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振动测试技术讲解
拱桥振动测试
姓名:
刘沛
学号:
0214185
班级:
研14-1班
课程:
振动测试技术
年月:
2015年7月18日
一振动测试概述
1振动分类及描述
按照运动的表现形式,振动可以分为确定性和非确定性振动(即随机振动)。
确定性振动又分为周期性和非周期性振动。
周期性振动分为简谐振动和复杂周期振动。
非周期运动又分为准周期和瞬态振动。
非确定性振动分为平稳随机和非平稳随机,平稳随机又分为各态历经和非各态历经。
按振动激励类型分类,振动可分为随机自由振动和随机强迫振动。
按振动位移的特征分类,振动可分为:
横向振动(振动体上的质点在垂直于轴线的方向产生位移的振动)、纵向振动(振动体的质点沿轴线方向产生位移的振动)和扭转振动(振动体上的质点沿轴线方向产生位移的振动)。
周期运动的最简单形式是简谐振动。
这种振动的表示方法及特点是描述其他振动形式的基础。
一般的周期运动可以借助傅里叶级数表示成一系列简谐振动的叠加,该过程称为谐波分析。
非周期运动则需要通过傅里叶积分作谐波分析。
2振动基本参量表示方法
工程振动测试的主要参数有位移、速度、加速度、激振力、振幅、振动频率、阻尼比及结构的振动模态等。
其中前五个参数属于时域测试参数。
下面分别来说明振动基本参量的表示方法及其含义:
(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,也就是完成一次振动所需的时间。
(3)频率(
):
单位时间内振动循环的次数
,单位是赫兹(
)。
频率是振动特性的标志,是分析振动原因的重要依据。
周期
是物体完成一个振动过程所需要的时间,单位是秒(s)。
频率与周期互为倒数,
。
(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
时的相位,叫做初相位或初相。
物体的振动在一个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;而位移和速度都相同的运动状态,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,即
。
(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。
(7)对数衰减率(
):
定义为
为相邻振动峰值比。
简谐振动中的测试参数:
位移,速度,加速度为时间调和函数的振动称为简谐振动,这是一种最简单最基本的振动。
其函数表达式为:
位移:
速度:
加速度:
式中:
——位移幅值(cm或mm);
——振动圆频率(
);
——振动频率(
)。
三者之间的相位依次相差为
。
若令:
速度幅值
,加速度幅值
,则有
。
由此可见,位移幅值
和频率
(或
),是两个十分重要的特征量,速度和加速度的幅值
和
可以直接由位移幅值
和频率
。
导出。
在测量中,振动测试参数的太小常用峰值、绝对平均值和有效值来表示。
所谓峰值是指振动量在给定区间内的最大值,均值是振动量在一个周期内的平均值,有效值即均方根值,它们从不同的角度反映了振动信号的强度和能量。
3振动测试仪器分类及配套使用
一、分类
(1)机械式的测量仪器。
将工程振动的参量转换成机械信号,再经机械系统放大后,进行测量、记录。
此法常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪,能测量的频率较低,精度也较差。
但在现场测试时较为简单方便。
(2)光学式的测量仪器。
将工程振动的参量转换为光学信号,经光学系统放大后显示和记录。
常用的仪器有读数显微镜和激光测振仪等。
目前光学测量方法主要是在实验室内用于振动仪器系统的标定及校准。
(3)电测仪器。
将工程振动的参量转换成电信号,经电子线路放大后显示和记录。
这是目前应用得最广泛的测量方法。
图1.1电测法基本测量系统示意图
二、配套使用情况
目前,整个动态测试仪器系统通常有以下三种测振仪配套方式,见图2。
动态数据采集仪
U
打印机
U
电荷放大器
q
电压放大器
U
压电式加速度计
磁电式拾振器
U
显示终端
计算机主机
A/D
R
动态电阻应变仪
应变式传感器
图1.2动态测试系统三种配套仪器系统
4窗函数的分类及用途
一、分类
1.矩形窗(Rectangular窗)矩形窗属于时间变量的零次幂窗,函数形式为:
。
相应的谱窗为:
2.三角窗(Bartlett或Fejer窗)三角窗是幂窗的一次方形式,其定义为:
谱窗为:
3.汉宁窗(Hanning窗)又称升余弦窗,其时间函数 为:
其谱窗为:
4.海明窗(Hamming窗)海明窗也是余弦窗的一种,又称改进的升余弦窗,其时间函数为:
其谱窗为:
5.高斯窗 高斯窗是一种指数窗,其时域函数为:
式中:
a为常数,决定了函数曲线衰减的快慢。
高斯窗谱的主瓣较宽,故而频率分辨力低,高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号,如指数衰减信号等。
6. 参数可调整窗 利用变换窗的参数得到不同的性能,如上述余弦族窗中的系数,指数窗中的a,以及Gauss窗、Dolph—chebyshev
窗、Kalser-Bessel窗等也都是参数可调窗。
可以组构成一些窗函数系列、如P200、P300系列窗。
二用途
在数字信号频率分析中,要求对不同类型的时间信号选用不同的窗函数,对随机信号的处理,通常选用汉宁窗,因为它可以在不太加宽主瓣的情况下较大的压低旁瓣的高度从而有效的减少了功率的泄露。
对本来就有很好的离散谱信号,例如周期信号或准周期信号,分析时最好用旁瓣较低的Kalser-Bessel窗。
冲击过程和瞬态过程的测量,一般用矩形窗而不选用汉宁窗或Kalser-Bessel窗,因为这些窗对起始端很小的加权会使瞬态信号失去其基本特性。
5信号采集及分析过程中出现的问题,怎样解决?
