1、一振动测试技术的发展近年来，振动测试技术已取得了长足的发展。由于电子技术的迅速发展，电测方法在振动测试技术中已占主要地位。往日流行的机械式测振方法现只在一些非正式的或精确度要求不高的场合下加以应用。1.传感器传感器是把机械量转换为电量的器件，又称换能器。分为接触式与非接触式两大类。接触式传感器在使用时需与被测对象直接接触。目前，这种传感器的制作技术已比较完善，使用也很普遍。它的基本型式有磁电式、压电式、应变片式三种。磁电式传感器有一芯杆，其一端与被测对象接触。芯杆中部绕有线圈，线圈周围则是装在传感器壳体上的磁钢。当被测对象推动芯杆运动时，线圈因切割磁场而产生正比于振动速度的电压信号。由此可见，
2、这种传感器是速度传感器。磁电式传感器的频率范围一般不超过 1000Hz，它的体积也比较大。压电式加速度计是近年来得到迅速发展的测振传感器。在使用时，将整个加速度计固定在被测对象上，其中的质量块因随同被测对象运动而获得加速度。此加速度与质量块的质量之乘积即构成作用于加速度计内的压电晶体上的力。众所周知，压电晶体具有将机械量转换为电量或将电量转换为机械量的性质。当它受到外力作用时，即产生正比于此力的电信号（电压或电荷） 。由此可知，压电式传感器是加速度传感器。压电式传感器的结构型式很多，大体分为压缩型和剪切型两种。所谓压缩型是指晶体的振动沿厚度方向，而剪切型则垂直于厚度方向，需根据具体情况加以选择
3、。晶体材料多用压电陶瓷锆钛酸铅（PZT） ，在不多的场合下也采用石英。压电石英的稳定性较好，但机械性能较差，价格也比较贵。压电式加速度计的突出优点是体积小，重量轻，这在某些场合下是极为重要的。它的频率范围可达 10000Hz。应变片式传感器也是一种加速度计。它的敏感元件是一个按全桥或半桥布置粘贴电阻应变片的弹性元件。它在质量块因运动加速度而产生的力的作用下发生变形，使应变片的线栅中发生电流信号。这种传感器也具有体积小、重量轻的优点，它的频率范围取决于配用的动态电阻应变仪。在高速旋转机件和轻型薄壁结构的振动测试中，由于不宜于把传感器安装在被测对象上，所以要求非接触式传感器。这种传感器在安装时，其
4、敏感元件与被测对象之间保持着一个比振幅略大的间隔，通常称为初气隙。最简单的非接触式专感器称为气隙变化式电感传感器。它的敏感元件为一绕有线圈的磁钢棒。当被测对象因运动而使气隙变化时，磁阻随之变化，因而改变了线圈中的电感，最终导致线圈中电流的变化。北京测振仪器厂生产的 CD-b-F 型传感器即属此种。在精密测量中使用电容传感器。它的敏感元件为一高纯度的铜片(据国外报导，还有采用黄金片的)，它作为电容器的一个极板。另一极板则由被测对象担任。当气隙变化时，电容数值也随之变化 J 这种传感器的灵敏度高，但对安装间隙要求很严，测量误差可达 10%。测量范围一般不大于 1000 微米。一机部泰兴机床测试仪器
5、厂生产的 DWY-2、DWY-3 型振动位移测量仪即用此种传感器。涡流式传感器由一个电感线圈和一个电容器组成，构成振荡器的一部份。在电感线圈中产生高频电流后，在线圈周围就形成了高频电磁场，当被测金属物体接近线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属物体表面产生涡流，涡流是以线圈为中心的园环，它产生的高频电磁场又反过来作用于电感线圈，改变了线圈电感的大小。通过各种测量系统，得到所需要的机械量。涡流式传感器线性范围宽、安装要求低、测量精度高，因而得到日益广泛的应用。在情密测量方面，它可以用于测量精密机床的微小振动，在工程测量方面，近年来国外已在汽轮机上广泛作为监视和保护仪器。涡流式传感器的测量系统有调幅
