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1、 第八章振动测量技术基础振动测量技术基础振动测量技术基础振动测量技术基础n1振动和振动测量系统振动和振动测量系统n2振动参量的测量振动参量的测量n3机械阻抗测量机械阻抗测量n4振动信号的频谱分析振动信号的频谱分析 振振动动是是工工程程技技术术和和日日常常生生活活中中常常见见的的物物理理现现象象，在在大大多多数数情情况况下下，振振动动是是有有害害的的，它它对对仪仪器器设设备备的的精精度度，寿寿命命和和可可靠靠性性都都会会产产生生影影响响。当当然然，振振动动也也有有可可以以被被利利用用的的一一面面，如如输输送送、清清洗洗、磨磨削削、监监测测等等，无无论论是是利利用用振振动动还还是是防防止止振振动动
2、，都都必必须须确确定定其其量量值值。在在长长期期的的科科学学研研究究和和工工程程实实践践中中，已已逐逐步步形形成成了了一一门门较较完完整整的的振振动动工工程程学学科科，可可供供进进行行理理论论计计算算和和分分析析。但但这这些些毕毕竟竟还还是是建建立立在在简简化化和和近近似似的的数数学学模模型型上上，还还必必须须用用试试验验和和测测量量技技术术进进行行验验证证。随随着着现现代代工工业业和和现现代代科科学学技技术术的的发发展展，对对各各种种仪仪器器设设备备提提出出了了低低振振级级和和低低噪噪声声的的要要求求，以以及及对对主主要要生生产产过过程程或或重重要要设设备备进进行行监监测测、诊诊断断，对对工
3、工作作环环境境进进行行控控制制等等等等。这这些些都都离离不不开开振振动动的的测量。测量。1.振动和振动测量系统振动和振动测量系统1.1振动信号分类振动信号分类振振动动信信号号按按时时间间历历程程的的分分类类如如图图1所所示示，即即将将振振动动分分为为确确定定性性振振动动和随机振动两大类。和随机振动两大类。图图1振动信号的分类振动信号的分类机械振动机械振动非周期的非周期的随机的随机的确定性的确定性的的的周期的周期的非平稳的非平稳的平稳的平稳的简谐振简谐振动动复杂周期振复杂周期振动动准周期振准周期振动动瞬瞬态态和和冲冲击击各各态态历历经经的的非非各各态态历历经经确确定定性性振振动动可可分分为为周周
4、期期性性振振动动和和非非周周期期性性振振动动。周周期期性性振振动动包包括括简简谐谐振振动动和和复复杂杂周周期期振振动动。非非周周期期性性振振动动包包括括准准周周期期振振动动和和瞬瞬态态振振动动。准准周周期期振振动动由由一一些些不不同同频频率率的的简简谐谐振振动动合合成成，在在这这些些不不同同频频率率的的简简谐谐分分量量中中，总总会会有有一一个个分分量量与与另另一一个个分分量量的的频频率率之之比比值值为为无无理理数数，因因而而是是非非周周期振动。期振动。随随机机振振动动是是一一种种非非确确定定性性振振动动，它它只只服服从从一一定定的的统统计计规规律律性性。可可分分为为平平稳稳随随机机振振动动和和
5、非非平平稳稳随随机机振振动动。平平稳稳随随机机振振动动又又包包括括各各态态历历经经的的平平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。一一般般来来说说，仪仪器器设设备备的的振振动动信信号号中中既既包包含含有有确确定定性性的的振振动动，又又包包含含有有随随机机振振动动，但但对对于于一一个个线线性性振振动动系系统统来来说说，振振动动信信号号可可用用谱谱分分析析技技术术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。1.2振动测量系统振动测量系统1)振动测量方法分类振动测量方法分类振振动动测测量量
6、方方法法按按振振动动信信号号转转换换的的方方式式可可分分为为电电测测法法、机机械械法法和和光光学学法法。其其简简单原理和优缺点见表单原理和优缺点见表1。表表1振动测量方法分类振动测量方法分类名称名称原理原理优缺点及应用优缺点及应用电测法电测法将将被被测测对对象象的的振振动动量量转转换换成成电电量量，然然后后用用电电量量测测试试仪仪器器进进行行测量测量灵灵敏敏度度高高，频频率率范范围围及及动动态态、线线性性范范围围宽宽，便便于于分分析析和和遥遥测测，但但易易受受电电磁磁场场干干扰扰。是是目目前最广泛采用的方法前最广泛采用的方法机械法机械法利利用用杠杠杆杆原原理理将将振振动动量量放放大大后后直接记
