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1、振动测量技术第1页，本讲稿共54页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，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
2、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、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。第2页，本讲稿共54页5.1振动和振动测量系统振动和振动测量系统5.1.1振动信号分类振
3、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5.1所所示示，即即将将振振动动分分为为确确定定性振动性振动和和随机振动随机振动两大类。两大类。第3页，本讲稿共54页图图5.1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确定性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第4页，本讲稿共54页确确定定性性振振动动可可分分为为周周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
4、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值为无理数，因而是非周期振动。比值为无理数，因而是非周期振动。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经的平稳随机振动和非各
5、态历经的平稳随机振动。历经的平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化作作许许多多谐谐振振动动的的叠叠加加。因因此此简简谐谐振振动动是是最最基本也是最简单的振动基本也是最简单的振动。第5页，本讲稿共54页简谐振动简谐振动(1)定义或解释定义或解释物体在受到大小跟位移成正比，而方向恒相反的合外力物体在受到大小跟位移成正比，而方向恒相反的合外力作用下的运动，叫做简谐振
6、动。作用下的运动，叫做简谐振动。物体的运动参量（位移，速度，加速度），随时间按正物体的运动参量（位移，速度，加速度），随时间按正弦或余弦规律变化的振动，叫做简谐振动。弦或余弦规律变化的振动，叫做简谐振动。(2)说明说明振动中最简单的就是简谐振动。因此，一开始采用振动中最简单的就是简谐振动。因此，一开始采用(1)中中的方的方法来定义简谐振动比较恰当。在了解了作简谐振动物体的位法来定义简谐振动比较恰当。在了解了作简谐振动物体的位移、速度、加速度等运动参量的变化规律以后，提出移、速度、加速度等运动参量的变化规律以后，提出(1)中中的方法。实际上，物体的运动参量随时间按正弦或余弦规律变的方法。实际上，
7、物体的运动参量随时间按正弦或余弦规律变化，是物体受到大小跟位移成正比，方向恒相反的合外力作用化，是物体受到大小跟位移成正比，方向恒相反的合外力作用的必然结果。的必然结果。第6页，本讲稿共54页作简谐振动的物体，受到的合外力和位移成正比这一点，是比作简谐振动的物体，受到的合外力和位移成正比这一点，是比较容易理解的，但是对于方向恒相反这一点，并不容易理解，错较容易理解的，但是对于方向恒相反这一点，并不容易理解，错误地认为在物体由平衡位置向最大位移处运动的过程中，位移是误地认为在物体由平衡位置向最大位移处运动的过程中，位移是指向最大位移处，这和所受的作用力反向；由最大位移处向平衡指向最大位移处，这和
8、所受的作用力反向；由最大位移处向平衡位置运动的过程中，位移是指向平衡位置，这和所受的作用力同位置运动的过程中，位移是指向平衡位置，这和所受的作用力同向；这样似乎外力和位移的方向时而相反，时而相同了。造成这向；这样似乎外力和位移的方向时而相反，时而相同了。造成这种看法主要是由于不理解简谐振动中，位移始终是指物体相对于种看法主要是由于不理解简谐振动中，位移始终是指物体相对于平衡位置的位置变化，这就是说，物体对平衡位置的位移总是背平衡位置的位置变化，这就是说，物体对平衡位置的位移总是背向平衡位置。而回复力的方向总是指向平衡位置，所以二者方向向平衡位置。而回复力的方向总是指向平衡位置，所以二者方向恒相
9、反。恒相反。还要强调，作简谐振动的物体除了受到大小跟位移成正比、还要强调，作简谐振动的物体除了受到大小跟位移成正比、方向恒相反的回复力作用外，不受其他不平衡力的作用，或者说方向恒相反的回复力作用外，不受其他不平衡力的作用，或者说物体所受的合外力大小和位移成正比，方向恒相反。对于既受大物体所受的合外力大小和位移成正比，方向恒相反。对于既受大小跟位移成正比、方向恒相反的回复力作用，同时又受其他不平小跟位移成正比、方向恒相反的回复力作用，同时又受其他不平衡力作用衡力作用(如阻力如阻力)，物体所作振动就不是一种简谐振动。，物体所作振动就不是一种简谐振动。第7页，本讲稿共54页一般可以用四种方法去描述简
10、谐振动。一般可以用四种方法去描述简谐振动。a动力学方法。即动力学方法。即F=-kx,a=-kx/m。b运动学方法。即运动学方法。即x=Acos(t+),v=-Asin(t+),a=-A2cos(t+)。c振动图线法振动图线法(略略)。d矢量图示法，也就是参考圆法。这四种方法分别从不同的矢量图示法，也就是参考圆法。这四种方法分别从不同的角度反映了简谐振动。角度反映了简谐振动。作简谐振动的物体振幅不变，而且物体的位移、加速度最大作简谐振动的物体振幅不变，而且物体的位移、加速度最大时，速度为零；位移、加速度为零时，速度最大。这些事实说明时，速度为零；位移、加速度为零时，速度最大。这些事实说明了物体系
11、的势能和动能之间不断地相互转换，而且物体系的总能了物体系的势能和动能之间不断地相互转换，而且物体系的总能量保持一定。因此，任何时刻物体系的总能量等于它的势能极大量保持一定。因此，任何时刻物体系的总能量等于它的势能极大值，也等于动能极大值。即任何时刻的势能和动能之和保持一定值，也等于动能极大值。即任何时刻的势能和动能之和保持一定值。值。第8页，本讲稿共54页5.1.2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学法光学法。其简单原理和优缺点见表。其简单原理和优缺点见表5.1
12、。第9页，本讲稿共54页表5.1 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试仪器进行测量测试仪器进行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。是是目目前前最最广广泛泛采采用用的的方法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大后直接记录下来放大后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
