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1、传感器测试基础第七章 振动测试第1页，共35页，编辑于2022年，星期三7.1 概述概述小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 第2页，共35页，编辑于2022年，星期三机械振动定义机械振动定义机械振动机械振动是物体在一定是物体在一定位置位置附近所作的附近所作的周期性周期性往复的运动。往复的运动。机械振动系统机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，例如的机械系统，例如单摆单摆。构成机械振动系统的基本要素有构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性惯性、恢复性和和阻尼。阻尼。惯惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就
2、是能性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。三个基本要素通常分别由物理参数质量量消耗掉的性质。三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度、刚度K和阻尼和阻尼C表征。表征。第3页，共35页，编辑于2022年，星期三产生的物理原因产生的物理原因机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。动。振动研究所涉及的问题振动研究所涉及的问题 测量
3、设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动状态，寻找振源；找振源；对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。第4页，共35页，编辑于2022年，星期三机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 机械振动测量方法机械振动测量方法 按振动信号的转换方式分按振动信号的转换方式分:电测法电测法机械测量法机械测量法光测法光测法第5页，共35页，编辑于2022年，星期三振动的分类振动的分类(1)从产生振动的方式来分
4、：从产生振动的方式来分：自由振动自由振动：仅受初始条件：仅受初始条件(初始位移、初始速度初始位移、初始速度)激励而引激励而引起的振动；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。自激振动：自激振动：在没有外激励作用的情况下，由系统自身激发在没有外激励作用的情况下，由系统自身激发所产生的一种振动所产生的一种振动(2)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(3)按系统自由度分按系统自由度分单自由度振动单自由度振动 多自由度振动多自由度振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 第6页，共35
5、页，编辑于2022年，星期三7.2 振动的基本知识振动的基本知识力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统质量质量m在外力的作用下的运动方程为在外力的作用下的运动方程为 c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数；k弹簧刚度；弹簧刚度；(t)系统的激振力，即系统的输入；系统的激振力，即系统的输入；z(t)系统的输出。系统的输出。拉氏变换拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为传递函数为(1)单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 第7页，共35页，编辑于2022年，星期三令令s=jw w，则，则 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系
6、统系统的固有频率 系统的阻尼率 第8页，共35页，编辑于2022年，星期三幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 第9页，共35页，编辑于2022年，星期三在在幅频曲线幅频曲线上幅值最大处的频率称为上幅值最大处的频率称为位位移共振频率移共振频率 随着的阻尼的增加，共振峰向原随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；点移动；幅频曲线幅频曲线 当无阻尼时，位移共振频率当无阻尼时，位移共振频率w wr即为固即为固有频率有频率w wn 当系统的阻尼当系统的阻尼x x很小时，位移共振频率很小时，位移共振频率w wr接近系统的固有频率接近系统的固有频率w wn，可用作为，可用作为的估计值。的估计值。第10页，共35
7、页，编辑于2022年，星期三不管系统的阻尼率为多少，在不管系统的阻尼率为多少，在w w/w wr=1时位移始终落后于激振力时位移始终落后于激振力90，此现象称为，此现象称为相位共振相位共振。相频曲线相频曲线 利用相频特性来确定固有频率比较准确利用相频特性来确定固有频率比较准确 幅频曲线幅频曲线 第11页，共35页，编辑于2022年，星期三(2)由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动 单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统第12页，共35页，编辑于2022年，星期三单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 设基
8、础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为Z0，则系统的振动可用方程式表示为：则系统的振动可用方程式表示为：拉氏变换并，令拉氏变换并，令s=jw w，得系统的幅频特性，得系统的幅频特性和相频特性和相频特性 第13页，共35页，编辑于2022年，星期三幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 第14页，共35页，编辑于2022年，星期三(3)多自由度系统振动多自由度系统振动 多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的常微分多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组；方程组；通过坐标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互通过坐标变换，可以把系统的振动方程变成一组相
9、互独立的二阶常微分方程组，其中的每一个方程式可以独独立的二阶常微分方程组，其中的每一个方程式可以独立求解；立求解；系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚度、当系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数；量质量、主振型等参数；多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有频率多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有频率进行简谐振动，这种振动称为主振型。进行简谐振动，这种振动称为主振型。第15页，共35页，编辑于2022年，星期三(4)机械阻抗的概念机械阻抗的概念机械阻抗:线性动力学系统在各种激励的情况下，在频域线性动力学系统在各种激励的情况下，在频域内激励与响应之比内激励与响
10、应之比 K(s)=F(s)/Y(s)K(w w)=F(w w)/Y(w w)传递函数 H(s)=Y(s)/F(s)频率响应函数 H(w w)=Y(w w)/F(w w)机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数倒数 机械阻抗机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳的倒数为频率响应，又称为机械导纳机械系统框图机械系统框图 第16页，共35页，编辑于2022年，星期三7.3 振动的测量振动的测量u 如果知道了系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就是求取系统输入和输出的一种试验方法。u为了完成上述测试任务，一般说
