传感器测试基础第七章 振动测试
对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的 动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。
测试技术基础
第七章 振动测试
机械振动测量方法
按振动信号的转换方式分: 电测法 机械测量法 光测法
机械振动测试系统的一般组成框图
测试技术基础
第七章 振动测试
振动的分类
(1) 从产生振动的方式来分：
c 2 km
(w ) arctg
6 5 4
2 (w / wn ) 1 (w / wn ) 2
0
=0.05 =0.10 =0.15 =0.25 =0.50 =1.00
( w)
=0.05 =0.10 =0.15
A(w)
3 2 1 0 1
-90°
测试技术基础
第七章 振动测试
7.1 概述
小轿车的乘坐舒适性试验框图
测试技术基础
第七章 振动测试
机械振动定义
机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的
运动。
机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复
运动的机械系统，例如单摆。 构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻 尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢 复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼
相频曲线
测试技术基础
第七章 振动测试
(2)由基础运动所引起的受迫振动
m
f(t)
m
f(t)
d 2z m 2 dt
c z(t)
kz
z0(t) k c z1(t)
单自由度系统的基础振动
k
c
dz dt
力作用在质量块上的单自由度系统
测试技术基础 设基础的绝对位移为Z1，质量m的绝对位移为 Z0，则系统的振动可用方程式表示为：
2
3 2 1 0 1
随着的阻尼的增加，共振峰向 原点移动； 当无阻尼时，位移共振频率wr即 为固有频率wn
w / wn
2
3
幅频曲线
当系统的阻尼很小时，位移共振 频率wr接近系统的固有频率wn，可 用作为的估计值。
测试技术基础
第七章 振动测试
不管系统的阻尼率为多少，在w /wr =1时位移始终落后于激 振力90º ，此现象称为相位共振。 利用相频特性来确定固有频率比较准确
m z(t) k c
第七章 振动测试
f(t)
f(t)
d 2z m 2 dt
dz dt
令s=jw，则
z ( jw ) H ( jw ) f ( jw ) 1 mw 2 jcw k 1/ k m c m w 2 j 2w 1 k 2 km k
kz
c
力作用在质量块上的单自由度系统
6 5 4
=0.05 =0.10 =0.15 =0.25 =0.50 =1.00
0
(w)
=0.05 =0.10 =0.15
A(w)
3 2 1 0 1
1
-90°
=0.25 =0.50 =1.00
w /wn
2
2
-180° 3 0
3
1
w /wn
2
3
幅频曲线
▲
自由振动：仅受初始条件(初始位移、初始速度) 激励 而引起的振动； 受迫振动：系统在持续外力激励下的振动。 自激振动：在没有外激励作用的情况下，由系统自身 激发所产生的一种振动
(2)从振动的规律来分
简谐振动 复合周期振动 瞬态振动 随机振动
(3)按系统自由度分
单自由度振动 多自由度振动 连续弹性体振动
2 (w / wn ) 1 (w 25 =0.50
=0.3 =0.5 =0.707
d 2 Z 01 dZ01 d 2 Z1 m c kZ01 m 2 2 dt dt dt
第七章 振动测试
m z0(t) k c z1(t)
单自由度系统的基础振动
拉氏变换并，令s=jw ，得系统的幅频 特性和相频特性
(w / wn ) 1 A(w ) 2 2 k 1 (w / wn ) 4 2 (w / wn ) 2
=0.25 =0.50 =1.00
2
3
-180° 0
1
w / wn
2
3
幅频曲线
相频曲线
测试技术基础 在幅频曲线上幅值最大处的频率称 为位移共振频率
第七章 振动测试
6 5 4
=0.10 =0.15 =0.25 =0.50 =1.00
A(w)
wr wn 1 2
wn k / m 系统的固有频率
c 2 km
1 1 k 1 (w / wn ) 2 j 2 (w / wn )
系统的阻尼率
测试技术基础
A(w ) 1 1 2 2 k 1 (w / wn ) 4 2 (w / wn ) 2
第七章 振动测试
wn k / m
c dz dt
f(t)
f(t)
d 2z m 2 dt
拉氏变换 传递函数为
力作用在质量块上的单自由度系统
ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)
H (s) z ( s) 1 2 f ( s) m s cs k
测试技术基础
H (s) z ( s) 1 2 f ( s) m s cs k
2
2 (w / wn ) (w ) arctg 1 (w / wn ) 2
测试技术基础
第七章 振动测试
(w / wn ) 2 1 A(w ) 2 2 k 1 (w / wn ) 4 2 (w / wn ) 2
(w ) arctg
5 4 3 2 1 0
就是能使系统能量消耗掉的性质。三个基本要素通常
分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。
测试技术基础
第七章 振动测试
产生的物理原因
机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不 均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各 种振动。
振动研究所涉及的问题
测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动 状态，寻找振源；
测试技术基础
第七章 振动测试
7.2 振动的基本知识
(1)单自由度系统的受迫振动
质量m在外力的作用下的运动方程为
d 2z dz m 2 c kz f (t ) dt dt
c—粘性阻尼系数； k——弹簧刚度； ƒ(t)—系统的激振力，即系统的输入； z(t)—系统的输出。
m z(t) k c kz
传感器与测试技术7 振动的测量
在加速度计与被测物之间涂一层硅胶，可改善冲击状
态，有利于高频响应。
Page ▪ 35
7.2 测振传感器
7.2.3 接触式测振传感器的校准 ⑴ 绝对法 拾振器固定在校准用的标准振动台上，由正弦信号发生器
发出标准信号，经功率放大器放大，推动振动台，用激光干涉 振动仪直接测量振动台的振幅，在与被校准拾振器的输出进行 比较，从而确定拾振器的灵敏度。可以同时测量频率响应。
Page ▪ 7
7.1 概述
（3）测振放大器 它将测振传感器转换后的电信号加以放大 ，以便分析设备
的后续分析、处理以及记录显示仪器的记录、显示、绘图等。 常用的测振放大器类型有电荷放大器、电压放大器和调制型放 大器等。
（4）分析设备 主要有频谱分析仪，可分为模拟式和数字式两大类。
（5）记录显示仪器 根据振动测量的不同目的，可将振动测量结果以数据或图
Page ▪ 15
惯性式位移传感器的相频特性
② 速度传感器
7.2 测振传感器
x y0 0
(n)2 1(n)2 242(n)2
动态特性与位移传感器相同
③ 加速度传感器
y0
x0 2
1
2 n
1(n)2 242(n)2
y0
x0
2 n 2
1
1(n)2 242(n)2
质量元件相对壳体的位移与被测振动加速度成正比 。
惯性传感器的质量元件相对于外壳的运动与被测物体的运 动规律一样。
其振幅比与相位差值由传感器的固有频率及阻尼比的大小 来确定。
讨论： ① 位移传感器
n ，0.6~0.7低频只能保证幅值精度，无法保证
《振动测量传感器》课件
国际标准：ISO 10816-1:2017 国家标准：GB/T 13823-2017 行业规范：振动测量传感器技术规范 未来展望：智能化、微型化、高精度化
市场需求：随着工业自动化和智能化的发展，振动测量传感器的市场需求将不断增加
技术进步：随着技术的不断进步，振动测量传感器的性能将不断提高，满足更多应用 场景的需求
软件问题：检查软件设置是否 正确，重新设置或更新软件
硬件问题：检查硬件是否损 坏，更换损坏的硬件
振动测量传感器的 维护与校准
定期检查传感器的连接线是否松动或损坏 定期检查传感器的电源是否正常 定期检查传感器的输出信号是否正常 定期检查传感器的周围环境是否影响其正常工作
确保测量精度：定期校 准可以确保传感器的测 量精度，避免因误差导 致的测量结果不准确。
环境适应性：选择适应测量环境条件的 传感器
成本：选择性价比高的传感器
环境温度：适 宜的温度范围， 避免过高或过
低
湿度：适宜的 湿度范围，避 免过于潮湿或
干燥
振动频率：选 择适合测量频 率范围的传感
器
振动强度：选 择适合测量振 动强度的传感
器
安装位置：选 择合适的安装 位置，避免干
扰和损坏
使用寿命：选 择使用寿命长 的传感器，减
集成式安装：适用于需要与其他设备集 成的场合
定制式安装：适用于特殊场合或特殊需 求的安装
确定安装位置： 选择振动源附 近，避免干扰
源
安装固定：使 用螺丝或胶水 固定传感器，
确保牢固
连接线缆：使 用屏蔽线缆连 接传感器和采 集设备，避免
干扰
调试参数：设 置采样频率、 量程、滤波器 等参数，确保
测量精度
检查传感器的测量范围是否 满足要求，避免测量范围过 大或过小导致测量不准确