7、录下来直接记录下来抗抗干干扰扰能能力力强强，频频率率范范围围及及动动态态、线线性性范范围围窄窄、测测试试时时会会给给工工件件加加上上一一定定的的负负荷荷，影影响响测测试试结结果果，用用于于低低频频大大振振幅幅振振动动及及扭扭振振的的测测量量光学法光学法利利用用光光杠杠杆杆原原理理、读读数数显显微微镜镜、光光波波干干涉涉原原理理，激激光光多多普普勒勒效效应等进行测量应等进行测量不不受受电电磁磁场场干干扰扰，测测量量精精度度高高，适适于于对对质质量量小小及及不不易易安安装装传传感感器器的的试试件件作作非非接接触触测测量量。在在精精密密测测量量和和传传感感器器、测测振振仪仪标标定定中中用用得得较较多
8、多目前广泛应用的是电测法，所以我们主要讨论电测法。目前广泛应用的是电测法，所以我们主要讨论电测法。2）电测法振动测量系统电测法振动测量系统图图2振动测量系统的一般组成框图振动测量系统的一般组成框图激激振振系系统统测振传感测振传感器器中间变换电中间变换电路路功功放放振动分析仪振动分析仪器器显示记显示记录录反馈控反馈控制制干扰干扰信信号号发发生生器器由由于于振振动动的的复复杂杂性性，加加上上测测量量现现场场复复杂杂，在在用用电电测测法法进进行行振振动动量量测测量量时时，其其测测量量系系统统是是多多种种多多样样的的。图图5.2所所示示为为用用电电测测法法测测振振时时系系统统的的一一般般组组成成框框图
9、图。由由图图可可见见，一一个个一一般般的的振振动动测测量量系系统统通通常常由由激激振振、拾拾振振、中中间间变变换换电电路路、振振动动分分析析仪仪器器及及显显示示记记录录装置等环节所组成。装置等环节所组成。下面分别就这些组成环节作一简单介绍。下面分别就这些组成环节作一简单介绍。3)测振传感器测振传感器拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定了整个仪器或系统的性能。表了整个仪器或系统的性能。表2列举了部分常用的测振传感器。列举了部分常用的测振传感器。分类分类工作原理工作原理适用范围适用范围优缺点优缺点发发电电型型压压电电式式振振动动时
10、时，使使传传感感器器中中的的压压电电元元件件受受到到惯惯性性重重块块的的惯惯性性力力作作用用而而产产生生电电荷荷。输输出出量量与与振振动动加加速速度成正比度成正比惯性式加速度传感器的适用频率范围：惯性式加速度传感器的适用频率范围：与前置电压放大器配套时为与前置电压放大器配套时为2104Hz与与电电荷荷放放大大器器配配套套时时为为0.32104Hz量量程程为为10-4-104g（最最大大达达10-5-105g）特特别别适适用用于于冲冲击测量，经积分后，可测速度和位移；击测量，经积分后，可测速度和位移；相相对对式式测测力力传传感感器器用用于于测测0104Hz范范围围内内的的激振力激振力灵灵敏敏度度
11、高高，频频率率范范围围宽宽，结结构构尺尺寸寸和和重重量量小小，受受温温度度、噪噪声声等等的的影影响响大大，需需要要高高阻阻抗抗前前置置放放大大器器配配用用，目目前前应应用用最最广广电电动动式式振振动动时时，使使传传感感器器中中的的可可动动线线圈圈在在磁磁场场中中振振动动，切切割割磁磁力力线线而而感感应应出出电电动动势势输输出出量量与与振振动动速速度成正比度成正比惯性式速度传感器用于测惯性式速度传感器用于测10500Hz范围内的范围内的线速度和角速度，经积分可测线速度和角速度，经积分可测0.0011mm振振幅，经微分测幅，经微分测10g以下加速度。相对式速度以下加速度。相对式速度传感器用于测传感
12、器用于测2500Hz范围的相对速度、位范围的相对速度、位移或加速度；地震式传感器用于测移或加速度；地震式传感器用于测0.5100Hz微幅振动微幅振动灵灵敏敏度度高高，测测量量精精度度高高，结结构构尺尺寸寸和和重重量量大大，受受温温度度、湿湿度度影影响响小小而而受受磁磁场场影影响响大大，永永久久磁磁钢钢衰衰减减会会引引起起灵灵敏敏度度变变化化，低低阻阻抗抗输输出出，故故引引起的干扰噪声小起的干扰噪声小电电磁磁式式振振动动时时，使使传传感感器器中中在在磁磁场场里里的的静静止止线线圈圈周周围围磁磁通通量量发发生生变变化化而而感感应应电电动动势。势。输输出出量量与与振振动动速速度度成正比成正比相相对对
