振动测量仪器、参数测量及振动台检测

gaosheng

一、振动测量仪器

1．信号适调器
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$ L$ i( i9 B, }7 B! W7 q在振动传感器与指示、记录分析仪器之间，一般都需要信号适调器。它的主要功能有：为参数型传感器提供电源；振动量值的归一化；阻抗变换：电压放大：对于应变及压阻传感器，用于桥路的平衡；微分和积分，用于振动量值的转换；滤波抗干扰；输出校准，过载保护等。

: [& g" ^" T" N9 P9 \0 \在20世纪50和60年代，多使用电压前置放大器。由于电子技术的发展，目前多采用电荷前置放大器。要提高测量精度和测量出微小的振级，必须降低噪声。外部噪声主要有两种：一是电缆机械运动产生的摩擦电噪声，它可以看成为一个电荷源；另一种是接地回路噪声。降低哚声的方法与连接方式有：
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（1）对于浮地输入的电荷放大器，它的地端可以不与放大器外壳及供电电源的地连接，目的是消除接地回路噪声。
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" S. h* t  L" u5 g$ e& f% O（2）对于线驱动放大器及供电器，它除了可以浮地连接外，还使用了一个等效浮地电阻。

（3）恒流源驱动线驱动放大器，可能获得更好的效果。

（4）对于差动电荷放大器，它与平衡加速度计配套可以获得非常好的效果。
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2．微积分电路及滤波器
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1 @$ R( R! V9 N5 [2 z& E（1）微积分电路。微积分电路主要用于振动量值在位移、速度及加速度之间的变换。目前由于大多使用加速度传感器，所示积分电路的使用多于微分电路。常用的RC，RL及有源微积分。微积分的条件、微积分的计算和微分的上限频率fH及积分的下限频率fL。积分电路仅在fL以上的频率满足要求，而微分电路仅在fH以下的频率满足要求。在某一频率wL之前，积分关系不成立，在wL到wT之间，只有部分积分，信号频率大于wT之后才能进行真实有效的积分。微积分电路是以信号的大幅度衰减为代价的，如积分电路要达到1％的准确度，信号便要衰减100倍，从而使信噪比大大降低。为了克服这一缺点，要使用有源微积分电路。

（2）滤波器。滤波器的作用是对信号中的频率成分进行选择和调整，其主要功能如下：

1）频率分析。测得输人信号的频率组成和各个频率分量值，或者测出某些频率成分与另外一些频率成分的比值（如失真度测量）。
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2）消除或抑制干扰。几乎所有的电子仪器都有低通或高通滤波器，用以减少干扰或非测量的频率成分。即使没有专门的低通或高通滤波器，也会因为某些电子器件，如晶体管、电容及电感，能抑制低频或高频成分而隐含有低通或高通滤波器的功能。
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3）模拟自然界中的某些物理特性。对信号各个频率的大小做调整，如为仿效人耳的响应。使用A.B.C或D计权网路。

3．振动测量用记录仪
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在振动测量中广泛使用各种记录仪器，这里简要介绍如下：

$ B# C1 [7 E8 N4 J（1）电平记录仪。它是一种记录信号电平（峰值、有效值及平均值）的仪器。其关键部件是量程电位计，它与记录笔机械连接。当输入信号增大时，平衡直流功率放大器将它向信号电平高（衰减大）的方向移动。反之向信号电平低（衰减小）的方向运动以保持平衡。所以，它是根据伺服原理工作的。它的横坐标为一电机驱动，该电机可以通过软轴与信号发生器、频率分析仪和滤波器的频率刻度盘同步。横坐标可以是时间、频率和方向等。缓慢变化的低频信号也可以不经整流直接驱动记录笔记录。
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电平记录的上限频率可达200kHz以上，动态范围可达75 dB，分辨率及准确度都较高（0.1 dB），在振动测量中应用较广。
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（2）笔式记录仪。它是一种较廉价的、直接用笔记录的仪器，一般用于缓慢变化的信号的记录，少数的也可以记录高达500 Hz的信号。它的通道数较多，一般可有六个通道，多的有12个通道。直接笔式记录仪广泛地用于监控测量的记录，而振动测量较少使用。

