中科大机械振动分析与维修课件03数据采集

3数据采集

3.1概述主要任务：机器振动信号的采集；振动信号向电信号的转换；电信号向电元件的传输；提供关于振动数据的信息和文件。硬件或程序。包括传感器、存储和分析数据的电子仪器、辅助振动分析的软件、记录保持和文件。3.2振动信号的采集（collectionofvibrationsignal）——振动传感器，性质和安装

3.2.1速度计

工作原理图3.1采用动铁和动圈原理的两种速度计因为重力，水平和垂直安装，制造方法不同。在旋转机械上，必须考虑敏感轴。横轴振动可能损坏速度传感器。假设速度传感器向下的运动产生正输出信号。如果沿敏感轴把持传感器并且轻叩它的底面，那么初始叩击时的信号是正的。传感器的数量（numberofsensors）。传感器沿着其主轴方向测量运动。由于机器外壳的结构不对称，可能需要在垂直、水平和轴平面安装速度传感器，测量三个方向的振动。安装（mounting）安装的位置必须平整、清洁，比速度计大一些。可用独立安装的附件。安装表面钻孔并攻丝。在高温、辐射、水或磁场等恶劣环境下，采取特殊的保护措施。大型交流电动机和发电机在速度计中感生与实际振动相混淆的电压，可以使用磁屏蔽。快速确定是否需要磁屏蔽：把速度计悬挂在靠近很可能感受振动的地方（拿在不颤抖的手里，不至于引起实际的振动）。如果观察到明显的振动，就可能需要磁屏蔽。

灵敏度（sensitivity）对于指定的振动级，输出越大，受电气噪声的影响越小。一般从10Hz到1kHz，灵敏度是常数。通常从10Hz开始，输出按指数规律下降。这时幅值读数是不准确的。对同一位置反复进行的仅关于趋势或平衡的振动测量，不妨碍使用。频率响应（frequencyresponse）频率响应必须在机器要求的频率范围之内。标定（calibration）按年度基准标定。包括灵敏度与频率关系的测试，确定内部弹簧和阻尼系统是否由于热和振动而劣化。优点

容易安装；中频范围的信号强；

不需要外电源。缺点

体积和重量较大；对输入频率敏感；频率响应范围窄；含有运动零件；对磁场敏感。3.2.2加速度传感器/拾振器（accelerationtransducer/pickup）旋转机器最常用。坚固耐用，结构紧凑，重量轻，频率响应范围宽。机器外壳上安装的结构。可以连续地或定时地测量外壳的绝对运动。图3.2加速度计工作原理（theoryofoperation）惯性测量装置。信号与振动的加速度成正比。由封装在金属防护壳中的压电晶体（由铁电体材料制成，例如锆钛酸铅和钛酸钡）和小质量块组成。受到振动时，压电晶体产生的电荷正比于变化的振动力。电荷输出的测量单位是皮库每g（pC/g），其中g是重力加速度。具有内部/外部电荷放大器。把压电晶体的电荷输出转换为成正比的，以mV/g为单位的电压输出。电流或电压型（currentorvoltagemode）具有内部的低输出阻抗的放大器并且需要外接恒电流/电压源。由于内部放大电路，额定温度较低。电荷型（chargemode）没有内部放大器，因此额定温度较高。外部电荷放大器用与加速度计匹配的特殊的适配电缆供电。现场配线的终端为外部电荷放大器。

当输出电缆的长度在500英尺以内，可以忽略对信号质量的影响。更长的电缆会减小有效的频率响应范围。安装（mounting）双头螺栓（stud）安装法、胶粘（adhesive）安装法、磁铁（magnet）（双面的，即平的）安装法或者不安装，例如使用手持探头（handheldprobe）或托架（stinger）。每种方法都影响加速度计的高频响应。双头螺栓（stud）法的频率响应最宽，是最稳固、可靠的固定方法。灵敏度（sensitivity）振动监测的一般灵敏度为100mV/g。频率范围（frequencyrange）典型的从1或2Hz到8或10kHz。标定（calibration）高温和冲击会损坏加速度计内部的零件。如果怀疑加速度计的可靠性，可以做偏压试验。偏压是传感器输出信号的直流成分。同时也应该检查电源，以便消除不正确的电源电压影响传感器偏压电平的可能性。3.2.3位移探头，涡流传感器（eddycurrenttransducers），接近探头（proximityprobes）对于旋转机器径向轴承的监测，涡流传感器（接近传感器）是首选的振动传感器。典型的应用主要是针对高速透平机械。涡流传感器的安装一般包括