13、的的负负荷荷，影影响响测测试试结结果果，用用于于低频大振幅振动及扭振的测量低频大振幅振动及扭振的测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应等等进进行行测量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器、测振仪标定中用得较多感器、测振仪标定中用得较多第10页，本讲稿共54页目前广泛应用的是电测法，接下来主要讨论电测法。目前广泛应用的是电测法，接下来主要讨论电测法。2）电测法振动测量系
14、统）电测法振动测量系统激激振振系系统统测振传感器测振传感器中间变换电路中间变换电路功功放放振动分析仪器振动分析仪器显示记录显示记录反馈控制反馈控制干扰干扰信号发生器信号发生器图5.2 振动测量系统的一般组成框图第11页，本讲稿共54页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
15、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装置置等等环节所组成。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拾拾振振部部分分是是振振动动测测量量仪仪器器的的最最基基本本部部分分，它它的的性性能能往往往往决决定定了了整整个个仪仪器器或或系系统统的的性性能能。表表5.2列列举举了了部部分分常常用用的的测测振振传传感感器。器。第12页，本讲稿共54页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
16、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冲击测量，经积分后，可测速度和位移；于冲击测量，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范范围围内内的激振力的激振力灵灵敏敏度度高高，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
17、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，目前应用最广目前应用最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范围内范围内的线速度和角速度，经积分可测的线速度和角速度，经积分可测0.0011mm振幅，经微分测振幅，经微分测10g以下加速度。以下加速度。相对式速度传感器用于测相对式速度传感器用于测2500Hz范围的范围的相对速度、位移或加速度；地震式传感器相对速度、位移或加速
18、度；地震式传感器用于测用于测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，故故引引起起的的干干扰扰噪声小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
19、角角速速度度，经经积积分分或或微微分分后后可测位移或加速度可测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导电体或导电体表5.2 电测法测振常用的传感器第13页，本讲稿共54页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
20、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
21、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
22、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
23、。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第14页，本讲稿共54页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成正比度成正比量量程程为为520g，分分辨辨力力10g最最高高达达1g，适适用用
24、于于测测低低频频振振动动，经经积积分分后后可测速度和位移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、重重量量和和尺寸大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加速度成正比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振动，经积分后可测速度和位移频振动，经积分后可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
25、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、成本高杂、成本高第15页，本讲稿共54页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量精度，甚至得出错误的结论。测量精度，甚至得出错误的结论。根据线性系统的叠加原理，振动的响应是振动系统拾振部分对根据线性系统的叠加原理，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。各个谐振动响应的叠加。在在
26、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5.3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的绝对位移为的绝对位移为z0则质量块的运动方程为则质量块的运动方程为图5.3 由载体运动引起的振动响应 mz。kc第16页，本讲稿共54页（5.1）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（5.2）则上式可改写成则上式可改写成（5.3）设载体的运动为谐振动，即设载体的运动为谐振动，即则式（则式（5.3）可写成）可写成（5.4）第17页，本讲稿共54页考虑下面几种
27、情形下的响应特性：考虑下面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为为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状态下。此时幅频特性和相频特性分别为下。此时幅频特性和相频特性分别为（5.5）（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5.4和和5.5所示。所示。第18页，本讲稿共54页 图5.4 由载体运动引起的位移响应 图5.5相频特性曲线第19页，本讲稿共54页（2）z01相相对对于于载载体体振振动动速速度度，此此时时相相当当于于测测振振仪仪处处于于速速度度计计的工作状态的工作状态下。此时幅
