一、振動測量儀器

1．信號適調器

在振動傳感器與指示、記錄分析儀器之間，一般都需要信號適調器。它的主要功能有：為參數型傳感器提供電源；振動量值的歸一化；阻抗變換：電壓放大：對于應變及壓阻傳感器，用于橋路的平衡；微分和積分，用于振動量值的轉換；濾波抗干擾；輸出校準，過載保護等。

在20世紀50和60年代，多使用電壓前置放大器。由于電子技術的發展，目前多采用電荷前置放大器。要提高測量精度和測量出微小的振級，必須降低噪聲。外部噪聲主要有兩種：一是電纜機械運動產生的摩擦電噪聲，它可以看成為一個電荷源；另一種是接地回路噪聲。降低哚聲的方法與連接方式有：

（1）對于浮地輸入的電荷放大器，它的地端可以不與放大器外殼及供電電源的地連接，目的是消除接地回路噪聲。

（2）對于線驅動放大器及供電器，它除了可以浮地連接外，還使用了一個等效浮地電阻。

（3）恒流源驅動線驅動放大器，可能獲得更好的效果。

（4）對于差動電荷放大器，它與平衡加速度計配套可以獲得非常好的效果。

2．微積分電路及濾波器

（1）微積分電路。微積分電路主要用于振動量值在位移、速度及加速度之間的變換。目前由于大多使用加速度傳感器，所示積分電路的使用多于微分電路。常用的RC，RL及有源微積分。微積分的條件、微積分的計算和微分的上限頻率fH及積分的下限頻率fL。積分電路僅在fL以上的頻率滿足要求，而微分電路僅在fH以下的頻率滿足要求。在某一頻率wL之前，積分關系不成立，在wL到wT之間，只有部分積分，信號頻率大于wT之后才能進行真實有效的積分。微積分電路是以信號的大幅度衰減為代價的，如積分電路要達到1％的準確度，信號便要衰減100倍，從而使信噪比大大降低。為了克服這一缺點，要使用有源微積分電路。

（2）濾波器。濾波器的作用是對信號中的頻率成分進行選擇和調整，其主要功能如下：

1）頻率分析。測得輸人信號的頻率組成和各個頻率分量值，或者測出某些頻率成分與另外一些頻率成分的比值（如失真度測量）。

2）消除或抑制干擾。幾乎所有的電子儀器都有低通或高通濾波器，用以減少干擾或非測量的頻率成分。即使沒有專門的低通或高通濾波器，也會因為某些電子器件，如晶體管、電容及電感，能抑制低頻或高頻成分而隱含有低通或高通濾波器的功能。

3）模擬自然界中的某些物理特性。對信號各個頻率的大小做調整，如為仿效人耳的響應。使用A.B.C或D計權網路。

3．振動測量用記錄儀

在振動測量中廣泛使用各種記錄儀器，這里簡要介紹如下：

（1）電平記錄儀。它是一種記錄信號電平（峰值、有效值及平均值）的儀器。其關鍵部件是量程電位計，它與記錄筆機械連接。當輸入信號增大時，平衡直流功率放大器將它向信號電平高（衰減大）的方向移動。反之向信號電平低（衰減小）的方向運動以保持平衡。所以，它是根據伺服原理工作的。它的橫坐標為一電機驅動，該電機可以通過軟軸與信號發生器、頻率分析儀和濾波器的頻率刻度盤同步。橫坐標可以是時間、頻率和方向等。緩慢變化的低頻信號也可以不經整流直接驅動記錄筆記錄。

電平記錄的上限頻率可達200kHz以上，動態范圍可達75 dB，分辨率及準確度都較高（0.1 dB），在振動測量中應用較廣。

（2）筆式記錄儀。它是一種較廉價的、直接用筆記錄的儀器，一般用于緩慢變化的信號的記錄，少數的也可以記錄高達500 Hz的信號。它的通道數較多，一般可有六個通道，多的有12個通道。直接筆式記錄儀廣泛地用于監控測量的記錄，而振動測量較少使用。

