振动和振动测试的基本知识讲义
振动和振动测试的基础知识共49页文档
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
振动和振动测试的基础知识
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
Байду номын сангаас
2第1章振动测试的基本知识
相对测试，故需良好隔振。
电测法 — 是瞬态、冲击和随机振动等复
杂参数的唯一测试手段。
绝对式 — 选惯性空间（大地）作
振动测试参考坐标
测量时的参考坐标
相对式 — 选空间动点或不动点作
测量时的参考坐标
? 机械法：杠杆（相 对式接触式）或惯 性原理（绝对式接 触式）接收并记录 振动的方法。
测量范围： 频率范围： 供电电源： 体积： 灵敏度： 价格： 测试环境： 例：
只能通过振动测试测出。
可测得周期 Td ?
fd
?
1 Td
? =ln Ai = 1 ln A1
Ai?1 i Ai?1
?
n? Td
? ? n = 1 ln A1 ? 2? i Ai?1
1.2.3 复杂周期振动的测试参数
x(t) ? x(t ? kT)
? 1 ? 2? / T
用Ｆｏｕｒｅｒ级数展开：
?
解得x(t) ? Ae? nt sin( pn2 ? n2t ? ? ? ? Ae?nt sin(Pdt ? ? ? ? Ae?nt sin(2?fdt ? ? ?
A–位移振幅， C–阻尼系数， n–衰减系数 (2 n ? c / m)
Pn–无阻尼时固有频率（ Pn ?
k）
m
衰减系数或阻尼系数是一个重要特征值，且
?
2
c0 ? a 0
cn ?
a
2 n
?
bn2
?
n
?
arctg
bn an
c差
ω1 —基频
1.2.4 准周期振动的测试参数
两个或两个以上的无关联的周期性振动的（各 频率之比不为有理数）混合，称为准周期 性振动。
振动和振动测试的基础知识概述
频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅
里叶算法（FFT）。
频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计
算机上用软件来完成。
频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障 诊断的有力工具。
各种振动的频谱图
名称 波 形 频 谱
时间域
FFT IFFT
频率域
系统对激励的响应
激 励
初始激励
响 应
(机械)系统
自由振动
单自由度系统的自由振动
自由振动的频率等于系统的固有频率。
振幅大小决定于初始条件（初始位移和初始 速度）。 系统的阻尼大，振幅衰减快；阻尼小，振幅 衰减慢。
阻尼系数 = 1 称为临界阻尼。
由自由振动确定固有频率和阻尼
1 阻尼固有频率 f d Td
无阻尼固有频率 f n
fd
1 - 2
系统的自由振动为各阶自由振动的叠加。振动一 般不再是简谐的。
各阶自由振动所占成分的大小，决定于初始条件。 各阶自由振动衰减的快慢，决定于该阶的阻尼。 阻尼大，衰减快；阻尼小，衰减慢。
在衰减过程中，各阶的振型保持不变，即节点位 置不变。
单自由度系统的强迫振动
振动的频率等于激励的频率。
振幅大小与激励的大小成正比。
晶体片 三角柱 预压簧片
预紧环
质量块
晶体片
出线口
出线口
底座
三角剪切型
中心压缩型
涡流位移传感器
不接触测量，特别适合测
量转轴和其他小型对象的 相对位移。
有零频率响应，可测静态 位移和轴承油膜厚度。
又称平均值或直流分量。
振动振动测试基础知识
初相角 (Initial phase)
描述振动在起始瞬间的状态。
振动位移、速度、加速度之间的关系 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
x
v
vx
a
振动位移
a
位移、速度、加速度都是同
xAs i nt
频率的简谐波。
速度)
vdxAsin t()
dt
2
加速度
三者的幅值相应为A、A、 A 2。
相位关系：加速度领先速度
均值 (Mean value)
又称平均值或直流分量。
x 1
T
x dt
T0
有效值
xrms
1 T x2 dt T0
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
简谐振动的幅值参数
平均绝对值
正峰值
有效值
峰峰值
平均值
负峰值
各幅值参数是常数，彼此间有确定关系
峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A
平均绝对值 xav=0.637A