1信号采集和分析过程中出现的问题
信号分析和采集过程中会出现信号频率混叠、连续信号的截断和抽样所引起的泄露、时域到频域转化、处理不好引起的误差和错误、信号中的信噪比等等问题。
2解决方法
对于信号频率混叠需要进行对输入信号的抗混滤波,波样采集和模数转换。
对于连续信号的截断和抽样所引起的泄露需要进行加窗处理,通常所用的窗有矩形窗,汉宁窗,三角窗和海明窗等等。
再通过FFT变换,进行时域到频域的变换和数据计算。
信息论指出:
对常用频宽为F的限时、白色高斯噪声信道,信道容量。
当容量不变时,增大带宽可降低信噪比,提高信噪比必须压缩带宽。
因此,抗干扰为主要矛盾时,可扩展频带换取低信噪比下接收,调频与扩频均基于这一原理。
频带为主要矛盾时,则可用信噪比换取频带,多进制、多电平传输均基于这一原理。
二、惯性式速度型与加速度型传感器
1惯性式速度传感器的分类
惯性式测振传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量的。
这种传感器可以直接固定在被测物体上,它不需要相对参考系固定传感器。
是一种绝对式测振传感器。
分为磁电式拾振器和压电式加速度传感器。
1.磁电式拾振器
(1)力学模型图示:
图2.1磁电式拾振器
1—弹簧;2—质量块;3—线圈;4—磁钢;5—仪器外壳
(2)力学原理
惯性式速度传感器的换能原理是以导线在磁场中运动切割磁力线产生电动势为基础的。
由永磁铁和导磁体组成磁路系统,在磁钢间隙中放一工作线圈,当线圈在磁场中运动时,由于线切割磁力线,根据电磁感应定律在线圈中就有感应电动势产生,其大小正比于切割磁力线的线圈匝数和通过此线圈中的磁通量的变化率。
当仪器结构定型后,感应电动势和线圈对磁钢相对运动的线速度成正比。
电磁拾振器又称为速度计。
线圈中感应电动势大小为:
式中n—线圈的匝数;
B—磁钢与线圈间的磁场强度;
L—每匝线圈的平均长度;
V—线圈的运行速度。
2压电式加速度传感器
(1)力学模型示意图:
下图中:
1—仪器外壳;2—硬弹簧;3—质量块;4—压电晶体;5—输出线
图2.2压电式加速度传感器结构原理
(2)工作原理
压电式加速度传感器一般有三类,即中心压缩式、剪切式和三角剪切式。
压电晶体加速计是利用压电晶体材料具有的压电效应制成的。
压电晶体在三轴方向上的性能不同,
轴为电轴线,
轴为机械轴线,
轴为光轴线。
若垂直于
轴切取晶片且在电轴线方向施加外力
,当晶体受到外力而产生压缩或拉伸变形时,内部会出现极化现象,同时在其相应的两个表面上出现异号电荷,形成电场。
当外力去掉后,又重新回到不带电的状态。
由压电晶体加速计可知,将质量块3放在两块圆形压电晶片4上,质量块由一硬弹簧2预先压紧,整个组件装在具有厚基座的金属壳体内,压片晶体片和惯性质量块在一起构成振动系统。
当被测振动体的频率远低于振动系统的固有频率时,惯性质量块相对于基座的振幅近似与被测振动体的加速度峰值成正比。
设q为释放的电荷,F为作用力,A为电极化面面积,则有:
或
三振动特性参数的常用量测方法
1振动基本参数的量测
振动基本参数:
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基本参数。
2简谐振动频率的量测
①李萨如图形比较法:
运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运动轨迹称为李萨如图形。
利用示波器、信号发生器以及常用的振动信号测试设备所组成的测试系统,来量测简谐振动的振动频率,称之为李萨如图形比较法。
②录波比较法:
这种方法是将被测振动信号和时标信号(一般为等距离的时间脉冲信号)一起送入光线示波器中并同时记录在记录纸上,然后根据记录纸上的振动波形和时标信号两者之间的周期比测定被测振动波形的频率。
③直接测频法:
这种方法是使用频率计数器直接测定简谐波形电压信号的频率和周期。
频率计数器有指针式和数字式两种。
3机械系统固有频率的测量
分为测量机械系统固有频率的自由振动法和测量机械系统固有频率的强迫振动法。
4简谐振动幅值的测量:
①指针式电压表直读法:
指针式电压表是振动测量中最常用的显示仪表,用以测量振动位移、速度和加速度的数值(峰值、有效值或平均绝对值)。
②数字式电压表直读法:
直流数字电压表由模拟/数字转换器及电子计数显示器两大部分组成。
③光学法:
包括用读数显微镜观察和楔形观察法。
•同频简谐振动相位差的测量
主要有示波器测量法和相位计直接测量法两种。
5衰减系数的测量:
①振动波形法
②共振频率法
③共振曲线法
6结构动力特性参数量测
结构动力特性参数包括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。
其测量方法有:
a.固有频率的量测方法:
自由振动法和强迫振动法。
b.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。
c.阻尼比的测量方法:
对数衰减率法和半带宽法。
d.振型与发生振动的初始条件无关,而仅与体系本身的刚度、质量分布有关,根据刚度和质量和圆频率就可以算出振型。
7稳态正弦激振及测试
稳态正弦激振又称简谐激振,它是借助激振器对被测对象施加一个频率和幅值均可控制的正弦激振力。
在结构动态特性测试中,首先要激励试件,使其按测试的要求作振动。
稳态正弦激振是对试件输入一个幅值稳定、单一频率的正弦信号,让试件作稳态强迫震动后再作测量。
若要获得试件在某段频率范围的信息,必须在该频率范围内,以不同频率作多次激振和多次测
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