（3）X-Y記錄儀。它是一種筆記錄儀，能在直角坐標上自動地描繪出兩個電參數的函數關系，這種記錄儀幅面大，可作各種參數的記錄應用很廣，在頻率響應特性測量、傳遞函數分析以及模態分析中的奈奎斯特圖、波特圖等都可用該記錄儀來完成。其缺點是記錄的頻率范圍比較低，通道數也不多。

（4）數字記錄儀。早期作波形顯示的是電子示波器，隨著邏輯電路的發展，出現了數字記錄儀，現在又有了集兩種功能于一體的數字存儲示波器，將它置于模擬狀態，即為一臺普通的模擬示波器。當工作在數字狀態時，輸入的模擬信號先經模數（A／D）轉換器變成數字序列，存于存儲器中，再經（D／A）轉換器變成模擬量顯示。與一般示波器不同，它的信號可以存儲。在需要的時候顯示，或者輸出給電子計算機做進一步處理。

數字式存儲示波器的頻率范圍很寬，可存儲從直流到500 MHz或更高頻率的信號，通道數為1～4或更多。示波屏幕上除信號波形之外還可顯示一些重要的參數。其缺點是記錄的時間短且數據量少，它多用于瞬態信號測量。

（5）光線示波器。它應用電磁作用的原理，把反光鏡安裝在振子上，用信號控制電流大小，使反光鏡偏轉，并用感光紙（膠片）記錄各種信號的波形及參數。它的特點是頻率范圍較寬（可達5000 Hz）、靈敏度高、記錄幅度寬和通道數多等。在20世紀50，60甚至70年代都廣泛地用于振動測量的記錄。但由于振子是一個機械系統，它的頻率響應特性不夠好，加之記錄結果處理較困難（用尺子量或憑經驗估計），近年來應用日趨減少。

（6）磁帶記錄儀。它分為模擬式和數字式兩種。磁帶記錄儀用磁頭按輸入信號的強弱磁化磁帶，重放磁頭再拾起這個信號，將它輸出。記錄信號有兩種方式。它們的差別還表現在：對同一帶速，直接記錄的頻率上限較高，但下限頻率不能很低；調頻記錄的頻率響應曲線可到直流而且很平；直接記錄響應曲線有較大的起伏。還有個差別是直接記錄信噪比與帶速關系不大，而調頻記錄帶速愈高，信噪比愈好。

磁帶記錄儀有頻率范圍寬、多到12個通道以上及記錄信息多等優點，有的磁帶記錄儀可連續記錄8h或更長的時間。它的信號可重放以便做事后處理。記錄信號可以來自聲探頭、傳感器、聲級計、加速度計和測振儀等。重放后可以送實時頻譜分析儀和模擬分析儀進行分析。模擬分析儀的表頭，一次只能指示一個頻率分量。所以磁帶要反復地重放。為了提高重放的速度，可以采用環形磁帶，它能不停機地反復重放及分析。環形磁帶還可以用于瞬態信號的記錄和分析。

在振動及沖擊測量中，過去使用較多的記錄儀器有電平記錄儀、X-Y記錄儀、光線示波器和磁帶記錄儀等。目前，許多新的X-Y記錄儀具有電平記錄的功能，而且壓控振蕩器頻率調節已無轉動部件，所以電平記錄儀的生產及使用逐漸減少。而X-Y記錄儀將在頻率響應特性測量及模態分析中繼續使用。

直接筆式記錄儀不適用于振動測量。因為隨著其他記錄顯示儀器的發展，并且由于光線示波器記錄信號不使做精確處理，光線示波器的應用將逐漸減少，現在僅有現場曝光顯示波形的紫外線示波器應用較多。

今后對現場測量和數據量大的記錄仍將使用磁帶記錄儀。瞬態信號測量和需要及時處理的信號將由數字記錄儀記錄。數字記錄儀將以三種組合方式出現，即集數據記錄和顯示于一體的數字存儲示波器：集數據記錄和分析及顯示為一體的動態信號分析儀；供用戶開發的數字記錄儀加計算機。

