1、振動測試理論和方法綜述摘 要:振動是工程技術和日常生活中常見的物理現象。在長期的科學研究和工程實踐中，已逐步形成了一門較完整的振動工程學科，可供進行理論計算和分析。隨著現代工業和現代科學技術的發展，對各種儀器設備提出了低振級和低噪聲的要求，以及對主要生產過程或重要設備進行監測、診斷，對工作環境進行控制等等。這些都離不開振動的測量。振動測試技術在工業生產中起著十分重要的作用，為此設計和制造高效的振動測試系統便成為測試技術的重要內容。本文概述了振動測試的發展歷程，總結和分析了振動測試系統的基本組成和應用理論，列舉了幾種機械振動測試系統的類型。最后分析了振動測試系統的幾個發展趨勢。關鍵詞：振動測試；

2、振動測試系統；測試技術；激振測試系統1.引言振動問題廣泛存在于生活和生產當中。建筑物、機器等在內界或者外界的激勵下就會產生振動。而機械振動常常會破壞機械的正常工作，甚至會降低機械的使用壽命并對機器造成不可逆的損壞。多數的機械振動是有害的。因而對振動的研究不僅有利于改善人們的生活環境和生活水平，也有助于提高機械設備的使用壽命，提高人們的生產效率。正因如此振動測試在生產和科研等多方面都有著十分重要的地位1。為了控制振動，將振動給人們帶來的危害降至最低，就需要我們了解振動的特性和規律，對振動進行測試和研究。振動測試應運而生。振動測試有著較為長久的發展歷史，是與人類社會的發展有著緊密的聯系。隨著計算機

3、技術和相關高科技技術的問世和發展，振動測試系統也有了飛躍性的發展。振動測試系統從最早的簡單機械設備的應用到如今的先進的計算機技術和設備的應用。從剛開始的檢測人員的耳朵來進行測量、判斷和計算出大概的故障點的原始方法到現在的計算機控制、存儲、處理數據的處理2，無不體現出振動測試系統的長足發展和飛躍式的進步。與此同時，振動測試在理論方面也有了長足的發展，1656 年惠更斯首次提出物理擺的理論并且創造出了單擺機械鐘到現今的自動控制原理和計算機的日趨完善，人們對機械振動分析的研究已日趨成熟。而伴隨著振動測試系統的進步和日臻成熟，其在國民的日常生活和生產中所扮演的角色也愈發的重要。2.振動測試與分析系統（

4、TDM）的發展在國內不論是振動在線監測系統（TSI），還是振動離線分析系統(TDM)的制造起步很落后，其發展經歷了以下三個階段：（1）初期研發階段上世紀七、八十年代，國內已有不少單位開始研發和制造振動測試儀表，如各類測振表、閃光找相平衡儀、鑒相式動平儀和多通道振動監測儀等，為現場消振，確保機組安全運行做出了貢獻。隨著計算機技術的發展，在這期間還研發出基于PC 機的多通道振動測試與分析系統（TDM）。也為這些儀表開過不少成果鑒定會，其性能、指標在當時都處于國內先進水平，有的達到了國際同期水平。但因種種原因，既有管理體制方面的問題，也有可靠性方面的問題，使這項實用性很強的振動測試、分析技術未能獲得

5、廣泛應用。在此后的十幾年里，TDM 技術在國內基本上處于空白狀態。（2）國外引進階段八、九十年代，為適應經濟發展，國內大量投運了200MW 以上的機組，與之相應的振動故障診斷技術、轉子和軸系動平衡技術也業已成熟，但缺乏相應的、適合大機組需要的測量分析儀器（DTM）。為適應電力發展的需要，從1986 年開始，陸續從美國本特利公司引進了一批先進的振動測試、分析儀表，如TK20、TK83、DVF2、DVF3 單雙通道平衡儀和NB108、NB208 四八通道振動數據采集儀等，為現場振動故障診斷和軸系動平衡提供了先進的測量、分析手段。從而改變了國內振動監控與測試儀表落后狀態。值得一提的是，美國本特利公司

6、的NB208 型振動數據采集儀雖生產于上世紀八十年代，但由于它是基于DSP 的硬件設計和合理的軟件布局，使系統具有實時快速、穩定可靠和經久耐用的特點。因此，至今NB208 仍然是全國各電科院（所）不可或缺的儀器。（3）國內近期開發階段隨著改革開放的深入發展，新型的振動測試分析儀表廠家（公司）和儀表門類不斷涌現。在市場竟爭機制的激勵下，各儀表廠商通過創新和提高，使諸多國產儀表，如手持式測振表和1、2、4通道動平儀，在性能和可靠性方面已達到或超過日本的VM63 測振表和美國本特利公司的TK20、TK83、DVF2、DVF3 單雙通道平衡儀，并在國內占據了一定的市場。國內研發的多通道TDM 儀器，在

