第9章　機械振動測量

9.1　概述

9.1.1　機械振動測量意義

生活中的振動現象人們并不陌生，家用電器的運轉、交通工具的顛簸、動力機械設備的運行無不產生機械振動。人們在長期生活和生產實踐中積累了大量的振動測試技術。隨著科學技術的進步，振動測試儀器和計算機分析軟件系統得到廣泛的應用和飛速發展，為振動的測量提供了必要的手段。

機械振動測量具有重要的實際意義。首先，在機械振動系統的設計中，振動參數的數值直接影響振動系統和振動元件的設計質量，而振動測量是準確獲取這些振動參數的重要手段。其次，在工程上也依靠測量手段獲得原始設計參數，通過振動測量和測量數據的分析作為機械振動系統評價依據。最后，工程中的設計計算和理論分析可以通過模擬試驗或測量來驗證理論的正確性。

9.1.2　振動的測量方法

9.1.2.1　振動測量的內容

9.1.2.2　測振原理

圖27-9-1是測振儀原理圖，測振儀采用線性阻尼系統，由一個單自由度振動系統構成，包括一個質量塊M，一組剛度為K的彈簧和材料內部的摩擦或其他的阻尼C。測振儀機殼固定于振動物體，隨其一起振動；拾振物體相對于殼體作相對運動。系統輸入的是殼體運動引起的慣性力，輸出的是質量的位移。輸出信號與振動量成正比。

9.1.2.3　振動量級的表述方法

振動測量的基本參數——振幅、頻率和相位。它們既是諧振振動的標征，也是研究復雜振動的基礎。一個簡諧振動可以用位移d、速度v或加速度a來表示。

位移：

　　（27-9-1）

式中　d_m——位移最大值。

速度：

　　（27-9-2）

式中　v_m——速度最大值。

加速度：

　　（27-9-3）

式中　a_m——加速度最大值。

對于簡諧（正弦）振動，位移、速度、加速度的數值可以運用如下公式進行簡單的換算：

　　（27-9-4）

振動單位有兩種表示方法。

（1） 絕對單位制

絕對單位制能客觀地評定振動的大小，見表27-9-2。

（2）相對單位制

相對單位制用對數級表示，其定義為待測量與基準量之比取對數，基準量按ISO 1683標準執行，單位為dB，見表27-9-3。

9.1.3　振動測量系統

振動測量系統可分為振動激勵設備和振動測試儀器兩部分，振動激勵設備布置框圖見圖27-9-2，振動測試儀器布置圖見圖27-9-3。按照測試的需求可以靈活地運用。

在測試系統中，接地是抑制噪聲、防止干擾的主要方法。具體的做法是將整個測量系統的儀器外殼用導線連接后單點接地。單點接地要求做到以下幾點：

①安裝加速度計時做好傳感器與測點之間的絕緣；

②單點接地點的接地電阻狀況良好；

③若采用交流電源的接地用作單點接地的接地端，只要連接所有儀器外殼即可，避免形成多點接地的狀況。因多點接地，電流會通過大地形成回路，產生干擾源，圖27-9-4為二點接地示意圖；

④信號屏蔽線的破損、加速度計接插件接觸不良也會造成系統干擾。

9.2　振動測量傳感器

傳感器是能將振動信號或者其他物理信息轉換成電信號的重要敏感元件。在振動測量系統中，經常用到的傳感器按測量參數的不同可分為加速度計、速度傳感器、位移傳感器、力傳感器等。

9.2.1　加速度傳感器

加速度傳感器是利用晶體的壓電效應原理制成的加速度計，它輸出的電量與它承受的加速度值成正比。加速度計由于具有體積小、頻響寬、相頻特性好等優點，是目前使用最廣泛的振動測量傳感器。

9.2.1.1　加速度計的原理和結構

壓電式加速度計的結構有外緣固定型、中間固定型、倒置中間固定型、剪切型多種形式（見圖27-9-5）。相比之下剪切型結構的加速度計性能較好，得到廣泛的運用，剪切型分為環形剪切和三角形剪切。環形剪切的結構是將壓電材料P制成圓筒狀，并粘接在中心架上，其外圓周粘接一個圓筒狀的質量塊M。當加速度計沿其軸線振動時，壓電材料將受到剪切變形而呈現電荷。這種結構可以較好避免外界條件的影響，并有利于結構的小型化。三角形剪切用三塊壓電材料，每塊都附加質量塊，并以三角形剪切模式排列，外圍用高張力預緊環緊固。這種結構具有較高的諧振頻率和穩定性能，靈敏度高，壓電元件具有良好的隔離、較小的溫度瞬變靈敏度，但結構復雜。目前多數加速度計都采用此種結構形式。

