振动及频谱分析基础培训
第一章简谐振动与频谱分析
63
64
解：
wn
k m
gk W
980*5.78*104 1.47 *105
19.6
重物匀速下降时处于静
平衡位置，若将坐标原点取在绳被卡住瞬时重物所 在位置，则t=0时有:
x0 0
x0 v
其振动规律为：
x
x0
cos nt
x0
n
sin
nt
65
因为：
x0 0 x0 v
根据：
x
x0
cos nt
T cosnw1( 2
t)
T cosnw1( 2
t)
T
T
sin 2w1( 4 t) sin 2mw1( 4 t)
下图
几种常见的波谱
方波及其频谱 锯齿波及其频谱
几种常见的波谱
三角波及其频谱 阻尼振动及其频谱
作业
• 一个机器内某零件的振动规律为 x=0.5sinwt+0.3coswt, x 的单位是cm，w=10π 1/s. 这个振动是否简谐振动，求出它的振幅，最大 速度，最大加速度，并用旋转矢量表示三者之 间的关系
2. 能量法： 由Tmax=Umax , 求出 n
3. 瑞利法： n
g
st
st ：集中质量在全部重力
作用下的静变形
4. 等效刚度法:
72
2. 能量法： 无阻尼自由振动系统为保守系统，机械能守恒。
当振体运动到距静平衡位置最远时，速度为零，即系统 动能等于零，势能达到最大值（取系统的静平衡位置为零势 能点）。
1.2 周期振动的谐波分析
任何一周期函数都可表示为简谐函数的合 成。也就是说，任何一个复杂的周期振动 x(t)都可以分解为一系列简谐振动之和
振动分析培训计划
振动分析培训计划下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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振动试验理论基础与方法培训
申 奥
2.1.3 电动振动台原理 励磁线圈如图示 2-2 在振动台台体内建立磁场，励磁线圈与直流电源相连，在环行气隙里产生一个高磁
通量。动圈部件，包括台面、骨架和驱动线圈，悬挂在振动台的环行气隙里，当交流电流通过驱动线圈时， 电磁力会在驱动线圈的绕组上产生，使得台面产生向上和向下的往复移动，如图示 2-2 中双向箭头处显示。 台面的移动量取决于振动控制器输出的驱动信号的大小和频率以及扩展台面（如果有的话）的质量、所加的 负载质量和台面悬挂系统的刚度。
根据输出信号不同，分为常规电荷压电和 ICP 压电传感器。
奥 b 压阻式加速度传感器，自发式传感器，其电阻的变化与所承受的机械应力成正比。
c 变电容式加速度传感器，其电容的变化与所承受的机械应力成正比。 （3）按功能分：控制传感器、监测传感器。
测 2.2.3 结构 加速度传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件（弹簧）、敏感元件和适调电路等部分组成，在加速过 程中，通过测量质量块所受的惯性力，利用牛顿第二定律获得加速度。
3.8 响应监测与分析 3.8.1 频率响应分析 系统在外激振作用下发生振动响应，通过采集反馈的振动输出信号，分析各振动参量在频率域的响应信号， 包括加速度频响、速度频响、位移频响。
3.8.2 共振分析 （1）目的：分析在测试振动频率范围，夹具或试样是否发生共振，及固有频率。
振动测试技术基础培训
航空航天工程应用
• 神州飞船
航天
• 飞机整机强度试验、模态
试验
• 飞机发动机试验、整机测 试、动部件测试等
• 火箭发动机点火试验
• 卫星地面试验
旋转设备状态监测
• 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关 系到整个生产线流程。通常建立状态（定期或在线）监测系统。
石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。
2 响应特性
传感器的响应特性是指在所测频率范围 内，保持不失真的测量条件。
实际上传感器的响应总不可避免地有一 定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
3 线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。在 线性范围内输出与输入成比例关系，线性范 围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传 感器工作在线性区域内，是保证测量精度的 基本条件。
4R
金属丝应变片： dR (1 2 )
R
V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变
电桥的接法：
单臂
半桥
全桥
动手做：
1. 自己动手在等强度梁上粘 贴应变片。
2. 使用应变测试系统测试等 强度梁应变值。
电涡流位移传感器
原理:涡流效应
产品：
电涡流转速传感器
磁电式速度传感器
1.变换原理:
• 在一定的应力范围（弹性形变）内， 材料的应力与应变量成正比，它们的 比例常数称为弹性模量或弹性系数 。
• 胡克定律（弹性定律）
传感器基础—被测物理量
• 振动位移：就是质量块运动 的总的距离，也就是说当质 量块振动时，位移就是质量 块上、下运动有多远。
• 位移的单位可以用µm 表示。 • 进一步可以从振动位移的时
振动及频谱分析基础培训
3
两者相互促进
在许多应用中，信号处理和频谱分析是相辅相成 的，共同实现信号的准确分析和处理。
03
振动测量与仪器
振动测量系统的组成
传感器
用于将振动信号转换为 电信号，是振动测量的
关键元件。
信号线
用于传输传感器输出的 电信号，需具备抗干扰
和低损耗特性。
信号调理器
对电信号进行放大、滤 波等处理，以适应后续