内部，内/外部，外部安装。

工作原理（theoryofoperation）振荡器/解调器产生2MHz高频射频（RF）信号，通过延长电缆发送并且从探头嘴辐射。在轴的表面产生涡流。振荡器/解调器解调信号并提供已调制的电压，其中直流部分与间隙（距离）成正比，交流部分与振动成正比。图3.3接近探头的原理

传感器的数量(numberoftransducers)对较小的、不太关键的机器，每个轴承一个涡流传感器系统。应安装在预计有最大振动的平面。对较大的、比较关键的机器，推荐每个轴承安装两个涡流传感器系统。相互隔开90°，测量轴在径向轴承的总运动。当两个涡流传感器均连接到一个示波器时，构成两个振动信号的轨迹，即笛卡尔乘积。安装方法（mountingmethods）传感器的方向轴承座是水平对开的，一般在垂直平面两侧45°安装。应沿着机组的最大振动方向安装并充分地提供安装文件。与轴中心线的正交精心操作，保证涡流探头与轴的中心线正交。偏差超过1—2°就会影响系统的输出灵敏度。探头的侧隙从涡流传感器探头嘴发射的RF场的形状大约为45°角的圆锥体。在探头嘴的所有侧面必须给出间隙，以防止对RF场的干扰。例如，如果在轴承上钻一个安装探头的孔，则必须钻沉孔，当轴发生热膨胀时，保证探头嘴下面没有轴环或轴肩的热膨胀。内部安装图3.4内部安装的探头

内部安装时，用专用支架。在重安装轴承盖之前正确地安装传感器系统并且留出间隙。优点安装需要的机械加工较少。可实现真正的关于轴承测量。用涡流探头可以不受限制地测量轴表面。缺点在机器运转时，没有探头的机械维修空间。电缆可能因“空气阻力”而扯断。必须提供传感器电缆的出口。必须精心地避免漏油。外部/内部安装图3.4内部安装的探头

使用安装适配器。在轴承座或轴承盖上钻孔和攻丝时，保证涡流探头的安装与轴的中心线正交。外部/内部安装的优点机器运转时，可以更换涡流探头。在轴上可以自由地观察涡流探头。机器运转时，可以改变间隙。外部/内部安装的缺点可能不是真实的轴承相对运动。需要较多的机械加工。探头/探针较高，可能引起共振。

外部安装老式机器的结构不能提供理想的探头安装位置。图3.6外部安装的探头使用这种方法的唯一正当理由是在轴承座内部没有足够的空间。要特别地重视探头的检测区并且做好传感器和电缆的机械防护。外部安装的优点最便宜的方法。外部安装的缺点可能出现轴的电偏转和/或机械脱出。要求机械防护。机械脱出（mechanicalrunout）涡流传感器对粗糙度也敏感的。必须给出大约三倍探头直径的光洁区作为探头的测量区。电偏转（electricalrunout）对磁导率和电阻系数敏感，磁场延伸到轴表面0.4mm左右，在测量区避免非同质的材料，例如铬合金。另一种电偏转可能由小磁场，例如剩磁引起。标定（calibration）使探头嘴面对目标。测微计，以0.1mm的增量离开探头。在每一个增量记录电压读数并且画图。在特定范围，得到的图应当是线性的。探头与目标的间隙（probetotargetgap）

把间隙调整到线性范围的中心。例如，对于使用数字电压表的—12V直流，把间隙设置为相应的1.5mm（即60密尔）左右的机械间隙。

图3.7典型的标定曲线3.3从振动到电信号的转换（conversionofvibrationtoelectricalsignals）3.3.1手持振动计和分析仪（handheldvibrationmetersandanalyzers）手持振动计提供的数据：加速度(峰值,g)；速度(峰值—rms,mm/s)；位移(峰峰值,微米)；轴承状态(gSE，dB及其他)。优点方便灵活，不要求使用技能，廉价。缺点限于形式，一般缺少数据存储能力。

