测试技术7振动的测量.ppt

第7章 振动的测量 Vibration Measurement,7.0 序 Introduction7.1 振动基础 Basic of Vibration7.2 振动测量传感器 Sensors of Vibration Measurement7.3 传感器的选择 Sensor Selection7.4 振动测量方法 Methods of Vibration Measurement7.5 机器状态监测与分析 Machine Condition Monitoring and Analysis7.6 振动评定标准 Standard of Vibration7.7 位移的测量（Dispacement Measurement）,返回,振动测量形式：测量机器或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度等掌握被测对象的运行状态状态监测、故障诊断环境控制、等级评定对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力,序,7.0 序(Introduction),机械振动是普遍存在的物理现象 如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等 振动,机械振动大多数情况下 有害：破坏机器正常工作，降低其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康振动也能被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等,序,7.1 振动的基础知识(Basic of Vibration),振动：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。,例：简谐运动,质量 弹簧系统的运动vibration of mass-spring system,振动的基础知识,振动信号三要素：1）幅值 amplitude 振动体离开其平衡位置的最大位移。2）频率 frequency 周期的倒数。频谱分析 频率成分及其幅值大小 线性系统频率保持特性寻找振源3）相位 phase 确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控制等,振动的基础知识,周期振动及其性质,周期振动的定义：,周期函数可以展开为傅里叶级数：,第一项为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三项以下总称为高次谐波振动。,振动的基础知识,两个简谐振动的合成,合成振动为周期性非简谐振动振幅变化的频率等于振幅的数值在 A1+A2 到A1-A2 间变化,振动的基础知识,A1,A2,A1+A2,1,3,4,2,A1-A2,当 时，合成振动为拍振振幅变化的频率等于,振动的基础知识,A,2A,简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运动规律可用简谐函数表示为,位移,速度,加速度,振动的基础知识,单自由度系统在基础受力所产生的受迫振动,令,振动的基础知识,f(t),m,k,c,y0(t),y1(t),m,基础振动的幅-频曲线,振动的基础知识,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,0,1,2,3,4,5,6,A(w),0.1,0.2,0.5,0.7,1,基础振动的相-频曲线,振动的基础知识,比较质量块运动,振动的基础知识,m,k,c,f(t),y(t),f(t),ky(t),质量块运动的幅-频曲线,基础运动的幅-频曲线,振动的基础知识,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,0,1,2,3,4,5,6,0.1,0.2,0.5,0.7,1,A(w),0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,0,1,2,3,4,5,6,A(w),0.1,0.2,0.5,0.7,1,广义振动：任一物理量(如位移、电流等)在某一数值附近反复变化。,振动有各种不同的形式：机械振动电磁振动,振动的基础知识,7.2.1 振动测量分类 按测量原理分：机械方法 常用于振动频率低、振幅大、精度要求低的场合。光学方法 主要用于精密测量和振动传感器的标定。电测法 应用范围广，在工业界被广泛采用。按测振参数分：位移传感器 displacement sensor速度传感器 velocity sensor加速度传感器 acceleration sensor,7.2 振动测量传感器（Sensor of Vibration Measurement）,振动测量传感器,按变分原理分：磁电式 magnetoelectric压电式 piezoelectric电阻应变式 resistance strain gauge电感式 inductance电容式 capacitance光学式 optical 按传感器与被测物关系分：接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。非接触式传感器有电涡流式和光学式等。,振动测量传感器,按参考坐标分：相对式传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对振动。绝对式传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。