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振动测试

日期:2010年12月19日 08:42

    用试验方法测量机械的振动量(如位移、速度和加速度等)和系统特征参数(如固有频率、阻尼、振型等),以及振动环境的模拟等,都属于振动测试。研究机械振动时通常采用理论分析和测试两种手段。通过测试可验证理论分析计算的正确性,提供所需的修正依据。20世纪80年代以来,振动测试仪器有了显著的进步,如传递函数分析仪、实时频率分析仪和快速傅里叶分析仪的相继应用,并与电子计算机相结合,为振动测试和测试结果的分析处理提供了方便的条件,从而也进一步推动了振动理论的研究和发展。系统的振动特性也可以应用激光全息照相法拍下实物或模型在振动时的全息照片,根据全息照片中的干涉条纹图案来分析。


    机械振动的研究可归结为机械系统的激励、响应和振动特性三个方面的问题。在已知其中两个方面的情况下可求第三方面的问题。与之相对应,振动测试的基本内容包括:①已知激励和系统的振动特性情况下求响应,即振动量的测量;②已知激励和响应的情况下求系统的振动特性,即系统特征参数的测定,也称参数识别;③已知系统的振动特性和响应的情况下求激励,即环境预测,这种测试称为振动环境模拟试验。


    振动量的测量:测量机械系统某些选定点上的振幅(位移、速度和加速度)、频率、相位、振动的时间历程和频谱等。这种测量通常在机械系统的工作状态下进行,以了解其实际振动状况。对某些精密和大型机械设备的振动监控和诊断所作的测量也属这种性质。振动量测量按振动信号和转换方式可分为电测法、光测法和机械测振法,其中以电测法应用为广泛。图1为一个较完整的振动量电测系统。测振传感器(拾振器)将机械振动量转换为与它成比例的电量。常用的测振传感器有发电型(如压电式、电动式和磁电式等)和电参数变化型(如电感式、电容式、电阻式和涡流式等)两类。不同类型的传感器需要配接不同类型的中间测量变换装置(图2)。中间测量变换装置对传感器输出的电信号进行前置变换(电阻抗变换)、微积分运算、放大、调制和解调等,以便驱动后接的分析或显示、记录设备。分析设备完成对信号的频率分析。显示、记录设备给出振动信号(经过分析的或未经过分析的)的波形,并用数字或模拟方式指示出测量结果,以便于储存、分析信号和进行数据处理。


系统特征参数的测定  

    主要是应用机械阻抗测试技术,以获得机械阻抗数据(有时亦称频率响应数据),从而得到系统的特征参数如固有频率、阻尼、刚度、质量和振型等;还可通过模态分析求取系统在各阶模态下的特征参数,既模态参数。这一测试过程称为模态参数识别。这种测定通常在机械系统的非工作状态或模型试验情况下进行,以求全面了解其动态响应特性。若在工作状态下进行,则常称为在线识别。在机械阻抗测试技术中,施加的激励有简谐、瞬态和随机3种类型,故机械阻抗测试也相应地分3类。


  简谐激励机械阻抗的测试  以简谐力作为激励并保持其幅值恒定,在欲测的频率范围内连续地改变激励频率,即扫频;测定机械或结构在稳态振动下振动响应与激励的幅值比随激励频率的变化关系,即幅频特性;测定振动响应与激励间的相位差随激励频率变化的关系,即相频特性。当激励频率为被测系统的某一阶固有频率时,则可获得系统的同阶模态。简谐激励又有单点激励和多点激励两种形式。多点激励目的是激起系统的单一振型。测试系统可由一般仪器组成,也可由传递函数分析仪组成。


  瞬态激励机械阻抗的测试  以冲击力、阶跃力或快速正弦扫描力等瞬态力为激励,同时测量机械或结构在选定点处的振动响应和激励,并进行分析处理,从而获得其频率响应(幅频、相频和幅相特性)。由于是瞬态激励,这种方法能在一次激励下激起机械系统在选定频率范围内的响应。在瞬态激励中,冲击激励常用,因为激励设备就是一个带有力传感器的敲击锤,只要适当选择锤头的材料,如橡胶、塑料、铝或钢等,就可以改变激励频率的范围,而激励的大小则可由锤头上配重块的质量和敲击加速度来调节。冲击激励常配用以快速傅里叶分析仪为中心的测试系统。由于激励设备简单,所需测试设备较少,可实现机械阻抗的快速以至实时测试,应用日益广泛。
 

  随机激励机械阻抗的测试  以随机力作为激励,测定机械或结构在平稳随机激励下的振动响应与激励之间的关系,如自功率谱密度和互功率谱密度等,进而得到系统的机械阻抗数据。因为用于随机激励的平稳随机信号包含有一定幅度的多种频率成分,对于频率范围较窄的一些机械阻抗测试而言,可在一次随机激励下测得一定频率范围内所需的机械阻抗数据。


  振动环境模拟试验  研究或考核试验对象在强度、寿命和功能方面的抗振性。这种模拟试验分为周期性振动试验、随机振动试验和冲击试验 3种。周期性振动试验一般采用耐共振、耐扫频和耐预定频率试验 3种形式。在进行振动寿命试验时,为了缩短试验时间常采用提高振动量级的办法,即强化试验。提高的程度,即强化系数,应根据试件的振动响应特性和疲劳强度分析来考虑。试验根据不同试验对象按相应的试验规范进行,并用模拟振动试验机来实现。


  测试系统的校准和定度  为了保证测试结果的可靠性和测试精度,对所使用的仪器,尤其是测振传感器必须进行定期校准和定度。在进行重要的或特殊的试验前,常直接对整套测试系统进行现场校准和定度。测试系统基本的校准项目包括灵敏度、频率响应和线性度。此外,根据需要还可进行某些特殊的校准,如所测振级变化范围大时,应校准动态线性范围;高温下测试时,应校准温度的影响等。测振传感器的校准在测试系统的校准中具有特别重要的意义。校准方法主要有两种:一是绝对校准法,二是比较校准法。无论是对测振传感器或对组成测试系统的仪器和对整个测试系统的校准,基本的要求是:在其工作频率范围内的幅频特性平坦、相频特性呈线性关系,以保证输出电信号的幅值和相位均不失真。


  测试结果的分析和数据处理  测试结果所获得的原始数据有两种表现形式:一种是模拟量,如电压和电流等;一种是数字量。对不同的数据形式,分析处理方法也不相同。


  对模拟量可直接分析处理,也可将其转换为数字量后分析处理。前者设备较简单,后者精度和速度较高。


  当模拟量是振动的时间历程,即用时域描述的振动量时,分析处理的主要内容就是进行各种频谱分析,以了解测试对象在频率域内的振动特性。常用的频谱分析仪有恒定百分比带宽式、恒定带宽式、采用压缩时间历程的实时分析仪和具有并联滤波器的实时分析仪等。当模拟量是频率响应时,可归结为对机械阻抗数据的分析处理。测得的机械阻抗数据通常以幅频特性曲线和相频特性曲线、实部和虚部频率特性曲线或幅相频率特性曲线(Nyquist图)3种形式表达,统称为机械阻抗曲线。因此分析处理的主要内容是:根据机械阻抗曲线,通过模态分析,识别测试对象在选定频率范围内的各阶模态参数和建立它的数字模型。


  模拟量的数字分析处理是将测得的振动模拟量信号,经过模-数转换器变为相应的数字量,然后输入数据处理机进行各种必要的分析。当测试结果直接以数字量表示时,则可利用软件在电子计算机上分析处理。
 

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