第9章　机械振动测量

9.1　概述

9.1.1　机械振动测量意义

生活中的振动现象人们并不陌生，家用电器的运转、交通工具的颠簸、动力机械设备的运行无不产生机械振动。人们在长期生活和生产实践中积累了大量的振动测试技术。随着科学技术的进步，振动测试仪器和计算机分析软件系统得到广泛的应用和飞速发展，为振动的测量提供了必要的手段。

机械振动测量具有重要的实际意义。首先，在机械振动系统的设计中，振动参数的数值直接影响振动系统和振动元件的设计质量，而振动测量是准确获取这些振动参数的重要手段。其次，在工程上也依靠测量手段获得原始设计参数，通过振动测量和测量数据的分析作为机械振动系统评价依据。最后，工程中的设计计算和理论分析可以通过模拟试验或测量来验证理论的正确性。

9.1.2　振动的测量方法

9.1.2.1　振动测量的内容

9.1.2.2　测振原理

图27-9-1是测振仪原理图，测振仪采用线性阻尼系统，由一个单自由度振动系统构成，包括一个质量块M，一组刚度为K的弹簧和材料内部的摩擦或其他的阻尼C。测振仪机壳固定于振动物体，随其一起振动；拾振物体相对于壳体作相对运动。系统输入的是壳体运动引起的惯性力，输出的是质量的位移。输出信号与振动量成正比。

9.1.2.3　振动量级的表述方法

振动测量的基本参数——振幅、频率和相位。它们既是谐振振动的标征，也是研究复杂振动的基础。一个简谐振动可以用位移d、速度v或加速度a来表示。

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。

对于简谐（正弦）振动，位移、速度、加速度的数值可以运用如下公式进行简单的换算：

　　（27-9-4）

振动单位有两种表示方法。

（1） 绝对单位制

绝对单位制能客观地评定振动的大小，见表27-9-2。

（2）相对单位制

相对单位制用对数级表示，其定义为待测量与基准量之比取对数，基准量按ISO 1683标准执行，单位为dB，见表27-9-3。

9.1.3　振动测量系统

振动测量系统可分为振动激励设备和振动测试仪器两部分，振动激励设备布置框图见图27-9-2，振动测试仪器布置图见图27-9-3。按照测试的需求可以灵活地运用。

在测试系统中，接地是抑制噪声、防止干扰的主要方法。具体的做法是将整个测量系统的仪器外壳用导线连接后单点接地。单点接地要求做到以下几点：

①安装加速度计时做好传感器与测点之间的绝缘；

②单点接地点的接地电阻状况良好；

③若采用交流电源的接地用作单点接地的接地端，只要连接所有仪器外壳即可，避免形成多点接地的状况。因多点接地，电流会通过大地形成回路，产生干扰源，图27-9-4为二点接地示意图；

④信号屏蔽线的破损、加速度计接插件接触不良也会造成系统干扰。

9.2　振动测量传感器

传感器是能将振动信号或者其他物理信息转换成电信号的重要敏感元件。在振动测量系统中，经常用到的传感器按测量参数的不同可分为加速度计、速度传感器、位移传感器、力传感器等。

9.2.1　加速度传感器

加速度传感器是利用晶体的压电效应原理制成的加速度计，它输出的电量与它承受的加速度值成正比。加速度计由于具有体积小、频响宽、相频特性好等优点，是目前使用最广泛的振动测量传感器。

9.2.1.1　加速度计的原理和结构

压电式加速度计的结构有外缘固定型、中间固定型、倒置中间固定型、剪切型多种形式（见图27-9-5）。相比之下剪切型结构的加速度计性能较好，得到广泛的运用，剪切型分为环形剪切和三角形剪切。环形剪切的结构是将压电材料P制成圆筒状，并粘接在中心架上，其外圆周粘接一个圆筒状的质量块M。当加速度计沿其轴线振动时，压电材料将受到剪切变形而呈现电荷。这种结构可以较好避免外界条件的影响，并有利于结构的小型化。三角形剪切用三块压电材料，每块都附加质量块，并以三角形剪切模式排列，外围用高张力预紧环紧固。这种结构具有较高的谐振频率和稳定性能，灵敏度高，压电元件具有良好的隔离、较小的温度瞬变灵敏度，但结构复杂。目前多数加速度计都采用此种结构形式。