二、振動參數的測量

振動參數測量是工程測量中極為重要的一個組成部分，也是振動環境試驗測量的重要基礎，下面介紹幾種常用的參數測量方法。

1．頻率的測量

（1）李沙育圖形法。利用普通示波器就可以較方便地測量頻率，將被測振動信號變成電壓信號后，輸人示波器的y軸，再將已知頻率的電信號送到示波器的x軸，調節r軸的信號頻率，當fx與fy相等時，示波器會出現一個橢圓；當fx與fy呈現出其他比例時，會出現某種特定的圖形，測量方框圖如圖3.5.59所示。利用李沙育圖形法，測讀頻率的原理如下：當在x軸和y軸同時輸入兩個信號時，有

x=asin(wyt+φ)

y=bsinwyt

在熒光屏上得到的圖像是相互垂直的正弦波的合成，是上述兩方程的軌跡，當x、y軸的信號頻率相同時，經變換·x·y的運動軌跡為一橢圓方程，即

?

?

（2）頻率計法。使用頻率計測量振動頻率是較好的方法，數字頻率計測量振動頻率精度較高且直觀。

1）直接測頻法。它是將被測信號fx送入一個閘門，閘門的開閉由時基信號控制。在標準時間內通過的fx脈沖數，直接顯示在計數器上。顯然測量精度主要取決于時基門控信號的精度和被測信號fx的成形精度。只要fx不是信噪比很低的信號,測量精度主要取決于時基門控信號。

2）周期測量法。它是測量被測頻率的倒數----周期，再運算出頻率的方法。門控信號是被測信號的成形信號，然后用時鐘脈沖來采數，數出的時鐘脈沖個數總和即為被測周期，其倒數即為被測頻率。在該方法中，存在的問題是：若頻率高，周期短時,填充的時鐘脈沖就不夠，因而可能出現較大的量化誤差。針對這一情況可采用多周期平均法，即將測量周期沿長若干倍，則填充脈沖增加若干倍，那么量化誤差就減小了若干倍。

2．振動位移幅值的測量

位移測量分為靜態測量和動態測量兩類，靜態多與長度計量聯系在一起，動態的則多與振動位移幅值聯系在一起。在振動試驗中，常用的動態位移幅值測量有以下幾種方法：

（1）機械式測振法。它用百分表或千分表來進行。用手持式或磁性表座將頂桿頂在試件上，也可在殼體上加重物后用軟彈簧支承在試件上，并保證頂桿頂緊，由振動時指針的擺動范圍求出雙振幅2A。相對式可測振幅約為0.1％mm到零點幾毫米，可測頻率范圍約為低頻至60 Hz。慣性式可測頻率范圍應保證頻率比λ≥1，無阻尼時，λ＝5，有阻尼時，λ≥2。

（2）直讀式光學測振法。振動楔是最簡單的直讀式光學測振儀。設B＇B-C＇C＝2A＝3mm，光楔長為L，高為H．由于ΔB＇EO相似于ΔB＇C＇D＇，因此有

?

顯微鏡也可用于直觀振動測量，反射光帶或其他的強光照在作正弦振動的物體上，就可在刻度盤上給出一個清楚的影像。用讀數顯微鏡讀振幅是一個直接的、可靠的方法。試驗時，可在振動物體上貼一小塊金鋼砂紙，用燈照亮，物體靜止時，在讀數顯微鏡中可觀察到某些反射特別明亮的光點，振動量互相垂直的兩個方向。該方法用于高于10Hz頻率的振動為宜。振幅測量范圍取決于讀數顯微鏡的放大倍數，通?？捎蓭孜⒚椎綆缀撩住Ｓ捎谑欠墙佑|測量，故可對小而輕的物體進行測量。測量時，要求讀數顯微鏡置于不振動的地方。另外，應選擇直徑小而反光較亮的砂粒進行測讀，以提高測量精度，也可以不用砂粒，常用的有繃緊的頭發絲、刀片的刃口、感光片上的刀劃痕以及墨鏡上的鍍層的小針孔均可。

