振动测试和分析技术综述

振动测试和分析技术综述黄盼（西华大学，成都四川 610039）摘要:振动测试和分析对结构和系统动态特性分析及其故障诊断是一种有效的手段。

综述了当前振动测试和分析技术，包括振动测试与信号分析的国内外发展概况、振动信号数据采集技术、振动测试技术、以及振动测试与信号分析的工程应用，最后对振动测试与分析技术的未来发展方向进行了展望。

关键词:振动测试; 信号分析; 动态特性; 综述Summary of Vibration Testing and AnalysisHuangPan( Xihua University，Chengdu 610039，China)Abstract: Vibration testing and analysis is an effective tool in analyzing structure and system dynamic characteristic and detecting the failures of structures,systems and facilities. The present paper reviews the current vibration testing and analysis techniques，including the development of vibration measurement and analysis of domestic and foreign，vibration signal data acquisition,vibration testing technology ,vibration measurement and analysis in engineering application. Finally,the future development in the field of vibration testing and analysis is predicted.Key words: vibration testing; signal analysis; dynamic characteristic;overview0 引言随着科学技术的发展，振动及设备动态特性引起的问题受到各行各业的高度关注。

例如: 导弹、飞机和火箭在飞行中，由于发动机和气流扰动及结构动态特性所造成的振动直接影响到飞行安全和控制精度; 车辆在凹凸不平的路面上行驶时的振动直接关系到驾驶性能与乘坐的舒适性; 机械加工设备的振动直接影响到加工的精度和有效性; 大型旋转机械的振动信号直接反映了设备运转的主要信息; 高层建筑、桥梁由于风载和地震所产生的振动直接关系到这些结构的安全。

要解决各种各样的振动及动态特性问题，研究系统的动力学特性，分析产生振动的原因，考核设备适应振动与环境的关系，除了理论分析外，对结构、系统和设备进行振动测试与信号分析是必不可少的重要手段。

振动测试与信号分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。

随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动信号分析技术的研究提出了越来越高的要求［1］，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业以及环境保护等尤为重要。

可以说，振动测试与分析技术已广泛应用在产品研究、设计、生产和运行的全过程。

1 振动测试与信号分析的国内外发展概况1.1 信号测试与分析技术发展概述信号分析技术已经被广泛地应用于许多学科与领域[4]，诸如：通信、雷达、声纳、地震、遥感、生物医学、机械振动等。

特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使信号分析技术得到了迅速的发展，目前，它已成为信息科学技术中一种必不可少的手段。

50 年代以前，信号分析技术主要使模拟分析方法。

进入50 年代，大型通用数字计算机在信号分析中有了实际的应用，当时曾经争论过模拟与数字分析方法的优缺点，争论的焦点是运算速度，精度与经济性。

进入 60 年代，人造卫星、宇航探测以及通信、雷达技术的发展，对信号分析的速度，分辨能力提出了更高的要求，1965 年，美国库列[5]（J.W.Cooley）和图基（J.W.Tukey）提出了快速傅立叶变换（FFT）的计算方法，使计算离散傅立叶变化（DFT）的复数乘法次数从N2减少到Nlog2N 次，从而大大节省了计算量。

这一方法大大促进了数字信号处理的发展，使其获得了更广泛的应用。

因为卷积可以利用DFT 来计算，故FFT 算法也可以用正比于Nlog2N 的运算次数来计算卷积，而卷积运算在计算机科学和其他领域有广泛的应用。

70 年代以后，大规模集成电路的发展以及微型计算机的应用，使信号分析技术具备了广阔的发展远景，许多新的算法不断出现。

例如，1968 年美国C.M.Rrader提出的 NFFT 算法，DFT 可用循环卷积算法；1976 年美国S.winograd 提出了WFTA算法，用它计算DFT 所需要的乘法次数仅为FFT 算法乘法次数的1/3；1977 年法国H.J.Nussbaumer 提出了PFTA 算法，结合使用FFT 和WFTA 方法，在采样点数较大时，较之FFT 算法快3 倍左右。

上许几种方法与DFT 方法比较；当采样点N＝1000时，DFT 算法为200 万次；FFT 为1.4 万次；NFFT 为0.8 次；WFTA 为0.3 万次；PFTA 为0.3 万次。