,振动测量传感器,电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。工作原理Usr 高频交变电压i 传感器电流F 传感器磁通量i1 感应电流F1 感应磁通链-互感耦合系数的大小与二者之间的距离及导体的材料有关。,7.2.2 涡流式位移传感器(eddy-current displacement sensor),振动测量传感器,8 mm,25 mm,11 mm,振动测量传感器,涡流传感器及其测量线路 频率为 的振荡器（一般用石英振荡器）检波环节输出电压 正比于间隙d，可以分为两部分,直流部分,交流部分,调制与解调过程,振动测量传感器,Usr,Re,Usc,C,U,U0（静态位移d0）,d,0,C,L,传感器,前置器,石英,振荡器,检波器,典型涡流传感器的幅频相应曲线,振动测量传感器,幅值/dB,相位/,频率/Hz,幅值,相位,涡流位移传感器特点：结构简单非接触式测量线性度好频率响应范围较宽具有较强的抗干扰能力在生产条件下安装方便 在监视诊断尤其是旋转机械轴振动检测中应用十分普遍,振动测量传感器,不同材质对灵敏度的影响,振动测量传感器,0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 d/mm,U/-v,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,铜,铝,钢,涡流传感器检测透平叶片根裂纹示意图,振动测量传感器,磁电式绝对速度计1、9弹簧片；2磁靴；3阻尼环；4外壳；5铝架；6磁钢；7线圈；8线圈架；10导线；11接线座,磁电式速度传感器(Magnetoelectric Velocity Sensor),振动测量传感器,当穿过匝数为w线圈的磁通 发生变化时，其感应电动势为 置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为,式中：B磁场的感应电势强度；l单匝线圈有效长度；w线圈匝数；v线圈与磁场的相对运动速度；线圈运动方向与磁场方向的夹角。此即一般惯性速度计的原理。,振动测量传感器,7.2.4 压电式加速度传感器(Piezoelectric acceleration sensor),利用某些晶体材料（如压电陶瓷锆钛酸铅等）的压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器,振动测量传感器,特点频带极宽(0.220 KHz)。本身质量小(250 g)。动态范围很大。工作原理惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电晶体产生相应大小电荷。,振动测量传感器,(a),(b),某系列加速度传感器特性表,振动测量传感器,传感器固定方式及其共振频率,振动测量传感器,(a),(b),(c),(d),(e),(f),直接测量参数的选择 低频时加速度的幅值测量噪声相当 直接用位移拾振器更合理用位移拾振器测高频位移同理,7.3 传感器的选择(Sensor Selection),7.3.2 应使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得考察惯性力可能导致的破坏或故障时宜做加速度测量。考察振动环境（采用振动烈度）宜做振动速度的测量。要监测机器的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器做位移的测量。选择时还需要注意能在实际机器设备安装的可行性。,传感器的选择,7.3.3 传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标 各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围 拾振器质量大，其上限频率就低、灵敏度高。质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度计为例:超低振级测量的都是质量超过100g灵敏度很高的加速度计。高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。,传感器的选择,使用环境、价格、寿命、可靠性、维修、校准激光测振有很高的分辨力和测量精确度。对环境（隔振）要求极严、设备又极昂贵。只适用于特殊环境下测量，如实验室测量、校准等。电涡流传感器对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中，且能在高温、油污、蒸汽介质环境下长期可靠地工作。比较电容、激光传感器对相位有严格要求时，除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性。,传感器的选择,传感器对被测构件附加质量的影响 传感器固定在被测物体上，对被测量有影响。修正为,切削动态特性检测图,传感器的选择,相对振动测量方法,使用非接触式传感器的相对运动测量系统,7.4 振动测量方法（Methods of Vibration Measurement）,振动测量方法,前置器,远距离指示仪表,机器结构,用于报警停机,记录和分析仪,表得任选输出,非接触式传感器,轴,前置器,绝对振动测量方法,使用非接触式传感器和惯性传感器的绝对运动测量系统,振动测量方法,前置器,远距离指示仪表,机器结构,非接触式传感器,轴,用于报警停机,记录和分析仪,表得任选输出,前置器,一般测试方法 信号拾取信号调理信号记录信号分析处理结果输出,振动测量方法,7.5 机器状态监测与分析（Machine Condition Monitoring and Analysis）,目的：保证设备安全、可靠运行提高设备利用率和经济效益科学管理与决策，革新设备维修体制由事后维修、计划维修向预知维修（视情维修）转变分析方法：时域：波形分析、统计相关等频域：频谱分析,机器状态监测与分析,选择刀杆垂直方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感器拾取。