光學杠桿也是一種光學放大測振方法，其原理是將被振動位移用機械機構轉換成光學機構光線的偏轉來獲得振幅的放大，以獲得較高的精度。

（3）激光干涉位移測量法。光干涉位移測量法方法很多，包括的簡單干涉測振法、頻比計數多周期平均法、調相多周期平均法、相位細分法、幅值細分法、貝塞爾函數法和反饋式激光測量法，等等。這種方法是非接觸式、絕對式的一種測量方法，精度高，可靠性好，理論上也較為成熟，但測量時需要較高級的電子儀器，成本較高，這里不再詳述。

三、振動臺的性能檢測

對于振動臺的性能檢測，國家標準GB／T5170和國家計量檢定規程JJG都做了明確的規定,GB／T5170標準規定了振動臺基本參數的檢定方法，JJG標準規程規定了振動臺在新制造、使用中及修理后的檢定方法和程序，通過此規程的檢定，來判斷振動臺是否合格及能否繼續使用。振動臺基本參數的檢定采用電測試方法。

1．一般規定

（1）檢定用負載的規定：

1）機械振動臺和電液振動臺檢定用負載應為金屬材料制成的外形對稱的剛性體，其質量及質心高應等于振動臺最大載荷的規定值。負載與振動臺相連接的表面的平面度應不大于0.1／1000。負載與臺面應剛性連接，其連接共振頻率應在試驗頻率范圍以外，固定點應均勻分布且不小于4個。

2）電動振動臺除上述要求外，還應避免使用薄的負載，五個厚度與直徑（或對角線尺寸）的比應大于0.4，其最大直徑（或對角線尺寸）應不大于振動臺面的直徑。

（2）檢定加速度計的規定：

1）機械振動臺和電液振動臺使用的加速度計應剛性地固定在工作臺面或檢定用負載上，測量位移時允許使用磁鐵座固定加速度計；

2）電動振動臺因其工作頻率范圍較寬，所以，加速度計的安裝共振頻率應大于5倍的振動臺運動部件的一階共振頻率；

3）電動振動臺所使用的加速度計其質量應盡量小。

（3）多軸向振動的檢定。對于多軸向的機械振動臺，基本參數的檢定須分別在每個軸向上進行；對于帶有水平滑臺的電動振動臺和電液振動臺，除頻率指示誤差、頻率穩定度、掃頻速度誤差、振幅指示誤差、臺面溫度外，其余均應參照檢定方法中的相應條款進行。

（4）檢定中所涉及的加速度幅值均指基波加速度幅值。

2．振動臺的技術指標

評定振動臺的技術性能主要有設計指標、輔助指標和振動參數控制準確度三項內容。

（1）設計指標包括：振動臺可以使用的工作頻率范圍；能達到的最大位移振幅或最大加速度幅值：最大負載或最大推力；連續工作時間。

（2）輔助指標包括：振動臺工作時的噪聲；低頻竄動；電動振動臺臺面的漏磁。

（3）振動參數控制準確度指標包括：振動臺監控儀表的振動參數顯示準確度（頻率、振幅、加速度）和定振精度；臺面振動波形失真；臺面振幅或加速度的均勻性；臺面振幅或加速度橫向振動分量的大小。

對機械振動臺和電動振動臺性能的檢測，主要是利用上述指標。對隨機振動臺和電液振動臺，則還將增加一些指標。

3．機械振動臺的性能檢測

（1）振動頻率示值及其穩定度的檢測。機械振動臺的頻率顯示器由于調節不當或長期使用，頻率指示就會出現誤差，檢定振動頻率示值時，振動臺為空載，把加速度計剛性地連接在振動臺臺面中心。其輸出經測振儀接數字頻率計，測振儀的測量選擇置干位移（振幅）檔，在規定的頻率范圍內，均勻選取三個以上頻率值（包括上、下限頻率）進行測量（通過測量周期來換算成頻率），振動臺頻率示值與數字頻率計的顯示值之差應滿足檢定規程技術指標的要求。如果達不到規定要求，則應根據頻率計的標準值來調整振動臺頻率顯示器的示值。

