用激光测振仪测量螺丝机振动位移情况
激光振动测试仪在振动测试教学中的应用
Advances in Education教育进展, 2019, 9(6), 650-659Published Online November 2019 in Hans. /journal/aehttps:///10.12677/ae.2019.96106Application of Laser VibrationInstrument in Vibration TestTeachingShuyong Liu1, Yongbao Liu1, Jinfang Lu2, Kai Chai3*, Pan Su11College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei2College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha Hunan3College of Naval Architecture and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Oct. 3rd, 2019; accepted: Oct. 17th, 2019; published: Oct. 24th, 2019AbstractThe application of a novel laser vibration tester in vibration monitoring experimental teaching is discussed. Firstly, the main characteristics and use occasions of the instrument are analyzed. Se-condly, the experimental bench and experimental steps are designed. Thirdly, the different para-meters under the condition of the test results are compared. Then, the time domain curve and the frequency domain characteristic curve of the vibrating body are obtained. Finally, the factors af-fecting the test results and the precautions are discussed, which lays a foundation for the applica-tion of laser vibration tester in engineering practice.KeywordsLaser Vibration Instrument, Vibration Monitoring, Experimental Teaching激光振动测试仪在振动测试教学中的应用刘树勇1，刘永葆1，卢锦芳2，柴凯3*，苏攀11海军工程大学，动力工程学院，湖北武汉2湖南大学，土木工程学院，湖南长沙3海军工程大学，舰船与海洋学院，湖北武汉收稿日期：2019年10月3日；录用日期：2019年10月17日；发布日期：2019年10月24日*通讯作者。
激光测振方法在振动试验中的应用
激光测振方法在振动试验中的应用摘要激光测振技术因为采用非接触式测量的方式，其测量结果准确度高，受到越来越广泛的关注和认可，具有良好的应用前景。
本文对激光测振技术进行介绍，并采用激光测振系统进行标准梁的振动测量实验，实验结果证明激光测振比原有的应用传感器测振准确度更高，尤其对轻薄结构的测量不存在质量和刚度上的质量附加问题。
关键词激光；振动；测量；振动试验；标准梁振动对机械设备等带来的负面影响不容忽视，不但对设备以及部件等的精度造成影响，而且其所带来的振动荷载也加大了机械设备的损耗，直接影响其使用的寿命。
因此，如何对振动进行测量，并采用恰当的措施将其有效的降低，是行业中普遍关注的问题。
传统的传感器测振方法需要将加速度传感器附着在被测试物体上，但是这种测试方法对于轻薄结构的测量存在质量和刚度上的附加问题，对测量结果的准确性产生影响。
激光测振技术是利用了激光多普勒效应，对于被测物体的结构表面不需要预先进行打孔或者打磨的处理，对安装控件也没有限制性要求，这就解决了传感器附加作用的影响。
激光测振以非接触的测量操作，高度的测量准确性，赢得了行业内的认可，受到了广泛的推广。
1 激光测振的常用方法关于测振主要分为两个方面，一方面是对设备和结构本身所具有的振动进行测量，另一方面是对设备和结构在外界某种激励的作用下而产生的振动测量。