（3）X-Y记录仪。它是一种笔记录仪，能在直角坐标上自动地描绘出两个电参数的函数关系，这种记录仪幅面大，可作各种参数的记录应用很广，在频率响应特性测量、传递函数分析以及模态分析中的奈奎斯特图、波特图等都可用该记录仪来完成。其缺点是记录的频率范围比较低，通道数也不多。
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7 I" S7 e* S6 `3 `/ p- ?（4）数字记录仪。早期作波形显示的是电子示波器，随着逻辑电路的发展，出现了数字记录仪，现在又有了集两种功能于一体的数字存储示波器，将它置于模拟状态，即为一台普通的模拟示波器。当工作在数字状态时，输入的模拟信号先经模数（A／D）转换器变成数字序列，存于存储器中，再经（D／A）转换器变成模拟量显示。与一般示波器不同，它的信号可以存储。在需要的时候显示，或者输出给电子计算机做进一步处理。

, \* e) N' r! }6 y6 w数字式存储示波器的频率范围很宽，可存储从直流到500 MHz或更高频率的信号，通道数为1～4或更多。示波屏幕上除信号波形之外还可显示一些重要的参数。其缺点是记录的时间短且数据量少，它多用于瞬态信号测量。
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# b) n! V0 V: ~* ^" |（5）光线示波器。它应用电磁作用的原理，把反光镜安装在振子上，用信号控制电流大小，使反光镜偏转，并用感光纸（胶片）记录各种信号的波形及参数。它的特点是频率范围较宽（可达5000 Hz）、灵敏度高、记录幅度宽和通道数多等。在20世纪50，60甚至70年代都广泛地用于振动测量的记录。但由于振子是一个机械系统，它的频率响应特性不够好，加之记录结果处理较困难（用尺子量或凭经验估计），近年来应用日趋减少。

（6）磁带记录仪。它分为模拟式和数字式两种。磁带记录仪用磁头按输入信号的强弱磁化磁带，重放磁头再拾起这个信号，将它输出。记录信号有两种方式。它们的差别还表现在：对同一带速，直接记录的频率上限较高，但下限频率不能很低；调频记录的频率响应曲线可到直流而且很平；直接记录响应曲线有较大的起伏。还有个差别是直接记录信噪比与带速关系不大，而调频记录带速愈高，信噪比愈好。
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磁带记录仪有频率范围宽、多到12个通道以上及记录信息多等优点，有的磁带记录仪可连续记录8h或更长的时间。它的信号可重放以便做事后处理。记录信号可以来自声探头、传感器、声级计、加速度计和测振仪等。重放后可以送实时频谱分析仪和模拟分析仪进行分析。模拟分析仪的表头，一次只能指示一个频率分量。所以磁带要反复地重放。为了提高重放的速度，可以采用环形磁带，它能不停机地反复重放及分析。环形磁带还可以用于瞬态信号的记录和分析。

在振动及冲击测量中，过去使用较多的记录仪器有电平记录仪、X-Y记录仪、光线示波器和磁带记录仪等。目前，许多新的X-Y记录仪具有电平记录的功能，而且压控振荡器频率调节已无转动部件，所以电平记录仪的生产及使用逐渐减少。而X-Y记录仪将在频率响应特性测量及模态分析中继续使用。
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直接笔式记录仪不适用于振动测量。因为随着其他记录显示仪器的发展，并且由于光线示波器记录信号不使做精确处理，光线示波器的应用将逐渐减少，现在仅有现场曝光显示波形的紫外线示波器应用较多。

今后对现场测量和数据量大的记录仍将使用磁带记录仪。瞬态信号测量和需要及时处理的信号将由数字记录仪记录。数字记录仪将以三种组合方式出现，即集数据记录和显示于一体的数字存储示波器：集数据记录和分析及显示为一体的动态信号分析仪；供用户开发的数字记录仪加计算机。

