中科大机械振动分析与维修课件04信号处理、应用和描述

4信号处理、应用和描述

4.1快速傅里叶变换（FFT）分析（FastFourierTransform(FFT)analysis）信号处理采取以下步骤:模拟信号输入；抗混滤波器；A/D转换器；重叠；加窗；FFT；平均；显示/存储。4.1.1傅里叶

变换快速傅里叶变换（FFT）的目的:把模拟形式（时域）的测量转换到频域。采样频率采样是在指定瞬间纪录波的幅值，然后从纪录点生成曲线的过程。以多快的速度采样，才能使数字波精确地复制原始模拟波呢？奈奎斯特（Nyquist）采样定理：“如果在采样信号中不丢失任何信息，则必须以至少两倍的感兴趣的最高频率成分的频率采样。”由于采样频率低引起的出现较低频波的现象称为叠混（aliasing）。在理论上，不应有超过采样频率一半的振动频率，实际上是不能保证的。

所有的分析仪都配备抗混滤波器(anti-aliasingfilter)。必须在启动模拟量数字化之前滤波。

4.1.2模数转换器（analogtodigitalconverters）A/D转换器引进2的幂（称为2进制数。12位A/D转换器提供4096个间隔，…）。间隔数越大，信号的幅值分辨率越高。12位A/D转换器可达到满刻度的0.025%的分辨率，而16位A/D转换器具有0.0015%的分辨率。采集幅值信号。4.1.3加窗（windowing）加窗等于信号样本与同样长度的窗函数相乘。采样的结果随着关于波形期间的位置变化。通过强迫采样数据在开始和结束时为零，充填间断点使采样期间看上去是连续的。幅值精度影响频率分辨力。窗函数有许多种:矩形窗；平顶窗；汉宁（hanning）窗；哈明（hamming）窗；凯撒贝塞尔（KaiserBessel）窗；布莱克曼（Blackman）窗；巴莱特（Barlett）窗。平顶窗峰值“较宽”。汉宁窗增宽，比平顶窗小。识别特殊频率成分，最好使用矩形窗。，平顶窗峰的幅值是最好的。最好的解实际上意味着以多种不同的方法处理数据。汉宁窗一般是缺省的选择，因为它在频率条之间提供好的峰值分辨率，同时峰的增宽较小。4.1.4线分辨率（linesofresolution），F-max，带宽（bandwidth）屏幕显示。分辨率取200，400，800，…线。F-max是分析仪的最大频率。带宽—F-max除以分辨率。F-max太高，带宽增大，分辨率受影响。F-max太低，失去有价值的高频数据。择F-max值的建议：泵、风扇、鼓风机和电动机等通用旋转机器，为20×或40×转速。

齿轮箱，高于啮合频率的3倍。首次操作，采取两个频谱，10×，100×,然后有根据地选择F-max的设置。4.1.5平均（Averaging）线性（linear）平均趋向于随机误差的平均数。频谱的平均典型地为2，4，8，16或32次。峰值保持（peakhold）对于任何平均，显示为最高谱线幅值的包络。用于观察瞬时现象，例如在应力分析研究期间可能需要的突然下降或随机的激励。指数（Exponential）平均新取得的频谱有较大加权。观察关于采样时间变化非常缓慢的状态。同步时间（synchronoustime）平均利用来自被研究机器的同步信号，并且用于时域平均。同步信号的形式通常是由处于轴的圆周基准位置的光电管或电磁传感器发出的脉冲。在做平均的期间，以这种方法在关于轴旋转的同一时间采取振动样本。有效地消除了系统中的非同步振动。如果机器中有很多以不同速度旋转的零件，则使用这种方法。因此，在其他振动平均出去的同时，伴随同步信号的同步振动得到加强。4.1.6重叠（overlap）采集和分析1kHz，1024个样本为40ms。FFT在10ms内计算和显示频谱，空闲30ms。使用新块和旧块的部分数据，继续工作和计算新的频谱。鉴于上例，FFT计算时，使用前一块的75%和新块的25%的数据。75%的过程重叠，显示的过程时间（第一块之后）是10ms每频谱，而不是40ms。例如，在100Hz采集数据，16次平均。数据采集时间是4s，如果没有重叠，则需要64