用作加速度計的壓電材料有兩大類，見表27-9-4。

9.2.1.2　加速度計的類型

加速度計分為壓電式加速度計和電壓式加速度計。壓電式加速度計也稱為電荷式加速度計，電壓式加速度計簡稱ICP （integrated circuits piezoelectric） 傳感器。上一節詳細介紹了壓電式加速度計的工作原理和結構。壓電式加速度計輸出的是電荷信號，其特點是高阻抗信號，不能直接用于信號放大，需要和電荷放大器或電壓放大器（9.3.1節作詳細介紹）配套使用。電壓式加速度計在壓電式加速度計的結構上增加了內置微型阻抗變換器，將高阻抗的電荷信號轉換成低阻抗的電壓信號輸出，與電源供給器配套使用（9.3.2節作詳細介紹）。表27-9-5詳細列舉了壓電式加速度計與電壓式加速度計的區別，表中有關內容在后面的章節中詳細說明。

兩種加速度計在外形上相同，分辨的方法看加速度計靈敏度的單位。壓電式加速度計電荷靈敏度單位：pC/（m/s²）；電壓式加速度計電壓靈敏度單位：mV/（m/s²）。

9.2.1.3　加速度計的主要性能指標

1）靈敏度　加速度計的靈敏度是指在一定的頻率和環境條件下，承受一定加速度值時，輸出電荷量或電壓量的大小。或者使用重力加速度單位，電荷靈敏度單位：pC/g；電壓靈敏度單位：mV/g。

2）頻率響應　當加速度計承受恒定加速度值時，靈敏度隨頻率變化的情況，通常以曲線的形式表示。見圖27-9-6，生產廠家提供的頻響曲線。

加速度計的壓電效應是靜電現象，微弱的電荷量不可避免地會產生泄漏，因此加速度計不適合測量恒定加速度這類單向運動，使用頻率下限設在0.2～0.5Hz。

從頻響曲線可看到，加速度計的工作頻響范圍很寬，并且靈敏度前端平整；只有在接近共振頻率f₀時，才會發生急劇變化。使用頻率上限設在共振頻率f₀的1/5頻段時，靈敏度的偏差為±5%；設在共振頻率f₀的1/3頻段時，靈敏度的偏差為±10%。

3）橫向靈敏度　橫向靈敏度是與主軸方向成直角的靈敏度，以加速度計靈敏度的百分數表示。一般應控制在2%～5%。

4）長期穩定性　長期穩定性是靈敏度隨時間變化的情況，年變化率應小于2%。穩定性指標的好壞是衡量加速度計質量的主要因素。

5）最高工作溫度　常用加速度計最高工作溫度大致分為兩種：125℃、250℃。

9.2.1.4　加速度計的安裝

共振頻率f₀是指加速度計本身的自然諧振頻率。在實際使用中加速度計是被安裝在被測物體表面上，由于加速度計的安裝方法不同，其安裝自然諧振頻率f₁相對于共振頻率f₀不同程度地下降，導致測試系統的頻響特性大有差異。安裝方法包括螺栓安裝、絕緣安裝、粘貼、磁鐵、蜂蠟、探針、機械濾波器，采用哪種安裝方法取決于加速度計和試驗結構的形式。盡可能地減小加速度計安裝對頻率響應的影響，機械濾波器方法除外。

1）螺栓安裝　安裝加速度計的最好方法是螺栓連接（圖27-9-7），它的安裝自然諧振頻率f₁接近于共振頻率f₀。安裝時注意確保安裝螺紋必須與表面垂直，且無毛刺；兩個安裝表面平滑耦合，在安裝表面涂少量油脂有助于改善沖擊和高頻段的響應。因為要在被測物體上打孔，這種安裝方法在實際使用中受到很大限制。在高頻測量和沖擊測試時，螺栓安裝是唯一的安裝方法。

加速度計安裝時，安裝扭矩要求適當；螺栓安裝不要完全擰滿加速度計的螺孔，以確保加速度計的安裝底座不產生過大的應力和變形而影響靈敏度。

2）絕緣安裝　當加速度計和被測物體之間要求進行電氣絕緣和控制接地回路噪聲時，可以使用絕緣螺栓和云母墊片的安裝方法，絕緣材料可采用尼龍、塑料等（圖27-9-8）。絕緣安裝的方法只適用于10kHz以下的測量。有些產品在加速度計底部加裝了強陽極氧化鋁粘接墊，成功地解決了加速度計與地之間的絕緣問題。

3）磁鐵　如果被測表面是鋼鐵制品，可以將加速度計旋在永久磁鐵座上，直接吸附在測點上進行測量。這種安裝方法對若干不同測點的交替快速測量非常便利。測量的頻率上限視永久磁鐵的性能而定，一般在5kHz左右。

選用附加質量較輕的磁鐵座，以減輕附加質量對系統特性的影響。此種安裝方法的振動測量范圍不得大于50g；測點表面溫度不得高于150℃，因為磁鐵內部的粘接劑在高溫下會老化失效。

