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基本概念和基礎(chǔ)知識(shí) 一、

常見的工程物理量 力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等 

（一） 力：力是物體間的相互作用，是一個(gè)廣義的概念。物體承受的力可以有加載力， 也可以有動(dòng)態(tài)力，我們常測(cè)試的力主要是動(dòng)態(tài)力，即給結(jié)構(gòu)施加力，激發(fā)結(jié)構(gòu)的某些 特性，便于測(cè)試了解其結(jié)構(gòu)特性，如模態(tài)試驗(yàn)用的力錘。 

（二） 應(yīng)力應(yīng)變：材料或構(gòu)件在單位截面上所承受的垂直作用力稱為應(yīng)力。在外力作用 下，單位長(zhǎng)度材料的伸長(zhǎng)量或縮短量，稱為應(yīng)變量。在一定的應(yīng)力范圍（彈性形變） 內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變量成正比，它們的比例常數(shù)稱為彈性模量或彈性系數(shù)。 

（三） 振動(dòng)位移：位移就是質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的總的距離，也就是說(shuō)當(dāng)質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)，位移就 是質(zhì)量塊上、下運(yùn)動(dòng)有多遠(yuǎn)。位移的單位可以用 ?m 表示。進(jìn)一步可以從振動(dòng)位移的 時(shí)間波形推出振動(dòng)的速度和加速度值。 1 可以是靜態(tài)位移，可以是動(dòng)態(tài)位移。通常我們測(cè)試的都是動(dòng)態(tài)位移量。有角位移、線位移 等。 

（四） 振動(dòng)速度：質(zhì)量塊在振蕩過(guò)程中運(yùn)動(dòng)快慢的度量。質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)波形的上部和下 部極限位置時(shí)，其速度為 0，這是因?yàn)橘|(zhì)量塊在這兩點(diǎn)處，在它改變運(yùn)動(dòng)方向之前， 必須停下來(lái)。質(zhì)量塊的振動(dòng)速度在平衡位置處達(dá)到最大值，在此點(diǎn)處質(zhì)量塊已經(jīng)加速 到最大值，在此點(diǎn)以后質(zhì)量塊開始減速運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)速度的單位是用 mm/s 來(lái)表示。 

（五） 振動(dòng)加速度：被定義為振動(dòng)速度的變化率，其單位是用有多少個(gè) m/s2 或 g 來(lái)表 示。由下圖可見加速度最大值處是速度值最小值的地方，在這些點(diǎn)處質(zhì)量塊由減速到 停止然后再開始加速。 