用作加速度计的压电材料有两大类，见表27-9-4。

9.2.1.2　加速度计的类型

加速度计分为压电式加速度计和电压式加速度计。压电式加速度计也称为电荷式加速度计，电压式加速度计简称ICP （integrated circuits piezoelectric） 传感器。上一节详细介绍了压电式加速度计的工作原理和结构。压电式加速度计输出的是电荷信号，其特点是高阻抗信号，不能直接用于信号放大，需要和电荷放大器或电压放大器（9.3.1节作详细介绍）配套使用。电压式加速度计在压电式加速度计的结构上增加了内置微型阻抗变换器，将高阻抗的电荷信号转换成低阻抗的电压信号输出，与电源供给器配套使用（9.3.2节作详细介绍）。表27-9-5详细列举了压电式加速度计与电压式加速度计的区别，表中有关内容在后面的章节中详细说明。

两种加速度计在外形上相同，分辨的方法看加速度计灵敏度的单位。压电式加速度计电荷灵敏度单位：pC/（m/s²）；电压式加速度计电压灵敏度单位：mV/（m/s²）。

9.2.1.3　加速度计的主要性能指标

1）灵敏度　加速度计的灵敏度是指在一定的频率和环境条件下，承受一定加速度值时，输出电荷量或电压量的大小。或者使用重力加速度单位，电荷灵敏度单位：pC/g；电压灵敏度单位：mV/g。

2）频率响应　当加速度计承受恒定加速度值时，灵敏度随频率变化的情况，通常以曲线的形式表示。见图27-9-6，生产厂家提供的频响曲线。

加速度计的压电效应是静电现象，微弱的电荷量不可避免地会产生泄漏，因此加速度计不适合测量恒定加速度这类单向运动，使用频率下限设在0.2～0.5Hz。

从频响曲线可看到，加速度计的工作频响范围很宽，并且灵敏度前端平整；只有在接近共振频率f₀时，才会发生急剧变化。使用频率上限设在共振频率f₀的1/5频段时，灵敏度的偏差为±5%；设在共振频率f₀的1/3频段时，灵敏度的偏差为±10%。

3）横向灵敏度　横向灵敏度是与主轴方向成直角的灵敏度，以加速度计灵敏度的百分数表示。一般应控制在2%～5%。

4）长期稳定性　长期稳定性是灵敏度随时间变化的情况，年变化率应小于2%。稳定性指标的好坏是衡量加速度计质量的主要因素。

5）最高工作温度　常用加速度计最高工作温度大致分为两种：125℃、250℃。

9.2.1.4　加速度计的安装

共振频率f₀是指加速度计本身的自然谐振频率。在实际使用中加速度计是被安装在被测物体表面上，由于加速度计的安装方法不同，其安装自然谐振频率f₁相对于共振频率f₀不同程度地下降，导致测试系统的频响特性大有差异。安装方法包括螺栓安装、绝缘安装、粘贴、磁铁、蜂蜡、探针、机械滤波器，采用哪种安装方法取决于加速度计和试验结构的形式。尽可能地减小加速度计安装对频率响应的影响，机械滤波器方法除外。

1）螺栓安装　安装加速度计的最好方法是螺栓连接（图27-9-7），它的安装自然谐振频率f₁接近于共振频率f₀。安装时注意确保安装螺纹必须与表面垂直，且无毛刺；两个安装表面平滑耦合，在安装表面涂少量油脂有助于改善冲击和高频段的响应。因为要在被测物体上打孔，这种安装方法在实际使用中受到很大限制。在高频测量和冲击测试时，螺栓安装是唯一的安装方法。

加速度计安装时，安装扭矩要求适当；螺栓安装不要完全拧满加速度计的螺孔，以确保加速度计的安装底座不产生过大的应力和变形而影响灵敏度。

2）绝缘安装　当加速度计和被测物体之间要求进行电气绝缘和控制接地回路噪声时，可以使用绝缘螺栓和云母垫片的安装方法，绝缘材料可采用尼龙、塑料等（图27-9-8）。绝缘安装的方法只适用于10kHz以下的测量。有些产品在加速度计底部加装了强阳极氧化铝粘接垫，成功地解决了加速度计与地之间的绝缘问题。

3）磁铁　如果被测表面是钢铁制品，可以将加速度计旋在永久磁铁座上，直接吸附在测点上进行测量。这种安装方法对若干不同测点的交替快速测量非常便利。测量的频率上限视永久磁铁的性能而定，一般在5kHz左右。

选用附加质量较轻的磁铁座，以减轻附加质量对系统特性的影响。此种安装方法的振动测量范围不得大于50g；测点表面温度不得高于150℃，因为磁铁内部的粘接剂在高温下会老化失效。