4）粘貼　常用的方法是使用502膠（氰基丙烯酸酯快干膠）將加速度計直接粘貼在測點上，工作溫度-10～+80℃，耐水、酸、堿能力差。具體操作步驟：

先將測點表面的油漆雜質清除（測點表面的油漆會造成高頻信號的衰減）；用細砂皮打磨平整；使用干凈的紗布蘸取丙酮，清洗加速度計底部和測點表面的油漬（丙酮屬易燃品，注意安全使用）；取少量502膠水涂抹在加速度計底座表面；迅速地將加速度計按在測點上，并適當地來回旋轉兩下，達到排除其間多余膠水和氣泡的目的，以求達到最佳粘貼效果；等502膠干透后，即可進行試驗。試驗結束后，使用活絡扳手橫向扳動加速度計的底部，即可輕松地取下加速度計。502膠粘貼的方法只適用于5kHz以下的振動測量。不宜在潮濕的環境中使用。

5）蜂蠟　使用蜂蠟將輕型加速度計粘接安裝，這種方法適用于試驗結構不允許進行任何安裝改動的模態和結構分析試驗。頻率范圍在5kHz以下。測點表面溫度在50℃以上，蜂蠟會明顯軟化而無法進行測試。

6）探針　在某些特殊的場合，一般的安裝方法因現場條件限制無法使用，可用安裝在加速度計底部的金屬探針進行測量；或者干脆將加速度計直接按在被測點上；常用于巡回檢測，具有簡單、方便、靈活的優點。頻率范圍在1kHz以下。探針是便攜式測振儀常用配置，見圖27-9-9探針測量。

7）機械濾波器　機械濾波器屬低通濾波器，頻率上限為1kHz，安裝在測點與加速度計之間，兩端采用螺栓安裝。機械濾波器的結構是在兩塊金屬之間夾著一層橡膠（見圖27-9-10），利用橡膠的阻尼作用，特意將測點振動信號中高于1kHz的高頻分量濾除，達到測量的特殊要求，常用于強沖擊試驗。

使用機械濾波器時，必須將配套的安裝栓插入安裝孔內方可裝卸加速度計，以免損壞機械濾波器的橡膠層。

8）導線固定問題　加速度計的連接電纜應固定在加速度計的安裝表面上，從而減少試驗過程中因晃動而造成信號的干擾或丟失，特別是在強沖擊試驗中，巨大的沖擊力甚至會拉斷連接導線。導線連接見圖27-9-11。

9.2.1.5　加速度計的選擇

（1）穩態振動測量

穩態振動測量常用壓電式加速度計或電壓式加速度計。表27-9-6列舉了三種不同型號的壓電式加速度計進行比較，表27-9-7列舉了同一系列不同規格的電壓式加速度計進行比較。

（2）沖擊振動測量

沖擊加速度計采用壓電式加速度計，具有靈敏度低、測量范圍大、頻率響應寬、質量輕、加速度計本身帶有固定螺栓等特點。表27-9-8列舉了二種不同型號的沖擊加速度計進行比較。

9.2.1.6　適用于不同場合的加速度計

（1）微型加速度計

微型加速度計本身的質量很小，是專為測量小巧輕盈結構設計的加速度計，可用于高頻測量。使用時需采用蜂蠟粘貼安裝。

（2）高靈敏度加速度計

高靈敏度加速度計具有極高的靈敏度；內部配備了線路驅動前置放大器和低通濾波器；通過適配器后輸出信號電壓靈敏度300mV/（m/s²）；頻率范圍0.1～1000Hz；適用于大型結構的低頻低振級的測量，如大規模集成電路光刻機基礎地面微振動測量；高靈敏度加速度計的測量范圍有嚴格限制，不得使用在大于10m/s²的場合。

（3）高溫加速度計

一般加速度計的工作溫度為250℃以下，高溫加速度計的工作溫度為400℃以下，外殼和引出導線具有隔熱功能。

（4）三向加速度計

三向加速度計是在三個正交方向上各安裝一個獨立的加速度計，適合在三個方向上同時進行振動測量。常用于模態試驗。

（5）電容式加速度計

一般的加速度計的頻率下限為0.1Hz，電容加速度計的頻率范圍DC～300 Hz。電容式加速度計采用“變電容”設計原理：結構是由一個振動膜片位于二個電極中間，形成彈簧質量系統中的慣性質量；二個電極與振動膜片之間的間隙分別形成二個電容；當振動膜片由于加速度的作用偏離中心位置時，二個電容值就會出現電容差；這電容差在一定幅值范圍內與運動加速度成線性比例；通過電橋電路轉換成電壓輸出；由于二個電容器的工作狀態互補，使用差動電路的設計方案產生抗環境干擾。長期穩定性好，適用于低頻、靜態加速度測試。見圖27-9-12和表27-9-9。

