《振动测试实验》讲义摘录.docx
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《振动测试实验》讲义摘录
《振动测试实验》课的学习内容
•常用振动测试设备的原理及使用。
•振动测试系统的选择、安装与使用。
•振动信号的数据采集、分析处理的理论与实践。
•动态信号分析仪的原理与使用。
•模态试验的基本理论、试验方法与试验过程。
目标与要求
•了解振动测试的目的和意义。
•了解振动测试的基本手段和方法。
•掌握基本的振动测试技术。
振动测试与动态分析包括三个部分
•振动测量与数据采集，
•动态信号分析，
•机械或结构动态特性测试。
1、振动测量与数据采集
机械或结构振动的位移、速度、加速度；冲击的加速度；噪声的声压和声强…等等，这些物理量是随时间变化的，称之为动态信号，对其测量称之为动态测量。
振动测量属于动态测量范围。
动态测量是指由传感器测得这些非电物理量并转为电信号，然后经过放大、滤波等适调环节，对信号作适当调节，对测量结果进行显示、记录的全过程。
工程中的物理量都是随时间连续变化的，相应的连续时间信号称为模拟信号。
将连续时间信号转换为离散数字信号的过程称为数据采集。
2、动态信号分析
对于振动、冲击等快变物理量，数据采集得到的时间历程信号尚不足以描述其特征，而有效值、峰值等参数反映的信息量又太少。
因此，对所测得的动态信号往往需要进行分析，即动态信号分析。
通过动态信号分析，获得更多的能够较详尽反映物理特征的各项参数。
如频率响应函数、功率谱密度函数、相关函数等等。
3、机械或结构动态特性测试
实际测量、分析的物理量，往往是被试对象在一定运行环境中受到某种激励的动态响应，前者是输入后者是输出。
由于线性系统的输入、输出之间存在简单的因果关系，因此可以通过对被试系统输入、输出物理量的测量和分析来确定系统的动态特性，这就是动态特性测试。
例如结构模态试验就是第一章振动测试设备
振动测试设备主要包括：
传感器、适调器、激振装置、数据采集器、信号分析处理软件等。
传感器：
位移传感器、速度传感器、加速度传感器、激光传感器、力传感器。
激振装置：
激振器、力锤、振动台。
适调器：
电荷放大器（或恒流源）、抗混滤波器、程控放大器。
数据采集器：
采样/保持器、A/D变换器。
振动传感器
振动传感器—将振动运动转变为电（或其他物理）信号的装置。
分类：
•根据被测振动量是位移、速度还是加速度，可以将振动传感器分为：
位移传感器、速度传感器和加速度传感器。
•从电学原理上可以将振动传感器分为：
电感型、电动型、涡流型、压电型和压阻型。
•从力学原理可以将振动传感器分为：
绝对式传感器和相对式传感器。
绝对式传感器又称为基础式或惯性式传感器。
最常用的是：
绝对式压电加速度传感器！
1.1.1振动传感器原理
绝对式位移振动传感器可用于测量频率远高于传感器固有频率的振动。
加速度传感器用在低于传感器固有频率范围的振动测量。
○振动传感器技术指标
•频率响应特性（包括幅频特性和相频特性）
•灵敏度：
电信号输出与被测运动输入之比。
•动态范围：
可测量的最大振动量与最小振动量之比。
•横向灵敏度：
垂直于主轴的横向振动也会是使传感器产山输出信号。
该信号与主轴灵敏度的百分比为横向灵敏度。
•幅值线性度：
实际传感器的输出信号只在一定幅值范围内与被测振动成正比（即保持线性特性）。
在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围。
1.1.2惯性式加速度传感器
•压电加速度传感器，•压阻加速度传感器，•伺服加速度传感器
压电加速度传感器是目前使用最为广泛的传感器！
压电加速度传感器特点
优点:
•使用频率范围很宽：
•动态范围大：
0.001g-10000g;
•附加质量小:
可以小到1g以下。
缺点:
•对后继信号适调器要求较高.一般需要采用较为复杂的电荷放大器,
•不适合测量超低频信号:
1）理论上可测的频率下限可以到零,实际上低频范围受限于信号适调器（电荷放大器）的输入级时间常数T,即RC高通滤波器的-3dB频率.2）当频率很低时,加速度信号很小,将受到测量电噪声的影响。
压阻加速度传感器特点
•频响可从0Hz开始。
无零飘，频率上限由惯性测量系统的固有频率决定，可达2500—4000Hz;
•体积小、重量轻。
1.1.3速度与位移传感器
一、电动式速度传感器
电动式速度传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定磁场里切割磁力线时，导体的两端就感应出电动势。
电动式速度传感器的输出电压与导线相对于磁力线的切割速度成正比。
电动式速度传感器特点
优点
•电压灵敏度高,可直接测量;•噪声小;•耐高温.
