第3章振动信号测取技术

1、第三章 振动信号测取技术,主讲：王林鸿教授、博士 机械与汽车工程学院,振动信号测取技术,设备状态的检测信号是反映设备正常与否的信息载体；（检测信号） 适当的检测方法是发现故障信息的重要条件；（检测方法） 能否真实、充分地检测到足够数量并能客观反映设备运行状态的信号，是诊断是否可信的前提；（检测结果） 机械工程测试技术是前续课程，这里仅作简单回顾。,31 加速度传感器,图31 加速度计,压电效应与电致伸缩效应,某些物质如石英晶体，在受到冲击性外力作用后，不仅几何尺寸发生变化，而且其内部发生极化，相对的表面出现电荷，形成电场。外力消失后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应。 将这种物质置于电场中，其

2、几何尺寸也会发生变化，叫做电致伸缩效应。,压电式加速度计,利用压电效应，制成压电式加速度传感器，可用于检测机械运转中的加速度振动信号； 利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用于探测构件内部缺陷。,压电式加速度传感器的内部结构,图32 压电式加速度计 a)中心压缩型 b)环形剪切型 c)三角剪切型,压电式加速度传感器的测量电路,由于电荷是非常微弱的量，因此需要在被测设备附近布置前置放大器，将电荷量放大数千倍后，再传输给显示计量仪表。 前置放大器电路有两种形式：其一是电阻反馈的电压放大器，另一种是电容反馈的电荷放大器。 电荷放大器是工业测量现场使用最多的前置放大器。,压电式加速度传感器的工作频率范

3、围,图34的左边是幅频特性曲线，它反映信号的频率在1Hz到3KHz这一段，加速度计能比较好的复现信号的波形。 为了测得的电信号波形能真实地复现振动波形，就必需使所测 信号中最高的频率位于幅频特性曲线上的水平段。,图34 加速度计的幅频特性,压电式加速度传感器的安装,安装要求： 要使安装后的加 速度计特性具有足够高的共振频率。,32 速度传感器,工作原理：速度传感器又称为磁电式变换器，它利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。 它的工作不需要电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。 由于它的输出功率较大，因而大大简化了后续电路，且性能稳定，又具有一定的工作带宽(一

4、般为101000Hz)，所以获得了较普遍的应用。 磁电式速度传感器有绝对式和相对式两种。,图36 磁电式绝对速度传感器 1弹簧片、2壳体、3阻尼环、4永磁铁、5线圈、6心轴、7弹簧,1磁电式绝对速度传感器,2磁电式相对速度传感器,图37 磁电式绝对速度传感器 1壳体、2心轴壳体、3弹簧片、4永磁铁、5线圈、6弹簧片、7引出线,磁电式速度传感器的选用,最低工作频率：被测设备的频谱图中低于这个频率的信号是失真的，可信度低。 灵敏度：这个参数用于将测得的电压值换算成速度值，也是估计传感器最大输出电压的重要参数。 垂直安装的速度传感器与水平安装的速度传感器内部机械结构参数是不同的，不能混用。,33 位

5、移传感器,电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。 电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。,涡流传感器工作原理,当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一等处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。,涡流传感器与前置放大器,图310是目前工业上常见的涡流传感器

6、与前置放大器。探头电缆与前置放大器是配套的，没有互换性。一旦电缆损坏，全套报废。 图311是新型的集成一体化涡流传感器，它将前置放大电路集成到探头内部，这样电缆的作用就仅仅是传输信号，损坏后可以重新接起来，继续使用。,涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线,图312 某涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线,电涡流传感器探头的正确安装,探头的安装间隙（探头端面到被测端面的距离） 各探头间的最小间距。 探头头部与安装面的安全间距 探头安装支架的选择（牢固性） 电缆转接头的密封与绝缘。 探头所带电缆、延伸电缆的安装 探头抗腐蚀性 探头的高温、高压环境,电涡流传感器探头安装图例1,图313