4 e' @2 h9 R: x# m6 c二、振动参数的测量

3 M6 \6 w3 Q4 ?+ a振动参数测量是工程测量中极为重要的一个组成部分，也是振动环境试验测量的重要基础，下面介绍几种常用的参数测量方法。
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1．频率的测量
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（1）李沙育图形法。利用普通示波器就可以较方便地测量频率，将被测振动信号变成电压信号后，输人示波器的y轴，再将已知频率的电信号送到示波器的x轴，调节r轴的信号频率，当fx与fy相等时，示波器会出现一个椭圆；当fx与fy呈现出其他比例时，会出现某种特定的图形，测量方框图如图3.5.59所示。利用李沙育图形法，测读频率的原理如下：当在x轴和y轴同时输入两个信号时，有

& q- T; M) s+ d+ A7 h# Z. O3 nx=asin(wyt+φ)

y=bsinwyt

2 R3 c5 B8 D$ w  q) x在荧光屏上得到的图像是相互垂直的正弦波的合成，是上述两方程的轨迹，当x、y轴的信号频率相同时，经变换·x·y的运动轨迹为一椭圆方程，即

（2）频率计法。使用频率计测量振动频率是较好的方法，数字频率计测量振动频率精度较高且直观。
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; ?2 F. j) ]& E! f/ P" P( X/ b1）直接测频法。它是将被测信号fx送入一个闸门，闸门的开闭由时基信号控制。在标准时间内通过的fx脉冲数，直接显示在计数器上。显然测量精度主要取决于时基门控信号的精度和被测信号fx的成形精度。只要fx不是信噪比很低的信号,测量精度主要取决于时基门控信号。

2）周期测量法。它是测量被测频率的倒数----周期，再运算出频率的方法。门控信号是被测信号的成形信号，然后用时钟脉冲来采数，数出的时钟脉冲个数总和即为被测周期，其倒数即为被测频率。在该方法中，存在的问题是：若频率高，周期短时,填充的时钟脉冲就不够，因而可能出现较大的量化误差。针对这一情况可采用多周期平均法，即将测量周期沿长若干倍，则填充脉冲增加若干倍，那么量化误差就减小了若干倍。
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% P6 a8 z, `6 J2．振动位移幅值的测量
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位移测量分为静态测量和动态测量两类，静态多与长度计量联系在一起，动态的则多与振动位移幅值联系在一起。在振动试验中，常用的动态位移幅值测量有以下几种方法：

（1）机械式测振法。它用百分表或千分表来进行。用手持式或磁性表座将顶杆顶在试件上，也可在壳体上加重物后用软弹簧支承在试件上，并保证顶杆顶紧，由振动时指针的摆动范围求出双振幅2A。相对式可测振幅约为0.1％mm到零点几毫米，可测频率范围约为低频至60 Hz。惯性式可测频率范围应保证频率比λ≥1，无阻尼时，λ＝5，有阻尼时，λ≥2。

（2）直读式光学测振法。振动楔是最简单的直读式光学测振仪。设B＇B-C＇C＝2A＝3mm，光楔长为L，高为H．由于ΔB＇EO相似于ΔB＇C＇D＇，因此有
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$ n/ p0 {1 w' ?# v, u显微镜也可用于直观振动测量，反射光带或其他的强光照在作正弦振动的物体上，就可在刻度盘上给出一个清楚的影像。用读数显微镜读振幅是一个直接的、可靠的方法。试验时，可在振动物体上贴一小块金钢砂纸，用灯照亮，物体静止时，在读数显微镜中可观察到某些反射特别明亮的光点，振动量互相垂直的两个方向。该方法用于高于10Hz频率的振动为宜。振幅测量范围取决于读数显微镜的放大倍数，通常可由几微米到几毫米。由于是非接触测量，故可对小而轻的物体进行测量。测量时，要求读数显微镜置于不振动的地方。另外，应选择直径小而反光较亮的砂粒进行测读，以提高测量精度，也可以不用砂粒，常用的有绷紧的头发丝、刀片的刃口、感光片上的刀划痕以及墨镜上的镀层的小针孔均可。
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光学杠杆也是一种光学放大测振方法，其原理是将被振动位移用机械机构转换成光学机构光线的偏转来获得振幅的放大，以获得较高的精度。