13、式式非非接接触触型型传传感感器器用用于于测测201000Hz范范围围内内线线速速度度或或角角速速度度，经经积积分分或或微微分分后后可可测测位移或加速度位移或加速度非非接接触触型型，测测量量时时对对振振动动没没有有影影响响，灵灵敏敏度度较较差差，测测量量精精度度差差，要要求求被被测测物物是是导导磁磁体体或或导导电电体体表表2电测法测振常用的传感器电测法测振常用的传感器电电参参数数变变化化型型电电容容式式相相对对式式由由振振动动体体与与传传感感器器作作为为电电容容的的两两极极，振振动动时时两两极极的的间间隙隙或或相相对对有有效效面面积积产产生生变变化化而而使使电电容容变变化化。惯惯性性式式由由惯惯
14、性性重重块块和和传传感感器器基基座座组组成成电电容容的的两极。两极。输出量与位移成正比输出量与位移成正比相相对对式式非非接接触触型型用用于于测测20104Hz（极极化化电电压压方方式式）或或0104Hz（调调制制方方式式）范范围围的的线线位位移移或或角角位位移移，特特别别适适用用于于转转动动零零件件的的振振动动测测量；量；惯惯性性式式用用于于测测10500Hz角角位位移移或或线线位位移移（0.0011mm），），经微分可测速度和加速度经微分可测速度和加速度灵灵敏敏度度高高，结结构构简简单单、尺尺寸寸小小，对对被被测测物物影影响响小小，受受温温度度，湿湿度度及及电电容容间间介介质质等等的的影影响
15、响大大，配配套套仪仪器器要要求求高高，非非接接触型的测量精度差触型的测量精度差电电感感式式变变磁磁阻阻式式振振动动时时，传传感感器器中中电电感感线线圈圈与与铁铁心心间间磁磁隙隙（磁磁阻阻）变化而使电感变化变化而使电感变化惯惯生生式式或或相相对对式式位位移移传传感感器器用用于于101000Hz或或02000Hz的的线线位位移移或或角角位位移移。非非接接触触型型用用于于02000Hz范围内转动零件的振动测量范围内转动零件的振动测量灵灵敏敏度度高高，配配套套仪仪器器简简单单，稳稳定定性性差差，易易受受温温度度、磁磁场场等等的的影影响响，惯惯性性式式结结构构的的重重量量和和尺尺寸寸大大涡涡流流式式由由
16、振振动动体体中中感感应应的的涡涡流流变变化化使使传传感感器器的的电电感感量量变变化化。输出量与位移成正比输出量与位移成正比非非接接触触型型用用于于测测0104Hz线线位位移移。特特别别适适用用于转动零件的振动测量，制成轴心轨迹仪于转动零件的振动测量，制成轴心轨迹仪灵灵敏敏度度较较高高，结结构构尺尺寸寸小小，便便于于安安装装，对对环环境境影影响响不不敏敏感感，测测量量精精度度中等中等电电阻阻式式丝丝式式振振动动时时，传传感感器器中中电电阻阻丝丝长长度度变变化化而而使使电电阻阻变变化化。压压阻阻式式利利用用半半导导体体或或某某些些稀稀有有金金属属受受力力变变形形时时电电阻阻率率改改变变的的特性特性
17、惯惯性性式式用用于于测测02000Hz加加速速度度或或102000Hz线线位位移移。张张丝丝式式适适用用于于低低加加速速度度的的冲冲击击测测量量。相对式用于测相对式用于测01000Hz范围内的激振力范围内的激振力低低频频响响应应好好，寿寿命命和和稳稳定定性性差差，易易受受温温度度、湿湿度度、磁磁场场等等影影响响，贴贴片片式结构简单制做方便式结构简单制做方便伺伺服服型型液液浮浮摆摆式式振振动动时时液液浮浮摆摆与与壳壳体体产产生生相相对对位位移移，通通过过伺伺服服放放大大回回路路，由由力力矩矩器器使使摆摆回回到到平平衡衡位位置置。回回路路输输出出电电压压与与振振动动加加速速度度成正比成正比量量程程
18、为为520g，分分辨辨力力10g最最高高达达1g，适适用用于于测测低低频频振振动动，经积分后可测速度和位移经积分后可测速度和位移灵灵敏敏度度高高、干干扰扰力力矩矩小小、带带温温度度补补偿偿、结结构构复复杂杂、重量和尺寸大重量和尺寸大挠挠性性摆摆式式振振动动时时，挠挠性性摆摆与与壳壳体体产产生生相相对对位位移移，通通过过伺伺服服放放大大回回路路，由由力力矩矩器器使使摆摆回回到到平平衡衡位位置置。回回路路输输出出电电压压与与振振动动加速度成正比加速度成正比量量程程为为1060g，最最高高达达100g，分分辨辨力力1g，最最高高0.1g，适适用用于于测测低低频频振振动动，经经积积分分后后可可测速度和