6、式与调频式两种。前者线性范围宽、线路简单，缺点是受被测物沐的电阻率影响明显，因而各种不同的材质都要考虑补偿标定，同时还又被函对象的温度的影响。调频式的优点是抗干扰能力强，用于非导磁材料时，不需要考虑材质的影响，缺点是线性范围小，测量误差较大(可达 10%，线路较复杂。清华大学、西安交通大守飞（与西安仪表厂合作）都已生产了采用涡流式传感器的测振仪器。 2.后续仪表由传感器产生的信号都很微弱，需经二次仪表处理、放大；再经显示、记录仪表加以显示或记录。磁电式传感器产生正比于振动速度的信号，需经微积分放大电路处理，才能得到所需要的加速度和位移值。压电式加速度计所产生的信号可以经过电压放大或电荷放大处理
7、。在前一情况下，采用积分放大电路，以得到所需要的速度和位移值。并且由于加速度计的输出阻抗很高，要求在加速度计和放大器之间连接阻抗变换器进行匹配。采用电荷放大器可以减少导线电容对测试的影响。商品电荷放大器有的带有显示表头，有的则要求配用其它的显示仪表，例如数字式峰值电压表。应变片式传感器配用动态电阻应变仪。国产 ND2 型精密声级计和丹麦 2203型精密声级计都可以用来测量振动。方法是取下声级计上的传声器，袋上积分变换器和加速度计。这样，声级子卜就成为便携式测振仪。生于表头读数方法，各仪器有具体规定。由上述可知，传感器与二次仪表的配套要求是比较严格的。使用时必须注意这点。记录仪是振动测量系统的最
8、后一道装置，目前国内使用较多的是光线示波器。光线示波器是利用惯性很小的磁电式振动子的偏移运动，并利用光学放大原理来记录被测量的量的变化过程的。频率范围取决于所使用的振动子，最高可达 5000Hz。国内制造光线示波器的技术已相当成熟，代表型号有 SC-16（上海电表厂） 、SC-20（贵阳永青示波器厂）等。普通笔式记录仪只能记录频率很低的缓慢过程，主要用在地震部门中，其它振动测量中已很少使用。高速电平记录仪是一种特殊的笔式记录仪，记录笔的记录速度可达 1000 毫米/秒。笔者曾使用丹麦 2304 型（现已被 2305 型取代）电平记录仪记录振动，获得较好效果。磁带记录仪是利用铁磁性材料的磁化来进
9、行记录的仪器之一。它能贮存大量数据，并能以电信号的形式把欲据复制重放出来，是一种正在迅速发展和日益广泛应用的记录仪。3.振型分析所谓“振型”是指振动构件上各点的振幅分布。在构件固有频率下产生的振型称为“主振型” 。研究振型，对深入了解振动构件的动力学特征是很必要的。几何形伏边界条件都很简单的构件如简支或固支的棒与薄板，它们的主振型可由理论计算得到令人满意的结果。但是，对于几何形状、边界条件都很复杂的构件，往往难以进行精确的理论计算。在此情况下，可以通过实测来获得振型。目前通行的办法是，用激振器（与信号发生器及功率放大器配套）使构件振动，然后用上面所述的振动测量方法测取构件各点的振幅。其不振动的
10、点称为节点，连接相邻节点即得节线。再将相邻振幅相等的点连接起来，即得各“等高线” ，这样即得到构件的振型。激光的出现促进了全息术的发展。激光全息术在振动测试上的卓有成效的成果之一就是实测振型。例如，国外曾采用这种方法对一个音质低劣的吉他进行振型测试，因而发现问题所在，经改进结构后提高了音质。但是，采用激光全息术对实验条件要求很严所以限制了它的推广。现在，国外正在大力研究适合于现场使用的激光全息技术。据报导，美国已有现场激光全息仪的商品出售。4.频谱分析和实时分析实际构件的振动往往包括复杂的频率成分，而各不同频率成分对人员与设备的影响往往也不相同频谱分析的目的在于分析振动的幅值或能量在各不同频率