检测和分析系统如图所示。切削条件是刀具角度为；工件材料为45钢；切削用量为,7.5.1 制造过程状态监测与分析,切削过程刀具磨损的状态识别,机器状态监测与分析,B,A,频谱分析低通滤波器1 000 Hz,417.9,机器状态监测与分析,未切削时的频谱,开始切削后的频谱,切削时间增加，刀具有磨损,刀具有磨损更多,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,5,10,15,20,25,30,417.9,f/Hz,S(,f,),0,100,200,300,400,500,600,700,800,0,5,10,15,20,25,30,398.4,S(,f,),f/Hz,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,5,10,15,20,25,30,417.9,328.1,S(,f,),f/Hz,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,5,10,15,20,25,30,417.9,78.1,S(,f,),f/Hz,机器状态监测与分析,切削时间增加，刀具磨损加剧,切削时间增加，刀具磨损加剧,刀具磨损特征频率与切削时间关系,刀具磨损量与切削时间关系,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,5,10,15,20,25,30,417.9,58.5,S(,f,),f/Hz,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0,50,100,150,200,250,300,350,特征频率 f/Hz,f/Hz,t/min,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,0,5,10,15,20,25,30,417.9,39.0,S(,f,),0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,t/min,刀具磨损量/mm,高频频谱分析-无低通滤波器,418,机器状态监测与分析,418,未切削时的频谱,开始切削后的频谱,切削时间增加，刀具有磨损,刀具有磨损加剧,0,500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000,0,10,20,30,40,50,S(,f,),f/Hz,f/Hz,f/Hz,f/Hz,f/Hz,0,500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000,0,10,20,30,40,50,418,836,2 680,S(,f,),0,500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000,0,10,20,30,40,50,418,836,2 220,S(,f,),0,500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000,0,10,20,30,40,50,1 620,S(,f,),机器状态监测与分析,特征频率、特征频率峰值、自相关函数、样本方差与切削时间的关系,t/min,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,1,1.25,1.5,1.75,2,2.25,2.5,2.75,3,特征频率 f/kHz,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,t/min,一步自相关函数 r1,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,S,(,f,),t/min,t/min,特征频率谱峰,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,0,1,2,3,4,5,6,x1000,样本方差 s 2,金属切削颤振(chattering),颤振发生前后振动波形图,机器状态监测与分析,0,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,x10,t/min,振动幅值/mm,振动幅值/mm,频谱分析,颤振未发生,颤振已发生,颤振剧烈,机器状态监测与分析,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,1,2,3,4,5,S,(,f,),300,f/Hz,f/Hz,f/Hz,功率谱,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,0,1,2,3,4,5,S,(f,),180,功率谱,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,0,1,2,3,4,5,180,300,S,(,f),功率谱,统计分析,机器状态监测与分析,0,10,20,30,40,50,60,0,1,2,3,4,5,x1000,t/min,t/min,样本方差 