s。如果采取75%的重叠，那么第一块需要4秒，每一个后续块需要1秒，即需要4×1＋1×15=19秒。由于利用重叠，在数据采集期间大量地节省了时间。这种方法使得数据采集的应用更有效果。4.1.7显示/存储（display/storage）

频段/报警（frequencybands/alarms）FFT谱被分成称为频段的6个区域，每一段都有自己的报警线。例如，把频段设置为监测轴承缺陷的频率。一些振动允限趋向于基于频率和谐波的滤过的振动极限。振动级随着旋转机器频率的增加而降低。两种频段报警的形式。一种以频段内的峰值为基础，另一种以频段内包含的总破坏能量为基础。分析仪包含这些数据和机器信息。瀑布图（waterfalls）是在机器的同一位置采集的FFT的特殊显示。观察整个范围内任何频率振动幅值的变化。频谱数据使用过多寄存器，使用计算机软件显示瀑布图。4.2时间波形分析（timewaveformanalysis）

提供频谱分析不能显示的状态的线索。早期用示波器观测，手工计算频率成分在绝大多数情况下，FFT更适用于频率计算。图4.10从水泵采集的主要特征是1×rpm并且叠加了高频波的波形

拍（beats）的现象频率稍有不同（大约少于30Hz）并且幅值近似相等的两个波形将产生拍波。幅值交替地强化和相消而产生严格的脉冲。幅值的变化称为调制，它的频率等于两个波形的频率之差。拍（beats）的应用拍波在具有速度差很小的滚轴或卷筒的离心机中是常见的，如果各自有些失衡，产生拍频就是很正常的。有时，可以通过对拍的计时确定滚轴和卷筒之间的速度差。有电气缺陷的电动机中。缺陷产生两倍电力线频率的振动频率。如果电力线频率是50Hz，那么缺陷频率将是100Hz。那么，如果电动机的实际速度是2980rpm，它的二次谐波则为99.3Hz。于是，100和99.3Hz

的两个波将产生拍和幅值调制。在时间波形领域，对FFT提供的附加信息有：低速应用（小于100rpm）；在冲击的情况下，指出真实的幅值，例如对滚动轴承和齿轮中缺陷的严重性的评定；松动；摩擦；拍。失衡和不对中等缺陷的时间波形不太复杂。在分析仪上进行时间波形分析设置的参数：测量单位，采样时限，分辨率，平均，窗口。4.2.1测量单位这里指的是感兴趣的振动性质，位移,微米（可以对高频和低频定义为μH和μL）；速度，mm/s-峰值；加速度，g。一般推荐使用传感器本身的单位显示时间波形。如果滑动轴承的数据是用非接触探头采集的，一般使用位移。