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
旋转机械的振动图示 (变转速)
轴心轨迹阵 波德图与极坐标图 (Bode & Polar Plot)
升（降）速时，基频幅值和相位的变化
三维频谱图 (Cascade) 坎贝尔图 (Campber)
各转速下的频谱图的另一种表示
轴心位置
判定轴颈静态工作点和油膜厚度
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
振动相位与转子转角的关系
振动信号
参考脉冲
从参考脉冲到第一个正峰值的转角 定义振动相位。
振动相位与转子的转动角度一一对应。在平衡和故障 诊断中有重要作用。
最新振动和振动测试的基本知识讲义
本章内容
简谐振动三要素 振动的时域参数 频谱分析 振动测量的框图 传感器的选用 涡流位移传感器 磁电速度传感器 压电加速度传感器
旋转机械振动测量的 几个特殊问题 相位的测量 基频检测 波德图和极坐标图 三维频谱图 轴心轨迹图 轴心位置图 振摆信号来源及其补偿
振动的时域参数
发生了油膜振荡。
监测轴心位置有助于发 现机器的故障。
振摆信号及其来源
摆振信号是周期信 号，以轴的转速频 率为基频。在机器 慢速转动时测得。
Hale Waihona Puke 机械方面的原因：不同心度
基频型
永久性弯曲 基频型
椭圆度
2X基频型
不圆及其他缺陷
基频及非基频型
电磁方面的原因： 剩磁 基频及非基频型 轴材质不均匀
基频及非基频型
残余应力：
波德图和极坐标图的绘制
基频检测是跟踪转速的滤波，得到基频的幅值和相位。 基频检测可用专用仪器实现，也可以用通用计算机完成。
波德图和极坐标图
波德图(Bode Plot)和极坐标图(Polar Plot)两者所含信息相同， 都表示基频振动的幅值和相位随机器转速的变化规律。
三维频谱图 Cascade
振动测试的框图
状态监测情况下，无需激励环节。
A/D变换+计算机+外设
分析和检测可以用计算机及其外部设备来完成。
磁电速度传感器
接收形式：惯性式 变换形式：磁电效应 典型频率范围：10Hz~1000Hz 典型线性范围：0~2mm 典型灵敏度 ：20mV/mm/s
测量非转动部件的绝 对振动的速度。
不适于测量瞬态振动 和很快的变速过程。
三维频谱图是 频谱的集合。
振动的测试专题知识讲座
第5章 第1节 振动测试基础
三、振动对象旳理论模型
1、单自由度振动系统 一种单自由振动系统能够抽象为一种二阶系统，其幅频、相 频特征曲线为：
2024/10/4
第5章 第1节 振动测试基础
三、振动对象旳理论模型
2、多自由度振动系统 对复杂旳多自由度振动系统能够看成是多种单自由度振动
第5章 第2节 振动旳鼓励
二、激振器
1、电动式激振器 电动式激振器旳构造如下图所示。它由弹簧﹑壳体﹑磁钢﹑ 顶杆﹑磁极板﹑铁芯和驱动线圈等元件构成。驱动线圈和顶杆 相固连，并由弹簧支撑在壳体上，使驱动线圈恰好位于磁极所 形成旳高磁通密度旳气隙中。当驱动线圈有交变电流经过时， 线圈受电动力旳作用，力经过顶杆传给试件，即为所需旳激振 力。
脉冲连续时间τ。τ取决于锤端旳材料，材料越硬τ越小，则频
率范围越大。 ③阶跃激振 阶跃激振旳激振力来自一根刚度大﹑重量轻旳弦。试验时，
在激振点处，由力传感器将弦旳张力施加在试件上，使之产生 初始变形，然后忽然切断张力弦，所以相当于对试件施加一种 负旳阶跃激振力。阶跃激振属于宽带激振，在建筑构造旳振动 测试中被普遍应用。
2024/10/4
第5章 第2节 振动旳鼓励
二、激振器
激振器是对试件施加激振力，激起试件振动旳装置。激振器 应该在一定频率范围内提供波形良好﹑幅值足够旳交变力。某 些情况下需要施加一定旳稳定力作为预加载荷。另外，激振器 应尽量体积小﹑重量轻。
常用旳激振器有电动式、电磁式和电液式三种。
2024/10/4
二、激振器
2、电磁式激振器
2024/10/4
第5章 第2节 振动旳鼓励
二、激振器
2、电磁式激振器 电磁式激振器使用 时要注意旳两个问题： （1）电磁式激振器 要想正常工作，则必 须加上直流电流（直 流分量）。 （2）应选择： B0>>B1，以此来减 小二次谐波分量旳影 响。
振动测试必须知道的27个基本常识
振动测试必须知道的27个基本常识振动测试必须知道的常识1、什么是振动振动是机械系统中运动量（位移，速度和加速度）的振荡现象。
2、振动实验的目的振动试验的目的是模拟一连串振动现象，测试产品在寿命周期中，是否能承受运输或使用过程的振动环境的考验，也能确定产品设计和功能的要求标准。
振动试验的精义在于确认产品的可靠性及提前将不良品在出厂前筛检出来，并评估其不良品的失效分析使其成为高水平，高可靠性的产品。