s 2,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,0,0.25,0.5,0.75,1,-0.25,-0.5,-0.75,-1,一步自相关函数 r1,7.5.2 旋转机械的状态监测与故障诊断,振动测试的重要性常见故障：质量不平衡 轴弯曲 不对中 摩擦 油膜涡动 松动 裂纹 点蚀 断齿,裂纹转子,机器状态监测与分析,思考：轴的自转与公转传感器安装方向轴心轨迹右图轴心位置下页,振动信号的表示及其轴心轨迹,机器状态监测与分析,y,S,t,K,S,S,S,o,P,y,t,A(p-p),x,A1,1,B1,max,S,B(p-p),传感器B,由传感器A测得的波形,传感器A,由传感器B测锝的波形,(p-p)max,S,S,轴心位置图轴在轴承中悬浮的位置,机器状态监测与分析,左图是一台水泵的谱图，图中2 处有峰值，存在某种程度的不对中。检查发现不对中量达0.254 mm。找正后谱图（右图）2处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。说明：（1）两次测量结果，1 处的幅值无明显变化，而2处幅值变化很大，这正是不对中故障的典型频谱特征。（2）在2 附近有两个谱峰，一个在7 100 rmin处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在7 200 rmin处，它是电动机定子绕组中电气故障引起的。,1X,2X,1X,2X,不对中,机器状态监测与分析,2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min,2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min,四辊轧机垂直振动速度检测与颤振,出现120250Hz颤振的振动频谱图,机器状态监测与分析,旋转机械振动评定标准 目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为：1)轴承振动评定，用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量 2)轴振动评定，用非接触式传感器(例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值，它代表了振动能量的大小)来表示。,7.6 振动评定标准(Standard of Vibration),振动评定标准,转速/(r/min),标准/mm,优,良,合格,1500,30,50,70,3000,20,30,水电部汽轮机组振动标准(双振峰),离心鼓风机和压缩机振动标准,标准,转速/,3000,6500,10000,10000-16000,主轴轴承/mm,50,40,30,20,齿轮轴承/mm,40,40,30,振动评定标准,振动评定标准,在制定上述振动标准时，假设：机组振动为单一频率的弦波振动；轴承振动和转子振动基本上有一固定比值，因此可利用轴承振动代表转子振动；轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。实际证明上述假设与事实不尽相符:所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；转子振动和轴承座振动的比值，可以达250倍，它与轴承形式、间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同。,振动评定标准,为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其他的振动标准 振动烈度。,振动烈度与振动位移的关系,振动评定标准,GB11347.1-89,大型旋转机械振动烈度评定等级,轴承振动烈度,支承分类,(,),1,-,.,s,mm,v,rms,刚性支承,柔性支承,0.46,0.71,1.12,1.8,2.8,4.6,7.1,11.2,18.0,28.0,46.0,71.0,C,B,B,C,A,A,D,D,振动评定标准,GB/T 11347.1-89,位移的测量,按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。,按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。,（1）位移测量的分类,（2）位移测量时应注意的问题,测量方向与位移方向重合,位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。,如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该测量方向上的分量，,而不能真实反映需测位移的大小。,位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。,7.7 位移的测量(Displacement Measurement),7.7.1 常用位移传感器(displacement sensor),常用位移传感器(2/4),常用位移传感器(3/4),常用位移传感器(4/4),7.7.2 位移测量应用实例(Examples of Displacement Measurement),1.轴位移的测量,轴位移不仅能表明机器的运行特性和状况。