（6）石英標準加速度計

天然的石英性能穩定，機械強度高，絕緣性能好，耐高溫，適用于制造標準加速度計。用于對其他加速度計進行精密的背靠背比較校準（見表27-9-10）。

9.2.1.7　加速度計的標定

加速度計的標定按標定精度可分為絕對校準方法和相對校準方法。絕對校準精度為0.5%；校準設備昂貴復雜，一般用于產品出廠檢驗和針對標準加速度計進行標定。相對校準方法使用經過絕對校準的儀器去標定工程上使用的加速度計，校準精度為2%。本章節主要介紹加速度計靈敏度的相對校準方法。

加速度計靈敏度的相對校準方法有標準加速度計比較法和激勵器校準法二種。

（1）標準加速度計比較法

這種校準法也稱為“背靠背”校準法，具體儀器布置見圖27-9-13。振動臺產生已知幅值和頻率的正弦波振動，使用石英標準加速度計作為基準值來校準其他的加速度計，獲得被校加速度計靈敏度的修正值。

（2）激勵器校準法

將信號源、功放與振動臺組合成便攜式振動校準激勵器（見圖27-9-14），激勵器的加速度值10m/s²（單峰值）、頻率79.6Hz。校準壓電式加速度計時，通過調整被測加速度計的電荷靈敏度值來控制電荷放大器的輸出電壓值。校準電壓式加速度計時，可直接獲得電壓靈敏度值。

小型手持式激勵器用于加速度計的校準；加速度值10m/s²（均方根值）、頻率159.2Hz。

加速度計出廠前均進行校準，隨加速度計提供一份檢測報告。一年后，每年應到國家認可的計量部門進行校準。

9.2.2　速度傳感器

9.2.2.1　磁電式速度傳感器

常用的速度傳感器（圖27-9-15）屬磁電式傳感器，工作原理由線圈、芯軸、阻尼環組成一個質量元件；通過彈簧片將質量固定在殼體上，組成一個單質量振動系統；當外殼固定在被測設備上，隨被測物振動時，質量—彈簧系統受強迫振動，在線圈中感應電動勢產生信號。

磁電式速度傳感器頻率范圍在10～500Hz、振幅范圍小于1.5mm、加速度值小于10g。因為速度傳感器存在頻率范圍窄、附加質量重等缺點，現在速度傳感器測量已被加速度計測量替代。加速度信號通過積分得到速度值，適用于3Hz以上的速度測量。

9.2.2.2　多普勒激光測速儀

也可以利用激光法測量振動速度，其中應用較多的是利用光波的多普勒頻移原理。一束光源打在被測物體上時，如果被測物體有運動速度，則被反射回的光源頻率與原入射光源頻率f存在一個頻率差Δf，該頻率差稱為多普勒頻移，其表達式為：

　　（27-9-5）

式中，v為運動物體在激光入射方向的速度分量；c為光速。

因此，只要測量出激光的多普勒頻移大小，即可換算出物體的運動速度。圖27-9-16是激光多普勒測速系統原理圖，光學系統測量運動物體，產生多普勒頻移信號，光電檢測器完成信號的收集及光電轉換，經過放大及濾波等信號處理，最后在計算機上計算出多普勒頻移大小與被測物體速度。

這種方法屬于非接觸式測量，因此不會對被測物體產生影響，工作距離可在1m以上。其頻率測量范圍在0.2～20kHz，測量最大振動速度高達5m/s。同時，其抗干擾能力強，誤差通常<2%。但是這種方法測量設備昂貴，體積大，安裝煩瑣，不便于復雜現場的測量。

9.2.3　位移傳感器

9.2.3.1　電渦流傳感器

電渦流傳感器采用的是感應電渦流原理（見圖27-9-17）。當帶有高頻電流的線圈靠近被測金屬時，線圈上的高頻電流所產生的高頻電磁場便在金屬表面上產生感應電流——電渦流。電渦流效應與被測金屬間的距離及電導率、磁導率、幾何尺寸、電流頻率等參數有關，通過相關電路可將被測金屬相對于傳感器探頭之間距離的變化轉變成電壓信號輸出。

電渦流常用的工作電壓-24V；輸出交流信號是疊加在安裝點的輸出直流電壓之上，圖27-9-17中所用電渦流傳感器的安裝間隙1mm，測點材料45鋼，相對應的直流電壓-8VDC；輸出信號的電壓范圍0～-20V之間。進行信號處理時應采用交流耦合的輸入方式，濾除信號中的直流分量。電渦流傳感器在產品出廠時附有一份檢定報告，輸出信號與被測導體之間的位移特性曲線圖（見圖27-9-18）。不同的被測導體靈敏度不同，測點的金屬材料改變時，應重新進行電渦流靈敏度的檢定。

