设备振动测量方法分析

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；
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。

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。
2013年10月8日
振动的基础知识
合成振动为周期性非简谐振动 x A sin t A sin t 1 1 2 2


振幅变化的频率等于 ( 1 2)
振幅的数值在 A1 + A2 到A1 - A2 间变化
A1 A1+A2
A2
A1-A2
1
2
3
4
2013年10月8日
振动的基础知识 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
2 π yA sin( t ) T A sin ( 2 π f t )
A s i n ( t )
振动测量方法
（1）、压电式加速度传感器测量系统
压 电 式 加速度传感器
阻抗变换器
积分放大器
测振仪 记录仪表 电荷测量系统
电荷放大器
（2）、电动式速度传感器测量系统
毫伏表
电动式 速度传感器
微积分放大器
电压表
电压测量系统 测振仪 位移指示
（3）、涡流式位移传感器测量系统 涡流式 位移传感器 振 荡 器
1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
2013年10月8日 15
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。
测振传感器的选择及应用
测振传感器的选择及应用 磁电式速度传感器：
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
2013年10月8日 12
测振传感器的选择及应用
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。
2013年10月8日
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：
电涡流位移传感器测 量轴振动的示意图 2013年10月8日
轴心轨迹和2个传感器的时域波形图
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测振传感器的选择及应用
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
-
0
0
0.5
1

1.5
n
2
2.5
3
A ( )
2013年10月8日
1 / 2 /
22 n n
2 ( / 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；
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
测振传感器的选择及应用
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、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。
磁电式绝对速度计：
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
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测振传感器的选择及应用
基础运动所引起的受迫振动，当w>>wn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
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
确定的
随机的
周期的
非周期的
平稳的
非平稳的
简谐 振动
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
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。
2013年10月8日
振动的基础知识
周期振动的定义： y ( t ) y ( t nT ), n 0 , 1 , 2 ,
周期函数可以展开为傅里叶级数：
• 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
2013年10月8日
振动的基础知识
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。
机械法
抗干扰能力强，频率范围、动态范围、和 利用杠杆原理将振动量放大 线形范围窄。测试时会给试件产生一定的 负载效应，影响测试结果。主要用于低频 后直接记录下来 大振幅振动及扭振的测量。
光学法
利用光杠杆原理、读数显微 镜、光波干涉原理、激光多 普勒效应和光纤等进行测量
不受电磁干扰，测量精度高，适用于对质 量和体积小、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 的校准、定度中用的较多。
拾振器
绝对式拾振器 描述被测物体的绝对振动 相对式拾振器 描述被测物体之间的的相对振动
使用时壳体固定在被测物体上 也被称为惯性拾振器
使用时其壳体和测杆分别和 不同的测件联系
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 电涡流式传感器：
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
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测振传感器的选择及应用 磁电式相对速度计
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。
速度
加速度
2013年10月8日
d y v A cos( 2 π ft ) d t d v 2 2 a A sin( 2 π f t ) y d t
振动的基础知识
6
0.01
5
0.1
4
0.2
0.5
3
0.7 1
2
1
基 础 振 动 的 幅 频 曲 线
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
振动的基础知识
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
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
压电加速度计的幅频特性：
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振 频率。
–特点 • 频带极宽(0.2~20 KHz) 。 • 本身质量小(2~50 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。
高 频 放 大 器
鉴 频 器
功 率 放 大 器
输 出
交 流 放 大 器
检 波 器
振 动 指 示
二、测振传感器的选择及应用
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。
a y ( t ) 0 a c o s nt b s i n nt n n n 1
y ( t ) A A s i n ( t ) A s i n ( 2 t ) A s i n ( n t ) 0 1 1 2 2 n n
2013年10月8日
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： 0Hz—300Hz,实现超低频测量； 连接方式为螺栓或粘接；其性能为低噪声，分辨率 达 0.1mg。
2013年10月8日
(a)
(b)
某系列加速度传感器特性表
量程 5000g 100000g 150g 5g 500g 50g 500g 50g 2000g 500g 50g 5g 10g 500g 5g 2013年10月 8 日 0.5 g 灵敏度 0.5mV/g 0.05mV/g 10mV/g 1000mV/g 10mV/g 100mV/g 10mV/g 100mV/g 2.5mV/g 10mV/g 100mV/g 1000mV/g 100mV/g 10mV/g 1103mV/g 1104mV/g 分辨率 0.02g 0.3g 0.003g 0.000 04g 0.001 5g 0.000 16g 0.005g 0.000 5g 0.04g 0.000 5g 0.000 2g 0.000 06g 0.000 2g 0.001g 0.0001g 0.000 001g 重量/g 4.5 4.4 10.5 35 0.5 2 2 27 17.9 10 20 24 180/片状 4/方形 1 000 635 应用及特点 适用于爆破、撞击等 适用于爆破、撞击、爆炸分离等 可在-196℃的低温环境下工作 高分辨率型 微型，适用于小型结构 小型、高灵敏度、高分辨率，各种用途 高频、小型、石英剪切，各种用途 三角剪切结构，石英通用加速度传感器 冲击传感器、内置滤波器，桩基检测 环型 3轴、结构实验 3轴、高灵敏度 3轴坐垫传感器，汽车实验 3轴、小型，模态、振动、噪声实验 超低频地震传感器，长期稳定性良好 超低频地震传感器，高灵敏度
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；
振动测量方法
各种振动测量方法的比较：
名称 电测法 原理 优缺点
灵敏度高，频率范围、动态范围、和线性
将被测件的振动量转化成电 范围宽。便于分析和遥测。易受电磁干 量,而后用电量测试仪测量 扰。目前应用最广。