) \6 \* x6 e- @5 b3 G% c3 h1 U（3）激光干涉位移测量法。光干涉位移测量法方法很多，包括的简单干涉测振法、频比计数多周期平均法、调相多周期平均法、相位细分法、幅值细分法、贝塞尔函数法和反馈式激光测量法，等等。这种方法是非接触式、绝对式的一种测量方法，精度高，可靠性好，理论上也较为成熟，但测量时需要较高级的电子仪器，成本较高，这里不再详述。
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# R8 e/ d, [8 r三、振动台的性能检测

对于振动台的性能检测，国家标准GB／T5170和国家计量检定规程JJG都做了明确的规定,GB／T5170标准规定了振动台基本参数的检定方法，JJG标准规程规定了振动台在新制造、使用中及修理后的检定方法和程序，通过此规程的检定，来判断振动台是否合格及能否继续使用。振动台基本参数的检定采用电测试方法。
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1．一般规定
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（1）检定用负载的规定：

1）机械振动台和电液振动台检定用负载应为金属材料制成的外形对称的刚性体，其质量及质心高应等于振动台最大载荷的规定值。负载与振动台相连接的表面的平面度应不大于0.1／1000。负载与台面应刚性连接，其连接共振频率应在试验频率范围以外，固定点应均匀分布且不小于4个。
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2）电动振动台除上述要求外，还应避免使用薄的负载，五个厚度与直径（或对角线尺寸）的比应大于0.4，其最大直径（或对角线尺寸）应不大于振动台面的直径。

（2）检定加速度计的规定：
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+ l( i4 j& T0 o1）机械振动台和电液振动台使用的加速度计应刚性地固定在工作台面或检定用负载上，测量位移时允许使用磁铁座固定加速度计；

2）电动振动台因其工作频率范围较宽，所以，加速度计的安装共振频率应大于5倍的振动台运动部件的一阶共振频率；

3）电动振动台所使用的加速度计其质量应尽量小。

$ K' z3 E6 n9 v' C（3）多轴向振动的检定。对于多轴向的机械振动台，基本参数的检定须分别在每个轴向上进行；对于带有水平滑台的电动振动台和电液振动台，除频率指示误差、频率稳定度、扫频速度误差、振幅指示误差、台面温度外，其余均应参照检定方法中的相应条款进行。
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0 o8 _5 {3 b5 z（4）检定中所涉及的加速度幅值均指基波加速度幅值。
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7 p* o5 M& l' X% B) o( b2．振动台的技术指标

% E3 B' d1 x2 o; p评定振动台的技术性能主要有设计指标、辅助指标和振动参数控制准确度三项内容。

2 J; Q  o8 |! u0 L& K! Y" f# \* }（1）设计指标包括：振动台可以使用的工作频率范围；能达到的最大位移振幅或最大加速度幅值：最大负载或最大推力；连续工作时间。
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（2）辅助指标包括：振动台工作时的噪声；低频窜动；电动振动台台面的漏磁。

7 |) h$ s7 g; g3 ~4 A3 @* r& l8 k. e（3）振动参数控制准确度指标包括：振动台监控仪表的振动参数显示准确度（频率、振幅、加速度）和定振精度；台面振动波形失真；台面振幅或加速度的均匀性；台面振幅或加速度横向振动分量的大小。
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对机械振动台和电动振动台性能的检测，主要是利用上述指标。对随机振动台和电液振动台，则还将增加一些指标。