缺点:
•质量大;•测量低频（<10Hz）误差大。
二、涡流式位移传感器
涡流式位移传感器特点
•主要特点是它与被测点没有接触，是相对式测量。
可以测量静态信号。
•结构简单、线性度好、抗干扰能力强。
1.1.4动态压电式力传感器
压电传感器的输出电荷与外力成正比。
振动传感器的选择与安装
选择：
振动传感器的选择是振动测试首先要考虑的问题！
•对于超低频（<2Hz）测量，尽量选择位移传感器。
若位移较大，也可选用低频性能较好的加速度传感器。
•对于较低频（2—5Hz）测量，建议使用压阻式加速度传感器。
•冲击测量选择压电加速度传感器。
•由于压电加速度传感器的普遍拥有和性能质量的逐步提高，使用压电加速度传感器是振动测量的首选。
理论上，只要获得位移、速度和加速度的其中之一，即可换算得到其它量。
选择加速度传感器考虑因素
•灵敏度：
所选传感器的的灵敏度应与被测振动的大小匹配。
灵敏度高的传感器往往自身质量较大，谐振频率较低。
•传感器谐振频率：
通常测量频率范围为安装谐振频率的三分之一。
•传感器质量：
传感器的质量相对于被测对象的质量，越小越好。
一般而言，<1/10。
•动态范围：
测量小加速度时，不宜选择动态范围较大的传感器，测量很大加速度（包括冲击）时，必须选择有足够动态范围的传感器。
•此外，必须考虑传感器的使用环境，如温度、电磁场等
加速度传感器的安装
加速度传感器与被测体的连接是传感器安装的一个关键问题，直接关系到传感器的有效使用（频率特性和温度特性）。
传感器的安装连接及其频率特性：
•钢螺栓连接：
这是一种理想的安装方法。
传感器使用频率最高。
•胶接：
通常使用用环氧胶或502胶水。
传感器使用频率较高
•双面胶连接：
这是一种较方便快捷的传感器安装方法。
实用于较低频率和传感器质量较小的情况。
传感器使用频率较低。
•石蜡粘接：
简单易行，方便快捷。
传感器使用频率较低。
•永久磁铁：
若被测试件是铁磁材料且有平坦表面时，可采用此连接方式。
此外应固定好导线、并将传感器于被测实践绝缘。
信号适调器
对被测信号进行放大、归一化、积分、滤波等信号变换，称为信号适调。
实现信号适调的的电子仪器称为信号适调器。
⁋各种传感器通常配置相应的适配器。
⁋压电式传感器配置电荷放大器（或恒流源）。
电荷放大器：
是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。
它能直接将压电传感器产生的电荷变换成输出电压。
结论：
1）电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷成正比；
2）输出电压与输入电荷的频率特性只与反馈电容有关，而不受电缆电容等因素的影响；
3）改变反馈电容的大小，就能方便地改变电荷放大器的输出电压。
将微型电压放大器或阻抗变换器（作用是将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗）直接装进传感器内部，引线电容几乎为0，从而解决了电缆影响问题。
这就是内置电路式压电传感器（ICP传感器）。
新一代动态信号分析系统通常带有与之配套的信号调理器（恒流源）
振动校准
振动校准的主要内容有：
•灵敏度：
电信号输出与被测运动输入之比。
•频率响应特性（包括幅频特性和相频特性）灵敏度在所使用的范围内随频率的变化。
•横向灵敏度：
垂直于主轴的横向振动也会是使传感器产生输出信号。
该信号与主轴灵敏度的百分比为横向灵敏度。
•幅值线性度：
灵敏度随幅值的变化关系。
振动校准方法：
1）绝对校准法，2）比较法，3）重力法。
1.3.1比较法
一般振动实验室通常采用比较法对测量用工作传感器进行校准，即通过被较传感器（即工作传感器）与标准传感器进行比较从而到达校准的目的。
加速度传感器比较法校准原理（见参考书）。