《振动测试》实验讲义
实验一 简谐振动幅值测量一、实验目的1.了解振动信号位移、速度、加速度之间的关系。
2.学会用各种传感器测量简谐振动的位移、速度、加速度幅值。
二、实验装置框图简谐振动的位移、速度、加速度幅值测量试验的实验装置与仪器框图见图1-1。
图1-1 实验装置框图三、实验原理在振动测量中，有时往往不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。
振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用位移传感器或速度传感器、加速度传感器来测量。
设振动位移、速度、加速度分别为x 、v 、a ，其幅值分别为X 、V 、A ：x = Bsin (ωt -ψ) （1）v =dtdy =ωBcos (ωt -ψ) （2） )sin(222ψ--==wt B w dtyd a （3）式中：B 一一位移振幅 ω—振动角频率 ψ—初相位X=B （4） V=ωB=2πfB （5）A=ω2B=(2πf)2B （6）振动信号的幅值可根据式（6）中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来测量。
也可利用动态分析仪中的微分、积分功能来测量。
四、实验方法1、安装激振器把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。
2、连接仪器和传感器把加速度传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到电荷放大器的输入端，并将电荷放大器的输出接到数采分析仪的1通道。
3、仪器参数设置打开数采仪器的电源开关，开机进入DAS2003数采分析软件的主界面，设置采样率（2kHz）、量程范围，输入加速度传感器的灵敏度。
打开一个窗口，分别显示三个通道的信号。
4、采集并显示数据调节扫频信号源的输出频率，使梁产生振动。
分别调整电荷放大器为加速度、速度、位移状态，同时在窗口中读取当前振动的最大值（位移、速度、加速度）。
5、计算数据与实验数据比较按公式计算位移、速度或加速度值，并与实验数据比较。
振动测试技术 Chapt2-振动测量传感器
压电式加速度传感器
压电效应模型
■ 纵向压电效应：沿x轴加力，电荷出现在垂直于x轴的表面。 ■ 横向压电效应：沿y 轴加力，电荷仍出现在垂直于x 轴的表面。 ■ 切向压电效应：沿x轴或y轴施加垂直于z轴的剪切力，在垂直于x轴的
晶体表面产生电荷。
压电式加速度传感器
压电式传感器及其等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形 成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压 力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等 而极性相反的电荷，形成电场。压电元件的开 路电压：
1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
电动式速度传感器--相对式速度传感器
特点：
1、可测量频率从零赫兹开始的相对振动量； 2、使用频率上限由接触杆与被测物体表面的接触共
振频率决定，或者由连杆和线圈骨架组成的轴向 固有频率决定； 3、输入与输出之间的相移基本为零； 4、附加质量不大； 5、对被测物体有附加刚度。
F
b)并联
压电式加速度传感器
▪ 压电式加速度计的特性分析
1、力学模型—中心压缩型
m
xr
q
kp
2、机电转换过程
xe 惯性 接收
p 压电
变换
q 物理量 u
转换
mb
xe
振动物体
当传感器跟随物体运动时，惯性接收部分将被测的加速度 xe
接收为 m相对于底座的相对振动位移 ，xr于是压电晶体片
受到
p的动k态xr力，然后由压电正效应变换为作用在晶体
5 0
惯性式传感器
▪ 阻尼对惯性加速度传感器幅频特性的影响
ym02
y1m 2
0.1
0.2
0.5 0.7
振动传感器性能测试及振动测试系统建模与性能分析实验
振动传感器性能测试及振动测试系统建模与性能分析实验一、 实验目的1. 了解各类型振动传感器的工作原理、掌握压阻式加速度传感器的动态校准过程。
2. 掌握正弦、随机振动控制的基本过程，能够根据实际情况合理设计校准过程中的参考谱。
3. 掌握振动传感器的动态校准方法并能计算出振动传感器的各项动态特性指标。
4. 了解振动测试系统的组成，掌握振动测试系统的建模方法5. 对于测试后未达到设计指标的系统，应当能够设计出动态补偿滤波器以补偿系统的动态特性。
二、实验系统组成振动测试系统由两部分组成，一部分是振动控制系统，另外一部分就是远程数据采集、处理系统。
实验系统中，振动控制系统的振动台按照预先设定的参考谱进行振动。