此外，信号处理芯片是近年来出现的一种用于快速处理信号的器件，它的出现，对简化信号处理系统的接受，提高运算精度，加快信号处理的实时能力等有很大作用。

例如TMS320C25 芯片，运算速度达1000 万次每妙，用其进行1024 复数点FFT运算，只需14ms 便可完成。

这一进展，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信息处理方面，展示了宽阔的应用前景。

目前信号分析技术的发展目标是：①在线实时能力的进一步提高；②分辨能力和精度的进一步提高；③扩大和发展新的专用功能；④专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。

1.2 模态分析与试验技术的发展概况由于信号测试技术的发展，促进了机械振动研究领域的一些新技术和新学科的诞生和发展，如机械阻抗与导纳[6]，模态分析与参数识别，结构的动态修改与动态设计，旋转机械的转速跟踪分析，机械的动态监测与控制，振动诊断，故障预报等。

在振动领域中，测试技术、分析技术以及计算机技术的逐步完善，加之先进的电子数字计算机的发展，使人们对于振动的测试和分析进入了一个全新的使用阶段。

特别是试验模态分析技术，作为振动分析的一个分支，尤其得到了发展。

试验模态分析技术是人们为了了解和寻求产品的最佳性能而找到的另一种更经济、更有效的方法。

它通过对样机或结构形式相同的原准样机的测试，将采集的测试数据应用于相应的识别技术，识别系统模态参数。

具体如下：首先，根据已有的经验和知识，在老产品的基础上试制一台新的样机；其次，对样机做全面的测试和分析并获得产品的动态特性，由此识别出系统的模态参数，建立数学模型，进而了解产品在使用中的振动、噪声、疲劳等问题；再次，在计算机上改变产品的结构参数，了解动态性能可能获得的改善程度，或者反过来，设计者事先指定好动态特性，由计算机来回答所需的结构参数（质量、刚度、阻尼）的改变量。

另外，设计者也可以在计算机上模拟各种实际的外部激励，求得参数改变前后的任何部位的响应。

随着电子计算机朝着大容量、高速度和小型廉价化的方向飞速发展，和试验技术也得到了快速的发展。

特别是近十余年来，模态分析吸取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计以及自动控制理论中的有关营养，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论基础。

2 振动数据采集技术测量振动信号的物理量常有: 位移、速度、加速度、应变和力。

与之对应的传感器分别为: 位移传感器、速度传感器、加速度传感器、动态应变仪和力传感器。

振动数据采集设备将传感器拾取的模拟信号转换为数字信号。

经过多年的发展，振动数据采集设备形成了现在高中低端各种数据采集设备都有的格局。

从模数转化精度来说，已经由早期的12 bit 发展到现在的16 bit 和24bit，动态范围从70 dB 左右到110 dB 左右。

国外现在的主流数据采集设备几乎都是24 bitAD 精度了。

采样频率从几十ks /s 到几百ks /s，甚至高达几MS /s。

一般结构振动测量用的采样频率最高到256 ks /s 就足够了，但有些特殊场合需要更高的采样频率，比如高采样频率在石油勘探研究等领域有着特殊的应用。

Delta － Sigma 模数转换技术是近年来国外著名厂家广泛使用的一种高精度高速数据采集技术。

该技术的工作原理思路是在数据采集中对应最高采样频率设计一固定截止频率的抗混滤波器，采用高采样频率加数字滤波实现高速高精度数据采集。

采集通道数从单通道到上千个通道并行采集都有。

数据采集设备的总线类型有: PCI，VXI，PXI 和其他总线类型。

PCI 是由英特尔( Intel) 公司1991 年推出的用于定义局部总线的标准。

此标准允许在计算机内安装多达10 个遵从PCI 标准的扩展卡。

VXI 总线规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXI 总线器件之间、VXI 总线器件与其他标准的器件( 计算机) 之间能够以明确的方式开放地通信; 使系统体积更小; 通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备; 采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。

PXI 是一种由美国NI 公司发布的基于PC 的测量和自动化平台。

PXI 结合了PCI 的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard 机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。

制订PXI 规范的目的是为了将台式PC 的性能价格比优势与PCI 总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

PXI 是以PCI ( peripheral component interconnect) 及CompactPCI为基础再加上一些PXI 特有的信号组合而成的一个架构。

PXI 继承了PCI 的电气信号，使得PXI 拥有如PCI bus 的极高传输数据的能力，因此能够有高达132Mbyte /s 到528 Mbyte /s 的传输性能，在软件上是完全兼容的。

另一方面，PXI 采用和CompactPCI 一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性。