28、频特性和相频特性分别为下。此时幅频特性和相频特性分别为(5.7)(5.8)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5-6和图和图5-5所示。所示。第20页，本讲稿共54页图 5.6由载体运动引起的速度响应 图5.7由载体运动引起的加速度响应第21页，本讲稿共54页(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的工作状态计的工作状态下。此时幅频特性和相频特性分别为下。此时幅频特性和相频特性分别为（5.9）(5.10)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5.7和图和
29、图5.5所示。所示。第22页，本讲稿共54页从图从图5.4图图5.7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。对对于于加速度计来说，其工作条件为加速度计来说，其工作条件为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z1
30、m,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量量低低频频大大振振幅幅的的振动，而高频振动则选用加速度计较为合适。振动，而高频振动则选用加速度计较为合适。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，位位移计的移计的必须设计得很低必须设计得很低，而，而加速度计的加速度计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的尺尺寸寸和和重重量量较较大大，而而加加速速度度计的尺寸和重量很小。计的尺寸和重量很小。第23页，本讲稿共54页阻阻尼尼
31、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0.60.8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直直线线段段，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，在在选选用用速速度度计计测测量量振振动动速速度度的的响应时，往往使其在很大的响应时，往往使其在很大的过阻尼状态过阻尼状态下工作。下工作。第2
32、4页，本讲稿共54页4）激振器）激振器激振器是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。为了减少激振器质量对被测系统控的、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。的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。表表5.3列举了部分常用的激振器。列举了部分常用的激振器。第25页，本讲稿共54页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
33、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的试试件件产产生生周周期期性性正正弦弦波波振动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动力力使使振振动动台台体体作作机机械械振振动动频频率率范范围围宽宽、激激振振力力大大、振振动动波波形形好好，设设备备结结构构较较复杂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，产产生生周期性
34、的交变吸力，作为激振力周期性的交变吸力，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，振振动动波波形差，激振力难控制形差，激振力难控制电液式电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油缸缸，油油缸缸驱驱动动台台面面产产生生周周期期性性正弦波振动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激振，设备复杂台激振，设备复杂表表5.3 部分常用的激振设备部分常用的激振设备第26页，本讲稿共54页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
35、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经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。需经过适当的分析处理，以提取出各种有用的信息。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分分析仪析仪和和虚拟频谱分析仪虚拟频谱分析仪等。等。第27页，本讲稿共54页（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
36、使人人们们获获得得振振动动的的总总强强度度（振级）的信息（振级）的信息，而，而不能获得振动频率等其它方面的信息不能获得振动频率等其它方面的信息。（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宽分分析析仪仪，恒恒定定带带
37、宽宽分分析析仪仪，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。第28页，本讲稿共54页（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）算算法法为为基基础础的的数数字字分分析析仪仪，精精度度高高、动动态态范范围围大大、功功能能多多、性性能能稳稳定定、抗抗干干扰扰能能力力强强、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
38、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，美产美产HP5451C和和HP3562AFFT分析仪以及分析仪以及SD380FFT分析仪等。分析仪等。第29页，本讲稿共54页（4）虚拟频谱分析仪）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