4.2.2采样的时限（timeperiodofsample）为了得到分析工作有用的时间波形，应设置为测量5～10个振动波的周期即被测量机器的转数。

4.2.3分辨率（resolution）对于时间波形，建议使用1600线（4096个样本）。保证采集的数据有足够的精度并且捕获关键的故障。一般的采样频率是256，512，1024，…。4.2.4平均（averaging）大多数数据采集器的平均在FFT中进行。如果没有激活同步时间平均功能，即使选择了多次平均，屏幕显示的时间波形也是最后一次测量的波形。因此，分析时间波形时，一般采取单次平均，重叠平均是不可能的。同步时间平均用于特殊旋转零件的同步（synchronize）数据采集。例如,在齿轮箱的监测中，确定有缺陷的齿相对于基准标志的位置。在往复设备上，通过参考特殊的曲柄角度对故障“定时”。4.2.5窗口在进行FFT时，可以使用不同的窗函数减小泄漏误差。某些仪器也可以把这些窗用于时间波形数据。这将迫使时间样本的开始和结尾的数据为零，这样在波形中会失掉某些信息。为了消除这种影响，应使用均匀窗即矩形窗。4.3相位信号分析（phasesignalanalysis）提供对故障的进一步认识。例如，失衡和轴弯曲的FFT频谱似乎一样。为此，采用相位分析。是对轨迹分析、转子平衡、速度测量的进一步分析，也能帮助变速机器的分析。采用相位分析的分析仪用以下方法辅助诊断：阶次分析/跟踪模式；轨迹；共振识别；模态分析（MA）；运转挠曲形状（ODS）分析。阶次分析获取相位和幅值。要求外部触发器。相位分析着眼于不同零件在指定频率的相对运动。目的是锁定机器转速的显示，所以，速度变化时，确定阶次的成分的显示位置保持不变。当rpm发生变化时，1×rpm成分不会移动。相位与阶次显示的关系是指定的。阶次跟踪（ordertracking）主要用于变速机器的振动分析。提供阶次域。总振动图中的X轴不是幅值对应的时间，而是幅值对应的rpm的阶次（例如10阶次=10×rpm）。只有在光电管和键控相位计等外部触发器的帮助下才能进行。在跟踪模式下触发器同步零时域信号，把采样时钟脉冲调到最高频率的2.56倍。跟踪到20×rpm，补偿跟踪滤波器的相位误差。跟踪模式的应用：计算影响系数，在平衡面上施加试验配重，用平衡程序计算机器的影响系数。一旦计算出影响系数，就可以不用进一步的试运转，估计补偿配重或消减配重。检查机器不对中。把两个加速度计放在联轴器的两边。跟踪模式可以确定是否存在由于不对中产生的180°的相移。4.4信号的特殊处理

4.4.1同步时间平均（synchronoustimeaveraging查找振动根源。采集与1ד标志”脉冲同步的时间波形。在时间域平均。显示频谱。用于测量与特殊零件或轴的转速直接或谐波相关的振动。要求一个转速计或提供1×脉冲的装置。用于启动与基准轴旋转同步的数据采集。安装转速计的轴是基准（reference）轴。在每一个数据采集窗口（window）的时间内，记录所有的机器振动。通过平均，消除基准轴转速的非同步频率。同步时间平均的应用转子振动问题，例如失衡、不对中、转子松动和摩擦，保持在由同步时间平均提供的频谱显示中。与转轴不同步的缺陷，例如轴承故障、气蚀、电气噪声和共振产生的非同步频率被平均出频谱。所以消除非同步峰线可能需要多次平均。要了解采取多少次平均。有时，需要100～1000次。通过用分析仪显示关于基准转子的同步峰线，可以实现同步时间平均。例子图4.14用电动机轴上的触发器的同步时间平均谱——注意与电动机不同步的其他频率幅值的下降例子图4.15用风扇轴上的触发器的同步时间平均谱

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964cpm峰线可能与4×电动机转速混淆。因为被平均出去，所以可以断定其原因是非同步的，可能是定子绕组中的电气问题。

4.4.2轨迹（orbits）是时域的李萨如（Lissajous）图形，在X-Y坐标平面同时画出。确定旋转方向，采用相位触发器。把轨迹上的圆点看作1×rpm的起点，把空白看作终点。测量的单位是直接用接近探头测量的位移。测量的是相对振动读数。是轴关于轴承座的振动测量。轨迹图给出了轴中心线在轴承座中实际运动的视图。加速度计和速度计安装在轴承座的外面。测量结果称为外壳轨迹。测量轴的绝对运动（相对于空间）。当从左向右运动时，点1～5沿时针方向运动。如果轴的旋转也是沿时针方向运动，这种轨迹被认为是向前进动（forwardprecession），否则，是向后进动（reverseprecession）。波德图（Bodeplot）波德图包含两个曲线图：幅值与机器转速的关系曲线；相位与机器转速的关系曲线。为了显示波德图，使用相位触发器获取轴的相位测量和机器转速测量的基准。分析仪以特定的时间间隔（可以由用户定义）同时触发和记录幅值和相位，然后互相紧接着显示这两个图。在转子动力学中，波德图主要用于确定转子的临界转速。图4.18波德图显示转子“临界转速”近似于4400rpm。注意该转速下，最大幅值是35微米。2900rpm时，相位是45°，4400rpm是135°，指示90°的相位差。察看相位图是否与开始值相差90°