19、位移测速度和位移用用挠挠性性支支承承取取代代液液浮浮摆摆式式的的宝宝石石轴轴承承和和浮浮液液，干干扰扰力力矩矩更更小小、分分辨辨力力高高、可可靠靠性性好好、结结构构复复杂杂、成本高成本高各各种种测测振振传传感感器器性性能能不不一一，在在振振动动测测量量中中，如如何何根根据据测测试试目目的的和和实实际际条条件件，合合理理地地选选用用测测振振传传感感器器是是十十分分重重要要的的，选选择择不不当当往往往往会会影影响响测测量量精精度度，甚至得出错误的结论。甚至得出错误的结论。根据线性系统的叠加原理，根据线性系统的叠加原理，振动的响应是振动系统拾振部振动的响应是振动系统拾振部分对各个谐振动响应的叠加。分
20、对各个谐振动响应的叠加。在在许许多多情情况况下下，例例如如惯惯性性式式测测振振传传感感器器，振振动动系系统统的的振振动动是是由由载载体体的的运运动动所所引引起起的的。如如图图3所所示示。设设载载体体的的绝绝对对位位移移为为z1，质质量量块块m的的绝绝对对位位移移为为z0则质量块的运动方程为则质量块的运动方程为mz。kc图图3由载体运动引起的振动响应由载体运动引起的振动响应 （1）质量块质量块m相对于载体的相对位移为相对于载体的相对位移为（2）则上式可改写成则上式可改写成（3）设载体的运作为谐振动，即设载体的运作为谐振动，即则式（则式（3）可写成）可写成（4）考虑这样几种情形下的响应特性：考虑这
21、样几种情形下的响应特性：（1）z01相相对对于于载载体体的的振振动动位位移移z1，此此时时相相当当于于测测振振仪仪处处于于位位移移计计工工作作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为状态下。此时幅频特性和相频特性分别为（5）(6)其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图4和和5所示。所示。图图4由载体运动引起的位移响应由载体运动引起的位移响应图图5相频特性曲线相频特性曲线（2）z01相对于载体振动速度相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下下。此时幅频特性和相频特性分别为此时幅频特性和相频特性分别为（7）(8)
22、其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图6和图和图5所示。所示。图图6由载体运动引起的速度响应由载体运动引起的速度响应图图7由载体运动引起的加速度响应由载体运动引起的加速度响应(3)z01相相对对于于载载体体的的振振动动加加速速度度，此此时时相相当当于于测测振振仪仪处处于于加加速速度度计计的的工工作作状状态下。此时幅频特性和相频特性分别为态下。此时幅频特性和相频特性分别为（9）(10)其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图其幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图7和图和图5所示。所示。从图从图4图图7可以看出：可以看出：测测振振仪仪在在不不同同工工作作状状态态下下，其
23、其有有效效工工作作区区域域是是不不相相同同的的。在在位位移移计计状状态态下下，其其工工作作条条件件为为1，即即工工作作在在过过谐谐振振区区。对对于于加加速速度度计计来来说说，其其工工作作条条件件为为1，即即工工作作在在亚亚谐谐振振区区。而而对对于于速速度度计计来来说说，则则要要求求其其工工作作在在=1，即谐振区附近。，即谐振区附近。我我们们知知道道，当当用用测测振振仪仪测测量量被被测测对对象象的的振振动动时时，位位移移计计敏敏感感被被测测物物的的振振幅幅z1m,而而加加速速度度计计则则敏敏感感被被测测物物的的振振动动加加速速度度的的幅幅值值，即即。因因此此，位位移移计计总总是是被被用用来来测测
24、量量低低频频大大振振幅幅的的振振动动，而而高高频频振振动动则则选选用用加加速速度度计计较为合适。较为合适。根根据据位位移移计计和和加加速速度度计计的的工工作作特特性性和和测测量量范范围围，可可以以看看出出，位位移移计计的的必必须须设设计计得得很很低低，而而加加速速度度计计的的则则要要设设计计得得很很高高。因因此此，通通常常位位移移计计的尺寸和重量较大，而加速度计的尺寸和重量很小。的尺寸和重量较大，而加速度计的尺寸和重量很小。阻阻尼尼比比的的取取值值对对测测振振仪仪幅幅频频特特性性和和相相频频特特性性都都有有较较大大的的影影响响，对对位位移移计计和和加加速速度度计计而而言言，当当取取值值在在0.