4）粘贴　常用的方法是使用502胶（氰基丙烯酸酯快干胶）将加速度计直接粘贴在测点上，工作温度-10～+80℃，耐水、酸、碱能力差。具体操作步骤：

先将测点表面的油漆杂质清除（测点表面的油漆会造成高频信号的衰减）；用细砂皮打磨平整；使用干净的纱布蘸取丙酮，清洗加速度计底部和测点表面的油渍（丙酮属易燃品，注意安全使用）；取少量502胶水涂抹在加速度计底座表面；迅速地将加速度计按在测点上，并适当地来回旋转两下，达到排除其间多余胶水和气泡的目的，以求达到最佳粘贴效果；等502胶干透后，即可进行试验。试验结束后，使用活络扳手横向扳动加速度计的底部，即可轻松地取下加速度计。502胶粘贴的方法只适用于5kHz以下的振动测量。不宜在潮湿的环境中使用。

5）蜂蜡　使用蜂蜡将轻型加速度计粘接安装，这种方法适用于试验结构不允许进行任何安装改动的模态和结构分析试验。频率范围在5kHz以下。测点表面温度在50℃以上，蜂蜡会明显软化而无法进行测试。

6）探针　在某些特殊的场合，一般的安装方法因现场条件限制无法使用，可用安装在加速度计底部的金属探针进行测量；或者干脆将加速度计直接按在被测点上；常用于巡回检测，具有简单、方便、灵活的优点。频率范围在1kHz以下。探针是便携式测振仪常用配置，见图27-9-9探针测量。

7）机械滤波器　机械滤波器属低通滤波器，频率上限为1kHz，安装在测点与加速度计之间，两端采用螺栓安装。机械滤波器的结构是在两块金属之间夹着一层橡胶（见图27-9-10），利用橡胶的阻尼作用，特意将测点振动信号中高于1kHz的高频分量滤除，达到测量的特殊要求，常用于强冲击试验。

使用机械滤波器时，必须将配套的安装栓插入安装孔内方可装卸加速度计，以免损坏机械滤波器的橡胶层。

8）导线固定问题　加速度计的连接电缆应固定在加速度计的安装表面上，从而减少试验过程中因晃动而造成信号的干扰或丢失，特别是在强冲击试验中，巨大的冲击力甚至会拉断连接导线。导线连接见图27-9-11。

9.2.1.5　加速度计的选择

（1）稳态振动测量

稳态振动测量常用压电式加速度计或电压式加速度计。表27-9-6列举了三种不同型号的压电式加速度计进行比较，表27-9-7列举了同一系列不同规格的电压式加速度计进行比较。

（2）冲击振动测量

冲击加速度计采用压电式加速度计，具有灵敏度低、测量范围大、频率响应宽、质量轻、加速度计本身带有固定螺栓等特点。表27-9-8列举了二种不同型号的冲击加速度计进行比较。

9.2.1.6　适用于不同场合的加速度计

（1）微型加速度计

微型加速度计本身的质量很小，是专为测量小巧轻盈结构设计的加速度计，可用于高频测量。使用时需采用蜂蜡粘贴安装。

（2）高灵敏度加速度计

高灵敏度加速度计具有极高的灵敏度；内部配备了线路驱动前置放大器和低通滤波器；通过适配器后输出信号电压灵敏度300mV/（m/s²）；频率范围0.1～1000Hz；适用于大型结构的低频低振级的测量，如大规模集成电路光刻机基础地面微振动测量；高灵敏度加速度计的测量范围有严格限制，不得使用在大于10m/s²的场合。

（3）高温加速度计

一般加速度计的工作温度为250℃以下，高温加速度计的工作温度为400℃以下，外壳和引出导线具有隔热功能。

（4）三向加速度计

三向加速度计是在三个正交方向上各安装一个独立的加速度计，适合在三个方向上同时进行振动测量。常用于模态试验。

（5）电容式加速度计

一般的加速度计的频率下限为0.1Hz，电容加速度计的频率范围DC～300 Hz。电容式加速度计采用“变电容”设计原理：结构是由一个振动膜片位于二个电极中间，形成弹簧质量系统中的惯性质量；二个电极与振动膜片之间的间隙分别形成二个电容；当振动膜片由于加速度的作用偏离中心位置时，二个电容值就会出现电容差；这电容差在一定幅值范围内与运动加速度成线性比例；通过电桥电路转换成电压输出；由于二个电容器的工作状态互补，使用差动电路的设计方案产生抗环境干扰。长期稳定性好，适用于低频、静态加速度测试。见图27-9-12和表27-9-9。

