振动的检测及传感器.ppt

5 4振动的检测 基本知识振动的激励测振传感器测振系统 1 机械振动2 产生原因3 振动检测的研究内容4 振动类型 5 4 1基本知识 1 机械振动 物体在一定位置附近所做的周期性往复运动2 产生原因旋转件的不平衡 负载的不均匀 间隙 润滑不良 支撑松动等3 振动检测的研究内容I 测量设备运行时的振动参量 寻找振源 某外圆磨床在空运转时工作台的横向振动记录曲线经过频谱分析可以估计振源27 5Hz频率成分为砂轮不平衡所引起的振动 329Hz频率成分为油泵脉动引起的振动 50Hz 100Hz和150Hz的频率成分都和工频 电网的频率 即发电机的工作频率 和电机的振动有关 500Hz以上的高频振动原因比较复杂 有轴承噪声及其它振源 II 对设备激振 以求得被测对象的动态性能 如固有频率 阻尼 机械阻抗等 可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速 转速工作范围 a 从产生振动的方式来分 自由振动 仅受初始条件 初始位移 初始速度 激励而引起的振动受迫振动 系统在持续外力激励下的振动 4 机械振动的类型 b 从振动的规律来分 简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动 以无阻尼自由振动的弹簧振子为例 简谐振动 1 单自由度无阻尼系统的自由振动位移随时间按正弦规律变化 故称为简谐振动 2 自由振动的频率与初始条件无关 仅由系统本身参数确定 称为 系统的固有频率 3 自由振动的振幅A和初相角 由初始条件所确定 复合周期振动 由两个或两个以上频率之比为有理数的简谐振动复合而成 准周期振动 由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成 瞬态振动 瞬态振动 在极短时间内仅持续几个周期的振动 随机振动 不能用确定的数学式来描述其运动规律的振动 与一般的随机信号处理方法一样 5 4 2振动的激励 如果知道了系统的输入 激励 和输出 响应 就可以求出系统的动态特性 振动测试系统包括 激励部分实现对被测系统的激励 输入 使系统发生振动 它主要由激励信号源 功率放大器和激振器组成拾振部分检测并放大被测系统的输出信号 并将信号转换成一定的形式 通常为电信号 它主要由传感器 放大器组成 分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果 它主要由各种记录设备和频谱分析设备 或计算机 组成 一 激励信号 1 稳态正弦激励激励信号 稳定幅值和频率的正弦信号测出激励大小和响应大小 系统在该频率点处的频率响应激励系统 正弦信号发生器 功率放大器 激振器缺点 较长的测试周期 多个频率 稳态 2 瞬态激励信号 激励信号 瞬态信号宽频带激励 一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应快速测试 常用 常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描脉冲锤击阶跃松弛激励 1 快速正弦扫描 正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描 可为数秒 激振信号频率在扫描周期T内成线性增加 而幅值保持恒定 T 扫描周期fmax fmin 上下限频率 可以快速测试研究对象的频率特性具有类似正弦的形式 但频率变化 属于瞬态激振 2 脉冲锤击激励 方法 用脉冲锤对被测系统进行敲击 施加一个脉冲力 使之发生振动 锤击力脉冲 在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线 近似半正弦波 1 有效频率范围取决于脉冲持续时间 锤头垫越硬 时间越短 频率范围越大 锤头垫的材料 频带宽度2 锤头配重的质量和敲击速度 激振力的大小 3 阶跃 张弛 激励 1 在激振点 用一根刚度大 重量轻的弦经过力传感器对待侧结构施加张力 使之产生弹性变形2 然后突然切断弦 负的阶越激振力 宽带激振 建筑结构的振动测试 3 随机激励信号 1 纯随机激励纯随机信号 高斯分布的白噪声在频率域上它是一条几乎平坦的直线 白噪声发生器或计算机 2 伪随机激励 伪随机信号 周期性的随机信号在一个周期内的信号是纯随机的 但各个周期内的信号是完全相同的 伪随机信号发生器或计算机 将白噪声在T内截断 然后按周期T反复重复 二 激振器对试件施加某种预定要求的激振力 激起试件振动的装置 1 电动式激振器 一般使用时在顶杆与激振对象之间加一个力传感器 以精确地测出激振力 线圈通过交流电 则线圈将受到与电流成正比的电动力的作用 此力通过顶杆传到试件上 磁场的产生方法 永磁式 小型激振器 励磁式 振动台 2 电磁式激振器 电磁激振器是非接触式的 没有附加质量和刚度的影响 频率上限约为500 800Hz 激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场 而被测对象作为衔铁 在交变磁场作用下产生振动 3 脉冲锤 力锤 常用的激振方法 