一、振動測量技術

1.1振動測量技術概論

振動測量在近代工程領域中有著極其重要的意義和地位，受到普遍的重現，很多部門和單位都在進行實踐、探索和研究，新的測量方法和手段也在不斷地涌現，這是因為振動是自然界和工程界廣泛存在的現象，要利用它來造福人類離不開振動的測量。

振動測量的主要用途為：各種利用振動工作的機械（如振動給料、振動打夯、振動壓路、振動輸送等），振動篩、振動時效設備、動平衡機以及各種激振設備因其高效率低能耗在國民經濟中得到廣泛的應用。為研究其工作機理以提高生產效率和質量，須進行大量的振動測量。在試驗室內對正在設計或批量生產的產品進行各種振動試驗以考核產品承受振動的能力已成為很多企業的常規任務。

實際系統往往零部件繁多，結合面形狀復雜，理論計算時要進行大量的簡化假設，只能作粗略的力學模型，某些重要參數至今仍無完善的計算方法。用振動測量可以求得系統的動態特性參數。進而適應或修正力學模型，這就是結構動力學中的系統識別或參數識別課題。

效益巨大但造價昂貴的現代化大型系統，經常在高傳遞、大負載、高溫、高壓或高真空等惡劣條件下工作，它們的破壞會造成十分嚴重的后果，據國外統計，在重要產品的故障中有60％以上來自環境因素（包括溫度、振動、沖擊、砂塵等），而在諸環境因素中振動引起的故障幾乎占30%。

各種工程機械、建筑結構、車輛船舶、飛機導彈等系統或自身在運轉過程中產生振動，成為強烈的振源，或受到周圍環境的激勵產生振動。振動量級過大或持續時間較長，造成設備功能失效，嚴重時會造成事故。

利用振動測量手段對運行設備進行在線的狀態監視或故障診斷是保證機組安全，及時消除隱患的重要措施之一。研究人體各器官的振動傳遞特性，設計能減振、隔振的座椅、駕駛艙、手持工具也必須依賴于振動測量。

綜上所述，振動測量是一門綜合性學科，內容豐富，研究的任務也很艱巨。

振動測量可分為被動式和主動式的振動試驗。所謂主動、被動是指振動是否人為施加并且振源是否可控可測，即是否采用激振設備。另外振動和沖擊，有時沒有明確的界限，如瞬時振動亦稱復雜脈沖，兩者使用的傳感器和儀器很多可通用。

振動測量的內容有以下兒點。

1．振動量的測量

振動量也稱振動參數，一般指被測系統在選定點上選定方向的運動量（位移、速度、加速度等），原始數據為時間歷程，經分析后可得時域統計值（如幅值、峰值、均方根值等）、相位、頻率、頻譜等。振動量有時也包括力、壓力和角運動量（角位移、角速度、角加速度）和力矩等，但角運動量傳感器的小型化目前還是難題。

2．系統動態特性的測量

動態特性參數很多，包括：物理參數，即對應于空間幾何坐標的質量、剛度和阻尼；模態參數，即固有頻率、振型、模態質量、模態剛度和模態阻尼：時域的單位脈沖響應函數，即實頻域的頻率響應函數，機械導納或機械阻抗、傳遞率；復頻域的傳遞函數等，在理論上它們可以互相換算。

3．環境模擬試驗

環境可分為由自然力產生的自然環境和由機器運轉產生的感生環境。環境模擬試驗也稱動強度試驗，是將試驗樣品放在振動臺上用規定的參數模擬環境進行激勵，又可分為：

（1）嚴格模擬實際的或預期的振動環境。有的用多次測量得到的頻譜按最大值或包絡線作為規范譜，也有的用磁帶機記錄現場環境振動信號重放在振動臺上。

（2）不需要真實模擬振動環境，只要按一定量級的正弦波或掃描正弦波或隨機波進行激勵。這種模擬較為簡單。

（3）除了設計驗證試驗、研制試驗、疲勞試驗、運輸包裝試驗外，目前一些重要或尖端工業采用應力篩選試驗和綜合環境可靠性試驗（CEPT）.在激振同時改變溫度、高度等其他環境參數。

