振动的检测及传感器.ppt

5.4 5.4 振动的检测振动的检测l基本知识l振动的激励l测振传感器l测振系统1.1.机械振动机械振动2.2.产生原因产生原因3.3.振动检测的研究内容振动检测的研究内容4.4.振动类型振动类型5.4.1 5.4.1 基本知识基本知识1.1.机械振动机械振动：物体在一定位置附近所做的周期性往复运动物体在一定位置附近所做的周期性往复运动2.2.产生原因产生原因旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等3.3.振动检测的研究内容振动检测的研究内容I.I.测测量设备运行时的振动参量，寻找振源；量设备运行时的振动参量，寻找振源；某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动记录曲线某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动记录曲线经过频谱分析可以估计振源经过频谱分析可以估计振源27.5Hz频率成分为砂轮不平衡所引起的振动；频率成分为砂轮不平衡所引起的振动；329Hz频率成分为油泵脉动引起的振频率成分为油泵脉动引起的振动；动；50Hz、100Hz和和150Hz的频率成分都和工频（电网的频率，即发电机的工作频率）和电的频率成分都和工频（电网的频率，即发电机的工作频率）和电机的振动有关；机的振动有关；500Hz以上的高频振动原因比较复杂，有轴承噪声及其它振源。以上的高频振动原因比较复杂，有轴承噪声及其它振源。II.对设备激振，以求得被测对象的对设备激振，以求得被测对象的动态性能动态性能，如固有频率、阻尼、机械，如固有频率、阻尼、机械阻抗等阻抗等可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速界转速转速工作范围转速工作范围a.从产生振动的方式来分：从产生振动的方式来分：自自由由振振动动：仅仅受受初初始始条条件件（初初始始位位移移、初初始始速速度）激励而引起的振动度）激励而引起的振动受迫振动：受迫振动：系统在持续外力激励下的振动系统在持续外力激励下的振动4.4.机械振动的类型机械振动的类型b.从振动的规律来分：从振动的规律来分：简谐振动简谐振动复合周期振动复合周期振动瞬态振动瞬态振动随机振动随机振动以以无阻尼自由振动的无阻尼自由振动的弹簧振子为例：弹簧振子为例：xok简谐振动vtxa(1)单自由度无阻尼系统的自由振动位移随时间按正弦规律变化，故称为简谐振动简谐振动。(2)自由振动的频率频率与初始条件无关，仅由系统本身参数确定。称为(系统的固有频率)(3)自由振动的振幅A和初相角由初始条件所确定。复合周期振动 由两个或两个以上由两个或两个以上频率之比为有理数频率之比为有理数的简谐振动复的简谐振动复合而成。合而成。准周期振动 由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成瞬态振动瞬态振动：在极短时间内瞬态振动：在极短时间内仅持续几个周期仅持续几个周期的的振动。振动。随机振动 不能用确定的数学式来描述其运动规律的振动。不能用确定的数学式来描述其运动规律的振动。与一般的随机信号处理方法一样。与一般的随机信号处理方法一样。5.4.2 振动的激励如果知道了系统的输入（激励）和输出（响应），就可以求出系统的动态特性动态特性。振动测试系统包括：v 激励部分激励部分实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成v 拾振部分拾振部分检测并放大被测系统的输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。v 分析记录部分分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备(或计算机)组成。一.激励信号1.稳态正弦激励稳态正弦激励激励信号激励信号：稳定幅值和频率的正弦信号：稳定幅值和频率的正弦信号测出激励大小和响应大小测出激励大小和响应大小系统在系统在该频率该频率点处的频率点处的频率响应响应激励系统激励系统:正弦信号发生器正弦信号发生器+功率放大器功率放大器+激振器激振器缺点缺点：较长的测试周期：较长的测试周期(多个频率多个频率+稳态稳态)2.瞬态激励信号 p激励信号：瞬态信号激励信号：瞬态信号宽频带激励宽频带激励：一次同时一次同时给系统提供频带内给系统提供频带内各个频率成份各个频率成份的能量的能量和使系统产生相应频带内的频率响应和使系统产生相应频带内的频率响应快速测试快速测试(常用常用)p常用的瞬态激励方法有常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描快速正弦扫描脉冲锤击脉冲锤击阶跃松弛激励阶跃松弛激励(1)快速正弦扫描正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（可为数秒）：激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内内成线性增加，而幅值保持恒定成线性增加，而幅值保持恒定T:扫描周期fmax,fmin：上下限频率可以快速测试研究对象的频率特性具有类似正弦的形式，但频率变化，属于瞬态激振(2)脉冲锤击激励方法：用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力脉冲力，使之发生振动。锤击力脉冲：在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，近似半正弦波。1.有效频率范围取决于脉冲持续时间，锤头垫越硬，时间越短，频率范围越大：锤头垫的材料锤头垫的材料频带宽度频带宽度2.锤头配重的质量和敲击速度锤头配重的质量和敲击速度激振力的大小激振力的大小(3)阶跃（张弛）激励1.