振动测量仪器知识.doc

1、1振动测量仪器知识一、概述（ 一 ） 用 途振动测量仪器是一种测量物体机械振动的测量仪器。测量的基本量是振动的加速度、速度和位移等，可以测量机械振动和冲击振动的有效值、峰值等，频率范围从零点几赫兹几千赫兹。外部联接或内部设置带通滤波器，可以进行噪声的频谱分析。随着电子技术尤其是大规模集成电路和计算机技术的发展，振动测量仪器的许多功能都通过数字信号处理技术代替模拟电路来实现。这不仅使得电路更加简化，动态范围更宽，而且功能和稳定性也大大提高，尤其是可以实现实时频谱分析，使振动测量仪器的用途更加广泛。（ 二 ） 分 类 与 特 点振动测量仪器按功能来分：分为工 作 测 振 仪 、振动烈度计、振动分析

2、仪、激振器（或振动台） 、振动激励控制器、振动校准器测量机械振动，具有频谱分析功能的称为频谱分析仪，具有实时频谱分析功能的称为实时频谱分析仪或实时信号分析仪，具有多路测量功能的多通道声学分析仪。振动测量仪器按采用技术来分：分为模拟振动计、数字化振动计和多通道实时信号分析仪。振动测量仪器按测量对象来分：分为测量机械振动的通用振动计，测量振动对人体影响的人体（响应）振动计、测量环境振动的环境振动仪和振动激励控制器。 工 作 测 振 仪 特 点通 常 是 手 持 式 ， 操 作 简 单 、 价 格 便 宜 ， 只 测 量 并 显 示 振动的加速度、速度和位移等。 以 前 用 电 表 显 示 测 量

3、值 ， 现 在 都 是 用 数 字 显 示 。 通 常 不 带 数 据 储 存 和 打 印功 能 ， 用 于 一 般 振 动 测 量 。 振动烈度计是指专用于测量振动烈度（10 Hz 1000 Hz频 率 范 围 的 速 度 有 效 值 ）的振动测量仪器。 实 时 信 号 分 析 仪 特 点实时信号分析仪是一种数字频率分析仪，它采用数字信号处理技术代替模拟电路来进行振动的测量和频谱分析。当模拟信号通过采样及A/D 转换成数字信号后，进入数字计算机进行运算，实现各种测量和分析功能。实时信号分析仪可同时测量加速度、速度和位移，均方根、峰值（Peak） 、峰-峰值（Peak-Peak）检波可并行工作

4、。不仅分析速度快，而且也能分析瞬态信号，在显示器上实时显示出频谱变化，还可将分析得到的数据输出并记录下来。 动态信号测试和分析系统特 点包含多路高性能数据采集、多功能信号发生、基本信号分析，还可以选择高级信号分析；以及模态分析、故障分析等应用。尤其适合振动、噪声、冲击、应变、温度等信号的采集和分析。 人体（响应）振动计特 点主 要 用 于 测 量 和 分 析 振 动 对 人 体 的 影 响 。 人 体 振 动 又 分 为 人 体 全 身 振 动 和 手传 振 动 ， 测 量 计 权 振 动 加 速 度 有 效 值 。 仪 器 性 能 应 符 合 GB/T 23716-2009人体对振动的响应测

5、量仪器的要求，对于全身振动（频率计权Wc、 Wd、W e、W j、W k、 ）和用于进行轨道车辆舒适度评价的全身振动（频率计权Wb）频 率 范 围 为 0.5 Hz 80 Hz， 对 于 建筑物内连续与冲击引起的振动（频率计权2Wm）频 率 范 围 为 1 Hz 80 Hz， 对于手传振动（频率计权 Wh）频 率 范 围 为 8 Hz 1000 Hz， 对于运动病（频率计权W f）频 率 范 围 为 0.1 Hz 0.5 Hz。 适 用 于 劳动 卫 生 和 振 动 职 业 病 防 治 人 体 振 动 测 量 。 环境振动计特 点主 要 用 于 测 量 环 境 振 动 ， 适 用 于 按 照

6、环 境 振 动 国 家 标 准 （ GB/T 10071） 进行 环 境 振 动 的 测 量 和 评 价 ， 频 率 范 围 为 1 Hz 80 Hz， 通 常 测 量 垂 向 计 权 振 级（ 以 10-6 m/s2为 参 考 基 准 ） 。 振动激励控制器特 点振动激励控制器适用于电动、液压振动台控制，既可以进行正弦信号激励控制，也可以实现随机信号激励控制和复合控制，也能模拟出产品在运输过程中所经历的复杂振动环境。振动控制器采用分布式结构体系，闭环控制由 DSP 处理器实现，PC 机独立于控制环之外，保证了控制系统的实时与高效，能及时、快速地响应试验系统的任何变化，确保控制的稳定性和高精度