39、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）以以及及将将计计算算机机与与仪仪器硬件相连的总线结构等。器硬件相连的总线结构等。目目前前可可进进行行频频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，更加灵活地选择窗口，采样速率和
40、频谱二进制数，且价格低，技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。术更新快，具有灵活的开放功能等。第30页，本讲稿共54页5.2振动参量的测量振动参量的测量振动参量是指振动参量是指振幅振幅、频率频率、相位角相位角和和阻尼比阻尼比等物理量。等物理量。1）振幅的测量振幅的测量振动量的幅值是时间的函数，常用振动量的幅值是时间的函数，常用峰值峰值、峰峰值峰峰值、有效值有效值和和平均绝对值平均绝对值来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考
41、虑时间过程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为绝对值分别定义为z有效有效=zrms=（5.11）z|平均平均|=z=（5.12）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（5.13）式中，式中，zf为振动峰值。为振动峰值。第31页，本讲稿共54页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
42、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（即即比比较较法法）。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
43、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，根根据据荧荧光光屏屏上上呈呈现现出出的的李李沙沙育育图形来判断被测信号的频率。图形来判断被测信号的频率。第32页，本讲稿共54页李沙育图形原本是在示波器上观察信号频率所得的图形。李沙育图形原本是在示波器上观察信号频率所得的图形。现在将它接上其他器具后，便可以在纸上也描绘出李沙育现在将它接上其他器具后，便可以在纸上也描绘出李沙育图形。图形。示波器的李沙育图形示波器的李沙育图形,广泛应用于频率和相位的测量广泛应用于频率和相位的测量.这种测这种测量法不仅提供了
44、示波器频率及相位测量方法量法不仅提供了示波器频率及相位测量方法,而且揭示了所有而且揭示了所有测试仪器的测试理论基础测试仪器的测试理论基础.一个基准信号已知频率相位，一个待测信号，在双踪示波一个基准信号已知频率相位，一个待测信号，在双踪示波器中进行波型叠加，调整基准信号源，在示波器上出现某器中进行波型叠加，调整基准信号源，在示波器上出现某种特殊图形，可以表示待测信号与已知信号也就是基准信种特殊图形，可以表示待测信号与已知信号也就是基准信号源之间的频率相位关系，从而计算出被测信号的频率和号源之间的频率相位关系，从而计算出被测信号的频率和相位。相位。这种方法使用的图形列表叫李沙育图形，方法叫李沙育图
45、这种方法使用的图形列表叫李沙育图形，方法叫李沙育图形法。形法。李沙育图形李沙育图形第33页，本讲稿共54页测试时用信号发生器产生频率和相位可变的标准正弦波信号，接到测试时用信号发生器产生频率和相位可变的标准正弦波信号，接到示波器示波器X输入；被测信号接入示波器输入；被测信号接入示波器Y输入。调节衰减输入。调节衰减X、Y的增的增益使其幅度大小一致。连续改变标准信号发生器的频率，直至益使其幅度大小一致。连续改变标准信号发生器的频率，直至荧光屏上显示的图形稳定。当图形为一个圆或椭圆时，表明被荧光屏上显示的图形稳定。当图形为一个圆或椭圆时，表明被测信号与标准信号频率相同；当图形为若干个稳定的闭环时，测
46、信号与标准信号频率相同；当图形为若干个稳定的闭环时，表明被测信号频率与标准信号频率成倍数或约数关系，可以根表明被测信号频率与标准信号频率成倍数或约数关系，可以根据图形水平方向切点数和垂直方向切点数之比，并读出此时标据图形水平方向切点数和垂直方向切点数之比，并读出此时标准信号的频率，从而确定被测信号的频率。下图是不同频率比准信号的频率，从而确定被测信号的频率。下图是不同频率比和相位差下的几种李沙育图形。和相位差下的几种李沙育图形。第34页，本讲稿共54页3）相位角的测量相位角的测量相位差角相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个。测定同频两个振动之间
47、的相位差也常用振动之间的相位差也常用直读法直读法和和比较法比较法。直读法是利用各种相。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在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的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时间差求出相位差；求出相位差；（5.14）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间的李沙育图形来判别相位差。之间的李沙育图形来判别相位差。第35页，本讲稿共54页4）阻尼比测量阻尼比测量阻阻尼尼比比是是导导
48、出出参参数数，可可以以通通过过测测量量振振动动的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、半半功功率率点法点法和和李沙育图法李沙育图法四种。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5.8所所示示。由由振振动动理理论论知知此此曲曲线线的的数数学学方方程程式式为为图5.8 振动波形图法测阻尼比 第36页，本讲稿共54页Z=exp式中，式中，为衰减振动的圆频率，为衰减振动的圆频率，与与衰衰减减振振动动周周期期的的关关系为系为=，因因此此，由由任任意
49、意相相邻邻两两振振幅幅zi与与zi+1的的比比值值zi/zi+1=exp()即可求得即可求得为为=ln（5.15）式中，式中，第37页，本讲稿共54页（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 频频 率率fn之之 间间 的的 关关 系系 分分 别别 如如 下下 fd=fn（5.16）fv=fn(5.17)fa=fn(5.18)因因此此，由由式式（5.
50、16）与与式式(5.17)或或式式（5.17）与与式式（5.18）都都可可求求得得：=（5.19）或或=（5.20）第38页，本讲稿共54页（3）半功率点法）半功率点法由由振振动动理理论论知知，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5.9）=(5.21)图5.9 半功率点法