7、2000 年之前，是側重于軟件開發，基于PC 的模式。由于這種模式的TDM 無論在分析功能上，還是在測量速度、實時性和可靠性方面，與美國本特利公司的208 相比，還存在一定的差距，因此未能形成產品。2000 年以后，隨著嵌入式計算機技術（ARM）的發展和新型的高速DSP 芯片的引進。國內從事 TDM 儀器研發的單位（公司）開始采用基于DSP 和ARM 的硬件模式，進行TDM 儀器的研發。在2004年研發出8 通道和16 通道的TDM 儀器，如VM-9509、VM-9510 等。通過多年的現場實際應用，證實其性能和可靠性（返修率為3%）已超過和達到美國本特利公司的208 八通道振動測試系統。如，

8、在整個頻率（3500Hz）和振幅(11000 m) 測量范圍內，對振動高點的相位測量誤差能做到±1°，還可通過局域網和Internet 網實現數據共享和遠程診斷。隨著科學技術的發展，國產TDM 儀器在技術性能方面超過本特利公司的208，已是不爭的事實。然而在可靠性方面，本特利公司的208 在國內畢竟已有近30 年的使用史，而國產TDM 儀器只有幾年的使用史，還不足以改變人們對國產儀器認為不可靠的固有看法。為此，在提高國產TDM儀器技術性能的同時，必須加強可靠性設計。相信在市場經濟的沖擊下，國產TDM 儀器在可靠性方面將會逐年提高。為了適應大機組的測試需要，國內有些公司正在研

9、制基于第六代DSP 的32 通道振動測試與分析系統。還利用第六代DSP 開發出手持式頻譜分析儀和葉片測頻儀，其速度和頻率準確度已超過美國恩泰克公司的PL202 頻譜儀。3.振動測試的基本理論與組成振動測試就是利用現代一些測試手段，對所研究物體的振動進行測量，并對測得的信號進行更細致的分析，以及獲得在各種工作狀態下物體的機械振動特性，從而判斷物體的振動特性是否符合要求。振動測試系統主要由傳感器、信號調節部分、數模轉換器、信號處理部分和數據記錄部分、反饋部分等組成。傳感器是將被測量轉換成某種電信號的部件，是整個測試系統最重要的組成部分。信號調節部分是把傳感器的輸出信號轉換成適合于進一步傳輸和處理的

10、形式。經過加工處理使得原始信號更加便于分析和處理。這種信號的轉換多數是電信號直接的轉換。信號處理部分是對來自信號調節環節的信號進行各種運算和分析。這也是測試的核心意義所在，包括對時域和頻域的分析，已得到各種參數。數模轉換器是采用計算機等進行測試、控制系統時進行模擬信號與數字信號的相互轉換的環節。測試系統的主要作用是更加便捷易懂的將初試信號轉換成某種信號進行提取分析。因此最重要的是信號不能失真，不出現擾動。這就對測試系統提出了較為嚴格的要求3。4.振動測試系統的分類近幾年來，振動測試理論與方法都有了很大的發展。目前振動測試方法按其原理不同可以分為四類。直觀類、機械類、光學類和電測類。直觀法操作簡

11、便，不受各種器材的限制。機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來。使用簡單，主要用于低頻大振幅振動及扭振的測量。它的抗干擾能力強，頻率范圍及動態、線性范圍窄、測試時會給試件加上一定的負荷，影響測試結果。測振物體的振動由探測桿接收并直接或經杠桿放大后用記錄筆在移動膠片上刻出信號。光學法利用光杠桿原理，讀數顯微鏡、光波干涉原理以及激光多普勒效應進行測量。它不受制于電磁場干擾、測量精度高，適用于一些質量效應及不易安裝傳感器的試件進行非接觸性的測量。光學法測振裝置調整復雜，對測量環境要求嚴格，一般僅適用于實驗室環境下作標準振動儀器的標準計量裝置。電測法將被測對象的振動量轉換成電量，然后用電量測試儀

12、器進行測量。它是目前使用最為廣泛的一種測量方法，主要是將被測對象的振動量轉化成電量，繼而用電量測試儀器進行測量。電測法能夠廣泛使用各種不同的測振傳感器。與機械法和光學法相比，電測法靈敏度很高，頻率范圍以及動態、線性范圍廣，易于進行分析和遠程測量，但是容易受到電磁場的干擾。這是它最大的缺點4。振動測量從本質上說屬動態測量，測振傳感器檢測的信號是被測對象在某種激勵下的輸出響應信號。振動測量的一個主要目的就是通過對激勵和響應信號的測試分析，找出系統的動態特性參數，包括固有頻率、固有振型、模態質量、模態剛度、模態阻尼比等。振動測量是結構模態分析和設備故障診斷的基礎。振動測試的方法有很多種，相應地根據不