在激振点，用一根刚度大、重量轻的弦经过力传感器对待侧结构施加张力，使之产生弹性变形2.然后突然切断弦负的阶越激振力(宽带激振)建筑结构的振动测试tf(t)3.随机激励信号(1)纯随机激励纯随机激励纯随机信号纯随机信号:高斯分布的白噪声高斯分布的白噪声在频率域上它是一条几乎平坦的直线。(白噪声发生器或计算机)(2)伪随机激励v伪随机信号：周期性的随机信号伪随机信号：周期性的随机信号在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的全相同的(伪随机信号发生器或计算机伪随机信号发生器或计算机)将白噪声在将白噪声在T内截断，然后按周期内截断，然后按周期T反复重复反复重复二二.激振器激振器对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置（1 1）电动式激振器）电动式激振器一般使用时在顶杆与激振对象之间加一般使用时在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力一个力传感器，以精确地测出激振力线圈通过交流电，则线圈将受到与电流成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到试件上磁场的产生方法：永磁式(小型激振器)；励磁式(振动台)（2 2）电磁式激振器）电磁式激振器电磁激振器是非接触式的，没电磁激振器是非接触式的，没有附加质量和刚度的影响，频有附加质量和刚度的影响，频率上限约为率上限约为500-800Hz。激振器是由通入线圈中的交变电流激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动铁，在交变磁场作用下产生振动（3）脉冲锤脉冲锤(力锤力锤)p常用的激振方法，设备最简单p脉冲锤由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，产生瞬态激励力；p 锤击力的大小锤击力的大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定。p 激激励励的的频频率率范范围围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一套不同材料的锤头。测量大小不同的实验对象，应选用不同大小的锤子a.轻小型的结构,5g左右b.中型结构汽车车架、发动机等小型机械，240g左右c.大中型结构如机床、小型坦克等,1400g左右d.重型结构如建筑物、大型发动机、船等，56kg左右北京东方振动和噪声技术研究所 MSC系列弹性试验力锤 5.4.3 测振传感器一.类型接触式：磁电式速度传感器、压电式加速度计非接触式：涡流式位移传感器接触式：按壳体的固定方式分为a.a.相对式：相对式：把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动当物体振动时，触杆就跟随它一起运动1顶杆顶杆2弹簧片弹簧片3磁钢磁钢4线圈线圈5引出线引出线6壳体壳体磁电式相对速度传感器磁电式相对速度传感器b.b.绝对式：绝对式：壳体固定在被测对象上，壳体的振动壳体固定在被测对象上，壳体的振动等于被测物的振动，等于被测物的振动，质量块对壳体的相对运动质量块对壳体的相对运动量量，供机电转换元件转换成电量，又称为，供机电转换元件转换成电量，又称为惯性惯性式测振传感器式测振传感器；拾振器的质量成为附加质量，改变振动特性拾振器的质量成为附加质量，改变振动特性1.压电式加速度传感器n壳体和被测对象一起运动n质量块相对于壳体产生位移(第一次转换：输入加速度相对位移)n位移产生的弹性力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷(第二次转换：相对位移第二次转换：相对位移电荷电荷)。基础的加速度质量块与基础的相对位移成正比垫圈应尽量薄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。不得全部拧入基座螺孔，以免基座变形安装面涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性 多点测试，误差较大，重复性差，上限频率不高于1kHz使用方便，低频薄腊层某加速度计不同固定方法的共振频率100g)/高振级(m:几克/0.几克)重量大上限频率低；轻高a.应变式测量频率:0几千Hz；测量加速度b.磁电式测量频率:十几几百Hz;常测位移，可测速度/加速度；地震测试(抗干扰性强)c.压电式高频，常测加速度；可测速度/位移d.非接触式电容/电感/涡流灵敏度高；非接触性测量3.对具体使用具体使用的考虑环境/价格/寿命/可靠性/维修/校准激光测振：高分辨率/高精确度；环境要求极严/设备昂贵；实验室精密测量或校准电涡流/电容式：非接触式环境要求低高温/油污/蒸汽介质;长期可靠汽轮发电机组/压缩机组等的振动监测4.其他其他a.接触式测量：减轻被测对象的负载效应;非接触式测量：灵敏度/初始安装间隙b.估计被测量的频率范围，是否落入幅频曲线的工作频带c.估计被测系统的最大振级，额定最大冲击值的1/3d.估计被测点的振动方向正确按装传感器e.估计工作环境，温度/磁场/声场防范措施三三.传传感器的标定感器的标定1.绝对法被校准传感器固定在校准振动台上激光干涉仪直接测量振动台的振幅与被校准传感器的输出比较2.相对法螺栓安装方法利用钻孔螺纹连接加速度振动传感器和设备。在测试和调试的时候，通常也称之为“背对背”安装。传感器通过螺栓连接在一起，中间是振动平台。比较两个传感器的输出在该频率点的灵敏度任何外界的干扰包括地基的振动，都会影响校准工作高精度的校准工作应在隔振的基座上进行工业现场很难办到测量振动台基座的绝对振动，同时测量台面对基座的相对振动获得台面的绝对振动传感器的振动输入值