力传感器比较法校准原理（见参考书）。
1.3.2重力法
重力法原理（见参考书）。
激振装置—激振器、力锤、振动台、冲击台
•激振是机械、结构动态特性测试中的一个重要环节。
所谓激振就是对被试机械、结构施加一定形式和大小的激振力，使之产生相应的振动。
•动态测试的一个重要内容就是对被测系统进行激励（激振），通过振动测试、数据采集和信号分析，由输出和输入确定机械、结构的动态特性。
•激振需要激振装置—激振器、力锤、振动台、冲击台。
•振动台可给整个试验对象一定频率和大小的振动运动；
激振器可对被试对象提供一定频率和大小的振动力
•力锤可对被试对象提供一定大小脉宽的振动力；
•冲击设备的作用是产生典型化的冲击过程，并且有规定精度的重复性，一模拟实际的冲击效应。
第二章信号分析
信号分析基础
•振动信号从统计特征，可分为确定性振动和随机振动。
确定性振动：
能够用明确的数学关系式描述。
例如：
弹性系统自由振动。
随机振动：
不能用明确的数学关系式描述，无法预测未来某时刻的精确值。
例如：
路面对汽车的激励，大气紊流对飞机结构的激励。
•确定性振动又可分为周期性振动和非周期性振动。
•信号分析的主要内容是将信号的时间历程用更能显示信号特点的频谱来表示。
周期信号可由傅里叶级数变成离散频谱。
非周期信号可通过傅里叶变换变成连续频谱。
2.1.1周期信号分析—傅里叶级数
•任何一个周期为T的振动信号可以展开成以简谐函数表示的傅里叶级数
任何周期信号可分解为“直流”和各次谐波分量。
周期信号的特点是它的频谱由一些离散的谱线组成。
2.1.2非周期信号分析—傅里叶变换
非周期信号可通过傅里叶变换变成连续频谱。
2.1.3随机信号分析
几个概念:
•随机振动是一种非确定性振动。
•要了解随机振动必须研究相同实验条件下的多个振动记录的统计特性。
•若随机过程的统计特性不随时间变化，就叫做平稳随机过程。
•当整个平稳随机过程的统计特性与每个样本的统计特性相同，称该平稳随机过程为各态历经过程。
2.1.3.1随机振动信号的基本统计量
•均值
•均方值、均方根值
•方差、标准差
1）均值表征了随机信号的直流分量。
2）方差表征了交流分量。
3）均方值即包含了信号的直流分量也包含交流分量。
2.1.3.2概率密度与概率分布
概率密度函数定义（见参考书）。
概率分布函数定义（见参考书）。
2.1.3.3相关函数（见参考书）。
2.1.3.4功率谱密度
从自相关函数，通过幅傅里叶变换可求出另一个十分重要的函数，自功率谱密度函数。
自相关函数等于自功率谱密度函数的傅里叶逆变换。
动态信号谱分析
2.2.1离散傅里叶变换和快速傅里叶变换（见参考书）。
2.2.2离散傅里叶变换（DFT）（见参考书）。
离散傅里叶变换将N个点的时域数据变换成N个频域数据
2.2.4功率谱密度（PSD）估计
早期的数字功率谱密度估计的做法是：
先计算自相关函数，然后进行傅是氏变换求出功率谱密度。
自从提出FFT之后，功率谱密度直接由信号的FFT来计算。
建立在FFT基础上的功率谱密度可以按下式计算
•功率谱密度计算的具体步骤如下：
（见参考书）
•功率谱密度估计误差包括：
随机误差和偏度误差。
•减小随机误差采用平均处理。
•偏度误差是由频率分辨率有限而产生的。
提高频率分辨率可以大大减小偏度误差。
•关于泄露和窗函数（见参考书）。
频率响应函数（详见参考书）。
已知系统的激励和响应求出系统特性（即系统识别）在工程中具有十分重要的意义。
频率响应函数是频域系统分析方法中的重要参数。
对于平稳随机激励：
频响函数可定义为
第三章动态信号采集
•动态数据采集：
将模拟信号转变为便于存储、传输和分析处理的数字信号。
将一个连续变化的模拟量信号在时间域上离散化（称为采样），然后再将时间离散、幅值连续的信号转变为幅值域离散的数字信号（称为量化）。