以同樣的測量方法，在規定的工作頻率范圍內，把振動臺調至某一常用頻率，連續振動2h，每隔10min記錄一次數字頻率計的測量值，其頻率的變化量應滿足檢定規程技術指標的要求。

如果振動臺波形失真大，則在輸入頻率計以前必須加以濾波。若振幅或振動加速度較小。可用速度傳感器代替加速度計（因為速度傳感器具有機械濾波特性），經適當放大后再接至頻率計。靈敏度較高的速度傳感器，其輸出可直接接至頻率計讀數。

（2）振幅示值及其穩定度的檢測。振幅示值檢測時，將振動臺空載，把加速度計剛性地連接在振動臺臺面中心，其輸出接測振儀，測振儀的測量選擇置位移（振幅）檔。在交越頻率和下限頻率點，選取大、中、小三個振幅值進行測量。其振幅的誤差δA為

?

式中，As為振動臺振幅示值；AB為測振儀實測幅值。檢測結果應滿足技術指標的要求。

用同樣的測量方法，在某一常用頻率下用允許的最大（或常用）振幅值連續振動2h，每隔10 min記錄一次測振儀的振幅示值，這時振幅示值穩定度應滿足規程技術指標的要求。

振幅檢測時，也可用速度傳感器經積分網絡后接顯示器來進行測量，還可以直接用位移傳感器和測量儀表直接測量。

（3）振動加速度示值的檢測。機械振動臺用做環境試驗時，往往是在規定頻率下做定加速度試驗，因此，通常也應對加速度示值進行檢測。檢測時，振動臺空載，將加速度計剛性地連接在一個振動臺臺面中心，其輸出接測振儀，測振儀測量選擇置加速度檔。在交越頻率點，選取大、中、小（但不小于最大加速度值的15％，否則不能保證足夠大的信噪比）三個加速度值進行測量，其加速度示值誤差δa為

?

式中.as為振動臺加速度示值：aB為測振儀實測加速度值。檢測結果應符合技術指標的要求。

（4）振動臺臺面加速度波形失真度的檢測。機械振動臺由于傳動齒輪的撞擊以及滾動軸承高速旋轉時滾動體與隔離圈的撞擊等，使臺面加速度波形中產生高次諧振。這是結構本身所造成的，而且隨振動臺使用越長，齒輪間隙增大，軸承精度降低而使高次諧波的分量隨之增加。對機械調幅的不平衡塊式振動臺，由于振動運動對不平衡塊的牽連運動，會使振動臺產生二次諧波，這種二次諧波在活動塊和固定塊相對松動及傳動齒輪間隙很大時才會明顯出現，根據理論和實驗結果分析，機械振動臺在工作范圍內，臺面加速度波形的失真規律是：在同一頻率，隨著振幅的增大而加速度波形失真將減小；在相同振幅，隨著頻率增高而波形失真減小；在相同加速度時，隨著頻率增高而加速度波形失真將增大。近幾年來，為了與國際上大多數國家考核加速度波形失真的標準相一致，測量時允許測量的諧波分量達到振動臺本身最高工作頻率的5倍。一般機械振動臺上限工作頻率為80Hz左右，因此，測量時諧波分量應達到400 Hz。

檢測時，振動臺空載，將加速度計剛性地連接在振動臺臺面中心，其輸出經測振儀接失真度測量儀，測振儀的測量選擇置加速度檔。在規定的工作指標范圍內，分別選取工作頻率的上、下限值及交越頻率點，在該頻率下選取最大與較小兩個振幅值進行加速度波形失真度的測量（高頻段最小振幅值不小于0.2mm；低頻段最小加速度值不小于最大加速度值的15％），檢測結果應滿足技術指標的要求。