11、成分下的分布。国内已有多种型式的频谱分析仪生产。例如，天津第二电子仪器厂生产的BP28 型低频频谱分析仪适用于对各种机械如电机、机床、内燃机作静态和动态的分析。它与函数记录仪配套使用，可以自动地绘出频谱图。此外，前述精密声波计都带有倍频程滤波器，这是一种简易的频谱分析仪，它可以按照倍频程顺序给出信号的分贝值，但不能自动绘出频谱图。 实时分析仪是近年来发展起来的一种频谱分析仪，它把振动与噪声分析技术与数字技术结合起来，有的还应用快速付里叶变换(FFT)技术，能对振动进行快速分析，并且可以用模拟量和数字量输出。这种仪器尽管目前还不普遍，却是有宽广前景的。5.关于旋转件的补充旋转件在恒定转速下产生的
12、应力是静应力。可在转子上粘贴应变片而用集流环将应变片产生的信号引至应变仪。国内已有集流环定型产品。也可以采用遥测应变仪未测取旋转件内的应力。但由于转速太高时会影响电池的正常工作，所以一般认为采用遥测方法时，工件转速不宜超过 5000 转/分。旋转件的平衡是振动测试技术的一个分支。近年来，国内外的动平衡机设计制造技术都发展很快，标志之一是出现了所谓“硬支承式”动平衡机。它的优点是产品一次标定，操作方便，平衡精度较高，且可用于挠性转子的平衡。与此同时，整机平衡技术也得到发展，使得许多转子可以在其安装位置上进行平衡大大地提高了工作效率。二振动测试技术的应用目前，在我国高校土木工程结构实验室、机械强度
13、实验室、力学实验室等每年有 1 万通道市场，在交通、石化、冶金、航空航天、军工、水电等约有1。2 万通道市场，企业自动化约 1 万通道市场。在国际上，主要市场在工业过程控制领域。美国 NI 公司的虚拟仪器，最大客户是其国防部，而中国工业自动化市场发展史不平衡的，在中低端产品的市场份额保持相对稳定的同时，中国市场对新技术和新应用是开放的，不把过去的投资和传统系统当成负担，应用高端产品，反而保护他们在自动化基础设施方面的投资。随着用户潜在认知能力的提高，国产产品进入工业自动化高端，国内、外市场前景可观，还具有多方兼容与价格优势。以工业以太网为主的网络化系统，其主要应用领域为在线工业过程控制。而在这
14、一领域中处处都能发现在线测量、监控和分析应用。无论对于液体还是气体介质，与离线采样测量相比，在线测量方法具有诸多优点：如数据可靠性、准确性和一致性，在线测量能够提供更多、更快、具有更高重复性的测量。这种方法不但减少人工，而且便于实时控制。工业以太网技术又使上述优点发挥更大的效能，不但长期记录数据、曲线，更重要的是可以进行实时分析、处理和控制。目前发达国家在线设备通常被用来检测压力、温度、流量、PH 值、电导率和溶解氧。以前人们只有在试验/化验室才能进行的分析，现在通过在线的各种传感器，就可以实时、方便的得到全部信息，并可按控制系统软件程序自动进行最佳方案调整与控制。在国内冶金企业，高炉测温、物
15、流在线监控应用，中型企业至少有百余条通道连接中央控制中心：炼油、发电企业还不止百余通道；化工企业的压力、流量、毒气等在线监控处处可见；经常进行大桥工程的科研和质量/安全检测；航天航空、国防、交通、高校等应用，国内市场每年需求超过 3 万通道。而国内有能力供应可用产品的厂商有(如鞍山泰施科技、东华测试、东方振动和噪声技术所等)20 余家，年供应量约 6000 通道，大多为中、初级虚拟仪器，高端市场大部分由国外厂商占有。上述工业监控产品市场目前主要在欧洲发达国家。那些欧洲必须保留下来的工业设施(如炼油厂、发电厂和化工厂等)，运行在非常严格的成本和环保要求监督之下，如果没有先进的监控系统，这些“大烟
