如何测量机械振动参数？

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：2.机械振动测试内容机械振动测试是研究和解决工程技术中许多动力学问题的必要手段，机械振动测试内容根据使用目的不同可分为两类：振动基本参数的测量即测量机电设备或结构在工作状态下振动的各种参数，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，其目的是了解被测对象的振动状态，评定被测对象振动强度和等级，了解结构件动载荷及动变形，寻找振源及传递路径，对设备运行状况或结构健康状况进行监测、分析、诊断和预测。

1.机械振动及其分类

机械振动是工程技术中普遍存在的现象，一方面可以利用振动做一些有益的工作，另一方面，在许多情况下，机械振动会造成危害，影响机电设备功能的发挥，降低加工零件的质量，加剧构件的疲劳破坏和磨损，甚至导致损坏，酿成事故。要解决或降低机械振动产生的危害，一方面可以通过理论分析加以解决，但鉴于工程问题的复杂性，理论分析对振动对象、边界条件、振动机理的描述和分析往往不可能完全符合实际，因此加强对振动对象的动态测试始终是实际工程中必不可少的信息获取手段。机械振动可按以下方法进行分类。

1）按照振动产生的原因分为：自由振动、受迫振动和自激振动。

2）按照振动规律分为：简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动。

3）按照振动系统的自由度分为：单自由度系统的振动、多自由度系统的振动、连续弹性体振动。

4）按照系统结构参数的特性分为：线性振动和非线性振动。

2.机械振动测试内容

机械振动测试是研究和解决工程技术中许多动力学问题的必要手段，机械振动测试内容根据使用目的不同可分为两类：

（1）振动基本参数的测量即测量机电设备或结构在工作状态下振动的各种参数，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，其目的是了解被测对象的振动状态，评定被测对象振动强度和等级，了解结构件动载荷及动变形，寻找振源及传递路径，对设备运行状况或结构健康状况进行监测、分析、诊断和预测。

（2）结构或者部件的动态特性测量通过振动试验对机械设备或结构施加某种激励，使其产生受迫振动，测量输入（激振力）和输出（被测件的振动响应），获取被测对象的振动力学参量或动态性能，从而识别被测件的固有频率、阻尼、刚度和振型等振动模态参数，用于研究被测对象的动力学特性，验证理论分析的正确性，或用于评估被测对象的抗振耐振性能，以便改进结构设计，提高抗振性能。

3.振动测试方法

（1）振动测试方法分类在工程振动测试领域，测试方法和手段多种多样，按照振动信号转换的方式和测量过程的物理性质可分为机械法、光学法、电测法。电测法是将被测对象的振动量转化成电量，是目前最常用的测量方法。

（2）主要测振传感器测振传感器又称拾振器，按工作原理可分为：压电式、磁电式、电容式、电感式、电涡流式、电阻应变式等；按测振传感器是否与被测物接触，可分为接触式和非接触式（如电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等）；按测试的振动量不同可分为加速度计、速度计和位移计；按选取的参考坐标，可分为绝对式和相对式。下面介绍工程中常用的几种振动传感器。

常用的振动传感器有压电式、ICP式和应变式三种，它们各自的特点不同，适用范围也各不相同，实际使用时，需要根据测试目的和使用条件进行选型。几种常见的加速度传感器性能对比见表2-2。

表2-2 几种常见加速度传感器性能对比

1）压电式测振传感器及其测试特点。压电式传感器的输出为电荷量，输出阻抗很高，需要高阻抗的电压或电荷放大器与之配套使用，以减少电缆分布电容的影响。由于连接导体或者插接件对阻抗的影响较大，因此要求其绝缘电阻要很高。压电式测振系统使用频带宽，输出灵敏度高，传感器无阻尼性能指标可做得很高，但是压电式测振系统的低频响应不好，不能响应直流信号。压电测振系统常配有滤波网络，可根据测振信号的频带特性以及测振要求进行选择。