25、60.8范范围围内内时时，幅幅频频特特性性曲曲线线有有最最宽宽广广而而平平坦坦的的曲曲线线段段，此此时时，相相频频特特性性曲曲线线在在很很宽宽的的范范围围内内也也几几乎乎是是直直线线。对对于于速速度度计计而而言言，则则是是阻阻尼尼比比越越大大，可可测测量量的的频频率率范范围围越越宽宽，因因此此，在在选选用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。用速度计测量振动速度的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态下工作。4）激振器激振器激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器
26、质量对被测系统的影响，应尽量使按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。表激振器体积小、重量轻。表3列举了部分常用的激振器。列举了部分常用的激振器。表表3部分常用的激振设备部分常用的激振设备名称名称工作原理工作原理适用范围及优缺点适用范围及优缺点永磁式电永磁式电动激振器动激振器装装置置于于永永磁磁体体磁磁场场中中的的驱驱动动线线圈圈与与支支承承部部件件固固联联，线线圈圈通通电电产产生生电电动动力力驱驱动动固固联联于于支支承承部部件件的试件产生周期性正弦波振动的试件产生周期性正弦波振动频频率率范范围围宽宽，振振动动波波形形好好，操作调节方便操作调节方
27、便励磁式电励磁式电动振动台动振动台利利用用直直流流励励磁磁线线圈圈来来形形成成磁磁场场，将将置置于于磁磁场场气气隙隙中中的的线线圈圈与与振振动动台台体体相相连连，线线圈圈通通电电产产生生电电动力使振动台体作机械振动动力使振动台体作机械振动频频率率范范围围宽宽、激激振振力力大大、振振动波形好，设备结构较复杂动波形好，设备结构较复杂电磁式电磁式激振器激振器交交变变电电流流通通至至电电磁磁铁铁的的激激振振线线圈圈，产产生生周周期期性性的交变吸力，作为激振力的交变吸力，作为激振力用用于于非非接接触触激激振振，频频率率范范围围宽宽、设设备备简简单单，振振动动波波形形差差，激振力难控制激振力难控制电液式电
28、液式激振器激振器用用小小型型电电动动式式激激振振器器带带动动液液压压伺伺服服油油阀阀以以控控制制油缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动油缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动激激振振力力大大，频频率率较较低低，台台面面负负载载大大，易易于于自自控控和和多多台台激激振，设备复杂振，设备复杂5）振动分析仪器振动分析仪器从从拾拾振振器器检检测测到到的的振振动动信信号号和和从从激激振振点点检检测测到到的的力力信信号号需需经经过过适适当当的的分分析析处处理理，以以提提取取出出各各种种有有用用的的信信息息。目目前前常常见见的的振振动动分分析析仪仪器器有有测测振振仪仪、频频率率分分析析仪、仪、FFT分析仪和虚
29、似频谱分析仪等。分析仪和虚似频谱分析仪等。（1）测振仪）测振仪测测振振仪仪是是用用来来直直接接指指示示位位移移、速速度度、加加速速度度等等振振动动量量的的峰峰值值、峰峰一一峰峰值值、平平均均值值或或均均方方值值的的仪仪器器。这这一一类类仪仪器器一一般般包包括括微微积积分分电电路路、放放大大器器、检检波波器器和和表表头头。它它能能使使人人们们获获得得振振动动的的总总强强度度（振振级级）的的信信息息，而而不不能能获获得得振振动动频频率率等等其其它它方面的信息。方面的信息。（2）频率分析仪）频率分析仪模模拟拟量量频频谱谱分分析析仪仪目目前前仍仍是是振振动动测测量量较较常常用用的的分分析析设设备备。它
30、它主主要要由由模模拟拟带带通通滤滤波波器器组组成成。振振动动信信号号转转换换成成电电信信号号后后，经经中中间间变变换换电电路路输输入入频频率率分分析析仪仪，手手控控或或自自动动扫扫描描就就可可完完成成所所需需频频带带的的频频谱谱分分析析。常常用用的的频频率率分分析析仪仪有有恒恒定定百百分分比比带带宽分析仪，恒定带宽分析仪，宽分析仪，恒定带宽分析仪，1/3倍频程分析仪和实时分析仪等。倍频程分析仪和实时分析仪等。（3）FFT分析仪分析仪随随着着计计算算机机技技术术和和数数字字信信号号处处理理技技术术的的发发展展，用用数数学学技技术术处处理理振振动动测测量量信信号号的的方方式式已已广广泛泛被被采采用
