设备振动测量方法.ppt

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1、设备振动测量方法,一、振动基本知识及一般测量方法二、测振传感器的选择及应用三、目前市场上主要测振仪器四、振动参数的测量和振动信号的分析,一、振动基本知识及一般测量方法,2013年10月8日,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,振动的基础知识,2013年10月8日,振动测量形式：测量机器或结构

2、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。,振动的基础知识,一般来说，仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动，又包含有随机振动，但对于一个线性振动系统来说，振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。下面是振动的一些分类：,振动的基础知识,按时间历程分类，分为确定性振动和随机振动两大类。,机械振动,非周期的,随机的,确定的,周期的,非平稳的,平稳的,简谐振

3、动,复杂周期振动,准周期振动,瞬态和冲击,各态历经的,非各态历经,振动的基础知识,2013年10月8日,振动信号三要素：1）幅值 amp：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,2013年10月8日,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,2013年10月8日,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

4、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-A2,2013年10月8日,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,2013年10月8日,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,振动测量方法,振动测量方法分类 振动测量方法按振动信号转换的方式可分为：电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量 测试仪器进行测量

5、；机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来；光学法：利用光杠杆原理，读数显微镜、光波干涉原理 以及激光多普勒效应进行测量；,各种振动测量方法的比较：,振动测量方法,振动测量方法,二、测振传感器的选择及应用,拾取振动信息的装置通常称拾振器，振动传感器是其核心组成部分。拾振器的作用是检测被测对象的振动参数（位移、速度、加速度、频率、相位），在要求的频率范围内正确地记录，并将此机械量转换成电信号输出。,测振传感器的选择及应用,按测振参数分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器；按参考坐标分：相对式传感器、绝对式传感器；按变分原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电 容式、电涡流式、光学式

6、；按与被测物关系分：接触式传感器、非接触式传感器,测振传感器的选择及应用,按测振时拾振器是否与被测件接触可将拾振器分为：接触式和非接触式 按所测的振动性质可将拾振器分为：绝对式和相对式,测振传感器的选择及应用,常用传感器：,涡流位移传感器电容传感器磁电式速度计压电式加速度计阻抗头,测振传感器的选择及应用,电涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。,高频电磁场 涡流Is 反向的磁场 线圈自感L或线圈阻抗ZL的变化,电涡流式传感器：,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,18,电涡流传感器除用来测量静态位移外，被广泛用来测量汽轮机、压缩机、

7、电机等旋转轴系的振动、轴向位移、转速等，在工况监测与故障诊断中应用甚广。,电涡流位移传感器测量轴振动的示意图,轴心轨迹和2个传感器的时域波形图,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,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,测振传感器的选择及应用,电容传感器：,非接触式电容传感器常用于位移测量中。接触式的电容传感器常用于振动测量。该类型信号 的信号转换放大电路主要采用频率调制型（增大电路的灵敏度和可靠性）。工作频率范围：0Hz300Hz,实现超低频测量；连接方式为螺栓或粘接

8、；其性能为低噪声，分辨率达 0.1mg。,测振传感器的选择及应用,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,12,磁电式速度传感器为惯性式速度传感器，其工作原理为：当有一线圈在穿过其磁通发生变化时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比。磁电式绝对速度计 磁电式相对速度计,磁电式速度传感器：,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,13,在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2 一起随被测系统的振动而振动，装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,磁电式绝对速度计：,测振传感器的选择

9、及应用,2013年10月8日,14,基础运动所引起的受迫振动，当wwn时，质块和壳体的相对运动和 基础的振动近乎相等。根据上述原理，被测物（它和壳体固接）与质量块的相对速度就近似其绝对速度。这样绝对式速度计实际上是先由惯性系统将被测物体的振动速度转换成质块壳体的相对速度，而后用磁电变换原理，将转换成输出电压。,1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,15,磁电式传感器还可以做成相对式的，用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动势来。,1

10、顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,磁电式相对速度计,测振传感器的选择及应用,常用压电传感器：,测振传感器的选择及应用,惯性式压电加速度计,中心压缩型 高的共振频率，基座变形影响输出，测试对象和环境温度变化易引起温度飘逸。三角剪切型 有高的共振频率和良好的线性，对底座变形和温度变化有良好的隔离作用。环形剪切型 极小型的，高的共振频 率，最高工作温度受限制。,使用时注意：共振频率与加速度计的固定状况有关,测振传感器的选择及应用,加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。,压电加速度计的幅频特性：,测振传感器的选择及应用,2013年10月8日,特点频带极宽(0.220 KHz

11、)。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。,(a),(b),2013年10月8日,某系列加速度传感器特性表,测振传感器的合理选择,在振动测量时，传感器选择时应合理选择测量参数，力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得：振动位移：是研究强度和变形的重要依据；振动加速度：与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度：决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。,2013年10月8日,直接测量参数的选择：低频时加速度的幅

12、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,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。,测振传感器的选择,2013年10月8日,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。

13、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。,测振传感器的选择,2013年10月8日,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。,测振传感器的选择,测振传感器的选择,此外，选择传感器时，还要综合考虑：直接测量参数的选择低频时加