4．振動測量的儀器設備

振動測量所用的儀器設備很小，有單一功能的和多功能的，還有整體式和組合式之分，可根據不同要求進行不同的選擇和組合。

（1）傳感器，它將振動量轉變成可以測量的物理量。目前最常用的是加速度傳感器（加速度計），

（2）前置放大器，它主要有三種：用于把電荷轉變成電壓的電荷放大器；用于放大電壓的電壓放大器；用于高阻抗轉變為低阻抗的阻抗變換器。目前已有將前置放大器直接裝在傳感器內的集成電路式加速度計，又有集阻抗變換、放大、歸一化、濾波、供電多種功能于一體的儀器，稱之為信號適調儀。

（3）信號傳輸、調制解調、多路采集、濾波、微積分。

（4）信號記錄、顯示、讀數、繪圖和打印。

（5）信號分析設備（頻域分析，時域或時差域分析，幅值域分析等）。

（6）激振設備包括信號發生器、功率放大器和激振器（振動臺）。

二、傳感器的選擇和使用

2.1．傳感器的分類

振動傳感器的作用原理可分為兩個部分，即機械接收和機電變換，如圖3.5.2所示。機械接收部分的作用是將被測機械量Xt（振動的位移、速度或加速度以及力和應變等）接收為另一個適合于機電變換的中間機械量Xt。機電變換部分再將Xt變換為電量E（電動勢、電流、電荷量或電阻、電容、電感等電參量）。

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傳感器的機械接收原理分為兩類，即相對式和慣性式。

（1）相對式：以傳感器的外殼作為參數坐標，借助頂桿或間隙的變化（非接觸式）直接接收機械振動。因此被測機械量與中間機械量為與頻率無關的正比關系。即所謂零階系統。具有相對式接收的傳感器，它所測得的是以外殼為參考坐標的相對振動。

（2）慣性式：通過傳感器的內部質量、彈簧和阻尼器構成的單自由度系統接收被測振動。被測機械量與中間機械量是用二階微分方程聯系，故稱之為二階系統。慣性式傳感器所測得的是相對于慣性坐標系統的絕對振動，因此也稱為絕對式振動傳感器。

相對式傳感器適用于測量結構上兩部件的相對振動，即直接反映結構本身的彈性變形。這種傳感器只有作為參考的外殼為靜止時，才能測得絕對振動，故而，當需要測量結構上某點的絕對振動，而周圍又不能建立靜止參數坐標時，則只能選擇慣性式傳感器。如行駛車輛的振動、樓房的振動及地震等，都必須選擇慣性式傳感器來測量。

振動用傳感器有多種多樣，分類方法也不相同，可以從不同角度分類如下：

（1）按被測物理量分，有位移、速度、加速度等傳感器。

（2）按工作原理分，有壓電效應、壓磁效應、磁阻效應等傳感器。

（3）按能量轉換機理分，有能量轉換、能量控制（又稱發電型和參量型）等傳感器。

（4）按工作機理分，有結構型（被測參數變化引起傳感器和結構變化而使輸出電量變化，這種變化是利用物理學中場的定律和運動定律而構成）和物性型（利用某些物質的物理、化學性質隨被測參數而變化的原理而構成）傳感器。

（5）按轉換過程可逆與否分，有：單向（僅能將被測量轉換為電量，而不能反之）和雙向（能在傳感器的輸人、輸出端作雙向傳輸的，都具備可逆性的傳感器）傳感器。

（6）按輸出信號的形式分，有：模擬式和數字式等傳感器。

三、傳感器工作特性的測試

（1）頻率響應和安裝諧振頻率的測試。振動傳感器頻率響應的校準目的，其一是八個確定傳感器所能使用的頻率范圍，對正常的壓電加速度傳感器在低于其諧振頻率1／5的頻段內，其靈敏度偏差一般在5％內，而在低于其諧振頻率1／3的頻段內，其靈敏度偏差一般在10％以內：其二是檢查加速度計有無異常響應，因為壓電元件碎裂后，加速度傳感器的電容量、靈敏度的變化不十分顯著，而諧振頻率會產生明顯變化，因此諧振頻率的校準是檢驗加速度計是否損壞的最精確的方法。

傳感器或測量系統頻率響應偏差的計算一般有兩種方法，一種方法是在響應平坦的頻段上選一頻率，以此頻率的靈敏度為準，計算其余各點與該點靈敏度的相對偏差，作為頻響偏差。例如可選取f＝100 Hz的點；另一種方法是將響應平坦的頻段上諸點靈敏度取平均值，以平均靈敏度為準，計算各點的靈敏度相對偏差作為頻率響應偏差，這種方法多用于標準傳感器。