随着光学技术和电子技术的发展，激光测振作为光电检测中的一种重要检测方法，改变了传统传感器接触式测量所带来的附加干扰问题，以非接触式的振动测量方法得到更加准确、实时的测量结果。
从目前激光测振的方法来看，以下面三种方法为主：1）激光干涉法。
此种方法以激光本身所具有的干涉特性为基础，利用激光波长作为主要参数，进行元件的测振。
激光干涉测量法在光电测量领域应用广泛，在非接触式振动检测方法中占有重要地位。
但是这种测量系统中大部分光路是由各种玻璃光学元件分立构成，在元件的安装和调试方面都要求极高的精度，而且结构相对要复杂的多，其系统的设置也受多方面条件的限制，缺少灵活性；2）激光散斑法。
激光测振仪的使用方法
激光测振仪的使用方法：
1.前期准备：确认被测物的振动频率和振幅，选择合适的测振仪和传感器，并选择适
当的测试环境和位置，确保不受外部干扰。
同时，正确连接设备，保证传感器与激光测振仪的信号连接正确，并打开激光测振仪进行预热，以确保仪器的工作状态稳定。
2.设置测量参数：在操作过程中，需要设置测量参数，包括振动频率范围和采样率等。
3.安装和校准传感器：根据具体的测量需求，选择合适的传感器并安装在被测物上，
尽量使传感器与被测物保持稳定。
同时，还需要校准传感器，包括灵敏度和基准值等。
4.启动测量：在确保所有设备就绪后，启动测量。
观察数据并进行数据处理和分析。
振动测量与螺栓紧固
振动位移、速度和加速度之间的关系
振动位移具体地反映了振动幅度的大小，振动速度
反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大 小。
在低频范围内，振动强度与位移成正比； 在中频范围内，振动强度与速度成正比； 在高频范围内，振动强度与加速度成正比。
的对称轴线紧固，然后按米字形紧固。
1.4 如果螺栓成方形分布，有两个对称轴线时，先紧固两个
对称轴线，然后紧固两个对角线螺栓。如：八孔法兰螺栓的 紧固。
1.5 紧固时一定注意不能超力矩使用螺栓，如果不清楚力矩
大小，请查看说明书力矩要求。
螺栓的紧固
• 2.0螺栓安装前的检查 • 2.1检查螺栓丝扣，丝扣旋和不顺畅不能使用。 • 2.2检查螺栓的外表面，如果有裂纹或其他缺陷也不
振动测量
• 3 振动加速度：加速度则反映设备内部各种力的综合 作用.现场应用上,对于低速设备(转速小于100RPM)来 说,位移是最好的测量方法.
• 而那些加速度很小，其位移较大的设备,一般采用速度 测量,对于高速度或高频设备,有时尽管位移很小,速度 也适中,但其加速度却可能很高的设备采用加速度测量 是非常重要的手段。
振动位移、速度和加速度之间的关系
由于上述原因，在通常情况下，大机组转子的振动
用振动位移的峰值[μm]表示，用装在轴承上的非接 触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大 机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度 的有效值[mm/s]表示，用装在机器壳体上的磁电式 速度传感器或压电式加速度传感器来测量；齿轮的 振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感 器来测量。
5.4 止动垫圈、六角螺母防松：拧紧螺母后，将垫圈的耳边弯折， 使其与零件及螺母的侧面贴紧。
激光高速振动测量传感器
激光高速振动位移测量传感器1．基本原理与特点cccgggjjj@激光高速振动位移测量是以激光为媒介、以干涉测量为基本工作原理的非接触测量技术。
具有测试灵敏度和准确度高等特点，激光干涉测量基本原理如图1所示。
图1 激光干涉测量基本原理从传感器S 处发出的频率为f 、波长为λ的稳频激光束E 1投射到被测物体H 表面上，经H 反射后反射后返回S 介绍，反射光波的复振幅记为E 2。
其中：式中：A1和A2分别为光波的振幅；σ1和σ2分别是光波的位相；当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅E 为：光强分布I 为：式(4)的四项中前三项均为高频分量，只有第四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。
第四项的含义是σ2表示被测物体表面反射光相位，σ1表示发射参考光的相位，σ2-σ1的表示了二者之间的纵向相对位移的变化量。
因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等，从而得到被测物体振动速度、位移等测量参数。
激光高速振动位移测量采用的是非接触式测量方法，具有广泛的应用价值。
常用的测振技术是接触式测量，例如在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。