31、用。以以微微处处理理器器为为核核心心和和以以快快速速傅傅里里叶叶变变换换（FFT）算算法法为为基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强、基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强、体体积积小小、重重量量轻轻、便便于于携携带带到到现现场场，尤尤其其是是分分析析的的速速度度远远远远地地高高于于模模拟拟式式频频谱谱分分析析仪仪。市市场场上上常常见见中中高高档档FFT分分析析仪仪有有日日产产CF-355和和CF-940FFT分分析析仪仪，美美产产HP5451C和和HP3562AFFT分分析析仪仪以以及及SD380FFT分分析仪等。析仪等。（4）虚拟
32、频谱分析仪）虚拟频谱分析仪虚虚拟拟仪仪器器的的概概念念是是20世世纪纪九九十十年年代代初初才才提提出出来来的的。虚虚拟拟仪仪器器是是仪仪器器技技术术与与计计算算机机技技术术高高度度结结合合的的产产物物。虚虚拟拟仪仪器器的的核核心心是是具具备备各各种种功功能能的的软软件件系系统统，通通常常包包括括计计算算机机图图形形软软件件，数数据据处处理理软软件件和和显显示示测测量量结结果果的的测测试试系系统统软软件件等等。当当然然也也包包括括少少量量的的仪仪器器硬硬件件（例例如如数数据据采采集集硬硬件件）以以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。目目前前可可进进行行频频
33、谱谱分分析析的的虚虚拟拟仪仪器器产产品品有有DSO2100、DSO2902、DSO2904、PCS500、HS801和和SDS200等。等。和传统的和传统的FFT分析仪相比，具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加分析仪相比，具有频谱分析功能的虚拟仪器可以更加灵活地选择窗口，灵活地选择窗口，采样速率和频谱二进制数，且价格低，技术更新快，采样速率和频谱二进制数，且价格低，技术更新快，具有灵活的开放功能等。具有灵活的开放功能等。2振动参量的测量振动参量的测量振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。1）振幅的测量振幅的测量振振动动量量的的幅幅值值是是
34、时时间间的的函函数数，常常用用峰峰值值、峰峰峰峰值值、有有效效值值和和平平均均绝绝对对值值来来表表示示。峰峰值值是是从从振振动动波波形形的的基基线线位位置置到到波波峰峰的的距距离离，峰峰峰峰值值是是正正峰峰值值到到负负峰峰值值之之间间的的距距离离。在在考考虑虑时时间间过过程程时时常常用用有有效效（均均方方根根）值值和和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为Z有效有效=（11）Z|平均平均|=（12）对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为（13）式中，式中，zf为振动峰值。为振动峰
35、值。2）谐振动频率的测量谐振动频率的测量谐谐振振动动的的频频率率是是单单一一频频率率，测测量量方方法法分分直直接接法法和和比比较较法法两两种种。直直接接法法是是将将拾拾振振器器的的输输出出信信号号送送到到各各种种频频率率计计或或频频谱谱分分析析仪仪直直接接读读出出被被测测谐谐振振动动的的频频率率。在在缺缺少少直直接接测测量量频频率率仪仪器器的的条条件件下下，可可用用示示波波器器通通过过比比较较测测得得频频率率。常常用用的的比比较较法法有有录录波波比比较较法法和和李李沙沙育育图图形形法法。录录波波比比较较法法是是将将被被测测振振动动信信号号和和时时标标信信号号一一起起送送入入示示波波器器或或记记
36、录录仪仪中中同同时时显显示示，根根据据它它们们在在波波形形图图上上的的周周期期或或频频率率比比，算算出出振振动动信信号号的的周周期期或或频频率率。李李沙沙育育图图形形法法则则是是将将被被测测信信号号和和由由信信号号发发生生器器发发出出的的标标准准频频率率正正弦弦波波信信号号分分别别送送到到双双轴轴示示波波器器的的y轴轴及及x轴轴，根根据据荧荧火火屏屏上上呈呈现现出出的的李李沙沙育育图图形形来来判判断断被测信号的频率。被测信号的频率。3）相位角的测量相位角的测量相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直
37、读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测之间的相位差也常用直读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差求出相位差；求出相位差；（14）李李沙沙育育图图测测相相位位法法则则是是根根据据被被测测信信号号与与同同频频的的标标准准信信号号之之间间的李沙育图形来判别相位差。的李沙育图形来判别相位差。4）阻尼比测量阻尼比测量阻阻尼尼比比是是导导出出参参数数，可可以以通通过过测测量量振振动动的