3、振动分几种振动分确定性振动和随机振动两种。
4、什么是正弦振动能用一项正弦函数表达式表达其运动规律的周期运动。
例如凡是旋转、脉动、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。
5、正弦振动的目的正弦振动试验的目的是在试验室内模拟电工电子产品在运输、储存、使用过程中所遭受的振动及其影响，并考核其适应性。
6、正弦振动的试验条件正弦振动试验的验条件（严酷等级）由振动频率范围、振动量、试验持续时间（次数）共同确定。
7、什么是振动频率范围振动频率范围表示振动试验由某个频率点到某个频率点进行往复扫频。
例如：试验频率范围5-50Hz，表示由5Hz到50Hz进行往复扫频。
8、什么是频率频率：每秒振动的次数.单位：Hz。
9、什么是振动量振动量:通常通过加速度、速度和位移来表示。
加速度：表示速度对时间倒数的矢量。
加速度单位:g或m/s2速度：在数值上等于单位时间内通过的路程位移：表示物体相对于某参考系位置变化的矢量。
位移单位:mm10、什么是试验持续时间振动时间表示整个试验所需时间,次数表示整个试验所需扫频循环次数。
11、什么是扫频循环扫频循环：在规定的频率范围内往返扫描一次：例如：5Hz→50Hz→5Hz,从5Hz扫描到50Hz后再扫描到5Hz。
12、什么是重力加速度重力加速度：物体在地球表面由于重力作用所产生的加速度。
1gn=10m/s2（GB/T 2422-1995 电工电子产品环境试验术语）13、扫描方式分几种线性扫描：是线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。
振动测试必须知道的27个基本常识
振动测试必须知道的27个基本常识振动测试必须知道的常识1、什么是振动振动是机械系统中运动量（位移，速度和加速度）的振荡现象。
2、振动实验的目的振动试验的目的是模拟一连串振动现象，测试产品在寿命周期中，是否能承受运输或使用过程的振动环境的考验，也能确定产品设计和功能的要求标准。
振动试验的精义在于确认产品的可靠性及提前将不良品在出厂前筛检出来，并评估其不良品的失效分析使其成为高水平，高可靠性的产品。
3、振动分几种振动分确定性振动和随机振动两种。
4、什么是正弦振动能用一项正弦函数表达式表达其运动规律的周期运动。
例如凡是旋转、脉动、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。
5、正弦振动的目的正弦振动试验的目的是在试验室内模拟电工电子产品在运输、储存、使用过程中所遭受的振动及其影响，并考核其适应性。
6、正弦振动的试验条件正弦振动试验的验条件（严酷等级）由振动频率范围、振动量、试验持续时间（次数）共同确定。
7、什么是振动频率范围振动频率范围表示振动试验由某个频率点到某个频率点进行往复扫频。
例如：试验频率范围5-50Hz，表示由5Hz到50Hz进行往复扫频。
8、什么是频率频率：每秒振动的次数.单位：Hz。
9、什么是振动量振动量:通常通过加速度、速度和位移来表示。
加速度：表示速度对时间倒数的矢量。
加速度单位:g或m/s2速度：在数值上等于单位时间内通过的路程位移：表示物体相对于某参考系位置变化的矢量。
位移单位:mm10、什么是试验持续时间振动时间表示整个试验所需时间,次数表示整个试验所需扫频循环次数。
11、什么是扫频循环扫频循环：在规定的频率范围内往返扫描一次：例如：5Hz→50Hz→5Hz,从5Hz扫描到50Hz后再扫描到5Hz。
12、什么是重力加速度重力加速度：物体在地球表面由于重力作用所产生的加速度。
1gn=10m/s2（GB/T 2422-1995 电工电子产品环境试验术语）13、扫描方式分几种线性扫描：是线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。
《振动测试实验》讲义摘录
《振动测试实验》讲义摘录《振动测试实验》课的学习内容常用振动测试设备的原理及使用。
振动测试系统的选择、安装与使用。
振动信号的数据采集、分析处理的理论与实践。
动态信号分析仪的原理与使用。
模态试验的基本理论、试验方法与试验过程。
目标与要求了解振动测试的目的和意义。
了解振动测试的基本手段和方法。
掌握基本的振动测试技术。
振动测试与动态分析包括三个部分振动测量与数据采集，动态信号分析，机械或结构动态特性测试。
1、振动测量与数据采集机械或结构振动的位移、速度、加速度；冲击的加速度；噪声的声压和声强…等等，这些物理量是随时间变化的，称之为动态信号，对其测量称之为动态测量。
振动测量属于动态测量范围。