頻率響應校準一般用正弦激勵法，至少在七個頻率點上進行，對于多軸向傳感器一般只進行每個軸向2000 Hz以下的校準，對于重量較大的單軸傳感器也只進行2000 Hz以下的頻率響應校準。除七個頻率響應校準外，尚需進行頻率掃描，這是為了檢查傳感器在工作頻段內，有無局部諧振。在掃描頻段內，要求所用的振動臺軸向正弦加速度失真小于5％，橫向運動小于25％。若頻率響應在工作頻段內偏差超過10％，可能是傳感器選擇不當，或者是傳感器性能有所變化，此時應當重新進行校準。

對非正弦測量，要使信號波形不失真，就要求相移正比于頻率或為零度，而壓電加速度傳感器，因其阻尼通常小于臨界阻尼的0.1，一般無需進行相頻校準。如果傳感器是連同濾波器和射極輸出一起使用,則相位隨頻率而改變，往往要進行相頻校準。

目前最常用的頻率校準方法是正弦單點測量、頻率掃描和隨機激勵校準，前兩種一般不涉及相頻，后一種可以和標準傳感器進行相位比較校準。此外，還有一種簡易的沖擊法用于確定安裝諧振頻率。

（2）逐點正弦振動頻率響應校準。它比比較法振動裝置簡單，就是將被校和標準傳感器及它們的測量系統，背靠背地安裝在校準臺上，逐個頻率以標準傳感器為準進行相對校準。面對于高頻標準傳感器則情況復雜些，因為傳感器要進行絕對法高頻校準，它的外殼已經不能被當做剛體，而已經呈現了模態特征。

最簡單的情況是標準傳感器空載時的頻率響應和安裝諧振頻率的測定。空載頻率響應是指傳感器傳遞面的振動加速度不變的情況下其電輸出和頻率之間的關系，例如可采用激光干涉法來保持傳遞加速度恒定的情況。

逐點法求取頻響曲線的偏差如前所述或者以某一頻率點為準，或者以平坦段的平均值為準來考慮問題。在實踐中也有采用折線法、最小二乘法或直線擬合法，但這些方法都不合二階單自由度的數學模型，或者計算太繁雜，所以比較實用的是自動掃描法。

（3）自動掃描校準法。它實際上也是一種比較校準。它的校準激勵源是一個微型振動臺，在臺面內裝有參考加速度計（或參考標準加速度傳感器），這個加速度傳感器的固有頻率遠遠高于被校加速度計的固有頻率。利用此加速度計線性頻率段的輸出作為臺面激振力的控制信號，就可維持臺面在任意頻率下的加速度值為常數，則被校傳感器的輸出反映了隨頻率變化的情況。被校加速度計的輸出經放大器傳至電平記錄儀即可繪出曲線，這條曲線就是幅頻響應曲線。振動臺由功放推動，而功放由壓控振蕩器激勵，振蕩器的頻率掃描由電平記錄儀通過軟軸驅動，以實現頻率同步；振蕩器的輸出電平受來自參考加速度計輸出的控制。利用參考加速度計的輸出電平使臺面加速度值恒定，即實現所謂定加速度振動。一般來說，在臺上被校的傳感器質量不能太大，它應比振動臺活動質量部分小近10倍左右。

這種頻率響應校準幅值精度在5％～6％間（約0.5dB）。為改進其幅值精度，可采用步進式掃描數字記錄的方法，精度可提高到3％（約0.3dB）。其工作原理為跳點式掃描信號發生器在控制器的控制下進行步進頻率掃描，相當于每個步進點都進行一次比較法測量，因而精度有所提高。但和連續式相比，它是不連續點，是頻率值和兩臺傳感器（被校與內裝標準）電壓比較的步進值。