13、用的激振方法有不同的測試方法。5.1 正弦激振測試法正弦激振主要是對被測對象的頻率特性進行測試，因此在被測對象的有效的響應的頻率范圍內，用不同的頻段的正弦激振力進行激振。激振器經過力傳感器對系統進行激振，是根據功率放大器將信號發生器產生的正弦電信號放大后驅動激振器來實現。加速度傳感器和力傳感器分別用于測量加速度響應和力激振。數據從測量儀器中讀取，示波器用來監視信號的波形。測出的激振力由跟蹤濾波器確定與響應只與激振頻率有關。為了測量記錄各頻率點的響應幅值與相位，我們需要逐一改變振動頻率來進行激振。進而可得到振動系統的整個相關的相頻和幅頻的特性曲線5。正弦激振的特點是信噪比低，激振功率大，有效的保

14、證了測試的精度。但是測量周期過長。5.2 瞬態激振測試法瞬態激勵測試系統脈沖激勵是以理想的脈沖激振力對系統進行激振。由于脈沖的整個頻域頻譜的范圍內是恒定的，因此對應于所有頻率的正弦信號同時激勵。瞬態激振方法的優點是迅速，測量周期短。常用的激發有兩種：快速正弦掃描法和脈沖錘擊法。實驗設備也比較簡單，但由于激振能量分散在較寬的頻率范圍內，因此對于某些形態可能會存在激振能量不足，與此同時，信噪比低同時測量精度不高5。5.3 隨機激振測試法隨機激振測量法是現在廣泛應用的一種系統。由信號由信號發生器產生，經過功率放大器來驅動激振器，對測試系統進行激振。分別以力傳感器和加速度計測量激振力和響應，信號經過處

15、理后輸出。這種方法與瞬態激振不同的是在同一時間內，以隨機信號對被測對象進行連續激振，以此獲得較大的激振能量5。這種方法抗干擾能力強，能在有噪聲的情況下有效的提取有用信號。與此同時，采用隨機激振測試方法對系統進行測試時，不必中斷系統的正常工作，只要是所施加的激振信號與系統正常運行中的信號或擾動信號是無關的，則系統的運行信號和擾動就不會影響測試的結果。6 機械振動測試系統的研究方向6.1 機械振動測試系統計算機化.機械振動要求高采集速度，以及好的采集時性，應用MCS-51 匯編語言編輯系統軟件。通過微控制器，其特征在于，所述信號調節由軟件來完成的工作，從而與硬件電路相比，邏輯功能大大簡化。計算機化

16、的機械振動試驗系統與傳統系統相比，不僅大大降低了生產和測試系統的測試精度和測試速度的工作量，成本也得到了很大的改善，多元化的處理功能，信號處理工程進行中按照數字形式，這可以預示一個更完整的分析和處理，提取所需的數據的形式6。6.2 機械振動測試系統的虛擬化虛擬化的機械振動測試系統的主要依據就是基于虛擬儀器利用Labview 編程以達到測試和分析機械振動的目的，既可以在一些實驗教學中應用也可在一些實際生產中加以實踐。虛擬儀器技術的核心是利用計算機軟件和硬件設施，以實現最大限度的降低系統成本，提高靈活性和功能為目的。虛擬振動測試系統是利用虛擬測試儀器完成機械振動信號的測量，數據分析和有效的處理。通

17、常以PC 機作為系統硬件平臺的核心。一方面，振動信號采集部分以用單片機為核心的串口同學的數據采集卡為主。軟件部分的主要原理是將振動分析算法轉換成虛擬儀器的應用程序7。另一方面，Labview 圖形化的編程語言提供了一個方便快捷的工作環境8。為了便于日后系統的擴充以及數據采集、信息管理、信號預處理、頻域分析、時域分析等功能的擴展，采用了模塊化設計9。最后，為了使系統更加完善，發揮更大的功效。在以后的研究中，需要不斷提高通信方面的傳輸速度10。選擇高效前沿的系統功能進行擴展。以滿足科研生產的需要11。7.結束語我國在機械振動測試系統方面的研究在某些方面和國際上的先進技術之間仍有很大的差距。在系統中

18、的各個環節不論是測試精度還是設備功能都有著不小的距離。而機械振動測試在我國的各個行業部門已經開始顯現出愈發重要的作用，因此亟需先進的理論和創新。目前我國的機械振動測試系統取得了一系列的研究成果，但仍需要發展和開拓新的應用領域，為我國的工業生產作出貢獻。參考文獻1（美）饒 著 李欣業,張明路 譯.機械振動M.清華大學出版社.2009.2師漢民,黃其柏.機械振動系統M.華中科技大學出版社.2013.3石來德,卞永明.機械量測與分析M.上海科學技術出版社.2011.4張義民,李鶴.機械振動學基礎M.高等教育出版社.2010:124-137.5李有堂。機械振動理論與應用M.科學出版社.2012:303-307.6叢智,戰同令.機械振動測試微機化的研究C.試驗技術與試驗.1994 年第34 卷第2、3 期.7林穎,常永貴,李文舉等.基于虛擬儀器的振動測試系統設計C.機床與液壓,2008(3):131134.8趙榮珍,葉鑫.基于LabVIEW 的機械振動測試系統設計與遠程發布方法研究D.碩士學位論文,2008.9安軍,唐東煒,林云