（6）石英标准加速度计

天然的石英性能稳定，机械强度高，绝缘性能好，耐高温，适用于制造标准加速度计。用于对其他加速度计进行精密的背靠背比较校准（见表27-9-10）。

9.2.1.7　加速度计的标定

加速度计的标定按标定精度可分为绝对校准方法和相对校准方法。绝对校准精度为0.5%；校准设备昂贵复杂，一般用于产品出厂检验和针对标准加速度计进行标定。相对校准方法使用经过绝对校准的仪器去标定工程上使用的加速度计，校准精度为2%。本章节主要介绍加速度计灵敏度的相对校准方法。

加速度计灵敏度的相对校准方法有标准加速度计比较法和激励器校准法二种。

（1）标准加速度计比较法

这种校准法也称为“背靠背”校准法，具体仪器布置见图27-9-13。振动台产生已知幅值和频率的正弦波振动，使用石英标准加速度计作为基准值来校准其他的加速度计，获得被校加速度计灵敏度的修正值。

（2）激励器校准法

将信号源、功放与振动台组合成便携式振动校准激励器（见图27-9-14），激励器的加速度值10m/s²（单峰值）、频率79.6Hz。校准压电式加速度计时，通过调整被测加速度计的电荷灵敏度值来控制电荷放大器的输出电压值。校准电压式加速度计时，可直接获得电压灵敏度值。

小型手持式激励器用于加速度计的校准；加速度值10m/s²（均方根值）、频率159.2Hz。

加速度计出厂前均进行校准，随加速度计提供一份检测报告。一年后，每年应到国家认可的计量部门进行校准。

9.2.2　速度传感器

9.2.2.1　磁电式速度传感器

常用的速度传感器（图27-9-15）属磁电式传感器，工作原理由线圈、芯轴、阻尼环组成一个质量元件；通过弹簧片将质量固定在壳体上，组成一个单质量振动系统；当外壳固定在被测设备上，随被测物振动时，质量—弹簧系统受强迫振动，在线圈中感应电动势产生信号。

磁电式速度传感器频率范围在10～500Hz、振幅范围小于1.5mm、加速度值小于10g。因为速度传感器存在频率范围窄、附加质量重等缺点，现在速度传感器测量已被加速度计测量替代。加速度信号通过积分得到速度值，适用于3Hz以上的速度测量。

9.2.2.2　多普勒激光测速仪

也可以利用激光法测量振动速度，其中应用较多的是利用光波的多普勒频移原理。一束光源打在被测物体上时，如果被测物体有运动速度，则被反射回的光源频率与原入射光源频率f存在一个频率差Δf，该频率差称为多普勒频移，其表达式为：

　　（27-9-5）

式中，v为运动物体在激光入射方向的速度分量；c为光速。

因此，只要测量出激光的多普勒频移大小，即可换算出物体的运动速度。图27-9-16是激光多普勒测速系统原理图，光学系统测量运动物体，产生多普勒频移信号，光电检测器完成信号的收集及光电转换，经过放大及滤波等信号处理，最后在计算机上计算出多普勒频移大小与被测物体速度。

这种方法属于非接触式测量，因此不会对被测物体产生影响，工作距离可在1m以上。其频率测量范围在0.2～20kHz，测量最大振动速度高达5m/s。同时，其抗干扰能力强，误差通常<2%。但是这种方法测量设备昂贵，体积大，安装烦琐，不便于复杂现场的测量。

9.2.3　位移传感器

9.2.3.1　电涡流传感器

电涡流传感器采用的是感应电涡流原理（见图27-9-17）。当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流——电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关，通过相关电路可将被测金属相对于传感器探头之间距离的变化转变成电压信号输出。

电涡流常用的工作电压-24V；输出交流信号是叠加在安装点的输出直流电压之上，图27-9-17中所用电涡流传感器的安装间隙1mm，测点材料45钢，相对应的直流电压-8VDC；输出信号的电压范围0～-20V之间。进行信号处理时应采用交流耦合的输入方式，滤除信号中的直流分量。电涡流传感器在产品出厂时附有一份检定报告，输出信号与被测导体之间的位移特性曲线图（见图27-9-18）。不同的被测导体灵敏度不同，测点的金属材料改变时，应重新进行电涡流灵敏度的检定。

电涡流检定结果：

线性范围：0.50～2.50mm　线性中点：1.00mm

灵敏度：8.00V/mm　　　　工作电压：-24V（DC）

被测材料：45钢　　　　　　温度：24℃

湿度：60%

电涡流传感器的支架要求安装在质量大的基础上，保证位移测量的精确度。现场经常找不到理想的基准面，所测到的是相对位移量。

9.2.3.2　激光位移传感器

激光位移传感器具有一般位移传感器无法比拟的优点，通常具有50kHz的采样频率，100nm的分辨率，根据被测物体的位移大小，可在PC上通过USB进行灵敏度设置，且不受被测物体材料所限制，对透明、半透明、轻薄及旋转等物体均可实现高精度的无损检测。