38、的某某些些基基本本参参数数，再再用用公公式式算算出出。常常用用的的方方法法有有振振动动波波形形图图法法、共共振振法法、半半功功率率点点法法和李沙育图法四种。和李沙育图法四种。（1）振动波形图法）振动波形图法用用测测振振仪仪记记录录被被测测的的有有阻阻尼尼自自由由振振动动波波形形如如图图8所所示示。由由振振动理论知此曲线的数学方程式为动理论知此曲线的数学方程式为式中，式中，n为为衰衰减减振振动动的圆频率，的圆频率，n与与衰衰减减振振动动周期周期的关系为的关系为=因因此此，由由任任意意相相邻邻两两振振幅幅zi与与zi+1的比值的比值zi/zi+1=exp()即即可求得可求得为为(15)式中，式中，
39、图图8振动波形图法测阻尼比振动波形图法测阻尼比（2）共振法）共振法由由振振动动理理论论知知，一一个个单单自自由由度度有有阻阻尼尼线线性性振振动动系系统统的的位位移移、速速度度和和加加速速度度的的幅幅频频特特性性的的共共振振频频率率fd、fV、和和fa、是是不不相相同同的的，它它们们与与系系统统无无阻阻尼尼振振动动固固有有频率频率fn之间的关系分别如下之间的关系分别如下fd=fn（16）fv=fn(17)fa=fn(18)因此，由式（因此，由式（16）与式）与式(17)或式（或式（17）与式（）与式（18）都可求得）都可求得：=（19）或或=（20）（3）半功率点法半功率点法由由振振动动理理论论
40、知知，一一个个振振动动系系统统的的能能量量是是与与其其振振幅幅的的平平方方成成正正比比。系系统统强强迫迫振振动动的的能能量量在在共共振振点点前前后后能能量量为为共共振振时时能能量量的的1/2处处的的两两个个频频率率f1、f2称称为为半半功功率率点点频频率率，则则此此两两半半功功率率点点频频率率之之差差值值与与系系统统的的阻阻尼尼比之间有如下关系（图比之间有如下关系（图9）=(21)图图9半功率点法测阻尼比半功率点法测阻尼比(4)李沙育图法李沙育图法当被测的阻尼较大时，幅频特性曲线的峰值变得不明显或甚至不出当被测的阻尼较大时，幅频特性曲线的峰值变得不明显或甚至不出现，上述三种方法便无法使用或误差
41、较大，这时可用李沙育图法。该法现，上述三种方法便无法使用或误差较大，这时可用李沙育图法。该法的测量系统如图的测量系统如图10所示，所示，（a）测量系统测量系统（b）李沙育圆李沙育圆图图10李沙育图形法测阻尼比李沙育图形法测阻尼比被被测测对对象象固固定定在在振振动动台台上上受受激激振振动动。如如测测振振动动台台面面振振动动的的加加速速度度计计、电电荷荷放放大大器器和和示示波波器器的的X轴轴组组成成的的测测量量系系统统与与测测被被测测对对象象振振动动的的加加速速度度计计、电电荷荷放放大大器器和和示示波波器器y轴轴组组成成的的测测量量系系统统，两两者者在在幅幅频频特特性性和和相相频频特特性性上完全一
42、致，则示波器显示的李沙育圆上有下列关系：上完全一致，则示波器显示的李沙育圆上有下列关系：令令则则=(22)3机械阻抗测量机械阻抗测量振振动动测测量量从从本本质质上上说说属属动动态态测测量量，测测振振传传感感器器检检测测的的信信号号是是被被测测对对象象在在某某种种激激励励下下的的输输出出响响应应信信号号。振振动动测测量量的的一一个个主主要要目目的的就就是是通通过过对对激激励励和和响响应应信信号号的的测测试试分分析析，找找出出系系统统的的动动态态特特性性参参数数，包包括括固固有有频频率率、固固有有振振型型、模模态态质质量量、模模态态刚刚度度、模模态态阻阻尼尼比比等等。振振动动测测量量是是结结构构模
43、模态态分分析析和和设设备备故故障障诊诊断断的的基基础础。限限于于篇篇幅幅的的关关系系，本本节节只只简简单单介介绍绍测测量量振振动激励和响应信号的基本方法。动激励和响应信号的基本方法。1）机械阻抗与机械导纳）机械阻抗与机械导纳机械阻抗与机械导纳的一般定义为机械阻抗与机械导纳的一般定义为（Z）=（23）(M)=(24)机机械械系系统统的的激激励励一一般般是是力力，系系统统的的响响应应可可用用位位移移、速速度度和和加加速速度度来来表表达达，故故机机械械阻阻抗抗和和机机械械导导纳纳又又各各有有三三种种形形式式。位位移移阻阻抗抗又又称称为为动动刚刚度度，位位移移导导纳纳称称为为动动柔柔度度，速速度度阻阻
44、抗抗称称为为机机械械阻阻抗抗，速速度度导导纳纳简简称称导导纳纳，加加速度阻抗又称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性。速度阻抗又称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性。机机械械阻阻抗抗是是复复量量，可可写写成成幅幅值值、相相角角、或或实实部部、虚虚部部形形式式，也也可可用用幅一相特性、奈奎斯特图表示。幅一相特性、奈奎斯特图表示。在在评评价价结结构构抗抗振振能能力力时时常常用用动动刚刚度度，在在共共振振区区动动刚刚度度仅仅为为静静刚刚度度的的几几分分之之一一到到十十几几分分之之一一；在在分分析析振振动动对对人人体体感感受受影影响响时时，常常用用速速度度阻阻抗抗；在在分分析析振振动动引引起起的的结