•连续信号经采样将产生所谓的频率混叠问题，导致采样信号的偏度误差。
•量化将引起量化噪声，降低信号的信噪比。
采样与量化（见参考书）。
3.1.1程控放大器（见参考书）。
采样与频率混叠（见参考书）。
采样定理：
（见参考书）。
3.2.1频率混叠
•直观物理解释：
信号一个周期内采集的数据点不超过2个，采集的离散序列不足以表现信号的周期性。
•理论解释：
若信号中含有大于采样频率1/2的频率成分，将叠加到采样频率1/2以内，并与该频率内的数据发生混淆。
•解决频率混叠的方法：
1）提高采样频率。
2）在信号进入采样之前用模拟式低通滤波器（抗混滤波器）。
3.2.2抗混滤波器
•滤波器是具有一定传递特性的信号变换电路。
理想的低通滤波器在通带内传递特性为1，而在高于截止频率的阻带内传递特性为0。
•上述理想滤波器在物理上是无法实现的。
对于实际低通滤波器，通常是分别对阻带、通带及过度带传递特性提出一定要求，使之成为接近理想滤波器的传递特性。
•抗混滤波器通常要求指标为
1）过度带衰减斜率≤-80~120dB/Oct
2）阻带衰减≥75~80dB
3）通带波纹度≤±~±1dB
3.3.1采样/保持器（S/H）（见参考书）。
3.3.2数/模转换器（A/D）（见参考书）。
第四章动态信号分析仪及其使用
动态信号分析仪简介
动态信号分析仪是将动态信号采集、显示、存储、分析集成一体的仪器设备。
动态信号分析仪大多有2—4个输入通道，一个信号源输出。
每个输入通道由程控放大器、抗混滤波器、采样/保持器（S/H）和模数转换器（A/D）组成。
动态信号分析仪含有CPU、DSP、FPP、RAM、控制软件、计算分析软件。
动态信号分析仪的主要功能
•时域分析：
时间波形、自相关函数、互相关函数、脉冲响应函数等；
•频域分析：
线形谱、功率谱（均方谱）、功率谱密度函数、频率响应函数、相干函数等。
动态信号分析仪的主要技术指标功能
•频率范围：
0—100KHz
•精度：
—,—2deg
•动态范围：
72—85dB
4.2动态信号分析仪使用
•关键：
根据测量分析目的，正确合理地选择和设置测量、分析参数。
•需要优先选择的参数是：
频率范围、频率分辨率和记录长度。
•为了减小频率分析结果的偏度误差，应优先考虑。
••若信号长度有限（例如瞬态信号），应优先选择记录时间.
设置硬件参数和分析参数
1）数据采集参数设置
a）输入参数：
各各通道量程，输入模式（电压、电荷、ICP），耦合方式（DC或AC），传感器灵敏度等。
b）触发参数：
触发方式（输入触发、信号源触发、外触发），触发电平与斜率，触发延迟。
c）信号源参数：
信号类型（随机、正弦、瞬态）和输出电平。
2）测量分析参数设置：
A）窗函数a）汉宁窗：
主要用于随机信号分析，以减小功率泄漏。
b）力窗和指数窗：
在频响函数测试中，对脉冲力信号加力窗提高信噪比，对脉冲响应信号加指数窗防止信号截断，减小功率泄漏提高信噪比。
c）矩形窗：
主要用于瞬态信号分析。
B）平均方式与平均次数。
动态信号分析仪实际操作内容
实验三：
测量双简支梁（或悬臂梁）的频率响应函数（分别用激振器随机信号激励、正弦扫频）
实验目的：
1）了解动态信号分析仪的基本功能。
2）初步掌握动态信号分析仪的基本操作方法和过程。
3）基本掌握用（激振器）随机信号激励的频率响应函数测试方法（参数设置）。
4）了解Hanning、指数窗的作用与应用。
5）了解平均处理的作用。
第五章机械、结构试验模态分析
•几个概念：
模态——机械结构的无阻尼自由振动（即固有振动）具有的一定的模式。
模态参数——描述各模态特性的固有频率（又称模态频率）和对应的振型。
试验模态分析（即模态试验）——基于系统响应和激振力的动态测试，由系统输入（激振力）和输出（响应）数据，经信号处理（获得频率响应函数）和参数识别（频率响应曲线拟合）确定系统的模态参数。