极坐标图/奈奎斯特图（polar/Nyquistplot）在一个图上表示波德图考察的三个的变量。。图的中心表示零速度和零幅值，随后的幅值和相角的测量值与它们相应的机器转速一起画在图上。好像随着机器转速增加到全速，跟踪振动向量的端点（矢端轨迹）。相角的测量值围绕着图的圆周画出，与机器的旋转方向相反。极坐标图上的转速总是经过滤波的机器的运转速度，或者是机器转速的若干倍数，这取决于被调查的故障。机器的临界转速显示为圆圈，同时临界转速处于离圆圈起点90°的地方。图4.19指示转子临界（共振）转速大约为5000rpm的奈奎斯特图小瀑布图（cascadeplot）表示3个参数：幅值、频率和机器转速。以特定的机器转速的间隔记录幅值为频率的函数的FFT图。应特别地注意瀑布图和小瀑布图的不同瀑布图是在同一位置以不同时间间隔采集的FFT。属于同一转速下运转的机器。小瀑布图是在不同的机器转速下采集的FFT，并且是在机器转速过渡期间采集的，例如，在启动或停车期间。在小瀑布图中，阶次（1/2×，1×或更高）以直线的形式显示。显然，小瀑布图是瞬变分析的工具，它成为关键机器的基本诊断工具。波德图和奈奎斯特图也属于这种类型的瞬变分析工具。全谱（fullspectrum）也称为轨迹谱。与轨迹显示相同的信息，但是采用的格式不同。确定与不同的机器状态有关的椭圆度（扁率），以及所有频率成分当前的进动方向。正交的X和Y传感器信号，FFT，获取每个频率的振动成分。正的为向前进动，负的则为向后进动。对于一个特殊频率（1×，2×或…）的指定轨迹，下列椭圆度和进动信息：

向前和向后两个成分的和是轨迹长轴的长度。两个成分之差是轨迹短轴的长度。向前和向后两个成分决定进动方向。全谱（正像常规FFT）可以从稳态分析中得到（单个FFT或瀑布），从瞬变分析获取全谱称为全谱小瀑布。图4.21稳态单个全谱

4.4.3运转挠曲形状分析（Operationaldeflectionshapes(ODS)analysis）运转条件下的振动视觉化技术。测量不同位置的相对幅值和相位信息，供给具有响应数据模拟软件的主机。结果符合实际，但是机器不同位置的运动图片是非常夸张的。ODS分析依靠机器的实际振动。是应用相当简单的技术，不依靠负载和结构的近似模型。数据是在机器运转时（operatingasitis）采集的。

