第三章 振动信号测取技术(一)

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第二章机械振动及信号

在冶金、化工、机械等企业中旋转机械设备约占80％，这些旋转设备主要包括发电机、电动机、透平制氧机、鼓风机、大型轧钢机等，在众多的诊断技术中，没有任何技术能比振动信号分析对机器设备状况提供更深刻的了解。另外，由于旋转机械设备在运行中易出现不对中或受外力作用而产生振动的现象，其大小与安装质量和使用中的故障有直接关系。由此可见，振动分析及测量在诊断旋转机械中有着重要的地位。

一般所进行的振动测量大致有以下两方面的内容：

1．振动基本参数的测量，测量振动构件上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，用于识别该构件的运动状态是否正常。

2．结构和部件的动态特性测量，这种测量方式以某种激振力作用在被测体上，使被测件产生受迫振动，测量输入(激振力)和输出(被测体振动响应)，从而确定被测体的固有频率、振型等动态参数。

简谐振动的运动方程，速度，加速度

1、运动方程从简谐振动的特点出发，可得到其运动方程

x

m

k dt x d a ma

kx F −===−=22

02

2

=+x m k dt x d 令

02

2

2=+x dt

x d ω积分得

)

cos(o t A x φω+=从运动学观点，若物体离开平衡位置的位移随时间变化的规律是正弦或余弦的函数，它就作简谐振动。

在阻力作用下的弹簧振子受力：运动方程:t

x

kx t x m d d d d 22

γ

−−=引入阻尼因子m

2γβ=固有频率m

k =

0ω0d d 2d d 2

022

=++x t

x t x ωβ在小阻尼条件下，微分方程的解为:

)(0ωβ<)''cos(e

00φωβ+=−t A x

t

'ω=

其中阻力kx

−f

F 弹性恢复力

阻尼振动的三种情形：0

ωβ=0ωβ>0ωβ<

O

欠阻尼过阻尼临界阻尼

通过控制阻尼的大小，以满足不同实际需要。

Ø强迫振动和共振

物体在周期性外力的持续作用下发生的振动称为受迫振动。

物体所受驱动力：t F F ωcos 0=运动方程：

t F t

x kx t x m ωγcos d d d d 022

+−−=设

m

k =2

ωm

2γβ

=t m

F x t x t x ωωβcos d d 2d d 02

022

=+

+

对于阻尼较小的情形，运动方程之解表为:

)

cos(0φω

+t A x 衰减项

稳态项

经过一段时间后，衰减项忽略不计，仅考虑稳态项。

)cos(0φω+=t A x 2

222200

4)(ωβωω+−=m F A 2

2

002tg ω

ωβω

φ−−=

第三章振动信号测取技术机械设备故障诊断与医学诊断有许多相似之处，机械设备出现故障（隐患）时，会反映出各种征兆，诸如振动、温度、压力等信号的变化。但不是所有信号对任何故障隐患都很敏感，如对齿轮箱来说，若是轴承出现破损，振动信号的变化要比温度信号敏感；若是润滑不足，则温度信号就比振动信号敏感。这就是说设备在不同的运行状态下（故障也是一类运行状态），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的获取，不仅与所选择的信号内容有关，而且与传感器的类型、传感器的精度和测点位置有关。

第三章振动信号测取技术

•基本内容

▫3.1 加速度传感器

▫3.2 速度传感器

▫3.3 电涡流传感器

▫3.4 结构的激振方法

▫3.5 传感器的校准与选用

▫3.6 信号预处理

▫3.7 传输中的抗干扰技术

▫3.8 模拟量转换为数字量

▫3.9 监测与诊断系统的组成与工作程序

3.1 加速度传感器

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，其几何尺寸也会发生变化，叫做电致伸缩效应。多数人工压电陶瓷的压电常数比石英晶体大数百倍，也就是说灵敏度要高得多。

3.1.1 压电式加速度传感器的内部结构

图3—2 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

3.1.2 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，且因为漏电阻的存在，使之不能传输较长的距离。通常厂家提供的专用低噪声电缆只有3～5米，最长不过10米。

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。但电路复杂，数千倍的放大倍数，对各级放大器的性能稳定性提出了极高的要求，因而价格较贵。

目前，新型的压电式加速度传感器采用了内置IC电路的方案，由于内部空间极小，内置IC电路实际完成阻抗变换的功能，需一个20mA的恒流源对其供电。测量电路如图3—3所示。

可以将内置IC电路看成一个随加速度值变动的电阻，加速度值升高，电阻图3—3 ICP型加速度计测量电路

值也线性升高，由于恒电流供电，20mA电流不能通过仪表端的隔直电容，通过变电阻的电流是常数，因此在变电阻的两端产生电压变化，这个电压因此也随加速度变化。变化的电压可以通过隔直电容输入给放大器A，最后输出测量电压。

需要注意的是，隔直电容与后面的电阻构成一个高通滤波器，因此电容C与电阻R的值决定了该测量系统频率响应特性曲线的最低信号频率。