谢谢观看
信号平滑
通过移动平均或低通滤波等方法， 消除信号中的突变和跳变，使信号 更加平滑。
信号的特征提取
时域特征
提取信号的峰值、均值、方差等 统计特征，用于描述信号的强度
和稳定性。
频域特征
通过傅里叶变换等手段将时域信 号转换为频域信号，提取频率成
分、频谱峰值等特征。
时频域特征
利用小波变换等方法，同时分析 信号的时域和频域特征，提取信
振动及频谱分析基础培训
目录
• 振动基础 • 频谱分析基础 • 振动测量与仪器 • 振动信号处理技术 • 振动故障诊断技术 • 实际应用案例
01
振动基础
振动的基本概念
01
02
03
04
振动
物体在平衡位置附近往复运动 的运动形式。
振动系统
由弹性元件、阻尼元件和质量 元件三个基本元件组成的系统
。
振动频率
信号采集
使用振动测量仪器采集设备的 振动信号。
数据处理
对采集的信号进行预处理，如 滤波、去噪等。
特征提取
从处理后的信号中提取出反映 设备状态的参数和特征。
故障诊断
根据提取的特征与标准库中的 数据进行比对，判断设备的状
态和故障类型。
同济大学机械振动-简谐振动与频谱分析基础
第二章简谐振动与频谱分析基础引子－混合动力汽车起步抖振简谐振动与频谱分析基础引子－混合动力汽车起步抖振2013-09-14简谐振动与频谱分析基础引子－混合动力汽车起步抖振2013-09-14简谐振动与频谱分析基础5 2.1简谐振动及其表示方法2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法sin()x A t ω=ATTt()x t 2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法sin()x A t ω=T Tsin(x A =t()x t Asin(x A =φω2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法位移2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.1.1 简谐振动的正弦函数表示法简谐振动与频谱分析基础132.1.2 简谐振动的旋转矢量表示方法tφω=()x t ω角位移相位周期2π2.1.3 简谐振动的复数表示方法2.1.3 简谐振动的复数表示方法欧拉公式:2.1.3 简谐振动的复数表示方法虚部–sine wave实部–cosine wave2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.1.3 简谐振动的复数表示方法2.2周期振动的谐波分析2.2.1 谐波分析的概念2.2.2 周期振动的傅立叶级数2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）例题：对图示周期方波作谐波分析，并绘制频谱图。
2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2. 三要素:2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）2013-09-14简谐振动与频谱分析基础2.2.2 周期振动的傅立叶级数（续）回顾周期振动的傅立叶级数回顾周期振动的傅立叶级数（续）2.2.3 傅立叶级数的复数形式2.2.3 傅立叶级数的复数形式(续)∞ax2.2.3 傅立叶级数的复数形式(续)a-ib2.2.3 傅立叶级数的复数形式(续)⎫⎛2.2.3 傅立叶级数的复数形式(续)2.2.3 傅立叶级数的复数形式(续)例题：求图示周期性矩形脉冲波的复数形式的傅立叶级数，并绘制频谱图。
振动测量技术-振动信号的频谱分析振动
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
5.1.2 振动测量系统
1.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
电磁式 激振器
交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性的 交变吸力，作为激振力
用于非接触激振，频率范围宽、 设备简单，振动波形差，激振 力难控制
电液式 激振器
用小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制油 缸，油缸驱动台面产生周期性正弦波振动
激振力大，频率较低，台面负 载大，易于自控和多台激振， 设备复杂
(2) 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。表 5.3列举了部分常用的激振器。
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
表5.3 部分常用的激振设备
名称
工作原理
适用范围及优缺点
永磁式电 动激振器
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
(3) 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
振动测量技术-振动信号的频谱分 析振动
2. 电测法振动测量系统
干扰
激振
系统
测振传感器
中间变换电 路
信号发生器 功放
振动检测分析基本概念知识
10/07/1998 1:32:32
14/08/1998 1:23:53
11/09/1998 1:25:20
mm/s
rms
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Velocity
其意义是…..?