電渦流檢定結果：

線性范圍：0.50～2.50mm　線性中點：1.00mm

靈敏度：8.00V/mm　　　　工作電壓：-24V（DC）

被測材料：45鋼　　　　　　溫度：24℃

濕度：60%

電渦流傳感器的支架要求安裝在質量大的基礎上，保證位移測量的精確度。現場經常找不到理想的基準面，所測到的是相對位移量。

9.2.3.2　激光位移傳感器

激光位移傳感器具有一般位移傳感器無法比擬的優點，通常具有50kHz的采樣頻率，100nm的分辨率，根據被測物體的位移大小，可在PC上通過USB進行靈敏度設置，且不受被測物體材料所限制，對透明、半透明、輕薄及旋轉等物體均可實現高精度的無損檢測。

9.2.4　其他傳感器

9.2.4.1　力傳感器

力傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應。力傳感器結構（見圖27-9-19）由頂蓋、石英片、導電片、基座和輸出插座組成；導電片夾在二個石英晶片之間；石英晶片有中心螺釘施加適當的預緊力。當外力通過頂蓋傳遞到石英晶片上時，在晶體兩端表面產生電荷，產生的電荷信號通過插座輸出。

9.2.4.2　阻抗頭

阻抗頭是由加速度計與力傳感器同軸安裝構成的傳感器，裝在激振器頂桿與試件之間（圖27-9-20）。用來測量原點導納或原點阻抗，能保證響應的測量點就是激勵點。阻抗頭只能承受輕載荷，適用于輕型結構。在測量剛度大的重型結構阻抗時還得分別使用加速度計與力傳感器。

9.2.4.3　扭振/扭矩傳感器

扭振測試系統通常由磁電式扭振傳感器（又稱為感應式扭振傳感器）、測試齒盤以及安裝支架組成。當軸系以某一恒定轉速旋轉時，扭轉振動的存在將使軸系轉速產生波動。通過磁電式傳感器檢測一定時間內測試齒盤的脈沖個數，從而可以計算出軸系扭轉振動角速度，并最終得到軸系的扭轉振動角。這種測試方法測試范圍一般在0.05°～50°，轉速范圍為0～120000r/min，測量誤差在0.5%以內。

扭矩測量時，除了經典的應變片方法，也可以用這種方法測量。通常采用兩個磁電式扭振傳感器以及兩個測試齒盤固定安裝在軸的兩端，通過測量兩個端面的扭振角，從而計算出軸系的扭矩，見圖27-9-21。

9.2.4.4　光纖振動傳感器

光纖振動傳感器的基本工作原理是將光信號經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、頻率、相位、波長、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號源，再經過光纖送入光探測器，經解調后，從而獲得被測參數。光纖振動傳感器可用于位移、速度、加速度、壓力、應變、聲場等的測量。

光纖振動傳感器具有很多優異的性能。比如：靈敏度高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以用于高壓、高溫、腐蝕或其他的惡劣環境；具有抗電磁和原子輻射干擾的性能等。同時光纖具有徑細、質軟、重量輕的力學性能，絕緣、無感應的電氣性能以及耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等。

9.2.5　傳感器標定

傳感器標定是指通過實驗測量方法，確定傳感器輸入量與輸出量之間的關系，并且明確不同工作條件下傳感器的輸出誤差范圍等。因此，傳感器在出廠前，或者使用一段時間后，或在重要試驗前，都要對其各項性能指標進行實驗，以確定其誤差范圍。

9.2.5.1　標定內容

對于不同傳感器，標定內容可能會有細微差別，對于加速度傳感器需包含以下幾個方面。

①靈敏度（定義參考9.2.1.3節）。

②頻率特性（定義參考9.2.1.3節）。

③線性范圍：是指傳感器的輸出電信號與輸入機械量能否像理想系統那樣保持比例關系（線性關系）的一種度量，是描述傳感器靜態特性的一個重要指標。

④動態范圍：是指在保證一定的測量精度下，加速度傳感器可以測量的最大、最小加速度值范圍。

⑤橫向靈敏度（定義參考9.2.1.3節）。

⑥安裝共振頻率：是指傳感器在規定的安裝條件下校準得到的共振頻率。

⑦環境因素的影響，包括高溫、高壓、強磁等環境。比如傳感器在不同溫度下工作時，要考慮溫度對傳感器性能的影響，并給出相應的修正曲線。

9.2.5.2　標定方法

傳感器常用的標定方法有相對校準法和絕對校準法兩類。

（1）相對校準法

相對校準法是用一個精度較高的傳感器（如激光傳感器）去校準另一個傳感器，也稱為“背靠背”校準法。用相對校準法時，應把標準傳感器和被校傳感器固定在一起后，再安裝在振動臺上，以便使它們感受相同的振動量。這種校準方法的準確度主要取決于標準傳感器的精度。因此標準傳感器的靈敏度、頻響、線性度等一定要用絕對校準法校準。

（2）絕對校準法

絕對校準法的主要工作是用精密設備進行長度和時間兩個基本參數的測量，繼而計算出速度和加速度，再用電子儀器測量出電參量，然后對需要標定的參數進行計算。絕對校準法所得到的校準準確度主要取決于測量設備的精度以及操作者的水平。這種方法要求高精度的測量設備，且校準技術復雜、周期長，因此常用于計量部門。