（5）振動臺臺面振幅值均勻度的檢測。由于機械振動臺的工作頻帶較窄，一般不允許在工作頻帶內出現振動系統擺振共振而引起臺面嚴重的振動參數不均勻，所以機械振動臺振幅均勻度主要取決于活動系統導向性能的好壞，而且也與臺面的大小有關。

檢測臺面振幅值均勻度時，振動臺空載，將加速度計剛性地連接在振動臺臺面中心及距臺面中心最遠的四個安裝點上。其輸出接多通道的測振儀，測振儀的測量選擇置位移檔。在規定的技術指標范圍內，分別選取工作頻率上、下限值及交越頻率點，并在該頻率的最大振幅值下進行測量。在同次測量中，從測振儀上依次測量五個振幅值，并按下式計算振幅值的均勻度N，即

?

式中，A為同次測量中中心點的振幅值；｜ΔA｜為同次測量中各點振幅值對中心點振幅值的最大偏差（絕對值）。

（6）橫向振動比的檢測。由于機械振動臺活動部分導向性能差，不平衡器在激振器中的安裝精度不高，以及激振力和支承反力，激振器重心的不一致性等造成振動過程中臺面產生橫向振動。檢測橫向振動比時，振動臺空載，將三軸向加速度計剛性地連接在振動臺臺面中心，加速度計的三個輸出分別接多通道測振儀。將測振儀的測量選擇置位移檔。在規定的工作范內，分別選取工作頻率上、下限及交越頻率點，并在該頻率下選取最大和常用的兩個振幅值進行測量（高頻段最小振幅值不小于0.2mm，低頻段最小加速度值不小于最大加速度值的15％）。在同次測量中，從測振儀上測量出三個方向的振幅值，并計算橫向振動比T為

?

式中：Ax，Ay為垂直于主振方向z的兩個互相垂直的振幅值的分量；Az為主振方向振幅值。測量結果應滿足技術指標的規定。

（7）低頻竄動的觀測。竄動是指在規定頻率振動的基礎上，附加一個低頻大振幅的振動，振動臺活動系統的導向部分存在著干摩擦，使振動系統產生負阻尼，在激振力強迫振動的基礎上出現與系統固有頻率相同的自激振動，這樣就產生了審動。只要在導向部分加油潤滑，竄動運動就可明顯減小。產生竄動振動的另一個原因是由于傳動皮帶的共振引起的拍打造成強迫振動，這種竄動的頻率與電機轉速有關。適當調整皮帶的預緊力，可以改善竄動振動。

觀察和測量竄動振動，可以通過傳感器、放大器和示波器進行，也可用傳感器、放大器和振子示波器進行記錄和觀測。低頻竄動對加速度測量影響不是很大，但對振幅測量影響很大，帶來較大的測量誤差，故應盡可能防止竄動的出現。

（8）振動臺工作噪聲的測定。由于機械零件的高速旋轉及相互撞擊，因此在機械振動臺工作過程中存在一定的噪聲，根據國家有關規定，一般最大噪聲不得大于85dB（A計權網絡）。測定振動臺的噪聲時，振動臺空載，頻率調至60 Hz，并在距臺體邊緣1m遠，距地面1.5m高處用聲級計（A計權網絡）分別測量振動臺工作在本底振幅值時的噪聲和工作在最大加速度幅值時的噪聲，測定的噪聲聲級不得超過85dB（A計權網絡）。

（9）機械振動臺設計指標的檢測?？砂凑丈鲜鲇嘘P方法，對機械振動臺的工作頻率范圍、最大振幅值（或最大加速度值）、最大負荷、連續工作時間等進行測定。對機械振動臺的性能進行檢測時，其臺體安裝的水平度也應進行檢查。

來源：《力學環境試驗技術》部分

總結

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