7、电涡流传感器探头的安装,电涡流传感器探头安装图例2,图314 轴的径向振动测量,图315 鉴相测量的安装,电涡流传感器探头安装图例3,鉴相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称鉴相标记。这就是轴的相对0度。,34 结构的激振方法,稳态正弦激振； 瞬态激振； 快速正弦扫描激振； 脉冲激振； 阶跃激振； 随机激振。,1稳态正弦激振,稳态正弦激振又称简谐激振。它是借助激振器对被测对象施加一个频率与幅值均可控制的正弦激振力。 优点是激振功率大，信噪比高，测试精度高； 缺点是测试周期长，特别是对小阻尼的测试对象，每次激振频率的改变均需要较长的稳定时间。,2瞬态激振,瞬态激振时，施加在被测对象上的力

8、是瞬态变化力，它属于宽带激振方法。常用的瞬态激振方法有以下几种： 1) 快速正弦扫描激振； 2) 脉冲激振； 3）阶跃激振。,1) 快速正弦扫描激振,快速正弦扫描激振的激振信号由振荡频率变化可控的信号发生器供给，激振力的大小仍按正弦规律变化。 常采用线性正弦扫描激振信号频率在扫描周期内线性增加，但最大幅值不变。 扫描周期和激振的上、下限频率可根据试验要求选定，扫描周期仅为1 s2 s，可快速测试被测对象的动态特性。,2) 脉冲激振,脉冲激振又称锤击法。通常用一个带有力传感器的脉冲锤敲击被激对象。同时测量激励和响应。 这种方法具有试验时间短，现场使用的设备简单，在试验对象上没有附加质量等优点。

9、其主要缺点是：力的大小不易控制，过小会降低信噪比，过大会引起非线性；试验结果误差较大，准确度差。,3) 阶跃激振,阶跃激振是指被测对象突然受到或消除一恒作用力而产生自由振动的激振方法。 例如在被测对象选定点处，用一钢索对被测对象施加一恒张力，然后突然切断或松脱钢索，就相当于对被测对象施加一负的阶跃激振力，激起被测对象的宽带自由振动。 对于大型结构件，如建筑物、桥梁等的激振，就可采用类似的办法。,3随机激振,随机激振也是一种宽带激振方式，一般采用白噪声或伪随机信号发生器作为激振的信号源。市场上所售的白噪声发生器能产生连续的随机信号，它可激起被测对象在一定频率范围内的随机振动。 许多干扰力和动载荷

10、(如切削力等)也具有随机性质，也可作为现场测试的随机激振源。 随机激振方式的优点是测试速度快、效率高，但所用仪器设备复杂而昂贵。,激振器的种类,激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，使其产生预期振动的装置。 激振器的形式有脉冲的、正弦的和随机的三种。 目前国内普遍应用的是脉冲力激振器和正弦力激振器。,图317 脉冲力激振器,1)脉冲力激振器,脉冲力激振器为一个内部装有压电式力传感器的测力榔头，又称脉冲锤。图317给出脉冲锤的结构简图及装在锤中的力传感器测得的敲击力的波形图和频谱图。 从波形图和频谱图可以看出：锤帽材料越硬，其敲击力波形图的峰值越高，持续时间越短，越接近于理想的脉冲函数；而

11、且，锤帽材料越硬，其敲击力的谱特性图中平坦段的频率范围越宽。,2)正弦力激振器,图318 电动式激振器,正弦激振器按安装方式不同，分为绝对式和相对式两种。 电动式激振器绝对式 电动式激振器是利用电磁感应原理将电能转变为机械能对被测对象提供激振力的装置。其结构原理如图318所示,电磁式激振器相对式 电磁式激振器是直接利用电磁力作为激振力，它常用于非接触式激振。其结构如图320所示。 电磁激振器的特点是：可以对旋转着的被测对象进行激振，它不受附加质量和刚度的影响，其激振频率上限约为500 Hz800 Hz左右。,图320 电磁式激振器的结构 铁芯、2激振线圈、3励磁线圈 4传感器、5检测线圈,39