计算模态分析（即有限元分析）——从机械结构的几何特性与材料特性原始数据出发，采用有限元素法形成系统的离散数学模型（质量矩阵和刚度矩阵），然后通过求解特征值问题，确定系统的模态参数。
•计算模态分析的目的：
确定系统的模态参数，用模态迭加法，可以分析机械结构在已知外载荷作用下的动态响应。
试验模态分析的目的：
由系统输入和输出数据，确定系统的模态参数。
用途：
1）检验有限元计算结果。
2）由模态参数构造系统，再用该系统求动态响应或动态载荷。
现代常用的模态识别采用频域方法。
即由实测的频率响应函数来确定模态参数。
频率响应函数与模态参数的关系
N自由度的频率响应，等于N个单自由度系统频率响应的线性迭加。
为了确定全部的模态参数,实际上只需测量频率响应矩阵的一列（固定一点激振，各点响应）或一行（依此各点激振，固定一点响应）。
模态参数识别（频率响应曲线拟合）
•试验模态分析（模态参数识别）的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据，确定系统的模态参数。
•参数识别：
由系统的输入、输出出发，采用一定的优化算法确定一类描述系统动态特性的数学模型的参数，使之在一定准则下与实际测试结果符合最好。
曲线拟合得到实测频率响应函数的众极点和留数。
极点与模态参数的关系式如下：
第i阶固有圆频率为：
第i阶模态阻尼比
同一模态的众留数所组成的列阵即为该阶模态的固有振型。
若激励点p不变，响应点r（l=1,2,…n）,其第i阶模态所对应的留数为,则其第i阶模态的固有振型为
试验模态分析过程与实施
模态试验四个主要步骤：
1）试件仿真（安装）；2）激振器与传感器布置；3）频响函数测试；4）模态参数识别；5）试验结果输出和显示。
1）试件仿真（安装）
1）现场真实状态。
2）实验室试件状态仿真。
要求尽可能与实际状态相符！
A）刚性支承，
B）柔性支承。
用橡皮绳悬挂或空气弹簧支承，要求刚体模态频率小于第1阶弹性模态频率的20%。
2）激振器与传感器布置
1）选择合适的激振点和测量点。
A）激振点不能步在节线或节点上。
空间结构每点需要测3个方向。
B）选用合适的传感器及其粘贴方式。
频响特性、重量等。
3）频响函数测试
这是模态试验的关键步骤。
频响函数检验：
A）相干性检验，B）互易性检验，C）重复性检验。
4）模态参数识别
几点说明：
A）对单个频响函数做曲线拟合，可以得到被测试件的各阶固有频率、阻尼比和该测点的振型值。
B）依次对各测点的频响函数（共m个）做曲线拟合，可以得到m组固有频率、阻尼比，以及振型向量（m维）的全部值。
C）对于线性系统，固有频率、阻尼比是系统的总体参数，理论上不随测点而变化。
实际求平均。
模态参数识别（模态分析软件）的基本步骤
（1）建立几何图形
以每一个测量点为节点，输入其三维坐标，将各节点用直线连接。
（2）测量频响函数
•单输入/单输出（SISO）：
测量频响函数矩阵的一列或一行。
•多输入/多输出（MIMO）：
测量频响函数矩阵的多列。
例如两个激振器同时激振，所有测点布置上传感器，就能一次得到两列频响函数。
将测量得到的频响函数以数据文件形式存入计算机。
（3）用目前主流模态参数识别方法识别模态参数：
正交多项式法、POLYMAX、复模态指示因子。
（4）试验结果输出和显示。
•动画显示振型。
•打印振型图、模态数据文件等。
常用的模态参数识别结果检验方法：
A）频响函数拟合检验。
根据识别的模态参数构造频响函数，再与实测的频响函数进行比较。
B）频率图检验。
将识别得到的所有固有频率进行比较，找出差别及其原因。
C）振型动画显示检验。
是否光滑无突变点。
D）正交性检验。
E）振型相关矩阵检验。
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