7、。 （ 三 ） 产 品 国 内 外 现 状国 内 生 产 振 动 测 量 仪 器 的 厂 家 主 要 有 ： 杭 州 爱 华 仪 器 、 红 声 器 材 厂 嘉 兴 分 厂 、北 京 东 方 振 动 噪 声 研 究 所 、 扬 州 联 能 电 子 等 单 位 。 国 产 振 动 测 量 仪 器 已 普 遍 采 用数 字 信 号 处 理 技 术 的 实 时 信 号 分 析 仪 ， 北 京 东 方 振 动 噪 声 研 究 所 已 形 成 DASP系 列 振 动 测 量 分 析 仪 器 产 品 ， 苏 州 东 菱 有 限 公 司 在 大 型 振 动 台 和 激 振 器 方 面 在 国 内占 领 先

8、地 位 ， 杭 州 爱 华 仪 器 有 限 公 司 在 环 境 振 动 测 量 仪 器 和 人 体 振 动 测 量 仪 器 方 面有 所 专 长 ， 杭 州 亿 恒 科 技 在 振 动 激 励 控 制 方 面 优 势 明 显 。 一 般 用 途 的 国 产 振 动 测 量分 析 仪 器 已 能 满 足 国 内 市 场 需 要 ， 并 在 国 内 市 场 占 主 导 地 位 。 高 档 实 验 室 使 用 振 动测 量 仪 器 ， 尤 其 是 计 量 标 准 几 乎 被 丹 麦 B&K 公 司 、 美 国 HP 公 司 为 代 表 的 外 国公 司 垄 断 ， 它 们 的 产 品 性 能 、 软

9、 件 ， 以 及 产 品 品 种 方 面 都 有 较 大 优 势 ， 在 大 型 设 备故 障 监 测 和 诊 断 方 面 更 具 优 势 。（ 四 ） 技 术 发 展 趋 势 数 字 化 、 小 体 积 、 多 功 能 已 经 成 为 手 持 式 振 动 测 量 仪 器 的 发 展 趋 势 ； 数 字 信 号 处 理 技 术 和 实 时 信 号 分 析 将 会 得 到 广 泛 应 用 ； 机 器 振 动 监 测 已 作 为 机 器 故 障 监 测 和 诊 断 分 析 的 一 种 重 要 手 段 。二、基本工作原理通用振动计由加速度传感器、电荷放大器、积分器、高低通滤波器、检波电路及指示器、校

10、准信号振荡器、电源等组成。工作原理框图如图1所示。图1 振动计工作原理框图电荷放大器积分器(速度或位移)高/低通滤波器 放大器检波器(峰值或有效值)校准信号电池/电源 外接滤波器AC 输出 DC 输出或外接电源加速度计3加速度传感器检取的振动信号经电荷放大器，将电荷信号转变为电压信号，送到积分器经两次积分后，分别产生相应的速度和位移信号。来自积分器的信号送到高低通滤波器，滤波器的上下限截止频率由开关选定。然后信号送到检波器，将交流信号变换为直流信号。检波器可以是峰值或有效值检波，在一般情况下，测加速度时选峰值检波，测速度时选有效值（RMS）检波，测位移时选峰-峰值检波。检波后信号被送到表头或数

11、字显示器，直接读出被测振动的加速度、速度或位移值。通用振动计内的校准信号振荡器使得仪器具有自校的功能，还可根据传感器的灵敏度来调节整机灵敏度。而有的振动计具有加速度计灵敏度适调开关，则灵敏度适调功能由该开关完成。振动计还可以外接滤波器进行频率分析。动 态 信 号 分 析 仪 的 原 理 方 框 图 如 图 2 所 示 ：图 2 动 态 信 号 分 析 仪 原 理 方 框 图动 态 信 号 分 析 仪 由 传感器、适调放大器、程控放大器、数据采集、计算机、显示器、接口、D/A、模拟输出、数据打印等部分组成。传感器可以是加速度传感器，也可以是速度传感器或位移传感器，它们将振动的加速度、速度或位移信