. v: F- u8 B; |: ]( ]; r7 r3．机械振动台的性能检测
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2 e& d1 I' G# e4 x6 g: Y: H* f（1）振动频率示值及其稳定度的检测。机械振动台的频率显示器由于调节不当或长期使用，频率指示就会出现误差，检定振动频率示值时，振动台为空载，把加速度计刚性地连接在振动台台面中心。其输出经测振仪接数字频率计，测振仪的测量选择置干位移（振幅）档，在规定的频率范围内，均匀选取三个以上频率值（包括上、下限频率）进行测量（通过测量周期来换算成频率），振动台频率示值与数字频率计的显示值之差应满足检定规程技术指标的要求。如果达不到规定要求，则应根据频率计的标准值来调整振动台频率显示器的示值。
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以同样的测量方法，在规定的工作频率范围内，把振动台调至某一常用频率，连续振动2h，每隔10min记录一次数字频率计的测量值，其频率的变化量应满足检定规程技术指标的要求。

如果振动台波形失真大，则在输入频率计以前必须加以滤波。若振幅或振动加速度较小。可用速度传感器代替加速度计（因为速度传感器具有机械滤波特性），经适当放大后再接至频率计。灵敏度较高的速度传感器，其输出可直接接至频率计读数。
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/ J7 z; H$ D' |7 a, J1 ~- G（2）振幅示值及其稳定度的检测。振幅示值检测时，将振动台空载，把加速度计刚性地连接在振动台台面中心，其输出接测振仪，测振仪的测量选择置位移（振幅）档。在交越频率和下限频率点，选取大、中、小三个振幅值进行测量。其振幅的误差δA为

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1 J& T  W2 Q4 R0 j+ @式中，As为振动台振幅示值；AB为测振仪实测幅值。检测结果应满足技术指标的要求。
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/ @. U; [7 x0 ^: A" u- e0 O用同样的测量方法，在某一常用频率下用允许的最大（或常用）振幅值连续振动2h，每隔10 min记录一次测振仪的振幅示值，这时振幅示值稳定度应满足规程技术指标的要求。
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振幅检测时，也可用速度传感器经积分网络后接显示器来进行测量，还可以直接用位移传感器和测量仪表直接测量。
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（3）振动加速度示值的检测。机械振动台用做环境试验时，往往是在规定频率下做定加速度试验，因此，通常也应对加速度示值进行检测。检测时，振动台空载，将加速度计刚性地连接在一个振动台台面中心，其输出接测振仪，测振仪测量选择置加速度档。在交越频率点，选取大、中、小（但不小于最大加速度值的15％，否则不能保证足够大的信噪比）三个加速度值进行测量，其加速度示值误差δa为

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式中.as为振动台加速度示值：aB为测振仪实测加速度值。检测结果应符合技术指标的要求。

& I6 H) v, b- O! B（4）振动台台面加速度波形失真度的检测。机械振动台由于传动齿轮的撞击以及滚动轴承高速旋转时滚动体与隔离圈的撞击等，使台面加速度波形中产生高次谐振。这是结构本身所造成的，而且随振动台使用越长，齿轮间隙增大，轴承精度降低而使高次谐波的分量随之增加。对机械调幅的不平衡块式振动台，由于振动运动对不平衡块的牵连运动，会使振动台产生二次谐波，这种二次谐波在活动块和固定块相对松动及传动齿轮间隙很大时才会明显出现，根据理论和实验结果分析，机械振动台在工作范围内，台面加速度波形的失真规律是：在同一频率，随着振幅的增大而加速度波形失真将减小；在相同振幅，随着频率增高而波形失真减小；在相同加速度时，随着频率增高而加速度波形失真将增大。近几年来，为了与国际上大多数国家考核加速度波形失真的标准相一致，测量时允许测量的谐波分量达到振动台本身最高工作频率的5倍。一般机械振动台上限工作频率为80Hz左右，因此，测量时谐波分量应达到400 Hz。
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检测时，振动台空载，将加速度计刚性地连接在振动台台面中心，其输出经测振仪接失真度测量仪，测振仪的测量选择置加速度档。在规定的工作指标范围内，分别选取工作频率的上、下限值及交越频率点，在该频率下选取最大与较小两个振幅值进行加速度波形失真度的测量（高频段最小振幅值不小于0.2mm；低频段最小加速度值不小于最大加速度值的15％），检测结果应满足技术指标的要求。
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# h/ [3 O# H) ^# @" J/ V（5）振动台台面振幅值均匀度的检测。由于机械振动台的工作频带较窄，一般不允许在工作频带内出现振动系统摆振共振而引起台面严重的振动参数不均匀，所以机械振动台振幅均匀度主要取决于活动系统导向性能的好坏，而且也与台面的大小有关。