如何用于评价机器状态
振动的标准 IRD.Machanalysis 通用旋转机械 振动位移和速度 标准
如何用于评价机器状态
10 Hz = 600 RPM
FFT
10 Hz
一个更复杂的频谱
Rub
Imbalance
FFT
10 Hz
80 Hz
600 CPM
4,800 CPM
使用特殊的计算方法指示在频谱中的位置 – 叫做 “激励频率”.
激励频率
分辨率 高分辨率 低分辨率
加窗
记录振动信号 段. 段的边缘必须平滑，避免 频谱泄漏.
工厂维修的作用
事后维修
也叫“故障维修” 常见的方式 (即使在今天) 可接受的运行成本
二次损害 (10X$) 高停产时间 高备件库存 安全考虑
预防维修
在故障前维修 (也叫 “计划维修”, “历史维修”, “基于日期维修”) 今天大部分工厂中常用的维修方式 假定所有机器到时失效 在失效前进行维修 停机 但是，机器什么时候失效?
缺点 机器仍然早期失效 完全良好的机器被 “维修” 停机大修常引入问题 不必要的停机时间
预防维修
预测维修
“如果机器没有问题, 不要维修!” (也叫 “基于状态的维修”) 预测机器什么时候将失效 安排在最方便的时候修理 判断 “危险” 进行 “状态监测” 确定健康状态 预测失效 合理行动 优点: 无停机时间 无意外失效 无二次损坏 计划所有维修
振动分析基础讲义1ppt课件
2、磁粉探伤法………………………………………………………… 3、涡流探伤法………………………………………………………… 4、射线探伤法………………………………………………………… 5、光学探伤法………………………………………………………… 四、油液分析技术……………………………………………………… 1、分析式铁谱仪分析技术…………………………………………… 2、直读式铁谱仪分析技术…………………………………………… 3、光谱分析技术……………………………………………………… 五、振动分析技术……………………………………………………… 1、频谱分析技术………………………………………………………
5、轴心位置图…………………………………………………………
6、全息谱图…………………………………………………………… 7、波德图……………………………………………………………… 8、奈奎斯特图…………………………………………………………
第五节 振动频谱分析技术 ………………………………
一、物理解释频谱中的每条谱线……………………………………… 1、振动频谱中存在哪些频谱分量…………………………………… 2、每条频谱分量的幅值多大………………………………………… 3、这些频谱分量彼此之间存在什么关系…………………………… 4、如果存在明显的高幅值的频谱分量，它的精确的来源…………
一、声学监测方法……………………………………………………… 1、声音和噪声的测量 ……………………………………………… 2、超声波诊断方法 …………………………………………………
二、温度监测方法……………………………………………………… 1、简易温度监测方法………………………………………………… 2、红外测温监测技术…………………………………………………
振动频谱分析基础
Fluke 810振动诊断仪——旋转机器振动基础知识——旋转机器振动测试提供关键的机器状态信息。
我们来了解一些关于振动的基础知识：y电机轴以1776 RPM的转速带动泵轴y轴上的一个重点在所有径向产生一个向外的力y传感器每转检测到一次振动y正弦波表示轴旋转时的振动y轴完整旋转一周产生一个周期的正弦波——当重点处于顶部时形成波峰，重点处于底部时形成波谷周/分钟1776 转/分钟 = 1776(转轴) (正弦波)波形分析基础——术语循环不断重复- 一个完整的正弦波为一个循环 -- 一个循环每分钟= 1 CPM - 一个循环每秒= 1 CPS (赫兹)峰值峰-峰值-RMS = 0.707 峰值-峰-峰值 = 2 峰值位移为移动的距离 d mils p-p速率为距离与时间之比V = d / t in/sec peak加速度为速率与时间之比 A = V / t in/sec2 (G) rmsFluke 810振动诊断仪——旋转机器机器部件y该泵有10个轮叶y轴每旋转一周，传感器检测到10次叶片振动y正弦波显示10次完整的循环，形成幅度较小的轴正弦波y振动水平较小意味着幅度低于轴振动y由于主轴的质量大，将导致振动强于叶轮10 次振动每转= 10 个循环每转(转轴) (正弦波)复合波形如果我们将两个正弦波(轴和泵轮)叠加在一起，将形成以下波形：- 1 次轴转动- 10 次泵轮振动但实际上振动彼此叠加，更像以下波形：真实旋转机器的20次或30次振动可能是如下波形：Fluke 810振动诊断仪——旋转机器频率(谱)分析y 波形含有关于被测机器的信息 y 但不同事件的模式相互叠加，杂乱无序——太复杂FFTy 采用快速傅里叶变换(FFT)方法，可将采集的波形从时域(幅值与时间关系)转换至频域(幅值与频率关系)。