12、号转换成电信号。适调放大器用来将加速度计的电荷信号转换成电压信号，或者用作阻抗变换。程控放大器由计算机根据信号大小控制增益，使信号在合适的动态范围内。数据采集器将输入信号高速采集，并进行 A/D 变换，将模拟信号转换成数字信号。计算机运行相应软件对数字信号进行各种运算，达到测量和分析目的。测量和分析结果显示在CRT 或 LCD 显示器上，也可以经接口输出到打印机打印。D/A 将数字信号转换成模拟信号输出，实现各种信号输出功能。三、主要技术指标由 于 动 态 信 号 分 析 仪 代 表 振 动 测 量 仪 器 的 发 展 趋 势 ， 以 下 叙 述 动 态 信 号 分 析 仪的 主 要 技 术

13、指 标 ： 通 道 数除 手 持 式 仪 器 外 ， 基 本 上 是 多 通 道 动 态 信 号 分 析 仪 ， 最 多 可 能 达 几 百 个 通 道 。 频 率 范 围指 被 测 振 动 信 号 所 能 达 到 的 最 高 带 宽 ， 既 取 决 于 传 感 器 的 频 率 范 围 ， 也 取 决 于整 机 电 路 ， 以 及 采 样 频 率 。 振 动 测 量 仪 器 的 频 率 范 围 至 少 为 1 Hz 10 kHz,振 动烈 度 测 试 要 求 的 频 率 范 围 为 10 Hz 1 kHz。 测 量 范 围指 动 态 信 号 分 析 仪 能 测 量 的 最 高 振 动 值 和

14、最 低 振 动 值 。 最 高 取 样 速 率是 单 位 时 间 内 对 模 拟 输 入 信 号 的 取 样 次 数 ， 取 样 速 率 常 以 每 秒 取 样 的 次 数 （ 次传感器器D/A数据打印接口显示器计算机数据采集适调放大器程控放大器模拟输出4/s） 或 频 率 （ Hz） 表 示 。 按 照 奈 奎 斯 特 公 式 ， 采 样 频 率 至 少 要 大 于 测 量 上 限 频 率 1倍 。 动 态 范 围除 模 拟 电 路 的 动 态 范 围 外 ， 还 取 决 于 A/D 转 换 器 的 位 数 ， 如 A/D 转 换 器 是16 位 或 24 位 ， A/D 位 数 越 高 ，

15、 动 态 范 围 越 大 。 检 波 特 性RMS（ 有 效 值 ） 、 Peak（ 峰 值 ） 和 Peak-Peak（ 峰 -峰 值 ） 。 滤 波 器 带 宽FFT 带 宽 ， 倍 频 程 和 /或 1/3 倍 频 程 。 实 时 分 析 速 度一 般 指 每 秒 钟 分 析 频 谱 的 速 度 。 信号发生器输出正弦、三角、方波、随机、窄带随机以及任意合成波形。 应用软件基本信号分析软件，包括时域分析、自谱 FFT、倍频程 CPB、波形编辑、数字滤波、波形公式运算、概率分析、X-Y 图、相关、互功率谱、频响 FRF、三维谱阵、长数据 LFFT 和幅域统计。高级信号分析软件，包括了小波(

16、WT)和小波包(WPT)分析、拟小波分析、最大熵(MEM)分析、精熵谱分析、倒谱和倒熵谱(CEE)分析、包络谱和共振解调分析、雨流法等计数分析、FFT/FT 细化分析、跟踪滤波、冲击响应谱(SRS)、失真度测试、幅频相频曲线测试、阻尼分析、波形重构等。 模 态 分 析 和 试 验 软 件 ， 锤击 和 激 振 器 激 励 试 验 软 件 、 环 境 激 励 和 运 行 状 态 模 态 试 验 软 件 、 工 作 变 形 分 析 软 件 、旋 转 机 械 测 量 分 析 软 件 、 现 场 动 平 衡 测 量 软 件 、 机 器 运 行 状 态 监 测 和 故 障 诊 断 软 件 、桥 梁 动

17、态 测 试 软 件 等 。四、选购注意事项振动计的选择首先要依据测量对象的振动类型（周期振动、随机振动和冲击振动） 、振动的幅度，以及对于所研究的振动确定合适的测量项目（加速度、速度、位移、波形记录和频谱分析） ，选择合适的振动测量或分析系统。有的振动测量研究只需了解振动的位移值（如机械轴系的轴向和径向振动） ，有的研究了解振动的速度值（如机械底座、轴承座的振动） ，而且常常把振动烈度，即 10Hz1kHz 频率范围内振动速度的有效值，作为评价机器振动的主要评价量。另外，还需考虑测量的频率范围、幅值的动态范围、仪器的最小分辨率。对于冲击测量还应考虑振动测量仪的相位特性，因为冲击振动频谱分量所确