如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。
而激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光振动测量技术在测量各种精密测量、微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面具有显著的优势。
激光高速振动位移测量的主要缺点是对光路要求较高，空气中的粉尘等可影响光路稳定从而影响测量精度；位移测量近对纵向位移敏感，需要测量3维振动时需要3个正交的传感器组合；此外受被测体表面情况影响较大，往往需要贴平整的反光标志。
2．主要指标激光高速振动位移测量传感器主要指标是：测量精度：优于0.5mm光电响应频率：DC—20MHz作用距离： 1-3m输出接口：采用RS422的同步串口测量更新率：1-50KHz同步测量模式：外脉冲同步测量/自主周期测量3．初步方案与关键技术3.1初步方案采用LD、APD光敏感器、高速A/D和DSP等，构成全数字式的激光高速振动测量传感器。
设备振动测量方法分析
测振传感器的选择及应用
按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器； 按参考坐标分：相对式传感器、绝对式传感器； 按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电
容式、电涡流式、光学式；
按与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器
测振传感器的选择及应用
按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为： 接触式和非接触式 按所测的振动性质可将拾振器分为： 绝对式和相对式
测振传感器的合理选择
在振动测量时，传感器选择时应合理选择测量参数，力 图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得：
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。
第一项为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三
项以下总称为高次谐波振动。
2013年10月8日
振动的基础知识
合成振动为周期性非简谐振动 x A sin t A sin t 1 1 2 2
振幅变化的频率等于 ( 1 2)
振幅的数值在 A1 + A2 到A1 - A2 间变化
A1 A1+A2
A2
A1-A2
1
2
3
4
2013年10月8日
振动的基础知识 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。其运 动规律可用简谐函数表示为
位移
2 π yA sin( t ) T A sin ( 2 π f t )
振动与冲击传感器激光测振仪校准
振动与冲击传感器激光测振仪校准1范围本部分规定了通常在0.4Hz~50kHz频率范围内对直线运动激光测振仪进行绝对法和比较法校准所用的仪器和程序。
本部分不仅规定了在认可或非认可校准实验室对激光测振仪或机械振动传感器进行校准所需的标准激光测振仪，而且明确了使用标准激光测振仪对激光测振仪进行绝对校准，或者使用经激光干涉法校准过的参考传感器对激光测振仪进行比较校准的方法和程序。
若将激光测振仪设计成检测直线运动量（位移或速度），并将其转化为一定比例（即时域相关）电信号输出的激光光学传感器，不论它们是否含有指示仪表，均可按照本部分进行校准。
标准激光测振仪通常输出数字信号，激光测振仪通常输出模拟信号。
激光测振仪的输出信号或读数可以是振幅，有时也包含运动量（包括加速度）的相移。
本部分明确规定了复灵敏度模的校准（相位校准见附录D）。
注：激光测振仪能够测量频率范围在兆赫兹级、吉赫兹级的振动。
到目前为止，还没有振动发生设备能产生这样高的频率。
在满足如下前提的条件下，这一类激光测振仪的校准可以用电校准信号处理子系统的方法来评估，信号处理子系统输入相应的合成多普勒信号：——被校激光测振仪的光学子系统满足5.5.3给出的要求。
——合成多普勒信号等效替代光电探测器的输出信号。