（六） 轉(zhuǎn)速：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 

（七）簡(jiǎn)諧振動(dòng)及振動(dòng)三要素 振動(dòng)是一種運(yùn)動(dòng)形式――往復(fù)運(yùn)動(dòng) 2 d＝Dsin（2πt/T＋Φ ） D――振動(dòng)的最大值，稱為振幅 T――振動(dòng)周期，完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間 f――單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù),即周期的倒數(shù)為振動(dòng)頻率， f ＝ 1/T （Hz） (1) 頻率 f 又可用角頻率來(lái)表示，即 ω ＝ 2π/T （rad/s） ω 和 f 的關(guān)系為 ω ＝ 2πf f ＝ ω/2π （rad/s） （Hz） (2) (3) 將式（1）（2）（3）代入式可得 、 、 d ＝ Dsin（ωt＋Φ ）＝Dsin（2πft＋Φ ） 可以用正玄或余玄函數(shù)描述的振動(dòng)過(guò)程稱之為簡(jiǎn)諧振動(dòng) 3 振動(dòng)三要素：振幅 D、頻率 f 和相位Φ （八） 、表示振動(dòng)的參數(shù)：位移、速度、加速度 振動(dòng)位移： d = Dsin ? t D 振動(dòng)速度： v = D ? cos ? t =Vsin( ? t + V= D ? 振動(dòng)加速度：a = -D ? 2sin ? t =Asin( ? t +π) A＝-D ? 2 （九） 1、 ? ) 2 振動(dòng)三要素在工程振動(dòng)中的意義 振幅 ○ 振幅～物體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的幅度。 ★ 振幅是振動(dòng)強(qiáng)度和能量水平的標(biāo)志， 是評(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。 即“有沒(méi)有問(wèn)題看振幅” 。 ○ 峰峰值、單峰值、有效值 振幅的量值可以表示為峰峰值（pp） 、 單峰值 （p） 有效值 、 （rms） 或平均值 （ap） 。 峰峰值是整個(gè)振動(dòng)歷程的最大值，即正峰 與負(fù)峰之間的差值；單峰值是正峰或負(fù)峰 的最大值；有效值即均方根值。 ○ 振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度 振幅分別用振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振 動(dòng)加速度值加以描述、度量，三者相互之間可以通過(guò)微分或積分進(jìn)行換算。在振動(dòng)測(cè)量中， 除特別注明外，習(xí)慣上： 4 ○ 振動(dòng)位移的量值為峰峰值，單位是微米[μm]或毫米 [mm]； ○ 振動(dòng)速度的量值為有效值（均方根值） ，單位是毫米/秒[mm/s]； ○ 振動(dòng)加速度 的量值是單峰值，單位是米/秒平方 [m/s2]或重力加速度 [g]，1[g] = 9.81[m/s2]。 ○ 峰峰值、有效值、單峰值三者之間的量值關(guān)系 單峰值=峰峰值/2， 有效值=0.707 峰峰值（峰峰值=1.414 有效值） 平均值=0.637 峰峰值， 平均值應(yīng)用較少。 △ 在低頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與位移成正比； △ 在中頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與速度成正比； △ 在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與加速度成正比。 頻率低意味著振動(dòng)體在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)少、過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，速度、加速度的數(shù)值 相對(duì)較小，因此振動(dòng)位移能夠更清晰地反映出振動(dòng)強(qiáng)度的大小；而頻率高，意味著振動(dòng) 次數(shù)多、過(guò)程短，速度、尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，因此振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)加速度 成正比。 △ 振動(dòng)位移反映了振動(dòng)距離（間隙）的大小，振動(dòng)速度反映了振動(dòng)能量的大小，振動(dòng) 加速度反映了振動(dòng)沖擊力的大小。 在實(shí)際應(yīng)用中： △ 大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)用裝在軸承座上的渦流式位移傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子（軸）的振動(dòng)， 用振動(dòng)位移的峰峰值[μm]表示； △ 一般轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)用速度傳感器、 如今主要是加速度傳感器在殼體上靠近軸承處來(lái) 測(cè)量，用振動(dòng)速度的有效值[mm/s]表示； △ 齒輪的振動(dòng)用加速度傳感器在殼體上測(cè)量，用振動(dòng)加速度的單峰值[m/s2]或[g]表示， 或用振動(dòng)速度的有效值[mm/s]表示。 2、頻率 ○ 頻率 f ～物體每秒鐘振動(dòng)循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲 [Hz]。 ★ 頻率是振動(dòng)特性的標(biāo)志，是分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)。 即“有沒(méi)有問(wèn)題看振幅，什么問(wèn)題看頻率” 。 ○ 周期 T 是物體完成一個(gè)振動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，單位是秒 [s] 。例如一個(gè)單擺，它的 周期就是重錘從左運(yùn)動(dòng)到右，再?gòu)挠疫\(yùn)動(dòng)回左邊起點(diǎn)所需要的時(shí)間。 頻率與周期互為倒數(shù)，f＝1/T。 對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周就是完成了一個(gè)振動(dòng)過(guò)程，為一個(gè)周期，或者說(shuō)振動(dòng) 循環(huán)變化了一次。因此轉(zhuǎn)速 n、角速度 ω 都可以看作頻率，稱為旋轉(zhuǎn)頻率、轉(zhuǎn)速頻率、圓頻 率，或 n、ω、f 不分，都直接簡(jiǎn)稱為頻率，它們之間的換算關(guān)系為：f = n/60，ω＝2πf＝ 5 2πn/60≈0.1n，其中轉(zhuǎn)速 n 的單位為轉(zhuǎn)/分鐘[r/min]，角速度 ω 的單位為弧度/秒[rad/s]。 ○ 倍頻、一倍頻、二倍頻、0.5 倍頻、工頻、基頻、轉(zhuǎn)頻 許多振動(dòng)往往與轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此振動(dòng)頻率也可以用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來(lái)表示。 倍頻就是用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來(lái)表示的振動(dòng)頻率。 如果振動(dòng)頻率為機(jī)器實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率的一倍、二倍、三倍、0.5 倍、0.43 倍、?時(shí)，則 稱為一倍頻 （習(xí)慣上又稱為 1X， 1× 、 或 ） 二倍頻 （2X、 ） 三倍頻 2× 、 （3X、 ） 0.5 倍頻 3× 、 （0.5X、 0.5× 、0.43 倍頻（0.43X、0.43× 、?等。其中，一倍頻，即實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率又稱為工頻、 ） ） 轉(zhuǎn)頻、基頻，0.5 倍頻又稱為半頻。 例如，某機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速 n 為 6000 r/min，那么，轉(zhuǎn)速頻率＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工頻為 100Hz，二倍頻為 200Hz，半頻為 50Hz。 3、相位 ○ 相位～給定時(shí)刻振動(dòng)體被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于固定參考點(diǎn)的角位置，單位是度〔° 〕進(jìn)一步的理解 后續(xù)再介紹。 （十） 波形與頻譜的關(guān)系 FFT 變換原理 6 FFT 變換示意圖 二 振動(dòng)測(cè)量用傳感器 如何檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)呢？測(cè)試系統(tǒng)采集的都是電壓信號(hào)，如何將物理量轉(zhuǎn)換為電量呢？ 這就需要各種類型的傳感器。 