12、 监测与诊断系统的组成与工作程序,硬件部分的任务是获取包含设备各种信息的物理信号。工作程序为：分析应测量的物理信号，选用合适的传感器和系统，将物理信号转换成符合标准规范的电信号。为后面的信号分析做好准备。 软件部分的任务是对信号进行提取特征的分析和数据解释。其工作程序为：采用信号分析技术，将信号中反映设备状况的特征信息提取出来，与过去值进行比较，找出其中的差别，以此判定设备是否有故障，故障的类型以及故障的部位。,一监测与诊断系统的任务,能反映被监测系统运行状态并对异常状况发出警告。（报警） 能提供设备状态的准确描述。（定位） 能预测设备状态的发展趋势。（预测）,二监测与诊断系统的组成,监测与诊

13、断系统分为简易诊断系统和精密诊断系统两种。 点巡检系统属于简易诊断系统， 在线监测与诊断系统属于精密诊断系统。,简易诊断系统,简易诊断系统由便携式测量仪表（如振动参数测试仪、轴承故障测试仪等）和一些统计图表所组成。 图355是一个点检数据记录统计表的例子，统计表由示意图、设备名称、结构参数、测量部位、测量参数、判别标准、点检数据及测点趋势图等所组成。是简易诊断系统的重要组成部分。,精密诊断系统,在线监测与诊断系统； 由三部分组成： 数据采集部分； 状态识别部分； 数据库部分。,图357 监测与诊断系统的信号处理部分,图357中，左边是数据管理窗口，右上是频谱分析窗口，右下是数据解释窗口。,三实

14、施故障监测与诊断系统的工作程序,三个环节六个步骤： 环节1：准备工作； 步骤1：了解诊断对象； 步骤2：确定诊断方案； 环节2：诊断实施； 步骤3：测量与信号分析； 步骤4：状态判别； 环节3：决策与验证； 步骤5：诊断决策； 步骤6：检查验证。,（1）了解诊断对象,主要手段是开展设备调查。 作出一张调查表： 设备结构参数子表； 设备运行参数子表； 设备状况子表。,设备结构参数子表,清楚设备的基本组成部分及其联接关系。 查明各主要零部件（特别是运动零件）的型号、规格、结构参数及数量等。,设备运行参数子表,各主要零部件的运动方式：旋转运动还是往复运动； 机器的运动特性：平稳运动还是冲击性运动；

15、转子运行速度：低速(60000rmin)；匀速还是变速； 机器平时正常运行时及振动测量时的工况参数值，如：排出压力、流量、转速、温度、电流、电压等。 载荷性质：均载、变载还是冲击负荷； 工作介质：有无尘埃、颗粒性杂质或腐蚀性气(液)体。 周围环境：有无严重的干扰(或污染)源存在，如强电磁场、振源、热源、粉尘等。,设备状况子表,设备基础型式及状况，刚性基础还是柔性基础； 有关设备的主要设计参数，质量检验标准和性能指标，出厂检验记录，生产厂家； 有关设备常见故障分析处理的资料(一般以表格形式列出)，以及投产日期，运行记录，事故分析记录，大修记录等。,（2）确定诊断方案, 选择测点 预估频率和振幅

16、确定测量参数 选择诊断仪器 选择与安装传感器 做好其他相关事项的准备, 选择测点,原则： 对振动反应敏感； 信息丰富； 诊断目的性； 适于安装传感器； 安全。 结论：首选轴承。此外，地脚、机壳、缸体、进出口管道、阀门、基础等部位。,图358 测点选择示意图, 确定测量参数,要求：最敏感因子； 原则： 低频振动（1000Hz）采用加速度测量。 大多数机器，最佳诊断参数是速度；许多标准采用速度有效值（vrms）作为判别参数。,（3）进行振动测量与信号分析,对于初次测量的信号，要进行信号重放和直观分析，检查测得的信号是否真实。确认测试无误后再作记录。 在测量参数之后，即可进一步作波形观察、频率分析等有关项目，特别对那些振动超常的测点作这种分析很有必要。 测量后要把信号储存起来。,（4） 实施状