9.2.4　其他传感器

9.2.4.1　力传感器

力传感器是利用石英晶体的纵向压电效应。力传感器结构（见图27-9-19）由顶盖、石英片、导电片、基座和输出插座组成；导电片夹在二个石英晶片之间；石英晶片有中心螺钉施加适当的预紧力。当外力通过顶盖传递到石英晶片上时，在晶体两端表面产生电荷，产生的电荷信号通过插座输出。

9.2.4.2　阻抗头

阻抗头是由加速度计与力传感器同轴安装构成的传感器，装在激振器顶杆与试件之间（图27-9-20）。用来测量原点导纳或原点阻抗，能保证响应的测量点就是激励点。阻抗头只能承受轻载荷，适用于轻型结构。在测量刚度大的重型结构阻抗时还得分别使用加速度计与力传感器。

9.2.4.3　扭振/扭矩传感器

扭振测试系统通常由磁电式扭振传感器（又称为感应式扭振传感器）、测试齿盘以及安装支架组成。当轴系以某一恒定转速旋转时，扭转振动的存在将使轴系转速产生波动。通过磁电式传感器检测一定时间内测试齿盘的脉冲个数，从而可以计算出轴系扭转振动角速度，并最终得到轴系的扭转振动角。这种测试方法测试范围一般在0.05°～50°，转速范围为0～120000r/min，测量误差在0.5%以内。

扭矩测量时，除了经典的应变片方法，也可以用这种方法测量。通常采用两个磁电式扭振传感器以及两个测试齿盘固定安装在轴的两端，通过测量两个端面的扭振角，从而计算出轴系的扭矩，见图27-9-21。

9.2.4.4　光纤振动传感器

光纤振动传感器的基本工作原理是将光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、频率、相位、波长、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，再经过光纤送入光探测器，经解调后，从而获得被测参数。光纤振动传感器可用于位移、速度、加速度、压力、应变、声场等的测量。

光纤振动传感器具有很多优异的性能。比如：灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以用于高压、高温、腐蚀或其他的恶劣环境；具有抗电磁和原子辐射干扰的性能等。同时光纤具有径细、质软、重量轻的力学性能，绝缘、无感应的电气性能以及耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。

9.2.5　传感器标定

传感器标定是指通过实验测量方法，确定传感器输入量与输出量之间的关系，并且明确不同工作条件下传感器的输出误差范围等。因此，传感器在出厂前，或者使用一段时间后，或在重要试验前，都要对其各项性能指标进行实验，以确定其误差范围。

9.2.5.1　标定内容

对于不同传感器，标定内容可能会有细微差别，对于加速度传感器需包含以下几个方面。

①灵敏度（定义参考9.2.1.3节）。

②频率特性（定义参考9.2.1.3节）。

③线性范围：是指传感器的输出电信号与输入机械量能否像理想系统那样保持比例关系（线性关系）的一种度量，是描述传感器静态特性的一个重要指标。

④动态范围：是指在保证一定的测量精度下，加速度传感器可以测量的最大、最小加速度值范围。

⑤横向灵敏度（定义参考9.2.1.3节）。

⑥安装共振频率：是指传感器在规定的安装条件下校准得到的共振频率。

⑦环境因素的影响，包括高温、高压、强磁等环境。比如传感器在不同温度下工作时，要考虑温度对传感器性能的影响，并给出相应的修正曲线。

9.2.5.2　标定方法

传感器常用的标定方法有相对校准法和绝对校准法两类。

（1）相对校准法

相对校准法是用一个精度较高的传感器（如激光传感器）去校准另一个传感器，也称为“背靠背”校准法。用相对校准法时，应把标准传感器和被校传感器固定在一起后，再安装在振动台上，以便使它们感受相同的振动量。这种校准方法的准确度主要取决于标准传感器的精度。因此标准传感器的灵敏度、频响、线性度等一定要用绝对校准法校准。

（2）绝对校准法

绝对校准法的主要工作是用精密设备进行长度和时间两个基本参数的测量，继而计算出速度和加速度，再用电子仪器测量出电参量，然后对需要标定的参数进行计算。绝对校准法所得到的校准准确度主要取决于测量设备的精度以及操作者的水平。这种方法要求高精度的测量设备，且校准技术复杂、周期长，因此常用于计量部门。