幅值幅值y 由于特定的振动幅值可与机器的运行速度紧密相关，所以频谱简化了数据的理解。
事件 频率 • 由测试仪执行变换，简化波形 • 频谱是信号幅值(y 轴)与频率(x 轴)的关系曲线 • 这些尖峰处于特定的频率，表示机器正在发生的现象。
振动分析培训计划
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随着科技的发展和行业需求的增加，振动分析的培训需求也逐渐增加。
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先进维修制度的作用
保证机器精度，提高产品质量 减少意外停车引起的生产损失 防止事故，杜绝灾难性故障 减少维修时间和维修费用（人力和财力） 改善环境，改善企业形象
投资获得最大和最长远的回报
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国家有关的条例摘录
逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基 础的预知维修体制。
1983年国家经委《国营公交设备管理试行条例》 企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备 状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术的 现代化水平。
由设备维修人员在现场进行
故障诊断（精密诊断） 内容： 确定故障部位 确定故障原因 提出维修建议
由设备诊断人员在现场或中 心进行
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状态监测和故障诊断的过程源自开始 检测搜集 征兆
定期检测
正常 参数
状态
异 常
故障定位
判别
原因分析
正 常
缩小故障范围
维修
不
趋势 分析
可
决策
尚 可
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状态监测和故障诊断的作用
监测与保护 监测机器工作状态。发现故障及时报警，并隔离故障。 分析与诊断 判断故障性质、程度和部位。分析故障原因。 处理与预防 给出消除故障的措施。防止发生同类故障。
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停产一天的损失有多大？
300MW发电机组 损失电720万kWh，约￥144万元 30万吨化肥装置 损失化肥1000t， 约￥150万元 三峡2号水轮机组700MW 停机4小时损失￥400万元
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什么是振动？
振动就是机器或机器零件从其平衡位置所做的往复运动。 振动有三个重要的可测量的参数：幅值、频率、相位。
图1 质量块位于平衡位置且没有任何力的作用
振动传感器安装在轴承座上，传感器将拾取振动信号，并将此振 动信号通过电缆线传入到振动分析仪，如上图所示，这个在机器轴 承座上测量振动的过程可模型化为一个质量块悬挂在弹簧上。在没 有力的作用之前，它一直保持静止处于平衡位置处。
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什么是振动
当有一个作用力施加在质量块上时，如向上托起质量块，如图二 所示，质量块向上运动，弹簧在这个力的作用下被压缩。
图2 质量块被一个向上的力激励
图3 撤除作用力后质量块的响应
一旦这个质量块达到上部极限位置时，撤除作用力，质量块开始 下落。质量块将下落通过平衡位置而继续向下运动到它的下部极限 位置处如图三所示。
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状态监测和故障诊断
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什么是状态监测和故障诊断？
在设备运行中或在基本不拆卸的情况下， 通过各种手段，掌握设备运行状态， 判定产生故障的部位和原因， 并预测、预报设备未来的状态。
是防止事故和计划外停机的有效手段。 是设备维修的发展方向。