16、囱“工业根本无法再欧洲生存。它在自动化工业中的份额远高于北美和亚洲，2007 年销售额超过 500 亿欧元。其销售方式集中在 OEM 配套，而不是最终用户。全球最大的制造中心在北美，美国 NI 公司号称其全球最大客户是美国国防部，NI 全球年供应量为 2。5万通道，美国 95 家厂商年销售总额超 600 亿美元，占国名经济总值 4%，而我国只有 0。7%。随着中国“全球制造业中心“地位的不断加强，中国的工业监控市场正在发生引人注目的变化，其庞大的传统工业体系引发了巨大的、跳跃式市场需求，被称为快速转变的市场。而经济全球化所带来的历史机遇，吸引全球跨国公司将其制造中心移至中国，目前中国市场需求份
17、额仅为北美的 14%，而下一个全球制造中心印度为中国的 7%，而靠石油输出经济恢复较快的俄罗斯工业自动化市场也是全世界十分关注的。今后几年，实验应力分析仪器的发展，主要表现在软件方面，由于静、动态仪器，分辨率都可以达到1，硬件的功能已经满足了使用要求，从市场需求角度基本上没有更进一步发展的空间，但软件要求却是日益提高。国外厂商一直不断地完善其软件功能，国产软件需要向真正的虚拟仪器水平发展，否则会被入世时代的到来而淘汰。三振动基本参量表示方法振幅、周期、频率、相位、阻尼比、动力放大系数等描述振动所必须的量统称为振动参数。1.振幅：振幅就是振动过程中振动物体离开平衡位置的最大距离。振动的幅度有三种
18、表示法，即峰值、平均值和有效值。2.周期：从振动波形来看，连续两次波峰或者波谷之间耗费的时间就是一个振动周期。3.频率：振动频率 f 是物体每秒钟内振动循环的次数，单位是 Hz 。 频率是振动特性的标志，是分析振动原因的重要依据。 周期 T 是物体完成一个振动过程所需要的时间，单位是 s 。频率与周期互为倒数，f1 / T。4.相位：振动物体在任一时刻 t 的运动状态（指位置和速度）都由决定， 是决定简谐振动运动状态的物理量，称为振动的相位。(+) (+)表示 t=0 时的相位，叫做初相位或初相。物体的振动在一周期内所经历的运动状态没有一个相同的，这相当于相位从 0 到 的变化；而位移和速度都
19、相同2的运动状态，它们所对应的相位差是 或 的整数倍。因此，相位是反映简谐22运动周期性特点，并用以描述运动状态的重要物理量。5.临界阻尼可定义为：体系自由振动反应中不出现往复振动所需的最小阻尼值。6.结构的阻尼系数 c 是结构在每一振动循环中消耗能量大小的度量。结构的阻尼比是结构的重要动力特性参数，利用结构自由振动试验可以获得结构的阻尼比。四振动测试仪器分类及配套使用振动测试设备大致可分为如下几部分：1.激振设备：直接为振动试验提供振动源，包括振动台和激振器两类。激振设备有机械式、电动式、电动液压式和压电式等。2.测振仪器：按其转换方式可分为磁电式、压电式、电阻片式、电容式和电感式等。3.记
20、录设备：记录设备是振动测量系统的最后环节，它不仅能反映振动的量级，而且描绘出振动的时间历程，为振动数据分析提供原始资料。4.分析设备：用来对已记录到的信号进行分析处理，可以按要求对信号进行时域，幅值域、时延域及频率域分析。同时可以把分析结果用图形显示、画出或把数据打印出来。五 振动特性参数的常用量测方法1.结构动力特性参数量测结构动力特性参数通常指结构的固有频率、振型、阻尼比、衰减系数等参数。固有频率的量测方法：自由振动法和强迫振动法。衰减系数的量测方法：振动波形法、共振频率法和共振曲线法。阻尼比的测量方法：对数衰减率法和半带宽法。振型与发生振动的初始条件无关，而仅与体系本身的刚度、质量分布有