9.2.5.3　加速度传感器标定

本节以加速度传感器为例，简单阐述其标定过程，具体过程见9.2.1.7节。

9.3　其他测试仪器

9.3.1　信号放大器

压电式传感器是一种能产生电荷的高阻抗发电元件。通常产生的电荷量很小，如果用一般的测量仪器直接测量，则由于测量仪器的输入阻抗有限，而导致压电材料上的电荷通过其输入阻抗放掉。因此欲测量该电荷量，需要采用输入阻抗很高的测量仪器。通常有两种方法：一种是直接测量电荷量，称之为“电荷放大器”；另一种是把电荷量转换为电压，然后测量电压值，称为“电压放大器”。下面对这两种常用信号放大器进行介绍。

9.3.1.1　电荷放大器

压电式加速度计接上电荷放大器组成一个最简单的振动测量系统。电荷放大器是由阻抗变换器、归一化电压放大器、积分电路、高低通滤波器、输出放大器组成（图27-9-22）。

由场效应管组成的阻抗变换器将高阻抗的电荷信号转换成低阻抗的电压信号。归一化电压放大器又称适调放大器。归一化的含义：当被测加速度恒定时，同时使用多个不同灵敏度的加速度计进行测量，会得到相同的电压输出，便于测量和简化数据分析的这种换算被称为“归一化”。运用积分电路可得到速度或位移信号。高低通滤波器可以滤除不需要的频率分量。通过改变放大器增益达到调节测量范围的目的。

压电效应所产生的电荷量极其微弱，连接压电式加速度计的导线必须使用经过石墨处理的低噪声电缆，它能有效地克服因电缆晃动造成导线内部材料之间摩擦产生的附加电荷，有效抑制干扰噪声。

电荷放大器的输入阻抗特别高，必须将加速度计用低噪声电缆连接电荷放大器后，方能接通电源。避免造成电荷放大器输入端场效应管的击穿损坏。

9.3.1.2　电压放大器

图27-9-23是电压放大器的原理框图。输入信号经电容衰减器衰减到合适的幅度，然后由阻抗变换器变换成低阻抗输出信号，经主放大器放大后，送至积分器，再经输出放大器放大，使信号具有一定的功率输出。其中主放大器设一反馈电阻，调节它的大小可改变放大器增益。

与电荷放大器不同的是当使用电压放大器时，电缆长度以及阻抗都将对加速度灵敏度产生影响，因此需要使用与其相匹配的电缆，以免加速度灵敏度发生改变。

与电荷放大器相比，电压放大器线路图简单，但是其带宽、灵敏度受传感器线路以及电容量限制，且输出信噪比低。

9.3.2　电源供给器

电源供给器提供4mA恒流源，用作电压式加速度计内置微型阻抗变换器的工作电压。有些型号的电源供给器带有信号放大功能，仅仅对输入的电压信号进行放大，不能像电荷放大器那样通过改变放大器增益达到调节测量范围的目的［电压式加速度计的测量范围是固定值（见表27-9-7）］。

现在数据采集分析系统的输入端具有提供4mA恒流源的功能，测试时直接将电压式加速度计连接到数据采集器的输入端即可进行振动测试。

9.3.3　数据采集仪

数据采集仪是将传感器所测得的振动信号及其变化过程显示并存储下来的设备。数据显示可以用各种表盘、电子示波器或者显示屏来实现。数据存储则可以采用模拟式的磁带记录仪、光线记录示波器或者电脑等设备来实现。而在现代测试工作中，越来越多的是采用虚拟仪器直接记录存储在硬盘上。

通常数据采集仪按其信号传输方式可以分为有线数据采集仪和无线数据采集仪两类。下面分别介绍。

9.3.3.1　有线数据采集仪

有线数据采集仪是指传感器采集的振动信号在传输至存储设备的整个过程中，均是通过电缆传输。目前绝大多数采集系统均是此种类型。

其通常由多路模拟开关、采样保持器、信号调理模块、A/D转换模块、I/O扩展口模块以及存储显示设备等组成。见图27-9-24。

这类数据采集仪采样频率范围宽、通道数多、抗干扰能力强。

9.3.3.2　无线数据采集仪

在某些特殊测试场合，有线数据采集仪无法满足要求。比如测量旋转轴系的振动加速度，此时需要无线数据采集仪。目前无线数据采集仪主要分为两大类：第一类是传感器采集的振动信号在传输给数据采集仪的中间过程使用无线传输方式；第二类是传感器采集的振动信号在传输给数据采集仪后再使用无线传输方式传输给存储设备。