振动数据的采集和报告（collectingandreportingvibrationdata）——手持振动计电动机和水泵组成机组的标记方式：

速度峰值mm/s(20/8/01)垂直水平轴向A2.41.71.0B2.11.91.2C4.35.62.7D3.74.12.1振动级的报告

误差的原因在机器上的位置；

探头角度；

探头的形式；传感器的安装（或手持时的压力）。

在机器上的位置（positiononmachinery）

为了直接比较数据，在同样位置测量。用涂料标记，或者打浅锥孔。探头角度（probeangle）

朝向机器表面的垂直方向。探头的形式（probetype）

用磁铁固定比用手持探头能采集较高的振动频率。采集高频振动数据，探头形式的改变会显示总振动级的剧烈改变。压力（pressure）

要求手的压力平均、稳定。3.3.2便携数据采集器/分析仪（portabledatacollectors/analyzers）两种基本类型：单通道；双通道。优点能够采集、记录和显示振动数据，例如FFT谱、总趋势图和时域波形。提供有序的数据采集。自动报告超出预定极限值的测量值。能做现场振动分析。缺点价格较高。必须经过培训。存储能力有限。3.3.3振动分析——数据库管理软件（databasemanagementsoftware）储存振动数据；比较当前、过去值和报警极限；检验偏离正常状态的情况；辅助分析。趋势图给出早期警报并安排最佳修理时间。确定数据采集的路线（route）。设定采集位置，形成有效的顺序。优、缺点辅助机器数据的采集、管理和分析。保存长期的机器数据。提供用户界面友好的报告。软件很贵。初始输入时，需要大量信息。各品牌数据采集器/分析仪及其程序不兼容。3.3.4在线数据采集和分析（onlinedataacquisitionandanalysis）关键机器配备连续在线监测系统。故障的早期发现，防护措施。可以从主机向本地监测设备传送信息，进行远程控制。局域网（LAN）或广域网（WAN）为广大用户进行机器的状态监测提供条件。优、缺点连续、在线监测；自动测量；即刻缺陷检测。要求在线系统的可靠性；故障的验证昂贵；要求特殊技能；系统昂贵。3.3.5基于知识的信息系统（knowledge-basedinformationsystems）为了建立机器的数学模型，专家系统需要机器及其性质的信息。然后，把这些模型储存起来并用于分析当前数据和预报。按照问题严重性的置信系数的大小提出建议。专家系统分析当前数据并且把它和历史数据相比较，以便搜索发生的任何变化。然后，系统用绝对阈值、统计极限和计算的变化率评定显著变化的烈度。然后，把一系列已证实的准则运用于这些数据。最后，把全部违反准则的实例结合起来，得出诊断为正确的概率。3.3.6相位测量系统（phasemeasurementsystems）

频闪观测仪基准标志；角度刻度。由1×rpm信号触发，基准标志看上去静止。优、缺点易用，便携。轴的转速等于触发器的频率。如果“冻结”组件，就可以观测到螺栓松动、联轴器垫片损坏和其他缺陷。某些频闪仪可以做外部触发器用。只能对1×rpm的振动提供相位差；读数不精确；使用时要求极度的小心谨慎。双通道分析仪同时接受来自不同位置的加速度计输入。提供非常有意义的振动数据。优点在轴上不需要基准标志。因此不需要停下机器来添加标志；得到非常精确的相位差；能够提供任何频率的相位差。缺点双通道型分析仪比单通道分析仪贵。光电管轴上缠绕黑色带子（绝缘胶带），然后在带子的横向粘贴细反射条。发射稳定光源。每次发光都在反射条反射。容易确定轴的转速。图3.17光电管原理电磁和非接触式传感器（键控相位计）轴上必须有切口、陷坑、键或键槽。如果要求监测2×rpm的相位，那么必须在轴上给出两个基准标志。这样，每转将产生两次触发，于是，分析仪将在2×rpm触发，因此将在2×rpm得出相位的读数。如果必须比较关于振动频率的分谐波或非谐波，就可以使用具有可调滤波器的标准振动传感器和标准振动分析仪提供任何理想振动频率的标准信号。3.3.7扭转振动（torsionalvibration）每个旋转传送功率的机械系统都受某种扭转特性的支配。主要与振动分析有关的三种重要的扭转特性为1.

一转转速变化；2.

扭