设备最简单脉冲锤由锤体 手柄和可以调换的锤头和配重组成 产生瞬态激励力 锤击力的大小由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定 激励的频率范围主要由接触表面刚度决定 锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短 上限频率 越高 为了能调整激励频率范围 通常使用一套不同材料的锤头 测量大小不同的实验对象 应选用不同大小的锤子a 轻小型的结构 5g左右b 中型结构 汽车车架 发动机等小型机械 240g左右c 大中型结构 如机床 小型坦克等 1400g左右d 重型结构 如建筑物 大型发动机 船等 5 6kg左右 北京东方振动和噪声技术研究所MSC系列弹性试验力锤 5 4 3测振传感器 一 类型接触式 磁电式速度传感器 压电式加速度计非接触式 涡流式位移传感器接触式 按壳体的固定方式分为a 相对式 把仪器固定在不动的支架上 使触杆与被测物体的振动方向一致 并借弹簧的弹性力与被测物体表面相接触 当物体振动时 触杆就跟随它一起运动 1 顶杆2 弹簧片3 磁钢4 线圈5 引出线6 壳体 磁电式相对速度传感器 b 绝对式 壳体固定在被测对象上 壳体的振动等于被测物的振动 质量块对壳体的相对运动量 供机电转换元件转换成电量 又称为惯性式测振传感器 拾振器的质量成为附加质量 改变振动特性 1 压电式加速度传感器 壳体和被测对象一起运动质量块相对于壳体产生位移 第一次转换 输入加速度 相对位移 位移产生的弹性力加于压电元件上 在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷 第二次转换 相对位移 电荷 基础的加速度 质量块与基础的相对位移成正比 某加速度计不同固定方法的共振频率 特点 动态范围大 频率范围宽 坚固耐用 受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源最为广泛使用的振动测量传感器虽然压电式加速度传感器的结构简单 商业化使用历史也很长 但因其性能指标与材料特性 设计和加工工艺密切相关 因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大 与压阻和电容式相比 其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号 2 磁电式速度传感器 磁电式绝对速度计 1 弹簧2 壳体3 阻尼环4 磁钢5 线圈6 芯轴 阻尼环和线圈 质量块电压正比于质量块与基础的相对速度 相对速度近似于被测物的速度 尽量降低固有频率 固有频率 10 15Hz 3 电涡流位移传感器 旋转机械中监测转轴的振动测量 半导体材料受到应力作用时 其电阻率会发生变化 这种现象就称为压阻效应 4 压阻式加速度传感器 频率范围也可从直流信号到测量频率范围到几十千赫兹的高频测量 超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点 受温度的影响较大 实用的传感器一般都需要进行温度补偿 在价格方面 大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力汽车安全气囊 防抱死系统 具有灵敏度高 零频响应 环境适应性好等特点 尤其是受温度的影响比较小 但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性 量程有限 受电缆的电容影响 在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量 其通用性不如压电式加速度传感器 且成本也比压电式加速度传感器高得多 5 电容式加速度传感器 二 测振传感器的选择 1 直接测量参数的选择 s v aa 信噪比高频 加速度低频 位移b 最重要的参数 惯性力的破坏 a 振动环境 v 位置变化 s 2 综合考虑传感器的指标 频率范围 量程 灵敏度等 例 压电式加速度计 超低振级 m 100g 高振级 m 几克 0 几克 重量大 上限频率低 轻 高 a 应变式测量频率 0 几千Hz 测量加速度b 磁电式测量频率 十几 几百Hz 常测位移 可测速度 加速度 地震测试 抗干扰性强 c 压电式高频 常测加速度 可测速度 位移d 非接触式电容 电感 涡流灵敏度高 非接触性测量 3 对具体使用的考虑环境 价格 寿命 可靠性 维修 校准激光测振 高分辨率 高精确度 环境要求极严 设备昂贵 实验室精密测量或校准电涡流 电容式 非接触式环境要求低 高温 油污 蒸汽介质 长期可靠 汽轮发电机组 压缩机组等的振动监测 4 其他a 接触式测量 减轻被测对象的负载效应 非接触式测量 灵敏度 初始安装间隙b 估计被测量的频率范围 是否落入幅频曲线的工作频带c 估计被测系统的最大振级 额定最大冲击值的1 3d 估计被测点的振动方向 正确按装传感器e 估计工作环境 温度 磁场 声场 防范措施 三 传感器的标定 1 绝对法 被校准传感器固定在校准振动台上激光干涉仪直接测量振动台的振幅与被校准传感器的输