理论力学实验

理论力学实验（机械振动部分）

王润勇贾培强编写

唐山学院基础教学部组编

目录

机械振动测试的意义与实验要求 (2)

实验一测量简谐振动位移、速度、加速度的幅值 (3)

实验二测量简谐振动的频率（综合性实验） (6)

方法1 双踪示波比较法

方法2 利萨如图形法

实验三测量振动系统的固有频率（综合性实验） (12)

方法1 幅值判别法

方法2 相位判别法

机械振动测试的意义与实验要求

一机械振动测试的一般意义

机械振动是理论力学的重要组成部分，振动测试实验可使学生加强对课堂所学知识的理解，同时也是研究机械振动规律的重要手段。

振动测试在于通过传感器、放大器以及显示或记录仪器，测量机械、工程结构（或力学模型）运行中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，并了解机械或结构的动特性，如固有频率、固有振型、阻尼及刚度等，从而了解机械或结构的工作状态，为机械或结构的动力设计服务。

振动信号可以反映机械的运行状态和结构的损伤。上世纪90年代，利用振动测试对运行机械的故障进行诊断和对工程结构的损伤进行检测已为众多科研工作者所重视。运行监测和故障诊断已逐渐成为由振动理论、振动测试和信号分析相结合而形成的一门重要学科。其中，振动测量和实验分析起着关键性的作用。

二实验要求

1.实验前认真做好预习，阅读实验指导书，复习有关的理论知识，明确实验的目的、原理和实验步骤等。

2.对实验中使用的仪器、设备和实验装置等，要初步了解其工作原理、使用方法和操作注意事项。

3.认真、清楚地了解实验所需记录的数据项目及数据处理的原理和方法，设计好数据记录表格。

4.进入实验室后，要注意保持实验室的整洁、安静。未经允许，不得随意动用室内的仪器、设备。实验中仪器、设备发生故障时，应及时报告，不得擅自处理，更不准隐匿不报。

5.认真接受教师对实验预习情况的抽查、提问；仔细聆听教师对实验课程内容的讲解。

6.操作仪器、设备之前，应注意检查仪器、设备是否处于完好状态。实验过程中，严格按仪器、设备的操作规程进行操作，认真观察实验现象，记录好实验数据，要随时分析、判断实验数据的正确性，保障实验过程的顺利进行。

7.实验结束前，应将全部数据交教师审阅，经教师同意后结束实验。

8.实验结束后，应将所用仪器、设备擦拭干净，恢复至初始正常状态。

9.书写实验报告要做到字迹工整，图表清晰，结论简明。

2005.10

实验一测量简谐振动位移、速度、加速度的幅值

一、实验目的

1、了解常用振动测试仪器、传感器的工作原理和使用方法。

2、了解简谐振动位移、速度、加速度之间的关系。

3、学习用传感器测量简谐振动位移、速度、加速度的幅值。

二、实验仪器及安装示意图

（一）、主要仪器、设备

1、ZJY-601T型振动教学实验台。包括：简支梁、偏心电机和调压器、JZ-1型电动式激振器（激振频率范围：10 Hz -1000 Hz）。

2、YD-1型加速度传感器（加速度峰值测量范围：0-199.9m/s2）；CD-1型速度传感器（速度有效值测量范围：0-199.9m m /s）；8500系列电涡流传感器（位移测量范围：0-1999 μm）。

3、ZJY-601A型振动教学测试仪。包括：多功能振动测试仪和扫频信号发生器和功率放大器。它可对被测物体的振动加速度、速度和位移进行测量，并可将此振动信号转换成与之相应的0-5V 电压信号输出，供计算机、数据采集器使用。

4、INV3060信号采集处理分析仪和DASP数据采集处理软件。

（二）仪器安装示意图

图2-1 幅值测量仪器组成及接线示意图

三、实验原理

1、简谐振动信号的基本参数包括：频率、幅值和初始相位。幅值的测试主要有三个物理量，

即位移、速度、加速度。它们可采用相应的传感器来测量，也可通过积分或微分来测量。

设简谐振动位移、速度、加速度分别为x 、v 、a ，其幅值分别为X 、V 、A ，它们之间的关系如下

⎪⎭

⎪

⎬⎫--=--==-=-==-=)sin()sin()cos()cos()

sin(2///ϕωϕωωϕωϕωωϕωt A t X x a t V t X x v t X x （1-1） 式中，ω为振动角频率（ω=2πf ），ϕ为初相角。 则，位移、速度、加速度幅值间的关系为

⎪⎭

⎪

⎬⎫

===V A X A X V ωωω2 （1-2） 振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用相应的传感器来测量，还可采用具有微积分功能的测试仪进行测量。

2、在进行振动测量时，传感器通过换能器把位移、速度、加速度信号转换成电信号，经过放大器放大，然后通过AD 卡进行模数转换成数字信号，采集到的数字信号为电压变化量，通过软件在计算机上显示出来，这时读取的数值为电压值，通过标定值进行换算就可测出振动量的大小。

3、DASP 软件“参数设置”中各参数的输入。调整好仪器的状态（如传感器的档位、放大器增益、是否积分以及程控倍数等）后，要在DASP 软件“参数设置”表中输入各通道的工程单位和标定值。

传感器的工程单位随传感器的类型而定，或加速度单位、或速度单位、或位移单位等等。 传感器的灵敏度表示每个工程单位输出多少PC 的电荷，如是加速度，而且参数表中工程单位为m/s 2,则灵敏度为PC/ m/s 2。测试仪的面板上有一灵敏度调节钮，用小螺丝刀进行调节，把传感器的灵敏度输入仪器。

传感器的标定值：

因加速度峰值为200 m /s 2时输出为满量程5V 电压，则K 1=5/200=0.025（V/ m /s 2 ）； 速度峰值为200 m m/ s 时输出为满量程5V 电压，则K 1=5/200=0.025（V/ m m /s ）； 位移峰值为2000μm 时亦输出为满量程5V 电压，则K 1=5/2000=0.0025（V/μm ）。 若“输出增益”选10档，则K 2=10，参数设置中的标定值为：

K= K 1 ×K 2×1000 （m V /U ） （U —每个工程单位）

4、用有效值来衡量振动量的大小是一种比较好的方法，它涉及了振动随时间变化的过程，不