动态测量是指由传感器测得这些非电物理量并转为电信号，然后经过放大、滤波等适调环节，对信号作适当调节，对测量结果进行显示、记录的全过程。
工程中的物理量都是随时间连续变化的，相应的连续时间信号称为模拟信号。
将连续时间信号转换为离散数字信号的过程称为数据采集。
2、动态信号分析对于振动、冲击等快变物理量，数据采集得到的时间历程信号尚不足以描述其特征，而有效值、峰值等参数反映的信息量又太少。
因此，对所测得的动态信号往往需要进行分析，即动态信号分析。
通过动态信号分析，获得更多的能够较详尽反映物理特征的各项参数。
如频率响应函数、功率谱密度函数、相关函数等等。
3、机械或结构动态特性测试实际测量、分析的物理量，往往是被试对象在一定运行环境中受到某种激励的动态响应，前者是输入后者是输出。
由于线性系统的输入、输出之间存在简单的因果关系，因此可以通过对被试系统输入、输出物理量的测量和分析来确定系统的动态特性，这就是动态特性测试。
例如结构模态试验就是第一章振动测试设备振动测试设备主要包括：传感器、适调器、激振装置、数据采集器、信号分析处理软件等。
传感器：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、激光传感器、力传感器。
激振装置：激振器、力锤、振动台。
振动测试所需的基础知识
信号测试分析基础机械振动：物体在其平衡位置附近的往复运动振动的基本参数：位移D、速度v、加速度a声源：产生声音的振动物体称作声源声波：向前推进着的空气振动称作声波声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播物理量的测量：测试精度、可靠性、成本、方便性物理量形式转换—传感器传感器是一种把特定的被测信息量按照一定的规律转换成可用信号输出的器件和装置敏感元件+转换电路=传感器电阻应变式传感器——应变片：基于金属导体的应变效应；应变片测量电路——电桥：由于电阻的变化率非常小，需要电桥电路将这一变化输出电涡流式传感器：通高频交流电流的线圈靠近金属导体时，金属导体表面产生感应电流（电涡流）压电式传感器：如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷，当外力去掉时，又回到原来的状态，这种现象称为压电效应电容式传感器：将被测物理量转换为电容变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器振动测量传感器的选择：1、选择传感器类型。
如位移、速度、加速度2、量程3、结构条件，接触式非接触式4、测试频率，精度信号的预处理1、信号调理2、放大：可编程放大器3、滤波：低通滤波、高通滤波低通滤波一般由硬件和软件共同实现4、数字采样A/D转换——得到数字信号，便于处理与存储信号检测与处理的流程信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，常有信号的周期、频率、峰值、有效值、均值等。
任何时域信号都能分解为一组单频正弦信号之和简单正弦波在FFT被表达为1点一个任意的时域信号能被转换成FFT，得到频谱题外话90分贝以上不能超过10小时数字信号处理基础将传感器输入的电信号进行必要的预处理 信号采集与调理1、IEPE （ICP ）恒流源2、2、电荷放大器3、滤波：高通滤波、低通滤波4、放大：程控放大器 采样是模拟信号的数字化信号幅值离散化精度取决于ADC 的位数 采样频率：单位是内的采样次数，单位Hz在实际使用中，应根据信号的频宽，合理选择采样频率。
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本章内容
简谐振动三要素 振动的时域参数 频谱分析 振动测量的框图 传感器的选用
涡流位移传感器 磁电速度传感器 压电加速度传感器
旋转机械振动测量的 几个特殊问题
相位的测量 基频检测 波德图和极坐标图 三维频谱图 轴心轨迹图 轴心位置图 振摆信号来源及其补偿
1T
x T 0 x dt
xrms
1 T x2 dt T0
振动的时域参数
平均绝对值
正峰值
有效值
峰峰值
平均值
负峰值
简谐振动为例 x=Asin( t+/2)
峰值 xp=A; 峰峰值 xp-p=2A
平均绝对值 xav=0.637A
有效值
xrms=0.707A
平均值
x 0
振动测试的框图
状态监测情况下，无需激励环节。
A/D变换+计算机+外设
分析和检测可以用计算机及其外部设备来完成。
磁电速度传感器
接收形式：惯性式 变换形式：磁电效应 典型频率范围：10Hz~1000Hz 典型线性范围：0~2mm 典型灵敏度 ：20mV/mm/s