14、速度信噪比差高频时位移信噪比差综合考虑传感器的各个指标灵敏度、测量范围、频率范围考虑到具体的使用环境、被测量设备等具体状况,三、目前市场上的主要测振仪器,2013年10月8日,20,振动分析仪器,目前市场上常见的振动分析仪器主要有4种：测振仪 频率分析仪FFT分析仪虚拟频谱分析仪,2013年10月8日,21,（1）测振仪 测振仪是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的仪器。这一类仪器一般包括微积分电路、放大器、检波器和表头。它能使人们获得振动的总强度（振级）的信息，而不能获得振动频率等其它方面的信息。,某系列袖珍式测振仪,振动分析仪器,2013年10月8日,2

15、2,（2）频率分析仪 模拟量频率分析仪目前仍是振动测量较常用的分析设备。它主要由模拟带通滤波器组成。振动信号转换成电信号后，经中间变换电路输入频率分析仪，手控或自动扫描就可完成所需频带的频谱分析。,振动分析仪器,2013年10月8日,23,（3）FFT分析仪 FFT分析仪是以微处理器为核心和以快速傅里叶变换算法为基础的数字分析仪，精度高、动态范围大、功能多、性能稳定、抗干扰能力强。,手提式双通道FFT分析仪,振动分析仪器,2013年10月8日,24,（4）虚拟频谱分析仪 虚拟仪器的核心是具备各种功能的软件系统，通常包括计算机图形软件，数据处理软件和显示测量结果的测试系统软件等。也包括少量的仪器

16、硬件（例如数据采集硬件）以及将计算机与仪器硬件相连的总线结构等。,振动分析仪器,测振仪器对振动信号的处理与分析一般的谱分析：在采样前应经抗混叠滤波，并根据最高频率和采样定理来选择采样频率。一般先估计信号中感兴趣的最高频率，据此选择抗混叠滤波器的截止频率，而后确定采样频率。通过自功率谱的分析最终可以得到信号频谱结构的全貌。与激振频率同频成分的提取：用相关滤波或FFT算法都可以实现这种要求。对于FFT，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使FFT谱线落在参考信号的频率上。为此截取信号时长等于参考信号周期的整数倍。宽带激励下系统传输特性的求法：这时分析的两个信号记录应该是同时发生的，不允许有时差；两通道应

17、该使用相同的采样频率和时长；频谱分析使用相同的窗函数和分析程序。一般采用多段记录分析，将其进行平均，以提高测试的精度。,振动分析仪器,四、振动参数的测量和振动信号的分析,设备状态监测与分析,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转变。依据：任何设备的振动测量都应依据其振动标准，也就是说要知道设备正常工况下各性能参数的值或范围。分析方法：时域：波形分析、统计相关等；频域：频谱分析。,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

18、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。,振动评定标准,振动参数的测量,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,振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼

19、比等物理量。1）振幅的测量振动量的幅值是时间的函数，常用峰值、峰峰值、有效值和平均绝对值来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过程时常用有效（均方根）值和平均绝对值表示。有效值和平均绝对值分别定义为z有效=zrms=z|平均|=Z=对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为 式中，zf 为振动峰值。,振动参数的测量,2）谐振动频率的测量 简谐振动的频率是单一频率，测量方法分直接法和比较法两种。直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示波器通过比较测得频率。常

20、用的比较法有录波比较法和李沙育图形法。录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期或频率。李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y轴及x轴，根据荧火屏上呈现出的李沙育图形来判断被测信号的频率。,振动参数的测量,3）相位角的测量相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差求出相位差；李沙育图测

21、相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。,振动参数的测量,4）阻尼比测量阻尼比是导出参数，可以通过测量振动的某些基本参数，再用公式算出。常用的方法有振动波形图法、共振法、半功率点法和李沙育图法四种。以上参数都有直接和间接两种测量方法。直接法及直接测得振动的某个瞬时值，将其显示或者利用统计的方法进行分析处理；间接法则要通过示波器或者标准谱进行对比后得出结果。,振动参数的测量,在振动测量中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函数。利用信号处理技术，通过傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析。频谱分析技术包括幅值谱分析、自功率谱密度函数分析、

22、互功率谱密度函数分析、相干函数分析、倒频谱分析等。振动信号经过频谱分析，可以求得信号的频率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以对被测对象进行振动监测和故障诊断。机器故障诊断学是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。机器故障诊断技术很复杂，方法也很多。利用振动和噪声的响应信号，并对其进行频谱分析则是常采用的主要诊断手段。,振动信号的频谱分析,振动信号的分析,某震颤发生前后振动波形图,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

23、,4.5,5,5.5,x10,t/min,振动幅值/mm,振动幅值/mm,振动信号的时域图,振动信号的分析,频谱分析,颤振未发生,颤振已发生,颤振剧烈,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,振动信号的分析,设备振动测量的关键问题：如何选择合适的传感器；选择什么样的振动参量来衡量设备的振动状况；对采集的复杂信号进行有效的处理和精确地分析；准确判断设备的振动是正常还是异常。,总结,