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简易诊断和精密诊断
状态监测（简易诊断） 内容： 识别有无故障 明确故障严重程度 作出故障趋势分析
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什么是振动？
当质量块达到下部极限位置时，它将停止向下运动，而再次改变 方向通过平衡位置处移动到上部极限位置；然后停止而再返回到下 部极限位置。
图4 对施加的激励力连续响应 图5 在恒速运动的记录纸上记录质量块的振动
如果将一只铅笔固定在这个作往复运动的质量块上，然后将记录 带靠近它，这时质量块的振动响应就会被记录下来。
振动的基础知识及振动测量
状态监测与故障诊断概述 简谐振动三要素 振动波形 频率分析和频谱图 旋转机械振动测量框图 传感器及其选用 基频分量幅值和相位的测量 旋转机械的振动图示 定转速：波形图、频谱图、 轴心轨迹 变转速：波德图和极坐标图、三维频谱图、坎贝尔图、 轴心位置图 典型机械故障特征及频谱图 现场动平衡原理 诊断实例
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简谐振动的三要素
x
振幅 A (Amplitude) 偏离平衡位置的最大值。描述振动的规模。 频率 f (Frequency) 描述振动的快慢。单位为次/秒(Hz) 或次/分(c/min) 。 周期 T = 1/f 为每振动一次所需的时间，单位为秒。 圆频率 = 2 f 为每秒钟转过的角度，单位为弧度/秒 初相角 (Initial phase) 描述振动在起始瞬间的状态。
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什么是振动？
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什么是振动频率？
考察上图可见，在记录纸上画出的振动轨迹是一条有一定幅值的、 比较标准的正弦曲线。由振动的周期（T）可以计算出振动的频率。如 下图所示：频率的单位是用CPM或用Hz表示（1Hz＝60 CPM）。
图6 振动波形的位移和频率
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什么是振动相位？
振动相位是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定 参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对 于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是 一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位 振动的系统，即两个振动系统以零度相位差运动。
图9 两个同相位振动的质量块振动系统
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什么是振动相位？
图10给出了，两个相位差为90度的振动系统，即#2质量块超前#1质 量块1/4周（或90度）运动，或#1质量块相对滞后#2质量块90度。
图11给出了同样的两个质量块，相位差为180度时的振动情况，在 任何时刻，#1质量块向下运动的同时，#2质量块向上运动。
图10两个相差90度相位角振动 的质量块系统
图11 两个相差180度相位角振动 的质量块系统
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什么是振动相位？
振动相位是以角度为单位，通常是利用频闪灯或光电头测量得到。 下图给出了，振动相位与机器振动间的关系。
1987年国务院《全民所用制公交设备管理条例 》
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监测和诊断的各种手段
★ 振动：适用于旋转机械、往复机械、轴承、齿轮等。
★ 温度（红外）：适用于工业炉窑、热力机械、电机、电器等。 ★ 声发射：适用于压力容器、往复机械、轴承、齿轮等。 ★ 油液（铁谱） ：适用于齿轮箱、设备润滑系统、电力变压器等。 ★ 无损检测：采用物理化学方法，用于关键零部件的故障检测。 ★ 压力：适用于液压系统、流体机械、内燃机和液力耦合器等。 ★ 强度：适用于工程结构、起重机械、锻压机械等。 ★ 表面：适用于设备关键零部件表面检查和管道内孔检查等。 ★ 工况参数：适用于流程工业和生产线上的主要设备等。 ★ 电气：适用于电机、电器、输变电设备、电工仪表等。