1、 傳感器作用：傳感器就是將被測(cè)物量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。 

2、 傳感器分類：傳感器根據(jù)被測(cè)物量的不同分為：溫度傳感器、壓力傳感器、力 傳感器、應(yīng)變計(jì)、振動(dòng)傳感器（位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器） 、轉(zhuǎn)速傳感器以及 噪聲傳感器等；

 3、 傳感器常用技術(shù)指標(biāo)： 最常用的指標(biāo)：靈敏度：傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成電量后，我們測(cè)到的是電壓，如 何知道真實(shí)物理量變化了多少呢？這就是傳感器的靈敏度指標(biāo)要告訴我們的。靈敏 度就是單位物理量變化產(chǎn)生的電量大小。 如位移傳感器靈敏度指標(biāo)： 7.87mv/um。 單 位：V/EU

 4、 電渦流式位移傳感器 外形圖 7 用于測(cè)量軸的振動(dòng)。 靈敏度：200mv/mil＝7.87mv/μ m≈8 mv 5、 電動(dòng)式速度傳感器 用于測(cè)量軸承座的振動(dòng)速度。 靈敏度：500mv/in/s ＝ 19.6mv/mm/s 8 6、 壓電式加速度傳感器 靈敏度： 25mv/g Bently 公司標(biāo)準(zhǔn)型 三、 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) △ 振動(dòng)評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常、有無(wú)發(fā)生故障，除查看轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、電流等 運(yùn)行參數(shù)外，主要是看設(shè)備的振動(dòng)狀況，看振幅值的大小。 ○ 振動(dòng)烈度 振動(dòng)烈度是振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中的通用術(shù)語(yǔ)，是描述一臺(tái)機(jī)器振動(dòng)能量狀態(tài)的特征量。在國(guó)內(nèi)外 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都規(guī)定振動(dòng)烈度的度量值為振動(dòng)速度的有效值。因此，可以認(rèn)為振動(dòng)烈度 就是振動(dòng)速度的有效值。 由于只有振動(dòng)烈度才有振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)可以參照（大機(jī)組不完全如此） ，評(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的優(yōu) 劣時(shí)才能做到有據(jù)可依。所以在對(duì)一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)測(cè)量振動(dòng)速度的有效值 （而不是振動(dòng)位移） ，并要求在靠近軸承位置處的水平、垂直、軸向三個(gè)方向上都進(jìn)行測(cè)量， 最后取最大值作為振動(dòng)烈度。 烈度標(biāo)準(zhǔn) 9 10 11