图4.22ODS分析

ODS与模态分析的对比（ODSversusmodalanalysis）模态分析一般用于结构设计的评价和在改变结构之前调研设计的修改。ODS模拟机器运动，分析和解决复杂的机器运转中的问题。模态分析在不运转时，对机器的结构施加特殊控制和测量的负载，使用测量值计算结构的动力学特性。确定质量、刚度和阻尼性质的数学模型和振型。这些特性与结构的运行状态无关。ODS是相当简单的，完全依赖于机器的实际工作负载激励振动。不同的负载和运转条件产生不同的挠曲形状。对于ODS，使用振动频谱分析仪采集特殊频率（1×，2×或其他频率）的测量值，确定在构造ODS的频率下的幅值。一个测量位置为基准位置，在其他位置，使用巡回（roving）传感器测量被选择频率下的相对振动级和相位。相对幅值和相位是有效的，而绝对值是不重要的。如果需要，绝对值总得用一个固定的位置作索引。因为包括多频、同步或异步，或者可能是低于某个截止频率的全部频率的总效应，所以尽管不太常见，后者可能提供更复杂的振型。如果必要，可以对2到3个方向做ODS分析。使用单通道分析仪的ODS（ODSwithsinglechannelanalyzers）提供同步基准脉冲，测量同步振动的幅值和相位。相对幅值是测量幅值除以基准位置的幅值。

相对相位是指定位置的触发器相位与基准位置的触发器相位之间的差。使用多通道分析仪的ODS（ODSwithmulti-channelanalyzers）不需要触发。在基准位置和其他每个位置的振动之间依次进行跨通道测量。相对幅值和相位从基准位置到当前位置的传递函数图得出。术语

互频谱（cross-spectrum）两个关注点之间关系的比较。包含：幅值与机器转速，相位与机器转速的关系曲线。频率响应函数（FrequencyResponseFunction）（FRF）输入与输出之间的作为频率的函数的关系。其中，输入一般是力，输出是加速度。传递响应函数（TransferResponseFunction）（TRF）

系统关于公共输入的两个输出的比较。给出两个输出的幅值和它们之间的相对相位。两个输出之间因果关系不是必要的。

相干（coherence）相干函数是两个信号之间作为频率的函数的线性关系程度的度量。是在任何频率下系统线性的指标。它在频域分析中的角色类似于统计分析中的相关系数。相干函数的实际应用应用1

识别振动源。一个传感器固定在“果”上，另一个传感器四处移动，尽可能地连在“因”上。应用2是为最佳传输路径选择传感器的位置。对于适合的位置，在感兴趣的大多数频率下，相干函数接近于1。通过对不同位置的比较，可以确定最佳位置。应用3

减少机器在线监测需要的传感器数量。有可能使用相干函数确定该处通过机器外壳传输的振动，而不是两坐标或三坐标地配置传感器。如果相干函数大，就可以在一个倾斜的方向使用一个传感器，取代三个传感器。4.4.4包络和解调（envelopinganddemodulation）轴承和齿轮箱的故障诊断。使用高通滤波器放大低电平高频数据。图4.28振动——滚珠通过剥落缺陷

由于滚珠通过滚道缺陷而产生的幅值调制幅值随着时间上升和下降的现象称为幅值调制。在解调（demodulation）过程中，振铃频率被消除。图4.29包络

工业上有四种主要的包络/解调技术，可用于分析高频范围的缺陷。PeakVue、尖峰能量（gSE）、谱发射能量（SEE）和冲击脉冲法（SPM）。PeakVue（商标——ComputationalSystemsIncorporated，US）用高通滤波器消除加速度信号中的低频成分。通过模数转换器。只对超过特定触发器电平的幅值电平赋予数字值。只有在发生脉冲的单元即样本中才有高峰值。FFT处理这些数字信息，得到的频谱只显示等于脉冲频率的基频峰值和谐波。gSE谱（gSEspectrum）（商标——EntekIRDInternationalCorporation）尖峰能量也称为gSE谱，与PeakVue的区别是：使用某种整流器。信号被包络。幅值不是真实的加速度峰值，是gSE（尖峰能量）值。谱发射能量（Spectralemissionenergy）（SEE）（商标——SKFConditionMonitoring）采取高频声学测量并且与包络技术结合起来状态。包络时，对振动信号高通滤波，消除了绝大多数由结构振动、不对中和其他因素引起的振动。轴承缺陷和故障使油膜破裂时，SEE检测金属对金属的接触。产生的高频范围是250～350kHz。对250～350k