标准传感器和被校传感器感受相同的振动，经过相应的变送器或放大器输出的电压信号送入数据采集系统，实验工作站（包括实验者开发的数据处理软件）通过网络中的服务器获得所采集的数字信号，进行后续的动态校准、建模与性能分析工作，如图1所示。
● ● ● ● ●●实验工作站（数据处理软件）图1 振动测试系统动态校准、建模与性能分析三、实验系统工作原理1、振动控制系统工作原理振动控制系统中的振动台产生动态校准、动态测试所需的标准振动信号。
振动控制系统由振动控制仪、功率放大器、振动台和反馈传感器构成，目的是使振动台按照预先设定的参考谱进行振动。
振动控制仪安装在工控机中，振动控制信号从工控机发出，经过功率放大器对控制信号进行放大，驱动振动台振动。
而振动台的振动情况由安装在台面中心的反馈传感器获取，经过电荷放大器传送至工控机中的振动控制仪，从而形成闭环控制使振动台能够按照设定参考谱进行振动。
在振动台的夹具台面上采用背靠背方式安装标准传感器与被校传感器，这样保证了它们感受的是相同的振动信号，通过采集两个传感器的输出并将其送入实验工作站，参与实验的人员就可以在远程计算机上进行振动传感器的校准、建模及性能分析了。
2 数据采集系统工作原理数据采集系统配有NI公司的数字化仪（PXI－5122），可以实现双通道信号的同步采样。
振动测试-传感器部分 42页PPT文档
（2）W=2Hz，Wn=1Hz，c=0， y0=1.25mm
例2：图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知， 传感器的灵敏度为100（pC/g），电荷放大器的反馈电容C=0.01(F)， 测得输出电压的峰值Uom=0.4(V)，振动频率为100(HZ)。
(1) 求机器振动加速度的最大值A(m/s2);
U Q/Ca
压电元件本身可以等效为电容，因此，加速度计既可以 看作一个电压源，虑到实际使用的测量电路，等效电路为
Ca加速度计电容，Cc电缆分布电容，Ci放大器输入电容
4.2 压电式加速度传感器 测量电路
压电传感器的测量系统
前置放大器的作用： 一是放大压电元件的微弱信号； 二是高阻抗输入变为低阻抗输出。
安装表面
激振平台
4.3 磁电式速度传感器
磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电 势输出的传感器。 对恒磁通磁电式传感器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势 是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产 生。这类结构有两种：
（a）动圈式； 常用的是动圈式。
（b）动铁式
第四节 测振传感器
分类：接触式和非接触式
接触式：按壳体的固定方式分为
相对式：壳体固定在基础上，测杆和被测对象相联，敏感被测对象相对 于基座的振动；
绝对式：壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体感受振动，又称 为惯性式测振传感器；
振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度这些振动量的检测，
温度误差：温度变化引起B、L、R都会变化，使灵敏 度下降。
4.4 电涡流测振传感器
4.5 激光测振仪
迈 克 尔 逊 干 涉 仪
当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动
测试习题集-第七章振动测试
测试习题集-第七章振动测试第七章振动测试一、填空题1 振弦式传感器是以作为敏感元件，其与其的大小，因而弦的能表征的大小。
2 振弦式传感器中，将待测力作用在，改变弦的大小，因而弦的变化能表征的大小。
3 振弦式传感器主要由、、、、等组成。
4 振弦式传感器中，待测力通过改变弦的张紧力。
激励器供给弦使弦。
拾振器将弦的转换成的电信号输出。
振弦把的变化转换成的变化。
5 振弦式传感器中，激励振弦自由振动的方式有和两种。
6 振弦式传感器的间歇激励中，只有和，既作为，又作为。
7 采用电流法连续激励的振弦式传感器中，传感器与组成振荡器。
作为振荡器的正反馈网络。
8 采用电磁法连续激励的振弦式传感器中有两套线圈和永久磁铁，一个作，一个作。
9 振筒式压力传感器结构上主要有、、、。
10 振筒压力传感器中，激励线圈和拾振线圈通过耦合，与和反馈网络组成一个以为谐振频率的系统。
11 振筒式压力传感器中，若让它的振动频率越高，器振也越。
因而，通常振筒总是在它下振动。
12 振筒式传感器中振筒振动起来后，由于振筒是磁路中的一部分，它的振动改变了磁路中的大小，引起的变化，在拾振线圈中产生。
13 振筒式压力传感器中，在振筒材料、尺寸一定情况下，只与振筒刚度有关，而这时的刚度只与筒壁有关。
故与成单值函数关系，这时测量的变化，即可确定筒内的。
