振动检测技术

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2.机械振动检测技术
机械运动消耗的能量除了做有用功外，其他的能量消耗在机械传动 的各种摩擦损耗之中并产生正常振动，如果出现非正常的振动，说明 机械发生了故障。这些振动信号包含了机械内部运动部件各种变化信 息。分辨正常振动和非正常的振动，采集振动参数,运用信号处理技术 ,提取特征信息,判断机械运行的技术状态，这就是振动检测。
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球出相位差; 李沙育图测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。
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电动力式激振器
电动力式激振器工作原理与电动力式扬声器相同,主要是利用带电导体 在磁场中受电磁力作用。电动力式激振器按磁场新城的方式不同可以分 为永磁式和励磁式两种,前者用于小型激振器,后者一般用于大型激振台。 如下图所示电动力式激振器结构图。该激振器是由永磁铁、激励线圈、 芯杆与顶杆组合体和弹簧片组成。动圈产生的激振力经芯杆和顶杆组件 传给被测试物件。
磁致伸缩现象的逆效应称为磁弹性效应,即铁磁材料在受拉或者压力作用时 会改变其磁化强度,利用此效应便可以制造磁弹性振动传感器。如下图所示是 一种磁致伸缩式声传感器。
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激光振动传感器
基本原理：激光干涉。如下图所示是一种迈克尔干涉仪的装置原理图。由于 这是一种非接触式速度传感器，不影响被测体的结构，这种传感器的典型应用 有：
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1.振动概述
机械振动是指机械或结构在平衡位置附近的往复运动。 机械振动是自然界,工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象,任何一 台运行着的机器,仪器和设备都存在着震动现象。 机械振动应用:
振动的灾害：
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振动测试的目的:
1.检查机械运转时的振动特性,检查检验产品质量,为设计提供依据; 2.考核机械设备承受震动和冲击的能力,并对系统的动态响应那个特性 进行测试; 3.分析查明振动产生的原因,寻找震源,为减振和避振措施提供依据; 4.对工作机进行故障监控,避免重大事故发生。
二、振动和振动测量系统
1、振动信号分类
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确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动包括 简谐振动和复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动和瞬态振 动。准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成,在这些不同频率的 简谐分量中,总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数, 因而是非周期振动。
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1.相对式电动传感器
电动式传感器基于电磁感应原理,即当运动的导体在固定的磁场里切 割磁力线时,导体两端就感生出电动势,因此利用这一原理而生产的传 感器称为电动式传感器。
2.电感式传感器
依据传感器的相对式机械接收原理,电感式传感器能把被测的机械振 动参数的变化转换成为电参量信号的变化。
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3.电容式传感器
电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积 式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转 振动的角位移。
4.惯性式电动传感器
从传感器的结构上来说,惯性式电动传感器是一个位移传感器。然 而由于其输出的电信号是由电磁感应产生,根据电磁感应电律,当线圈 在磁场中作相对运动时,所感生的电动势和线圈切割磁力线的速度成 正比。
随机振动是一种非确定性振动,它只服从一定的统计规律性。可 分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历 经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。
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。
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振动检测技术
机械电子工程 高卫丽
一、背景
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振动检测是状态检测的手段之一，任何机械在输入能量转化为有用功 的过程中，均会产生振动；振动的强弱与变化和故障有关，非正常的震 动感增强表明故障趋于严重；不同的故障引起的振动特性各异，相同的 振动可能是不同的故障；振动信号是在机器运转过程中产生的，就可以 在不用停机的情况下检测和分析故障。
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2、振动测量系统
（1）振动测量方法分类 振动测量的方法按振动信号转换方式的不同，可分为电测法、
机械法和光学法。其简单原理和优缺点如下列所示：
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a.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，这种方法灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和 遥测，但是易受电磁场干扰，是目前最广泛采用的方法； b.机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来，这种抗干扰能 力强，频率范围及动态范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响 测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量； c.光学法：利用光杠杆原理、读取显微镜、光波干涉原理，激光多普勒 效应等进行测量，这种方法不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量 小及不易安装传感器的试件作非接触测量，在精密测量和传感器、测振 仪标定中用的较多。
对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为
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2.谐振动频率的测量
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。常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法。
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目前广泛应用的是电测法，所以我们主要讨论电测法 （2）电测法振动测量系统
有图可见，一个一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间 变换电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。
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下面分别就这些组成环节做一简单介绍
a.测振传感器 拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定整
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下面简单的选择压电片谐振式振动传感器说明其的工作原理和特点
压电片谐振式振动传感器使用压电片直接将振动信号转换为电信 号输出。市售的普通压电片的谐振频率都在音频段的高端,与振动信 号频率相差较大。为了降低诸振频率,人们使用弹簧球与压电片基体 连接,其结构如图1所示。在降低整体谐振频率的同时,弹簧也降低振 动能量的消耗,延长振动衰减的时间,增强了振动效果。
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,根据荧屏上呈现出的李沙育 图形来判断。
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3.相位角的测量
三、振动参量的测量
振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。 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值和平均绝 对值表示。有效值和平均值分别定义为
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c.振动分析仪器
从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适 当的分析处理,以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪 器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚似频谱分析仪等。
1.测振仪 2.频率分析仪 3.FFT分析仪 4．虚拟频谱分析仪
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压电片谐振式振动传感器的优点是:1结构简单,取材方便;2安装方 便,使用寿命长。其不足是: 1谐振频率高,容易受到声音的干扰 2输出 阻抗高,输出信号典型的三极管放大电路如图所示。
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谢谢
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。

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三、常用的几种振动传感器
振动传感器的分类比较多,它的工作原理主要有机械接收原理 、机电变换原理两种。按照机械接收原理可分为相对式、慢性 式；按照机电变换原理可分为电动式、压电式、电涡流式、电 感式、电容式、电阻式、光电式；根据振动传感器所测里的参 数可以分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感 器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器等等。下边列举了 几种振动传感器。
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5.压电式加速度传感器
利用晶体的压电效应,可以制成测力传感器,在振动测量中,由于压电 晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力,所产生的电荷数和加速度 大小成正比,所以压电式传感器是加速度传感器。
6.电阻应变式位移传感器
电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的 变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是 电阻应变式的传感器。
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b.激振器
激振器是对试件施加某种预定要求的激振力,使试件受到可 控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测 系统的影响,应尽量使激振器体积小、重量轻。
激振器的种类繁多，根据工作原理一般可以分为机械式、 电磁式、压电式以及液压式，下面对于几种常见的激振器进 行简单介绍。
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脉冲锤
脉冲锤用来在振动试验中给被测对象施加一个局部冲击激励。下图为 常用的脉冲锤结构示意图。由锤头、锤头垫、力传感器、锤体、配重块 组成。锤头和锤头垫用来冲击被测试件。
个仪器或系统的性能。 根据线性系统的叠加原理，振动的响应是振动系统拾振部分对
各个谐振动响应的叠加。常见的测振传感器类型有发电型、电参数 变化型以及伺服型，下边列举了两个常用测振传感器。
磁致伸缩式振动传感器
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激光振动传感器
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磁致伸缩式振动传感器
基本原理：当一个磁极材料被磁化时,元磁体(分子磁体)极化方向的改变将会 引起外部尺寸的改变,该现象成为磁致伸缩。这种长度的相对变化dl/l在饱和磁 极时其值非常小。若施加一种交变的磁场,那么这种现象会产生一种周期性的 形状改变和机械振动。而这一效应会产生交流噪音,同时这也可以用来制作磁 致伸缩转换器,用以产生超声波。