峰值、 峰峰值、有效值和平均绝对值来表示。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有效 = Zrms =
1 T z 2 (t)dt T0
周期的
非周期 的
随机的
平稳的
非平稳 的
简谐振 复杂周期
动
振动
准周期振 瞬态和冲 各态历经 非 各 态 历
动
击
的
经
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和随机振 动两大类。
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。
单点激励就是采用一个激振器，对结构上某 一点进行激励。
多点激励是用两个或两个以上的激振器对被 测物同时进行激励。
激振器 柔性杆 力传感器
信号发生器
功放
加速度计
机械阻 抗
分析仪 电荷放大器
X-Y记录仪
打印机
被测试件
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单由度系统由基础运动引起的受迫振动
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• 质量块绝对运动方程
m
d 2 z0 dt2
c
d dt
( z0
z1) k(z0
z1 )
0
• 质量块相对运动方程
m
d2z01 dt2
c
dz01 dt
kz01
m
d 2 z1 dt2
• 频率响应 幅频特性 相频特性
H(ω) (
ω ωn
)2
1(
ω ωn
)2
2jξωωn
A(ω)
(
ω ωn
)2
1(
ω ωn
)2
2
(2ξωωn
)2
(ω)
arctan
2ξ ωn
1
ω ωn
2
• 小结
当激振频率远小于系统固有频率时 质量块相对基础的振动为0，也就 是质量块几乎随着基础一起振动； 而当激振频率远远高于固有频率时， A(ω)接近1，说明质量块和壳体的 相对运动（输出）和基础的振动 （输入）近似相等。从而表明质量 块在惯性坐标系中几乎处于静止状 态。 这种现象被广泛用于测振仪器中
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振动的测试
• 概述 • 单自由度系统的受迫振动 • 振动的激励 • 激振器 • 振动测量方法和常用传感器 • 振动的分析方法与仪器 • 测振装置的校准 • 机械系统动参数的估计
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振动的测试概述
• 机械的振动是工程技术和日常生活常见的现象 • 振动的危害 • 机械振动的利用 • 振动信号在设备运行状态检测和故障诊断方面
从相频曲线上可看到,不管系 统的阻尼比是多少,在(ω/ ωn)=1时位移始终落后于激振力 90O,这被称为相位共振。
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小结：
⑴在激振频率远小于固有频率时,输出位移随激振频率 的变化非常小；
⑵当激振频率大于固有频率时，输出位移为零,质量块 近于静止；
⑶当激振频率接近固有频率时,系统的响应特性取决于
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振动的测试概述(3)
• 振动测试大致可分为两类
1.测量设备和结构所存在的振动。
2.对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其 振动；此类振动测试的目的是研究设备或结构的力学动态特 性。
提醒注意: 对振动进行测量，有时只需测出被测对象某些点的位移或速 度、加速度和振动 频率。有时则需要对所测的信号作进一步 的分析和处理，如谱分析、相关分析等，进而确定对象的固 有频率、阻尼比、刚度、振型等振动参数。求出被测对象的 频率响应特性，或寻找振源，并为采取有效对策提供依据。
激振器
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• 定义 激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，激起
试件振动的装置。 • 作用
在要求频率范围内提供波形良好、幅值足够和稳定 的交变力 • 常用的激振器 电动式、电磁式、电液式。
电动式激振器
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电动式激振器
• 按其磁场的形成又分为永磁 式（小型激振器）和励磁式 （大型激振器）。
• 振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位
–机械设备的性能分析、运行过程的监测、诊断、对工作环 境的控制等
• 应用实例
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车身模态分析 （多输入多输出）
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在意大利AIENIA测试的机身结构 （8个激振器和896个传感器）
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常见的振动测量系统1
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常见的振动测量系统2
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常见的振动测量系统3
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常见的振动测量系统4
振动的测试
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• 概述 • 单自由度系统的受迫振动 • 振动的激励 • 激振器 • 振动测量方法和常用传感器 • 振动的分析方法与仪器 • 测振装置的校准 • 机械系统动参数的估计
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振动的测试
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• 概述 • 单自由度系统的受迫振动 • 振动的激励 • 激振器 • 振动测量方法和常用传感器 • 振动的分析方法与仪器 • 测振装置的校准 • 机械系统动参数的估计
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9-1 设有单自由度振动系统、其活动质量块为0.44kg，弹簧刚 度为52.5*104N/m，阻尼比ζ=0.068，求此系统的粘性阻尼系数， 固有频率以及质量块受周期力激励下其位移共振频率、速度共 振频率。
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单由度系统质量块受力引起的的受迫振动
运动微分方程
d 2z
dz
m dt 2
c dtHale Waihona Puke kz f (t )
频率响应、幅频特性、相频特性
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位移共振频率、速度共振频率和相位共振
通常把幅频曲线上幅值比最大处 的频率称为位移共振频率ωr ；
位移共振频率随阻尼的减小而 向ωn 靠近。在小阻尼时，ωr很 接近ωn，故常采用ωr 来代替 ωn ；
• 注意 –由顶杆施加到试件上的 激振力不等于线圈受到 的电动力 –一般最好使顶杆通过一 只力传感器去激励试件， 以便精确测出激振力的 大小和相位。
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电动式激振器的应用
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振动信号在设备运行状态检测和 故障诊断方面的应用
机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具 有相同的频率组成。 虽然两者传输方式以及 各自的频率成分之间的强度比例都不一样，但 它们的频谱都在某种程度上反映机器运行状况， 均可作为监测工况、评价运转质量时的测试参 数。
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振动的测试概述(2)
的应用
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振动的危害
振动常常破坏机械的正常工作，振动的动载荷 使机械加快失效，降低机械设备的使用寿命甚 至导致损坏造成事故。在大多数的情况下，机 械振动是有害的。 精密量仪与精密机床设备应隔绝通过基础传 来的振动
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机械振动的利用
主要体现在振动机械上，通过合理设计，达 到能耗少、效率高的特点，如运输、夯实、 捣固、清洗、脱水、时效、破碎等。
9-5 用磁电式速度传感器测频率为30Hz的振动，传感器阻尼比 ζ=0.7，固有频率fn=15Hz，求振幅测量误差是多少？
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脉冲激励-----力锤
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脉冲锤结构与激振力频谱
振动的测试
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• 概述 • 单自由度系统的受迫振动 • 振动的激励 • 激振器 • 振动测量方法和常用传感器 • 振动的分析方法与仪器 • 测振装置的校准 • 机械系统动参数的估计