45、结构构疲疲劳劳损损伤伤时时，常常用用机机械械惯惯性性；在在分分析析车车厢厢等等振振动动、噪声时则常用速度导纳。噪声时则常用速度导纳。机机械械阻阻抗抗测测试试是是在在结结构构上上施施加加激激振振力力，同同时时测测量量力力和和响响应应，所所得得机机械阻抗只决定于系统本身，而与激振力性质无关。械阻抗只决定于系统本身，而与激振力性质无关。按按激激励励方方式式的的不不同同，测测试试方方法法通通常常分分为为稳稳态态正正弦弦激激励励测测试试、随随机机激激励测试和瞬态激励测试三种。励测试和瞬态激励测试三种。2）稳态正弦激励测试稳态正弦激励测试稳稳态态正正弦弦激激励励即即施施加加在在被被测测对对象象上上的的力力
46、是是稳稳态态正正弦弦力力，是是最最常常用用的的一一种种激激励励方方式式。它它具具有有能能量量集集中中、精精度度高高等等优优点点，可可分分为为单单点点激激励励和和多多点点激激励励。所所谓谓单单点点激激励励就就是是采采用用一一个个激激振振器器，对对结结构构上上某某一一点点进进行行激激励励；而多点激励则是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励。而多点激励则是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励。图图11是是对对某某被被测测试试件件进进行行单单点点稳稳态态正正弦弦激激励励测测试试的的原原理理框框图图。被被测测试试件件按按实实际际工工作作条条件件固固定定。在在其其上上选选择择激激励励点点和
47、和测测量量点点，激激励励点点和和测测量量点点应应避避开开各各阶阶模模态态的的节节点点或或节节线线。激激振振器器用用橡橡皮皮绳绳悬悬吊吊，阻阻抗抗头头与与激激振振器器之之间间用用一一个个柔柔性性杆杆连连接接（以以减减小小激激振振器器对对试试件件非非激激励励方方向向的的附附加加刚刚度度约约束束）。信信号号器器输输出出单单一一频频率率的的正正弦弦信信号号经经功功率率放放大大器器推推动动激激振振器器，使使试试件件产产生生受受迫迫振振动动。振振动动信信号号与与力力信信号号分分别别通通过过电电荷荷放放大大器器放放大大，并并转转变变为为电电压压信信号号输输入入分分析析仪仪进进行行分分析析运运算算，结结果果由
48、由记记录录仪仪或或打打印印机机输输出出。改改变变激激励励频频率率，重重复复上上述述试试验验，即即可可获获得得有有关关频频谱谱信信息息。改改变变激激励励点点和和测量点，重复上面的测量则可获得试件上各点的模态参数。测量点，重复上面的测量则可获得试件上各点的模态参数。图图11稳态正弦激励测试原理框图稳态正弦激励测试原理框图激振器激振器功放功放信号发生器信号发生器机械阻机械阻抗抗分析仪分析仪X-Y记录仪记录仪打印机打印机电荷放大器电荷放大器加速度计加速度计柔性杆柔性杆力传感器力传感器被测试件被测试件阻阻抗抗头头是是一一个个高高精精度度、由由力力传传感感器器和和加加速速度度计计同同轴轴安安装装构构成成的
49、的传传感感器器，如如图图12所所示示。它它装装在在激激振振器器顶顶杆杆和和试试件件之之间间，前前端端是是力力传传感感器器，后后面面为为测测量量激激振振点点响响应应的的加加速速度度计计。在在构构造造上上应应使使两两者者尽尽量量接接近近，质质量量块块为为钨钨合合金金制制成成，壳壳体体用用钛钛制制造造。为为了了使使力力传传感感器器的的激激振振平平台台具具有有刚刚度度大大、质质量小的性能，采用铍来制造。量小的性能，采用铍来制造。分分析析仪仪器器的的作作用用是是对对激激励励及及响响应应信信号号进进行行采采样样、变变换换、运运算算，从从而而求求出出传传递递函函数数的的幅幅值值、相相位位或或实实部部、虚虚部
50、部。稳稳态态正正弦弦激激励励测测试试常常用用的的分分析析仪仪器器有有两两类类，即即模模拟拟量量跟跟踪踪滤滤波波器器式式和和数数字字相相关关积积分式分析仪，也可用分式分析仪，也可用FFT分析仪。分析仪。图图12阻抗头阻抗头1力敏压电片；力敏压电片；2加速度信号输出加速度信号输出3安装面；安装面；4外壳；外壳；5质量块；质量块；6-加速度敏压电片；加速度敏压电片；7力信号输出力信号输出8硅橡胶密封圈；硅橡胶密封圈；9驱动端面驱动端面3）瞬态激励测试瞬态激励测试 磁带磁带记录仪记录仪电荷电荷放大器放大器传递函数传递函数分析仪分析仪脉冲锤脉冲锤加速度计加速度计微型微型计算机计算机X-Y绘图仪绘图仪打印