该方法（见参考文献[25]）更详细的说明不属于本部分内容。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 20485.1-2008 振动与冲击传感器的校准方法第1部分：基本概念（ISO 16063-1:1998，IDT）GB/T 20485.11-2006 振动与冲击传感器的校准方法第11部分：激光干涉法振动绝对校准(ISO 16063-11:1999, IDT）ISO 266 声学优选频率（Acoustics — Preferred frequencies）ISO 5348 机械振动与冲击加速度计的机械安装（Mechanical vibration and shock —Mechanical mounting of accelerometers）ISO/IEC指南99 国际计量学词汇基本和通用概念及相关术语（Guide 99, International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM)）3激光测振仪的分类及测试原理3.1 激光测振仪的分类3.1.1标准激光测振仪Laser Vibrometer Standard（LVS）包含一台激光干涉仪，用于校准激光测振仪和/或振动传感器的参考标准。
测振仪现场测量方法
测振仪现场实际使用方法1、我公司为各车间配发测振仪如下图：2、使用前进行进行检查，按住测量按钮键点亮屏幕，调整测量单位选择开关，使屏幕上三角箭头指向mm/s。
3、开始进行现场测量，将测振仪探头粘到如图所示位置，拇指按住测量按钮，待显示屏上数字稳定后读出联轴端水平方向振动值。
上数字稳定后读出联轴端垂直方向振动值。
上数字稳定后读出联轴端轴向振动值。
上数字稳定后读出非联轴端水平方向振动值。
上数字稳定后读出非联轴端垂直方向振动值。
注意事项（取下探头时一定要注意的）：其余各类泵测量点按下面所述标准执行（辅助点“3”可不进行测量）每个测点都要在三个互相垂直的方向（水平、垂直、轴向）进行振动测量。
典型泵测点位置的选择如图1~图10所示，对未涉及到的类型可参照这10个图例确定其测点位置。
图1为单级或两级悬臂泵，主要测点选在悬架（或托架）轴承座部位，标号是“1，2”。
辅助测点是标号“3”的泵脚处（对没有泵脚的选在底座处）。
图2为双吸离心泵（包括各种单级、两级两端支承式离心泵），主要测点选在两端轴承座处，标号是“1，2”。
辅助测点在靠近联轴器侧面的底座处，标号是“3”。
图3为多级离心泵（包括双壳体多级泵），两个主要测点在两端轴承座上，标号是“1，2”，辅助测点在靠近进出口法兰及泵脚上，标号是“3”。
没有泵脚的泵，辅助测点在底座上。
图4为齿轮泵、滑片泵、卧式螺杆泵，主要测点标号是“1，2”，辅助测点标号是“3”。
图5是液力偶合器，主要测点选在输入和输出轴承座上，标号“1，2”，辅助测点选在底座处，标号是“3”。
图6是立式离心泵，分为以下三种：——立式多级泵，主要测点选在泵与支架联接处，标号是“1”，辅助测点在出口法兰处和地脚处，标号是“2，3”；——立式船用离心泵，主要测点选在泵与支架联接处，标号是“1”，辅助测点在出口法兰处和支承地脚处，标号是“2，3”；——立式离心吊泵、主要测点标号是“1”，辅助测点标号是“2，3”。
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螺丝机高速运行检测
对螺丝机高速运行实际情况进行检测。
一、基本情况说明
1、检测设备：Polytec DMS 振动测试仪
2、检测对象及工况：螺丝机X轴高速运行。
3、运行参数设置：X轴空移起步速度40mm/s；X轴空移加速度1100mm/s2；X轴空移速度1500mm/s。
4、参数设置依据：调整X轴起步速度及加速度达到多次运行不卡死为准。
二、检测情况及分析如下：
1、振幅检测：主要对X轴机架、X轴滑块、螺丝批下端等三处位置进行振幅检测。
具体位置如下图。
当滑块以高速运行，检测X轴机架振幅情况如下图。
根据图知，X轴机架振幅为0.36mm。
该振动产生于滑块即将到达和离开左右定点位置。
当滑块以高速运行，检测X轴滑块振幅情况如下图。
根据图知，X轴滑块振幅为0.4mm。
当滑块以高速运行，检测螺丝批下端振幅情况如下图。
根据图知，X轴滑块振幅为0.44mm。
结论：当滑块在X轴高速运行时，由滑块加速度引起惯性力导致机架振动，整体振幅为0.3-0.44mm范围内。
2、滑块速度、加速度、重复位移检测：
（1）当滑块高速运行时，滑块的速度曲线图如下。
从速度曲线中知，滑块在运行过程中速度只有加速和减速的过程，没有匀速的过
程，速度最大值约790mm/s；每次速度到达指定位置后都会产生震荡速度。
（2）当滑块高速运行时，滑块的加速度曲线图如下。
从加速曲线图中出现在加速过程中反方向震荡量，初步认为是滑动过程中瞬间阻力引起的。
（3）当滑块高速运行时，滑块的位移曲线图如下。
从位移曲线图可知，滑块在往复运动中，多次位移发生偏移，检测中最大位移偏
移为3mm。
综上所述，滑块在高速滑动过程中，瞬间阻力大小不一，导致滑块在滑动过程中速度线性差，加速度跳动大，同时阻力使得滑块卡顿，进而造成重复定位误差较大。