2）ICP式加速度传感器及其测试特点。ICP式加速度传感器是内置调理电路的压电式加速度传感器，可将电荷输出转换为电压及低阻抗输出，可直接与分析仪、记录仪连接，并适合长距离电缆的传输。因为调理电路内置，所以一般来说耐高温性能较差，而且也不能响应直流信号。

3）应变式测振传感器及其测试特点。应变式振动测试系统的传感器有应变式加速度传感器、位移传感器和力传感器。需配套使用的放大器一般用电阻应变仪。应变式测振系统具有良好的低频特性，测振频率可从0Hz开始。传感器输出阻抗较低，使用方便。加速度传感器配有合适的阻尼，可有效地抑制高频和共振频率干扰。但是该测振系统的上限频率受到限制，对连接导线要求很高，容易受外界的干扰，出现漂移等现象。应变计式加速度传感器内部电路为经过温度补偿的应变桥路，低频特性好；寿命及稳定性差，并易受温度、湿度、磁场等的影响。

（3）振动参数与传感器的合理选择测振传感器的直接测量参数是位移、速度和加速度，理论上，位移、速度和加速度三个参数互成积分或微分关系，可对被测参数通过微积分电路进行积分或微分转换，但实际测试时往往不够理想。微分将极大地放大被测信号的高频噪声，降低信噪比，增大测量误差；对单频信号（如加速度），可通过一次积分或二次积分获得速度或位移，但对宽频加速度信号进行积分，往往会因信号的频宽超出积分网络的频宽而使信号失真。因此，在实际应用中，要首先根据测试目的来选择、确定被测振动参数，被测参数确定之后，再选用不同参数的测振传感器；其次，传感器选择时，应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式来测取，尽量避免积分或微分，对相位有严格要求的振动测试项目，应特别注意传感器及其测试系统的相频特性能否满足实际需要。具体注意以下几点：

1）根据被测对象，合理地选用测振系统。应根据被测对象的振动幅值、振动信号的频率范围、安装条件、振动环境、设备情况及要解决的问题所需要的信号频带和幅值，选择合适的仪器设备。否则，就会导致次要的频率成分淹没了最重要的、最关键的频率成分，而得出错误的结果。

2）根据待测信号的特征选择测振系统。振动信号特征最重要的三条：一是振动幅值及其分布；二是频率范围；三是振动信号的分布规律。这就要求选择测振范围，首先要满足所测信号特性的要求，即整套测试系统的动态范围要够大，频率响应要够快，测试灵敏度要够高。对复杂冲击的准确测试，还要求传感器有比较好的相频特性。

一般地，选择测试系统时，要注意测试系统的动态范围的上限要高于被测信号幅值上限的20%，下限应低于被测信号幅值下限的20%。这种测试系统具有良好的信噪比。测试系统的相频特性也很重要，相频特性主要取决于传感器。要与测得信号波形不发生畸变，惯性式测振传感器最好接近于零阻尼，这样测得的信号对任何频率都无相位滞后。或者传感器的阻尼比配置在0.707附近，这样的传感器具有线性相频特性。一般来说，工程振动测试中，作为一个经验法则，测试系统平直频率响应的频带应为待测信号所需带宽的10倍。这样选择测试系统，无论对复合振动信号的测量、复杂冲击信号的测量和时域分析及多通道比较测量，均有良好的相位响应。

（4）测振传感器的安装使用

1）安装在构件上的传感器与被测物体有良好的接触，必要时，传感器与被测物体之间应有牢固的或者刚性的连接。如果限于结构的具体情况有些传感器不能与被测机构直接连接，需要在传感器与被测结构之间加一个转换件。这种固定传感器的转换件会产生寄生振动，这种寄生振动会使测试结果产生畸变和误差。良好的固接，要求固定件的自振频率大于被测振动频率的10倍以上，这样可以消除寄生振动。