18、定的频率范围内，不仅要求测量设备的频率响应必须是线性的，而且要求设备的相位响应不能发生转变。按 选 购 时 要 考 虑 的 因 素 逐 一 排 序 （ 如 图 3所 示 ） ， 就 不 难 选 择 最 适 合 您 测 量 要 求 的 振 动 测 量 仪 器 。是否取得制造计量器具许可证 测量分析软件 实时分析价格 通道数 测量范围 准确度 频谱分析功能图 3 振动测量仪器选择排序应用范围范围5选 购 振动测量仪器应 考 虑 因 素 ： 应用范围振动测量仪器的应用范围非常广，不同的应用范围对仪器的要求千差万别，价格也大不一样，所以首先要根据实际应用来选择振动测量仪器。 价格选购振动测量仪器首先需

19、要考虑产品价格范围。振动测量仪器的价格取决于许多因素，包括功能、准确度等级、通道数、存储容量等。一般情况下，相同指标的振动测量仪器，国产比进口产品价格便宜很多。 功能对于振动测量仪器，测量功能是最重要的指标，它不但决定着振动测量仪器的应用范围，而且与振动测量仪器的价格关系最大。根据测量要求，如果只要测量振动的加速度、速度和位移值，只需选用工作测振仪，一般的手持式仪器即可满足要求。如果需要对振动信号进行谱分析，需要选择频谱分析仪，对于非稳态信号的测量和频谱分析，则 要 选 择 动 态 信 号 分 析 仪 。如需要测量人体振动，需选择人体响应振动计，测量环境振动选择环境振动测量分析仪器。 通道数一

20、般的振动测量仪器只有 1 个通道，只测量 1 路振动。有时需要测量多路振动，就需要选用多通道，例如动 态 信 号 分 析 仪 ，多通道动 态 信 号 分 析 仪 大大扩展了振动测量仪器的用途。 准确度振动测量仪器的 准 确 度 ： 5%和 10%。 频谱分析功能为了对振动进行频谱分析，需要选择频谱分析功能。在振动测量中用得最多的是带通滤波频谱分析。以前频谱分析使用模拟滤波器来实现，现在大多采用数字技术，通过数字滤波器进行实时频谱分析。带通滤波又分为恒带宽滤波和恒百分比带宽滤波，恒带宽滤波典型的是 FFT 窄带分析，恒百分比带宽滤波常用倍频程和 1/n 分数倍频程分析。 测 量 范 围振动测量仪

21、器的 测 量 范 围 有 时 要 考 虑 它 的 测 量 上 限 ， 以 便 测 量 高 振 动 值 ， 如几 百 m/s2 ， 甚 至 到 几 千 m/s2 以 上 ； 有 时 要 考 虑 它 的 测 量 下 限 ， 以 便 测 量 低 振动 值 ， 如 0.01 m/s2 以 下 。 通 常 通 过 选 择 不 同 灵 敏 度 的 振 动 传 感 器 可 以 选 择 不 同 的测 量 范 围 。 信号发生器输出根据测量要求选择需要的信号发生器输出。 接口目前的振动测量仪器一般都含有 RS232、USB 等接口，用于连接到微型打印机或计算机，用户可以根据测试需要选择。 软件软件是振动测量仪器

22、的重要组成部分，往往决定仪器的性能和应用。振动测量仪器的软件非常丰富，可以根据实际应用需要进行选择，选择不同的软件将会直接影响仪器的价格。 是否取得制造计量器具许可证工作测振仪、公害振动噪声计、冲击测量仪、基桩动态测量仪等振动冲击测量仪6属依法管理的计量器具，根据中华人民共和国计量法规定，制造这类计量器具应取得制造计量器具许可证，国内或本单位未生产过的计量器具新产品应当经形式评价和型式批准，并取得型式批准证书才能进行生产。进口的计量器具，必须经省级以上人民政府计量行政部门检定合格后，方可销售。当这些计量器具用于安全防护、医疗卫生、环境监测方面时，实行强制检定，使用单位应定期申请周期检定，未按照规定申请检定或检定不合格的，不得使用。