11、来测试系统应该包括下述三个主要部分：被测对象传感器测量电路振动分析仪显示记录激振器功率放大器信号发生器机械振动测试系统组成框图第17页，共35页，编辑于2022年，星期三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、功率放大器和激振装置组成。拾振部分检测并放大被测系统的输入、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、可调放大器组成。分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行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组成。第18页，共35页，编辑于2022年，星期三(1)振动的激励振动的激励稳态正弦激励方
12、法稳态正弦激励方法激励信号激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。瞬态激励方法瞬态激励方法激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应的频率响应。是一种。是一种快速测试快速测试方法。方法。快速正弦扫描快速正弦扫描 脉冲锤击脉冲锤击 阶跃松
13、弛激励阶跃松弛激励随机激励方法随机激励方法纯随机激励纯随机激励 伪随机激励伪随机激励第19页，共35页，编辑于2022年，星期三瞬态激励方法瞬态激励方法p快速正弦扫描快速正弦扫描正弦激励信号在所需的频率正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（数秒内完范围内作快速扫描（数秒内完成），成），激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定内成线性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。带激励的目的。快速正弦扫频信号及其频谱第20页，共35页，编辑于2022年，星期三p
14、脉冲锤击激励脉冲锤击激励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。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。特点：阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。p阶跃松驰激励阶跃松驰激励实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。第21页，共35页，编辑于2022年，星期三随机激励方法随机激励方法p纯随机激励纯随机激励理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随
15、机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。p伪随机激励伪随机激励伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它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。这种方信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于法的优点在于试验的可重复性试验的可重复性。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，即形成伪随机信号。反复重复，即形成伪随机信号。第22页，共35页，编辑于2022年，星期三激振器激振器电动式激振器电动式激振器当当Fi以简谐规律变化时，则作以简谐规律变化时，则作用在激振对
16、象上的力用在激振对象上的力F也为同频也为同频率的简谐力。率的简谐力。使用时在顶杆与激振对象之间使用时在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出加一个力传感器，以精确地测出激振力激振力F(t)电动式激振器电动式激振器1-弹簧；弹簧；2-壳体；壳体；3-磁钢；磁钢；4-顶杆；顶杆；5-磁极；磁极；6-铁心；铁心；7-驱动线圈驱动线圈第23页，共35页，编辑于2022年，星期三电磁式激振器电磁式激振器激振器是由通入线圈中激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动交变磁场作用下产生振动。电磁激振器是非接触
17、式的，电磁激振器是非接触式的，没有附加质量和刚度的影响，没有附加质量和刚度的影响，频率上限约为频率上限约为500-800Hz。电磁激振器电磁激振器1-底座；底座；2-铁心；铁心；3-励磁线圈；励磁线圈；4-衔铁；衔铁；5-力检测线圈；力检测线圈；6-位移传感器位移传感器第24页，共35页，编辑于2022年，星期三脉冲锤脉冲锤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激励的频率范围激励的频率范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w 越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一
18、套不同材料的锤头。T1，即，即w ww wn的情况下，的情况下，A(w w)1，满足测试幅值不失真的条件；当系统的，满足测试幅值不失真的条件；当系统的阻尼率阻尼率x x接近接近0.7时，时，A(w w)更接近直线更接近直线由相频图，当由相频图，当w w w wn 时，没有一条相频曲线为近时，没有一条相频曲线为近似斜率为负的直线，故不能满足动态测试相位不似斜率为负的直线，故不能满足动态测试相位不失真的条件；而当失真的条件；而当w w(78)w wn时，相位差接近时，相位差接近-180，此时满足测试相位不失真的条件。，此时满足测试相位不失真的条件。设计和使用惯性式拾振器时设计和使用惯性式拾振器时使
19、惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的阻使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的阻尼率在尼率在0.50.7之间，这样可以保证工作频率的下限到之间，这样可以保证工作频率的下限到w w=1.7w wn，幅值误差不超过，幅值误差不超过5当使用当使用w w (78)w wn进行相位测试时，需要用移相器获得相进行相位测试时，需要用移相器获得相位信息。位信息。幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 第28页，共35页，编辑于2022年，星期三(2)测振传感器测振传感器电涡流位移传感器电容加速度传感器压阻加速度传感器磁电式速度计压电加速度计光学测振仪1-顶杆;2-弹簧片;3-磁钢;4-线圈;5-引出线;6-
20、壳体磁电式相对速度计第29页，共35页，编辑于2022年，星期三当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振当光程差每变化半个光波波长时，明暗条纹变化一次。设一个振动周期内，计得干涉条纹变化数为动周期内，计得干涉条纹变化数为N，则：，则：迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪第30页，共35页，编辑于2022年，星期三激光多普勒测振原理第31页，共35页，编辑于2022年，星期三(3)振动信号分析仪器振动信号分析仪器u振动计振动计u频率分析仪频率分析仪u频率特性与传递函数分析仪频率特性与传递函数分析仪u数字信号处理系统数字信号处理系统第32页，共35页，编辑于2022年，星期三(4)振动测试
21、系统及数据处理实例振动测试系统及数据处理实例汽车平顺性测试系统框图汽车平顺性测试系统框图 第33页，共35页，编辑于2022年，星期三汽车的平顺性测试过程框图汽车的平顺性测试过程框图 40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线 第34页，共35页，编辑于2022年，星期三矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图 驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数 第35页，共35页，编辑于2022年，星期三