（4）隨機振動傳遞函數法頻率響應校準。正弦校準受正弦振動不純、諧波失真、噪聲等因素影響：并且它不能給出相位方面的任何信息；再者，受所用電測儀器和分析方法的限制，費時較長。對加速度計及配套的信號適調儀進行動態校準時，用數字測量系統和分析方法處理數據較為優越。該方法的關鍵設備是傅里葉分析儀，它可進行二通道的傅里葉分析和二通道間的傳遞函數分析，同時它還能產生具有相當帶寬的白噪聲，由它激勵振動臺，就使頻響的測量和校準成為可能。標準傳感器是經過激光干涉儀的絕對法仔細校準的，因而其頻率響應的幅頻特性和相頻特性認為是已知的。如前所述，對于比較法的幾種情況，若使用靈敏度比較儀，在f＝160 Hz時，其總不確定度＜1.0％；對于普通的背靠背比較法，在f＝160 Hz內，總不確定度約＜2％；全頻段（20Hz～2kHz）內，總不確定度約在3％～5％；用傅里葉在白噪聲情況下運作，則不確定度約為5％。為此，又提出了“切換法”和“替換法”兩種自校正方法，使這種隨機激勵、快速傅里葉的分析法精度有較大的提高。

（5）傳感器固有頻率和安裝共振頻率的測試。傳感器安裝到被測試件上后，其諧振頻率將有所變化，為此需要了解傳感器安裝共振頻率。用做頻率響應的方法，可以掌握傳感器的諧振頻率，但并不直接。不論是逐點、掃描，還是用隨機激勵方法，都要在振動臺等專用設備上進行，顯然比較慢。為此，可以用簡單的方法或電測的方法對安裝諧振頻率進行粗測，以便可立即獲得傳感器的諧振頻率。

1）安裝在鋼塊上的傳感器諧振頻率的測試方法，又稱敲擊法，非常簡單，僅適用于小阻尼的二階系統的壓電加速度傳感器。方法是將加速度計安裝在質量為其10倍的高彈性模量材料做成的立方體或細長比接近于1的圓柱體的砧子上，然后給砧子施加一瞬時沖擊，持續時間應短于加速度計自然周期的1／3，用波形記錄儀記錄加速度輸出的激振波形，然后根據時標確定加速度計的共振頻率。

2）電測法。加速計通過它的電纜被懸掛著，并通過一個1000 pF電容耦合電壓源激勵。監測通過電容和通過加速度計的兩個電壓，并找出兩者相位差90°時的頻率，即為無阻尼固有頻率的近似值，具體實施時，調節正弦信號發生器的頻率，仔細觀察接在示波器X端Y端的信號，得到李沙爾圖時，就得到了近似的傳感器固有頻率。同樣、可以制作一個質量塊，也可近似獲得傳感器在各種質量下的安裝固有頻率。

值得指出的是，逐點做頻率響應、掃描頻率響應和隨機頻率響應校準時，使用設備昂貴，更主要的是由于振動臺的頻率限制，不可能做得很高。電測法使用簡單，儀器通用，而且頻率可以做得較高。電測法諧振頻率測試精度取決于使用的各種儀器的精度，有時在諧振峰處，頻率偏差可達數十或上百周。

（6）橫向靈敏度的測試。理想的振動傳感器只對軸向（z軸）振動有響應，而對于與z軸垂直的x·y平面內的振動無響應。實際傳感器則做不到這點，其原因是多方面的，如機械加工、裝配精度、裝配時剪應力的存在、加速度計的慣性質量不平衡、晶體片的不均勻、結構的不平衡、橫向電纜效應、電荷靈敏軸和電壓靈敏軸不相重合等都會造成傳感器具有橫向效應，因而存在橫向靈敏度。

加速度計傳感器的橫向靈敏度是頻率的函數，低頻時一般在3％以下，高頻時在10％或更大。大多數傳感器的橫向靈敏度共振頻率常在軸向共振頻率的1／3處或略高。因而橫向靈敏度的存在對加速度計的測試是有誤差影響的。一般測試要求TSR＜（3％～5％）。精確些的某些測試和校準則要求TSR不大于1％～2％。橫向靈敏度測試的難點在于振動源本身的橫向要很小，而且又要轉動角度尋找最大橫向靈敏度方向，又要變動頻率，尋找橫向共振的頻率。

橫向靈敏度測試方法有橫向夾具法、共振梁法、共振架法、簧片梁法、低頻大振幅法、向量測量法、橫向補償加速度法等，這些測試法的具體方法這里不再詳述。

來源：《力學環境試驗技術》部分

總結

以上是生活随笔為你收集整理的振动测量技术的概论及传感器测试的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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