9.2.5.3　加速度傳感器標定

本節以加速度傳感器為例，簡單闡述其標定過程，具體過程見9.2.1.7節。

9.3　其他測試儀器

9.3.1　信號放大器

壓電式傳感器是一種能產生電荷的高阻抗發電元件。通常產生的電荷量很小，如果用一般的測量儀器直接測量，則由于測量儀器的輸入阻抗有限，而導致壓電材料上的電荷通過其輸入阻抗放掉。因此欲測量該電荷量，需要采用輸入阻抗很高的測量儀器。通常有兩種方法：一種是直接測量電荷量，稱之為“電荷放大器”；另一種是把電荷量轉換為電壓，然后測量電壓值，稱為“電壓放大器”。下面對這兩種常用信號放大器進行介紹。

9.3.1.1　電荷放大器

壓電式加速度計接上電荷放大器組成一個最簡單的振動測量系統。電荷放大器是由阻抗變換器、歸一化電壓放大器、積分電路、高低通濾波器、輸出放大器組成（圖27-9-22）。

由場效應管組成的阻抗變換器將高阻抗的電荷信號轉換成低阻抗的電壓信號。歸一化電壓放大器又稱適調放大器。歸一化的含義：當被測加速度恒定時，同時使用多個不同靈敏度的加速度計進行測量，會得到相同的電壓輸出，便于測量和簡化數據分析的這種換算被稱為“歸一化”。運用積分電路可得到速度或位移信號。高低通濾波器可以濾除不需要的頻率分量。通過改變放大器增益達到調節測量范圍的目的。

壓電效應所產生的電荷量極其微弱，連接壓電式加速度計的導線必須使用經過石墨處理的低噪聲電纜，它能有效地克服因電纜晃動造成導線內部材料之間摩擦產生的附加電荷，有效抑制干擾噪聲。

電荷放大器的輸入阻抗特別高，必須將加速度計用低噪聲電纜連接電荷放大器后，方能接通電源。避免造成電荷放大器輸入端場效應管的擊穿損壞。

9.3.1.2　電壓放大器

圖27-9-23是電壓放大器的原理框圖。輸入信號經電容衰減器衰減到合適的幅度，然后由阻抗變換器變換成低阻抗輸出信號，經主放大器放大后，送至積分器，再經輸出放大器放大，使信號具有一定的功率輸出。其中主放大器設一反饋電阻，調節它的大小可改變放大器增益。

與電荷放大器不同的是當使用電壓放大器時，電纜長度以及阻抗都將對加速度靈敏度產生影響，因此需要使用與其相匹配的電纜，以免加速度靈敏度發生改變。

與電荷放大器相比，電壓放大器線路圖簡單，但是其帶寬、靈敏度受傳感器線路以及電容量限制，且輸出信噪比低。

9.3.2　電源供給器

電源供給器提供4mA恒流源，用作電壓式加速度計內置微型阻抗變換器的工作電壓。有些型號的電源供給器帶有信號放大功能，僅僅對輸入的電壓信號進行放大，不能像電荷放大器那樣通過改變放大器增益達到調節測量范圍的目的［電壓式加速度計的測量范圍是固定值（見表27-9-7）］。

現在數據采集分析系統的輸入端具有提供4mA恒流源的功能，測試時直接將電壓式加速度計連接到數據采集器的輸入端即可進行振動測試。

9.3.3　數據采集儀

數據采集儀是將傳感器所測得的振動信號及其變化過程顯示并存儲下來的設備。數據顯示可以用各種表盤、電子示波器或者顯示屏來實現。數據存儲則可以采用模擬式的磁帶記錄儀、光線記錄示波器或者電腦等設備來實現。而在現代測試工作中，越來越多的是采用虛擬儀器直接記錄存儲在硬盤上。

通常數據采集儀按其信號傳輸方式可以分為有線數據采集儀和無線數據采集儀兩類。下面分別介紹。

9.3.3.1　有線數據采集儀

有線數據采集儀是指傳感器采集的振動信號在傳輸至存儲設備的整個過程中，均是通過電纜傳輸。目前絕大多數采集系統均是此種類型。

其通常由多路模擬開關、采樣保持器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、I/O擴展口模塊以及存儲顯示設備等組成。見圖27-9-24。

這類數據采集儀采樣頻率范圍寬、通道數多、抗干擾能力強。

9.3.3.2　無線數據采集儀

在某些特殊測試場合，有線數據采集儀無法滿足要求。比如測量旋轉軸系的振動加速度，此時需要無線數據采集儀。目前無線數據采集儀主要分為兩大類：第一類是傳感器采集的振動信號在傳輸給數據采集儀的中間過程使用無線傳輸方式；第二類是傳感器采集的振動信號在傳輸給數據采集儀后再使用無線傳輸方式傳輸給存儲設備。