第一类的组成框图如图27-9-25所示，通常数据发射模块与数据接收模块间的无线传输方式通过感应线圈进行。由于信号经过整流电路后直接通过电缆传输给数据采集仪，因此这类无线采集系统中，数据采集仪无需特殊定制，使用普通的有线数据采集仪即可。

第二类的组成框图如图27-9-26所示，通常传感器信号传输给数据采集仪后，通过无线网络的方式与存储设备进行通信，因此这类数据采集仪中含有信号发生模块。这类系统中，由于数据采集仪需与传感器一起安装在旋转设备上，因此其体积通常很小，重量较轻，通道数一般不超过三个。而且由于体积小，电路设计一般比较简单，导致其抗干扰能力较弱。

第一类无线数据采集系统由于使用普通的有线数据采集仪，因此在抗干扰能力、通道数目方面都优于第二类无线数据采集系统。但是其价格昂贵，且安装复杂，对安装人员有很高的技术要求。

9.3.4　便携式测振仪

便携式测振仪由加速度计、放大电路、分析软件、存储器组成；能够进行加速度、速度、位移的测量；具有简单的数据分析存储功能；频率范围在1kHz以下，有些测振仪在放大电路中采用了过补偿技术，使得频率范围得到提高；便携式测振仪具有小巧便携，易于操作等特点，适用于现场巡回检测。

9.4　激振设备

激振设备是能按照人们的意志产生干扰力，使结构件发生振动的装置。可进行机械、仪器、仪表等设备的固有频率、固有振型以及产品的例行试验，包括振动强度、振动稳定性、运输颠振试验。激励设备可大致分为力锤、激振器、振动台、冲击试验机等。

9.4.1　力锤

力锤是手握式冲击激励装置，模态分析试验中经常采用的激励设备。力锤由锤帽、锤体和力传感器组成（见图27-9-27）。当用力锤敲击试件时，冲击力的大小与波形由力传感器测得。使用不同的锤帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲，相应的力谱也不同。常用的锤帽材料有橡胶、尼龙、铝、钢等。橡胶锤帽的带宽窄、尼龙次之、钢最宽。因此要根据不同的结构和分析带宽选用不同的锤。常用力锤的锤体重几十克到几十千克，冲击力可达数万牛顿。由于力锤结构简单，使用方便，避免使用昂贵的激励设备，力锤被广泛应用于现场的激励试验。

脉冲锤击激励法是采用力锤敲击试件，试验系统示意图见图27-9-28。激励点要求选在刚度大的地方，锤击时要求动作干脆利落，使得激励力谱尽量宽，力谱频率上限以幅值下降3dB为限。冲击力函数和频谱图见图27-9-29。

9.4.2　电磁式激振设备

电磁式激振设备是将置于磁场间隙中的线圈与振动物体相连，磁场可以采用永磁或者是直流励磁线圈形成的磁场，交变电流通过磁场中的线圈产生往返变化的运动，带动线圈框架或台面产生往复振动。电磁式激振设备可分为电磁激振器和电磁振动台。两者在原理上相同，结构和使用方法上存在差异。激振器是传递力，振动台是传递运动。电磁式激振设备的组成见图27-9-30。

9.4.2.1　电磁式激振器

电磁式激振器使用顶杆将激励力传递给试件。顶杆由两端焊接连接螺栓的钢丝做成，顶杆长度一般控制在150mm左右，连接激振器和被激励点。安装时要求将激励器位置调整到顶杆两端处于不受力的状态，这点很重要，不仅达到被测系统不受外力影响的目的，同时确保激振器的安全使用。安装方法见图27-9-31。

从表27-9-11中可看到激振器性能指标中输出力大，加速度和位移就大，激振器重量增加，第一谐振频率下降，相对应的带宽变窄。试验时根据试件的重量、固有频率的分布、所需激励力的大小选用合适的激振器。频率范围处于第一谐振频率的1/5～1/3频段，与加速度计的频率响应概念相似。

9.4.2.2　电磁式振动台

振动台与激振器的最大区别在于激振器仅能提供激励力，在使用过程中不能承受负载。振动台具有一个可运动的平台，被测物件直接安装在运动平台上。为了降低振动台频率下限，平台下方安装有空气弹簧，降低了弹簧刚度，同时采用较大阻尼增加横向振动的稳定性。表27-9-12所示振动台技术指标中针对最大载荷作了限定。

选择振动台型号的主要性能指标是额定推力、加速度、速度、位移。负载的选择最终取决于振动台额定推力的大小。电磁式振动台主要运用于高频振动试验。配备了水平滑台后能够分别在Y、Z两个方向上进行振动试验。