2）振动测试系统中的导线连接和接地回路往往被忽视，它们会影响测试结果。测试系统中的每一个插接件和开关的连接状态也要保证良好的工作状态。不良的接地或者不合适的接地点，会给测试系统带来很大的电气干扰，同样会使测试数据受到严重的影响。对于大型设备或者结构的多点测试，尤其是野外振动测试，更应引起足够的重视。整个测试系统要保证有一个良好的接地点，接地点最好设置在放大器和记录仪器上。

3）压电型测振系统应用比较普遍，其存在一个特殊问题，即连接电缆的噪声问题。这些噪声既可能由电缆的机械运动引起。机械上引起的噪声是由于摩擦生电效应，或者称为“颤动噪声”。它是由于连接电缆的拉伸、压缩和动态弯曲引起的电缆电容变化和摩擦引起的电荷变化产生的，这种情况发生在低频干扰。因此，传感器的输出电缆应尽量牢固夹紧，不要使其摆动。

4）在测量极低频和极低振级的振动时，温度的干扰效应不可忽视。另外还有防潮问题，传感器本体到接头的绝缘电阻，会受潮气和进水作用，而大大降低绝缘性能，从而会严重影响到测试精度。

5）压电式加速度传感器使用中的注意事项。压电式加速度计具有体积小、质量轻（一般重几十克，最轻的甚至只有0.4g）、量程大（可达10⁴g）、工作频带宽（本身固有频率最高的可达10⁵Hz以上）等优点，是广泛采用的拾振器。根据各种测量要求，压电式加速度计有多种型号可供选择，在选择和使用压电式加速度计时，应注意以下几点：

①灵敏度和频率范围之间的矛盾。通常几何尺寸较小的加速度计具有较高的固有频率，因而具有较宽的工作频带，但是几何尺寸较小的加速度计其灵敏度也较低。

②注意安装固定方法。加速度计的主轴方向应与被测振动方向一致。对于体积较小的加速度计，做到这一点是必须十分仔细的，当存在与主轴方向相垂直的振动时，在保持主轴方向与被测振动方向严格一致的同时，最好注意使横向最小灵敏度方向与垂直振动方向相一致。许多加速度计上用以红点来表明最小灵敏度方向。

将加速度计安装到被测对象测点上的方法将对测量精度和范围起十分重要的影响。理想的安装方法是用一螺栓直接将加速度计固定到测量点。若安装点很平整，安装孔足够深，螺栓拧紧时不顶着加速度计安装孔的基底，其安装共振频率最高，几乎与加速度计的标定共振频率相近；另一种常用的方法是用蜂蜡将加速度计粘到平整的测点上，这一方法的安装共振频率比用上一种方法时略低。并应注意测点温度应在40℃以下，被测加速度大小应在100m/s²以下。

运用绝缘螺栓并加云母垫圈时，若云母很薄，这种安装方法的效果也是很好的，其安装共振频率下降不多。这一方法用于需将加速度计与被测物体无绝缘的场合。

4.单片集成式加速度计

ADXL 05是美国模拟器件（AD）公司的单片加速度传感器，其内部集成了一个完整的加速度传感器和信号调节放大器。因此，外围电路非常简单，仅需外接六个电阻电容，就可实现对加速度的测量及其信号的调整放大。由于ADXL 05具有价格便宜、外形小巧、质量轻、精度高等诸多优点，因此可广泛用于机动车、船舶、飞机、矿井等场合的振动、惯性量检测及报警。

ADXL 05主要特点：

1）单+5V电压供电。

2）量程从±1g到±5g，可任意设定。

3）分辨率达5mg。

4）频响范围宽，3dB最高带宽4kHz。

5）具有片内自检功能。

6）低成本。

7）小体积，仅重5g。

8）耐冲击1000g（不通电）。

ADXL 05是一种精度较高的静电力加速度传感器集成电路，可满足商业、工业等许多场合的应用需要。其满量程最大为±5g。如果需要更大量程，AD公司还提供ADXL 50（最大±50g）等系列产品，它们的原理、功能、封装基本相同。