第一類的組成框圖如圖27-9-25所示，通常數據發射模塊與數據接收模塊間的無線傳輸方式通過感應線圈進行。由于信號經過整流電路后直接通過電纜傳輸給數據采集儀，因此這類無線采集系統中，數據采集儀無需特殊定制，使用普通的有線數據采集儀即可。

第二類的組成框圖如圖27-9-26所示，通常傳感器信號傳輸給數據采集儀后，通過無線網絡的方式與存儲設備進行通信，因此這類數據采集儀中含有信號發生模塊。這類系統中，由于數據采集儀需與傳感器一起安裝在旋轉設備上，因此其體積通常很小，重量較輕，通道數一般不超過三個。而且由于體積小，電路設計一般比較簡單，導致其抗干擾能力較弱。

第一類無線數據采集系統由于使用普通的有線數據采集儀，因此在抗干擾能力、通道數目方面都優于第二類無線數據采集系統。但是其價格昂貴，且安裝復雜，對安裝人員有很高的技術要求。

9.3.4　便攜式測振儀

便攜式測振儀由加速度計、放大電路、分析軟件、存儲器組成；能夠進行加速度、速度、位移的測量；具有簡單的數據分析存儲功能；頻率范圍在1kHz以下，有些測振儀在放大電路中采用了過補償技術，使得頻率范圍得到提高；便攜式測振儀具有小巧便攜，易于操作等特點，適用于現場巡回檢測。

9.4　激振設備

激振設備是能按照人們的意志產生干擾力，使結構件發生振動的裝置。可進行機械、儀器、儀表等設備的固有頻率、固有振型以及產品的例行試驗，包括振動強度、振動穩定性、運輸顛振試驗。激勵設備可大致分為力錘、激振器、振動臺、沖擊試驗機等。

9.4.1　力錘

力錘是手握式沖擊激勵裝置，模態分析試驗中經常采用的激勵設備。力錘由錘帽、錘體和力傳感器組成（見圖27-9-27）。當用力錘敲擊試件時，沖擊力的大小與波形由力傳感器測得。使用不同的錘帽材料可以得到不同脈寬的力脈沖，相應的力譜也不同。常用的錘帽材料有橡膠、尼龍、鋁、鋼等。橡膠錘帽的帶寬窄、尼龍次之、鋼最寬。因此要根據不同的結構和分析帶寬選用不同的錘。常用力錘的錘體重幾十克到幾十千克，沖擊力可達數萬牛頓。由于力錘結構簡單，使用方便，避免使用昂貴的激勵設備，力錘被廣泛應用于現場的激勵試驗。

脈沖錘擊激勵法是采用力錘敲擊試件，試驗系統示意圖見圖27-9-28。激勵點要求選在剛度大的地方，錘擊時要求動作干脆利落，使得激勵力譜盡量寬，力譜頻率上限以幅值下降3dB為限。沖擊力函數和頻譜圖見圖27-9-29。

9.4.2　電磁式激振設備

電磁式激振設備是將置于磁場間隙中的線圈與振動物體相連，磁場可以采用永磁或者是直流勵磁線圈形成的磁場，交變電流通過磁場中的線圈產生往返變化的運動，帶動線圈框架或臺面產生往復振動。電磁式激振設備可分為電磁激振器和電磁振動臺。兩者在原理上相同，結構和使用方法上存在差異。激振器是傳遞力，振動臺是傳遞運動。電磁式激振設備的組成見圖27-9-30。

9.4.2.1　電磁式激振器

電磁式激振器使用頂桿將激勵力傳遞給試件。頂桿由兩端焊接連接螺栓的鋼絲做成，頂桿長度一般控制在150mm左右，連接激振器和被激勵點。安裝時要求將激勵器位置調整到頂桿兩端處于不受力的狀態，這點很重要，不僅達到被測系統不受外力影響的目的，同時確保激振器的安全使用。安裝方法見圖27-9-31。

從表27-9-11中可看到激振器性能指標中輸出力大，加速度和位移就大，激振器重量增加，第一諧振頻率下降，相對應的帶寬變窄。試驗時根據試件的重量、固有頻率的分布、所需激勵力的大小選用合適的激振器。頻率范圍處于第一諧振頻率的1/5～1/3頻段，與加速度計的頻率響應概念相似。

9.4.2.2　電磁式振動臺

振動臺與激振器的最大區別在于激振器僅能提供激勵力，在使用過程中不能承受負載。振動臺具有一個可運動的平臺，被測物件直接安裝在運動平臺上。為了降低振動臺頻率下限，平臺下方安裝有空氣彈簧，降低了彈簧剛度，同時采用較大阻尼增加橫向振動的穩定性。表27-9-12所示振動臺技術指標中針對最大載荷作了限定。

選擇振動臺型號的主要性能指標是額定推力、加速度、速度、位移。負載的選擇最終取決于振動臺額定推力的大小。電磁式振動臺主要運用于高頻振動試驗。配備了水平滑臺后能夠分別在Y、Z兩個方向上進行振動試驗。