9.4.3　电液伺服振动台

电液伺服振动台通常称为液压振动台，液压振动台的主要优点是工作频率可低至0.1Hz、负载大、台面大、运动行程大（见表27-9-13）。电液伺服振动台广泛用于道路模拟试验、建筑、桥梁振动特性及模态实验研究、地震研究和大型机电产品的振动试验。

振动台的工作原理由驱动信号来控制小型电动式激振器，带动伺服油阀以驱动油缸，油缸带动振动台面产生相对应的振动波形。同时，高压容器用以提供高压油液，调节高压容器通过伺服阀压力的高低，进而控制振动台的振动幅值。同样也配备了水平滑台，供Y、Z二个方向上分别进行振动试验。

9.4.4　冲击试验机

冲击试验机采用古典力学自由落体方式，适用于试件的抗冲击试验（见表27-9-14）。冲击波形可以选择半正弦波、后峰锯齿波、梯形波。采用强力摩擦抱闸防二次冲击机构。

9.4.5　压电陶瓷

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的陶瓷材料。压电陶瓷属于无机非金属材料，具有压电效应的材料，诸如氧化铝、氧化钡、氧化锆、氧化钛、氧化铌、氧化钠等。

在外力的作用下，压电陶瓷产生形变，引起介质表面带电，称为正压效应。可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。

反之，在压电陶瓷施加激励电场（图27-9-32），介质将产生机械变形，称逆压电效应。通常将贴在试件上的压电陶瓷晶体片通以交流电流，产生压电的反效应致使试件振动。适用于小型、薄壁试件，使用方便。所用的功率放大器选择专用的“压电陶瓷驱动电源”，压电陶瓷驱动电源输出的两个电极要求对地绝缘。

9.5　数据处理与分析

振动测试得到的原始数据需经过处理才能为工程所参考和应用。从数据的表现形式上可分为模拟信号和数字信号，相应的数据处理方法也分为模拟信号分析（模拟信号相关分析、模拟信号自功率谱分析）和数字信号分析。从数据的规律上可分为周期信号和非周期信号（如非平稳信号、瞬态信号和随机信号等），相应的数据分析方法也分为频谱分析（傅里叶变换、小波变换、线调频小波变换、参数化时频分析、经验模式分解等）、统计分析（期望、方差和概率分布函数等）和相关分析（自相关函数、互相关函数等）等。

9.6　振动测量方法举例

9.6.1　系统固有频率的测定

固有频率是振动系统的一项重要参数。它取决于振动系统结构本身的质量、刚度及分布。确定系统固有频率可以通过理论计算或振动测量得到。对较复杂系统只能通过测量才能得到较准确的系统固有频率。确定系统固有频率的方法是采用振动激励的方法、加速度计信号拾取、使用动态信号测试分析系统得到频率响应函数，其峰值点对应的频率即为固有频率。

振动激励方法采用力锤或电磁式激振器，具体内容可参见9.4.1节、9.4.2.1节的内容。

9.6.2　阻尼参数的测定

阻尼是影响振动的重要因素之一。确定系统的阻尼系数运用实测方法。和固有频率的测定方法相同，采用振动激励的方法、加速度计信号拾取、使用动态信号测试分析系统得到系统的共振曲线（见图27-9-33）。从共振频率f₀峰值下降3dB找到对应的f₁和f₂，运用式（27-9-6）求出阻尼比。

阻尼比计算公式：

　　（27-9-6）

阻尼比测试中f₁和f₂两个频率相差较大时能保证计算所得阻尼比精度。如果共振曲线较窄，在采样分析数据时应提高分辨率，保证阻尼比的计算精度。

9.6.3　刚度和柔度测量

静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力。静刚度一般用结构在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构振动的频率来衡量。刚度的定义为施加的力与所产生变形量的比值，单位为N/mm。刚度的倒数称为柔度。

静刚度的测量比较简单，对被测物体加以稳态力的同时测量相对应的变形量，所施加的力从小到大，绘出静刚度曲线（见图27-9-34）。

动刚度的测量采用力锤激励（见9.4.1节）或者电磁式激振器激励（见9.4.2.1节），采用电磁式激励器激励时，在激励点安装力传感器或阻抗头；安装加速度计，运用动态信号测试分析系统，将拾取的加速度信号经过二次积分后得到该测点的位移；通过力信号与位移信号传递函数求得动刚度曲线（见图27-9-35）。

当外来作用力的频率与结构的固有频率（见图27-9-36）相近时，系统可能出现共振现象，此时动刚度最小、变形量最大。