14 振筒式传感器中的振筒换成，激励器和拾振器放在，就成为振管式传感器，用于测量。
当振管振动时，随之振动，当发生变化时，系统发生变化，即可确定。
15 普通振膜式传感器是由、、、组成，其中的、拾振器和，再加上组成振荡系统。
16 振膜式传感器中，压力膜片受力，使压力膜片支架上固定着的支撑支架张角改变，振膜发生变化，因而振膜的发生变化。
17 将普通振膜式传感器中的取消，用代替和，并直接固定在上，就成为压电陶瓷振膜式传感器。
二、判断题1 的惯性拾振器，其幅频特性曲线会出现“共振峰”。
2 用接触式拾振器测振时，须考虑拾振器质量对被测件运动加速度和固有频率的影响。
测试技术 7 振动的测量
基 础 振 动 的 相 频 曲 线
-
1.5 n
2
2.5
3
2 / n arctan 2 1 / n
振动的基础知识
比较质量块运动
f (t)
f (t)
m
d 2 y (t ) m dt 2
k
c
y(t) ky(t)
c dyd(tt )
d 2 y(t ) d y(t ) m c k y(t ) f (t ) 2 dt dt
f
x(t)
振动的基础知识
振动信号三要素：
1） 幅值 amplitude 振动体离开其平衡位臵的最大位移。
2） 频率 frequency 周期的倒数。 频谱分析 频率成分及其幅值大小 线性系统频率保 持特性寻找振源 3） 相位 phase 确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控 制等
振动的基础知识
振动测量传感器 按参考坐标分：
• 相对式传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物 体上的某点对参考点的相对振动。 • 绝对式传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基 准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式 传感器。
振动测量传感器 7.2.2 涡流式位移传感器 (eddy-current displacement sensor)
不同材质对灵敏度的影响
U /-v 20 18
16
14 12 10 8 6 4 2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 钢 铝 铜 d /mm
振动测量传感器
涡流传感器检测透平叶片根裂纹示意图
振动测量传感器 7.2.3 磁电式速度传感器 (Magnetoelectric Velocity Sensor)
《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-传感器部分 42页PPT文档
压电式加速度计常用的安装方法：安装状态直接影响可测的频率范围 。一般用
粘结法固定的可测频率不超过5kHz。手持探针法只能用于1Hz以下的近似测量。
4.2 压电式加速度传感器
用螺栓固定是最好的方法，尤其适用于测冲击波及高频振动。
4.2 压电式加速度传感器
压电式阻抗头的结构和安装
安装表面
激振平台
4.3 磁电式速度传感器
磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电 势输出的传感器。 对恒磁通磁电式传感器而言，工作气隙中的磁通恒定，感应电势 是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产 生。这类结构有两种：
（a）动圈式； 常用的是动圈式。
（b）动铁式
加速度传感器幅频特性的表达式 :
/n
1 3
A() 1 n2
常数，n很高，可达20kHz
1. 惯性式加速度传感器的最大优点是它具有零频 率持性, 理论下限测量频率为零，实际下限测量 频率极低。
2. 为使n远大于被测振动频率，加速度传感器的 尺寸、质量可做得很小（小于1g），从而对被
际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频 响等条件的限制，不能太高。
下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重
量等因素的限制，使n不能太小。
因此位移传感器的频率范围是有限的。
（三）惯性式加速度传感器的响应条件
惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm与被 测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位 移来反映被测振动的加速度大小。
U Q/Ca
压电元件本身可以等效为电容，因此，加速度计既可以 看作一个电压源，也可以看作一个电荷源。
4.2 压电式加速度传感器 考虑到实际使用的测量电路，等效电路为