9.4.3　電液伺服振動臺

電液伺服振動臺通常稱為液壓振動臺，液壓振動臺的主要優點是工作頻率可低至0.1Hz、負載大、臺面大、運動行程大（見表27-9-13）。電液伺服振動臺廣泛用于道路模擬試驗、建筑、橋梁振動特性及模態實驗研究、地震研究和大型機電產品的振動試驗。

振動臺的工作原理由驅動信號來控制小型電動式激振器，帶動伺服油閥以驅動油缸，油缸帶動振動臺面產生相對應的振動波形。同時，高壓容器用以提供高壓油液，調節高壓容器通過伺服閥壓力的高低，進而控制振動臺的振動幅值。同樣也配備了水平滑臺，供Y、Z二個方向上分別進行振動試驗。

9.4.4　沖擊試驗機

沖擊試驗機采用古典力學自由落體方式，適用于試件的抗沖擊試驗（見表27-9-14）。沖擊波形可以選擇半正弦波、后峰鋸齒波、梯形波。采用強力摩擦抱閘防二次沖擊機構。

9.4.5　壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能相互轉換的陶瓷材料。壓電陶瓷屬于無機非金屬材料，具有壓電效應的材料，諸如氧化鋁、氧化鋇、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈮、氧化鈉等。

在外力的作用下，壓電陶瓷產生形變，引起介質表面帶電，稱為正壓效應。可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號，輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。

反之，在壓電陶瓷施加激勵電場（圖27-9-32），介質將產生機械變形，稱逆壓電效應。通常將貼在試件上的壓電陶瓷晶體片通以交流電流，產生壓電的反效應致使試件振動。適用于小型、薄壁試件，使用方便。所用的功率放大器選擇專用的“壓電陶瓷驅動電源”，壓電陶瓷驅動電源輸出的兩個電極要求對地絕緣。

9.5　數據處理與分析

振動測試得到的原始數據需經過處理才能為工程所參考和應用。從數據的表現形式上可分為模擬信號和數字信號，相應的數據處理方法也分為模擬信號分析（模擬信號相關分析、模擬信號自功率譜分析）和數字信號分析。從數據的規律上可分為周期信號和非周期信號（如非平穩信號、瞬態信號和隨機信號等），相應的數據分析方法也分為頻譜分析（傅里葉變換、小波變換、線調頻小波變換、參數化時頻分析、經驗模式分解等）、統計分析（期望、方差和概率分布函數等）和相關分析（自相關函數、互相關函數等）等。

9.6　振動測量方法舉例

9.6.1　系統固有頻率的測定

固有頻率是振動系統的一項重要參數。它取決于振動系統結構本身的質量、剛度及分布。確定系統固有頻率可以通過理論計算或振動測量得到。對較復雜系統只能通過測量才能得到較準確的系統固有頻率。確定系統固有頻率的方法是采用振動激勵的方法、加速度計信號拾取、使用動態信號測試分析系統得到頻率響應函數，其峰值點對應的頻率即為固有頻率。

振動激勵方法采用力錘或電磁式激振器，具體內容可參見9.4.1節、9.4.2.1節的內容。

9.6.2　阻尼參數的測定

阻尼是影響振動的重要因素之一。確定系統的阻尼系數運用實測方法。和固有頻率的測定方法相同，采用振動激勵的方法、加速度計信號拾取、使用動態信號測試分析系統得到系統的共振曲線（見圖27-9-33）。從共振頻率f₀峰值下降3dB找到對應的f₁和f₂，運用式（27-9-6）求出阻尼比。

阻尼比計算公式：

　　（27-9-6）

阻尼比測試中f₁和f₂兩個頻率相差較大時能保證計算所得阻尼比精度。如果共振曲線較窄，在采樣分析數據時應提高分辨率，保證阻尼比的計算精度。

9.6.3　剛度和柔度測量

靜載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度，即引起單位振幅所需要的動態力。靜剛度一般用結構在靜載荷作用下的變形多少來衡量，動剛度則是用結構振動的頻率來衡量。剛度的定義為施加的力與所產生變形量的比值，單位為N/mm。剛度的倒數稱為柔度。

靜剛度的測量比較簡單，對被測物體加以穩態力的同時測量相對應的變形量，所施加的力從小到大，繪出靜剛度曲線（見圖27-9-34）。

動剛度的測量采用力錘激勵（見9.4.1節）或者電磁式激振器激勵（見9.4.2.1節），采用電磁式激勵器激勵時，在激勵點安裝力傳感器或阻抗頭；安裝加速度計，運用動態信號測試分析系統，將拾取的加速度信號經過二次積分后得到該測點的位移；通過力信號與位移信號傳遞函數求得動剛度曲線（見圖27-9-35）。

當外來作用力的頻率與結構的固有頻率（見圖27-9-36）相近時，系統可能出現共振現象，此時動剛度最小、變形量最大。