21、关，根据刚度和质量和圆频率就可以算出振型。2.稳态正弦激振及测试稳态正弦激振法是一种传统的测试方法。测试时，给结构施加以一定的稳态正弦激振力，激振力的频率精确可调，在激振的作用下，系统产生振动。然后精确地测量不同频率下的激振力的大小和相位及各测点相应的大小和相位。稳态正弦激振可分为单点激振和多点激振两种方法。单点激振所用的设备少，测试方便，但难于得到好的响应曲线；多点激振所用的设备多，测试时要调节各点的激振力，使其按一定的规律变化，因而测试工作比较困难，得到的响应曲线好。稳态正弦激振法的特点是：激振力频率和幅值可以精确调节，测试精度高，但测试费时间，需要从低频到高频逐步进行扫描测试，所需的设备
22、多。当激振频率与系统的固有频率相等时，振动系统即产生共振，振动幅值出现极值。因此只要逐渐调节干扰力的频率，同时测量振动系统幅值做出频率-幅值曲线从幅频曲线中可以获得结构动力特性参数，这种方法亦称共振法。3.瞬态激振及测试方法介绍瞬态激振，是自由振动法中常用的一种激振手段。如采用不同的方法给被测结构施加一个冲击力，迫使结构的速度突然发生变化而产生自由衰减振动，此时记录下激振力及结构上某些测点的响应，则可通过响应曲线或传递函数获得结构的动力特性参数。测试方法：瞬态激振法主要是对结构作用一冲击力，迫使结构产生自由衰减振动。敲击法是一种常用的产生冲击力的方法。不同的试验对象可采用不同的敲击方法。对小型
23、结构可采用一木制或橡胶榔头进行敲击，或悬挂重物由上落下敲击试件。4.随机激振及测试方法介绍如果作用在结构物上的激振力是随机的，称为随机激振。例如空中的飞行物、水上的船只、陆上的车辆均受到随机激振。而与地基连在一起的建筑物，由于受风与其他随机因素的影响，也是一种随机激振振动。可以用脉动法测得的振动曲线绘制结构振型，即在结构不同高度或部位布点，记录与同一记录纸中，读出同一瞬时各点的振幅值，并注意它们间的相位关系，连接起来即为振型。用脉动法试验要求记录仪器有足够宽的频带、使所需要的主要频率分量不失真；为了能记录到较理想的波形每次观察必须持续足够长的时间，往往需耗费较多的记录纸；根据脉动分析原理，脉动
24、试验时附近不应该有有规则的强干扰（如强的机器振动、打夯等）试验时要记录周围环境振动，风向风速等资料，以供分析时参考。六 实验1.理论计算本次实验测量槽钢的自振频率、自振周期及阻尼比，实验中槽钢的布置形式、截面形式及长度如图所示：结构布置图（m）槽钢横截面图（mm）本实验理论计算采用 Midas 进行计算，通过建立 Midas 模型，可以算出结构的自振周期及自振频率，Midas 计算模型如下图所示：模型中左侧为固定铰支座，右侧为活动支座，在 Midas 中可以得到如下结果：从计算结果可以看出模态一中自振周期 T1=0.206639，自振频率f1=4.839365。2.实验数据处理（1）周期及频率
25、计算本实验通过在简支的槽钢结构上施加微小的初位移，结构进行自由振动。利用DHDAS 动态信号采集分析系统进行信号采集，得到三个通道所采集的加速度时程曲线，如下图所示：三个通道的加速度时程曲线选出一个振型较好的曲线进行分析，如下图所示：一个通道的加速度时程曲线从上图中可以看出，在波形图中量取了 7 个周期的振动时间 t=dx=1.43s，振动周期及振动频率为：T=t/7=1.43/7=0.2043sF=1/T=1/0.2043=4.8947Hz通过与理论周期及频率 T1=0.206639，f 1=4.839365 比较，理论计算与实测值的周期及频率误差分别为 1.14%，1.13%。（2）阻尼比计算阻尼比可利用半宽带法计算，设 a 和 b 分别是 R 上振幅值等于 1/21/2 倍最大振幅的点所对应的两个频率点，称为半功率点，半功率点与阻尼比的关系如下：=（ b -a ）/2 n从图中可量得 b -a =43.88， n =616.2 =（ b -a）/2 n=（43.88 ）/（2616.2）=0.0356振动测试技术姓名：班级：土木研 11-2学号：0211247