. u, l! e6 p( s! p& j2 w: ^. K检测台面振幅值均匀度时，振动台空载，将加速度计刚性地连接在振动台台面中心及距台面中心最远的四个安装点上。其输出接多通道的测振仪，测振仪的测量选择置位移档。在规定的技术指标范围内，分别选取工作频率上、下限值及交越频率点，并在该频率的最大振幅值下进行测量。在同次测量中，从测振仪上依次测量五个振幅值，并按下式计算振幅值的均匀度N，即
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8 x' T5 I1 B! s& _# Z8 X式中，A为同次测量中中心点的振幅值；｜ΔA｜为同次测量中各点振幅值对中心点振幅值的最大偏差（绝对值）。

（6）横向振动比的检测。由于机械振动台活动部分导向性能差，不平衡器在激振器中的安装精度不高，以及激振力和支承反力，激振器重心的不一致性等造成振动过程中台面产生横向振动。检测横向振动比时，振动台空载，将三轴向加速度计刚性地连接在振动台台面中心，加速度计的三个输出分别接多通道测振仪。将测振仪的测量选择置位移档。在规定的工作范内，分别选取工作频率上、下限及交越频率点，并在该频率下选取最大和常用的两个振幅值进行测量（高频段最小振幅值不小于0.2mm，低频段最小加速度值不小于最大加速度值的15％）。在同次测量中，从测振仪上测量出三个方向的振幅值，并计算横向振动比T为

式中：Ax，Ay为垂直于主振方向z的两个互相垂直的振幅值的分量；Az为主振方向振幅值。测量结果应满足技术指标的规定。
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$ \/ Z) C2 j5 N. V: t& B（7）低频窜动的观测。窜动是指在规定频率振动的基础上，附加一个低频大振幅的振动，振动台活动系统的导向部分存在着干摩擦，使振动系统产生负阻尼，在激振力强迫振动的基础上出现与系统固有频率相同的自激振动，这样就产生了审动。只要在导向部分加油润滑，窜动运动就可明显减小。产生窜动振动的另一个原因是由于传动皮带的共振引起的拍打造成强迫振动，这种窜动的频率与电机转速有关。适当调整皮带的预紧力，可以改善窜动振动。
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6 x" c5 A2 Z8 O# P; a, f5 v. i观察和测量窜动振动，可以通过传感器、放大器和示波器进行，也可用传感器、放大器和振子示波器进行记录和观测。低频窜动对加速度测量影响不是很大，但对振幅测量影响很大，带来较大的测量误差，故应尽可能防止窜动的出现。

3 _$ z8 X+ e; G* _' p（8）振动台工作噪声的测定。由于机械零件的高速旋转及相互撞击，因此在机械振动台工作过程中存在一定的噪声，根据国家有关规定，一般最大噪声不得大于85dB（A计权网络）。测定振动台的噪声时，振动台空载，频率调至60 Hz，并在距台体边缘1m远，距地面1.5m高处用声级计（A计权网络）分别测量振动台工作在本底振幅值时的噪声和工作在最大加速度幅值时的噪声，测定的噪声声级不得超过85dB（A计权网络）。
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（9）机械振动台设计指标的检测。可按照上述有关方法，对机械振动台的工作频率范围、最大振幅值（或最大加速度值）、最大负荷、连续工作时间等进行测定。对机械振动台的性能进行检测时，其台体安装的水平度也应进行检查。

" t! o& t5 _: c1 P9 ^来源：《力学环境试验技术》部分

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滤波器的作用是对信号中的频率成分进行选择和调整