而且能够指示推力轴承的磨损情况以及转动部件和静止部件之间发生碰撞的可能性。,在工业现场，常用电涡流位移传感器来测量轴位移。,在位移测量中只考虑传感器中的直流电压成分。,轴位移分为相对轴位移（即轴向位置）和相对轴膨胀。,（1）相对轴位移的测量,相对轴位移,是指轴向推力轴承和导向盘之间的距离变化。,导向盘和轴承之间必须有一定的间隙以便能够形成承载油膜。,位移测量应用实例(2/21),涡流传感器,轴,正常运转位置,停机位置,紧急报警位置,相对轴位移测量示意图,位移测量应用实例(3/21),(2)相对轴膨胀的测量,是指旋转机器的旋转部件和静止部件因为受热或冷却导致膨胀或收缩量。,相对轴膨胀的测量,相对轴膨胀的测量在旋转机器的启/停机过程十分重要。,因为机组加热和冷却时转子和机壳会发生不同的膨胀。,例如，功率大于1 000 MW的大汽轮机的相对膨胀可能达到50 mm。,位移测量应用实例(4/21),可以测量大约25 mm的相对轴膨胀,位移测量应用实例(5/21),两个涡流传感器构成差分电路进行补偿,原理？,测量50 mm或更大相对轴膨胀,位移测量应用实例(6/21),双锥面,位移测量应用实例(7/21),位移测量应用实例(8/21),2.回转轴径向运动误差的测量,回转轴运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现的附加运动。,运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动（端面运动误差）和在垂直于轴线的平面内的移动（径向运动误差）。,端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。,因此，在讨论运动误差时，应指明测量点的位置。,常用径向误差测量。,位移测量应用实例(9/21),回转径向运动误差测量示意图,位移测量应用实例(10/21),3.厚度测量,厚度测量分为非接触式测厚和接触式测厚。,（1）非接触式测厚,X射线测厚仪,检测器,位移测量应用实例(11/21),对于窄束入射线，在其穿透被测材料后，射线强度 I 的衰减规律为,I=I0e-h,式中，I0 入射射线强度；吸收系数；h 被测材料的厚度。,当 和 I0 一定时，I 仅仅是板厚 h 的函数。所以，测出 I 就可以知道厚度 h。,位移测量应用实例(12/21),（2）接触式测厚,导辊以保证在测量时带钢与传感器垂直,4.物位的测量,物位是液位、料位以及界面位置的总称。,测量物位有时是为了测知容器中物体的多少、大小（静态测量）；有时是为了对容器中的物体进行监控，调节物料的进出速度，或在物位接近极限位置时能提前报警（动态连续测量）,常用测量方法：,（4）放射性同位素测量法,（1）电感测量法,（2）电容测量法,（3）超声测量法,位移测量应用实例(13/21),（1）电感测量法,位移测量应用实例(14/21),缺点：机械和机电式测量仪几乎无法测粘液粒状、粉末状材料的物面。,原理：利用电感探头（线圈、铁心等）通过刚性杆感受浮子的运动，从而实现液位数字显示的,（2）电容测量法,1 部分或整体绝缘的棍电极；2 具有内外电极的管式电极；3、4 拉紧或放松的绳电极；5 反电极。,容器壁由金属材料制成时，只需装入电极 1或 3或 4容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。,容器壁由非金属材料制成时用管式电极 2，或对电极 1、3、4另附一个反电极 5，也可用金属带 6与1、3、4组合。5、6均需接地。,用于连续测量的探头,位移测量应用实例(15/21),测量电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其他材料。,物位变化时，电容器的电容变化值与被测材料的高度成线性关系,式中：h 电容器的总高度；C0 初始电容值。,用于极限位置监控的探头,1 部分或全部绝缘的棍电极或绳电极；3 侧面安装的棍电极；4 平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器物体的测量，如搅拌器。,如果容器为非导电材料制成，同样需另外附加一个反向电极。,位移测量应用实例(16/21),（3）超声测量法,通过被测物体使声波短路或断路,或使振荡器频率改变停振而定点发信号的物位计，多用于极限位置监控。,位移测量应用实例(17/21),发射器,接收器,（a）,换能器,（b）,连续发出声波信号，其在界面处发生反射再由接收器接收，测出信号从发出到返回的时间，从而得物位高度，它多用于物位的连续测量。,位移测量应用实例(18/21),（c）,换能器,（d）,（4）放射性同位素测量法,在那些由于极端条件（如高压、高温、高真空度、高腐蚀性等）而不能使用常规方法测量的场合，以及因结构等因素不允许装探头或装探头成本较高的容器、地窖、地下库可采用同位素法测量物位。,放射性同位素测量物位的原理是基于射线经过被测物体时，会被材料吸收而使射线探测器接收到的射线强度发生变化。,辐射器的配置方式：,1）测量结构示意图2）输入量与输出量之间的特性曲线,一个辐射器发出两束射线的配置方式。对准两束射线的计数器互相并联。液位经过极限位置时，输出信号就会发生突变，以此来启动继电器，而在液位 hmin 至hmax 之间输出几乎为常数。,位移测量应用实例(19/21),输入量与输出量之间的特性曲线,位移测量应用实例(20/21),将接收计数器排成一排串联起来，适用于大量程的测量，高度测量范围可达 1.2 m。,采用若干个辐射源整齐排列进行近似连续测量，液位高度与输出特性曲线有台阶。该方法可使被测高度三倍于容器直径。,位移测量应用实例(21/21),