振动测量：原理、方法、工具

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：把振动信号输入电压表，根据电压值和测量系统的电压灵敏度的大小，计算出振幅。把已记录或显示的振动波形的幅值，乘以响应的灵敏度，计算出振幅。用百分表或千分表固定在不动的参考点上作直接测量，可得位移振幅的峰值。激振力可用压电式或电阻式测力传感器测量，也可通过测量振动体的加速度并加以换算间接测量。随机振动的测量系统框图见图7-18。

（1）振动测量方法的分类按传感器与振动体的联接状态分为接触式与非接触式；按测量方法的力学原理分为相对式与惯性式；按振动信号的转换方式分为电测法、机械测振法及光测法，见表7-4。

表7-4 振动测量方法的分类

（续）

（2）周期振动的测量

1）典型的电测系统。图7-15为电测法测振的典型测振系统框图。振动体的振动量经发电型传感器转换为电荷、电流或电动势的信号，再经前置放大器、微积分电路，即可进入显示、记录和分析仪器；振动量经电参数型传感器，转换为电阻、电感或电容信号，再经调制器、解调器及微积分电路，即可进入显示、记录和分析仪器。为了对各振动量（位移、速度、加速度）都能测量，测量仪内大多包含有微分和积分电路。

图7-15 电测法测振的典型测振系统框图

在测量复杂振动时，应采用真实均方根（有效值）检测仪表，即具有平方律线路的检测指示表，周期振动测量还常要求峰值检测指示。

2）振幅的测量：①测试仪测振幅。把振动信号输入测试仪，直接读出位移、速度或加速度的幅值。②电压表测振幅。把振动信号输入电压表，根据电压值和测量系统的电压灵敏度的大小，计算出振幅。③光学法测振幅。用激光作光源的干涉仪，或用全自摄影技术测振幅。④信号波形测振幅。把已记录或显示的振动波形的幅值，乘以响应的灵敏度（对测量系统标定得到），计算出振幅。⑤百分表测振幅。用百分表或千分表固定在不动的参考点上作直接测量，可得位移振幅的峰值。⑥视觉滞留作用测振幅。用读数显微镜观测振动体的标志线，因人眼视觉的滞留作用，标志线形成标志带，从而直接读出位移振幅的峰值。或直接观测振动体上的楔形标志，因物体停留在两最大位移位置的时间最长，从而可观测出稳定的正弦振动位移的峰值。

3）频率的测量。测量周期振动频率有以下几种常用方法：①用振动波形与时标对比测振动频率。在记录振动量的时间历程时，输入一个适当的时标，用时标与波形进行比较，即可确定振动频率。此方法误差较大，但可测随时间变化的频率，也可测两个以上随时间变化的频率。②用数字频率计测振动频率。将振动信号输入数字频率计，可直接读出频率值。此法适用、方便，振动波形也不限于正弦波；但要求被测频率比较稳定。③用李莎如（Lissajou）图形测振动频率。将被测振动信号和信号发生器的信号，分别输入阴极射线示波器的x轴和y轴上；逐渐调节信号发生器的频率，当出现李莎如图形时，即可根据图形和发生器的频率确定振动频率。④闪光测振动频率。用闪光灯照射振动体，由小到大的调节闪光频率；当第一次看到振动体好像静止或缓慢移动时，则闪光频率就等于或近似于振动频率；以后多次出现这种状态时，闪光频率的最小公倍数，即为振动频率。⑤用频谱分析仪测振动频率。周期振动信号输入频谱分析仪，可直接测量出信号中包括的各次谐波的频率。

4）相位的测量。稳定的周期性振动的相位，可以用双线示波器、闪光灯、伏特表示相位指示仪、相位计等仪器，将振动信号与基准信号比较来确定；也可在记录纸上比较振动信号和基准信号的时间历程来测定。对于非周期性的振动，则需用相位计和记录仪、传递函数分析仪等记录其相位变化。

5）激振力的测量。激振力可用压电式或电阻式测力传感器测量，也可通过测量振动体的加速度并加以换算间接测量。对已标定的激振器，可通过测量使用时的电参数或机械参数，间接测定其激振力。

（3）冲击的测量

1）测试量。对冲击的测试量主要是冲击的时间历程；冲击峰值；冲击持续时间；冲击傅里叶谐及冲击响应谱。

2）冲击测量的特点和对仪器的要求。理论上冲击过程含有从零到无穷大的频谱分量，要求测量系统具有较宽的频率范围，才能少失真地反映冲击的波形和参数。图7-16示出一般冲击测量仪器所测的频率范围，以及相应的传感器、放大器和记录仪的类型。由于冲击的频谱宽，为了消除传感器本身的高次谐波，通常在测量系统中，设置抗频低通滤波器，其最低频率在图7-16中也可查到。

由于冲击作用的急剧变化，可能使测量系统出现明显的非线性和过载情况。因此，要求冲击测量系统具有较高的动态线性范围，指示仪表具有较高的峰值因素（峰值与有效值之比）。

3）典型的冲击测量系统。图7-17为冲击测量系统框图。目前用得最多的是压电晶体传感器和电荷放大器（或前置高阻抗放大器）组成的测量系统。这种系统具有较宽的频率响应范围。如果冲击加速度小于50g，以及冲击持续时间大于5ms，也可使用低频特性较好的、由张丝式电阻传感器和动态电阻应变仪组成的测量系统。系统中的低动滤波器用于消除传感器的高次谐波。用不同仪器对冲击波形及参数进行显示、记录或拍摄。

图7-16 一般冲击测量仪器所测的频率范围

1—下限截止频率 2—低通滤波器的最低频率 3—上限截止频率

图7-17 冲击测量系统框图

4）随机振动的测量：①测试量。对于随机振动，主要是测量其均方根值或均方值、功率谱密度（均方谱密度），同时也观察其瞬时加速度峰值的最大值。有时则要求测量其平均值、自相关函数、互相关函数及幅值分布概率密度（分析结构疲劳强度时），以及传递函数和相干函数（分析结构的动态性能时）等。②测量系统及其对仪器的要求。随机振动的测量系统框图见图7-18。测量系统的频率范围视测量对象情况而定，常用的三种测量系统的频率范围见表7-5。

为了防止测量和记录信号中大的振幅被消波，宜选用合适的仪器动态范围。对于高斯随机振动，宜以其三倍有效值为选择仪器的动态范围的依据。为了有效地利用记录仪器的动态范围，应要求记录信号具有合适的电平。为了有效地提高信号的记录信噪比，应在记录仪器之前设置适当的滤波器，以滤除信号中的噪声。

当采用磁带记录仪记录随机振动信号时，应根据所测信号主要频率的预计值，合适地选择记录仪的记录速度。由于随机振动的特性是以其统计特性来表示，因此分析时，必须取记录有足够长的一段时间历程。所取的这段记录历程称为采样长度。一般情况下，采样长度要在2s以上，高频成分多时可取短些，反之取长些。为了得到可靠的结果和满足观察分析的需要，实际记录时间要数倍于采样长度，所以记录仪器必须有足够的容量。为了保证测量记录的成功，特别是注意防止过截溢出，测量系统大多有监视设备，包括真实均方根值仪表，或电子示波器，或光线示波器。按随机振动的平稳情况，有时还需多次重复地进行记录，以便取记录函数集的平均值。

图7-18 随机振动测量系统框图

表7-5 测量系统的频率范围

振动测量：原理、方法、工具

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