测量非转动部件的绝 对振动的速度。
I xp xrm s
xp— 峰值 xav —平均绝对值
Cf
xp x
x— 平均值
1
N i 1
( xi x )3 N 1
1 xr3m s
峭度指标 (Kurtosis)
波形的尖峭程度、有无冲击。
2
N i 1
( xi x )4 N 1
简谐振动的三要素
振幅 (Amplitude)
x
偏离平衡位置的最大值，记作A。描述振动的规模。
圆频率 (Angular frequency)
描述振动的快慢，记作 ,单位为弧度/秒。
频率 f = /2 为每秒钟的振动次数，单位为次/秒(Hz)。
周期 T = 1/f = 2/ 为每振动一次所需的时间，单位为秒。
时域无量纲诊断征兆参数
波形指标 (Shape factor)
波形与正弦波比较的偏移和歪斜。
峰值指标 (Peak factor)
波形是否有冲击。
脉冲指标 (Crest factor)
波形高度的指标。
歪度指标 (Skewness)
以平均值为中心，波形的对称性。
Sf
xrm s xav
xrms— 有效值
振摆信号及其补偿
涡流传感器测量的特殊问题，需注意补偿
转机振动相位的测定
在转动机械测量中，在转子上布置键相标记K’，在轴承座上 布置光电或涡流传感器K，其输出的参考脉冲为相位的基准。
以参考脉冲后到第一个正峰值的转角定义振动相位，即a。
振动相位直接和转子的转动角度有关。 相位在转子的平衡和故障诊断中有重要的作用。
x = x(t)
振动的任一瞬时的数值。
峰值 (Peak value)
振动离平衡位置的最大偏离。
平均绝对值 (Aver. absolute value)
xp
xav
1 T
T
x dt
0
均值 (Mean value)
又称平均值或直流分量。
有效值 (Root mean square value)
不适于测量瞬态振动 和很快的变速过程。
低输出阻抗，抗干扰 力强。
传感器质量较大，对 小型对象有影响。
在传感器固有频率附 近有较大的相移。
典型的磁电速度传感器及其特性
压电加速度传感器
接收形式：惯性式 变换形式：压电效应 典型频率范围：0.2Hz~10kHz 线性范围和灵敏度随各种不同型号 可在很大范围内变化。
汽轮机 齿轮增速箱 压缩机 涡流传感器 速度传感器 加速度传感器 光电传感器
旋转机械振动测量的特殊问题
相位测量
相位和转子转角有直接对应关系。
基频检测，跟踪转速的滤波
基频(转速频率)的幅值和相位直接和不平衡有关。
轴心轨迹测量
转机故障诊断的一个有力工具。
轴心位置测量
判定轴承工作点和油膜厚度。
1 xr4m s
振动信号的频率分析
把振动信号中所包含的各种频率成分分别分 解出来的方法。
频率分析的数学基础是傅里叶变换和快速傅 里叶算法（FFT）。
频率分析可用频率分析仪来实现，也可在计 算机上用软件来完成。
频率分析的结果得到各种频谱图，这是故障 诊断的有力工具。
不接触测量，特别适 合测量转轴和其他小 型对象的相对位移。
有零频率响应，可测 静态位移和轴承油膜 厚度。
相移很小。
灵敏度与被测对象的 电导率和导磁率有关。
典型的涡流位移传感器及其特性
旋转机械振动测量框图
测量电路和 适调电路
Hale Waihona Puke 磁带记录仪基频监测仪频谱分析仪
数据采集和 分析系统
函数记录仪 数字绘图仪 打印机 存储设备
基频滤波的作用
波德图和极坐标图的绘制
基频检测是跟踪转速的滤波，得到基频的幅值和相位。 基频检测可用专用仪器实现，也可以用通用计算机完成。
初相角 (Initial phase)
描述振动在起始瞬间的状态，记作。
振动位移、速度、加速度之间的关系
x
v
vx
a
a
振动位移 (Displacement)
x Asint
位移、速度、加速度都是 同频率的简谐波。
速度 (Velocity)
v x A sin(t )
加速度 (Acceleration) 2
三者的幅值依次为A、A、 A 2。
相位关系：加速度领先速
a x A 2 sin(t ) 度90º; 速度领先位移90º。
各种振动波形及其频谱
名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱
振动的时域参数
瞬时值 (Instant value)
测量非转动部件的绝 对振动的加速度。
适应高频振动和瞬态 振动的测量。
传感器质量小，可测 很高振级。
现场测量要注意电磁 场、声场和接地回路 的干扰。
典型的压电加速度传感器及其特性
晶体片 预 紧 环
三角柱 质量块
出线口 底座
涡流位移传感器
接收形式：相对式 变换形式：电涡流 典型频率范围：0~20kHz 典型线性范围：0~2mm 典型灵敏度 ：8.0V/mm(对象为钢)