振动检测仪表与系统

频谱分析仪
早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收 机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频 后，经过一组并联的不同中心频率的带通滤 波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限 定的频率轴上。
基于快速傅里叶变换（FFT）的 频谱分析仪
采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC） 对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分 布图。据此可知，这种频谱分析仪亦称为实 时频谱分析仪，它的频率范围受到ADC采集速 率和FFT运算速度的限制。
光电传感器
被测量 光 光信号 电信号 可用信号
光源
测量头
光电元件
电子线路
图1-22 光电式传感器基本结构框图
模数转换(A/D转换)
（1）A/D转换过程：1)采样，2)量化， 3)编码。
2)量化
量化步长 R=A/D A=10V D=256
量化误差
3)编码
A RD R ai 2i
i n m
1 2


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Xa( j) e
a
jt
d
Xa ( j) F [ xa (t )]
x (t ) e


jt
dt
u
(b) 频域 采样
数字信号处理
采样定理
u
(1) 频混现 象
(2)采样定理
s 2 m
fs 2 fm
抗混叠滤波器
采样定理
u
u
(3) 信号的复 原 (理想内插)
信号被截断以后,频谱发生了畸变，原来集中在某一 频率处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这 种现象称之为泄漏(Leakage)． 如果增大截断长度T，即矩形窗口加宽，则窗谱将被压缩 变窄．虽然理论上讲，其频谱范围仍为无限宽，但实际上 中心频率以外的频率分量衰减快，因而泄漏误差将减小． 如果窗口无限宽，即不截断，就不存在泄漏误差．
2)三角函数窗——应用三角函数，即正弦或余弦函数等 组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；
3)指数窗——采用指数时间函数，例如高斯窗等．
（2） 常用的窗函数
u
(a) 矩形窗
优点是主瓣比较集中；
缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频 干扰和泄漏，甚至出现负谱现象
u
(b) 三角窗
三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗 的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣
离线检测和在线监测
状态监测系统
系统管理
数据库管理
数据图表显示
数据采集
参数报警
数据库
数据打印输出
图4-1 状态监测系统
监测及分析系统
系统管理
数据库管理
数据图表显示
参数报警 数据采集 设备状态分析 运行状态分析 数据打印输出
数据库
图4-2 状态监测及分析系统
监测、分析及故障诊断系统
系统管理 参数报警 数据采集 设备状态分析 运行状态分析 数据库 数据打印输出 数据库管理
(c)汉宁(Hanning)窗
汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和．或者说是3 个sinc(t)型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向 左、右各移动了π／T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干 扰和漏能．
汉宁窗与矩形窗比较
从减小泄漏观点出发， 汉宁窗优干矩形窗．但 汉宁窗主瓣加宽，相当 于分析带宽加宽，频率 分辨力下降．
(4) 频域采样定理
T1>2tm
f1 1/(2tm )
在频域中对X进行采样，等效于x(t)在时域中重 复，只要采样间隔不大于1/(2tm)．则在时域中波形 不会产生混叠，用矩形脉冲作选通信号就可以无失 真地恢复原信号x(t)，即应满足关系式fo＜ 1/(2tm) ， 此称为频域采样定理．
T1>2tm
Z Z ( , , , )
线圈与金属的距离 金属体的电阻率、 导磁率、 线圈的激磁电流角频率。
测量电路：
（a) 阻抗分压式调幅电路；
(b) 调频电路
使用优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应 用：涡流式位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别。
序号 测量参数
图4-5 便携式测振仪
振通911C存储测振表
911C是计算机化的新一代汉字显示存贮测振表。它 用电池供电，与压电加速度传感器配合可以测量和 存储1000个测点的振动加速度、速度、位移、包络 解调以及它们的参考值。
主要特点



自动量程，测量效率高； 直接给出局部异常，全面磨损或转子轴系故障等诊断 结论； 歪度、峭度值显示； 真有效值和等效峰值检测，测量质量高； 有回忆功能，对每个测点都可存贮和再现四个正常参 考值（加速度峰值，速度有效值，位移峰峰值和包络 解调）以供现场比较； 存储量可达1000组数据（包括序号、加速度、速度、 位移和包络解调的测量值和正常参考值）； 自动定时关机，电池电压低报警，存贮器有断电保护。
.
8
（伏）
惯性式速度测量传感器(质量弹簧型)



( n )2 [1 ( n ) 2 ]2 [2 n

0 0

]2
1 当 n
0 0
1
图1-10 幅频特性曲线
线圈几乎静止不动
振动加速度测量传感器
压电式加速度传感器
u
u u
工作原理:压电效应 q=DF 测量电路: 电压放大器;电荷放大 器 F
图4-6 频谱分析仪
汽轮机安全监视仪表（TSI）
汽轮机安全监视仪表（Turbine Supervisory Instruments），它的主要用途是在线连续监 测汽轮机发电机组运行过程中的状态参数， 并进行越限报警与自动跳闸保护，确保机组 安全可靠运行，是汽轮机设备的重要组成部 分之一
本特利3500
1
轴转速
应用举例1
2
轴振动
3
轴位移
4
内部安 装的探 头
应用
振动速度测量传感器
磁电式速度传感器
U N
d dt
, B S cos , d ( B, Rm , ) dt
线速度型
动圈式
磁 电 式 磁阻式
角速度型
N
电动式速度传感器
相对式(直接接触型)
e BL 10
振动测量
振动参数
振动位移测量传感器
电阻, 接触式
电容, 接触式 电感, 非接触式 位 移 测 量 电涡流, 非接触式 差动变压器, 接触式 磁电式, 非接触式
霍尔元件, 非接触式
光敏管, 非接触式
涡流式传感器
涡流式
u
u
原理:涡流效应。块状金属置于变化着的磁场中或者在固定 磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，这种电流的 流线在金属体内是闭合的所以叫做涡流。 原线圈的等效阻抗Z变化
时代TV300便携式测振仪
主要参数测量范围 加速度：0.1～392m/s2 （峰值） 速 度：0.01～80cm/s（有效值） 位 移：0.001～18.1mm（峰～峰值） 允许误差：±5% 使用温度范围：0～45℃ 频率范围
加速度：10Hz～200Hz 10Hz～ 500Hz 10Hz～1KHz 10Hz～10KHz 速 度：10Hz～1KHz 位 移：10Hz～500Hz
安装图示
提要
若轴上为键槽，则探头 零点以轴表面为参考面 ；若轴上为键，则探头 零点以键的顶面为参考 面。 若用一只探头，则安装 在轴的垂直方向；若用 两只探头，则相互成90º 安装。探头之间距离要 大于40mm，以避免相互 干扰。 首先判断轴位移方向， 确定合适的探头位置， 保证轴位移在传感器线 性范围内，探头应在靠 近推力盘处安装。 探头安装在机壳内部时 ，要注意引线用卡子固 定在壳体上，还要注意 穿出机壳处的密封及接 头的密封。
采样信号的频谱
p(t ) Ts (t ) P( ) s

n
(t nT )
s s

n
( n )
A/D 转换器
u
(a) 时域采样
理想脉冲采样
矩形脉冲采样
模拟信号xa(t)及其频谱函数:
x (t ) F
a
1
[ Xa( j)]
泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果使侧瓣的高度 趋于零，而使能量相对集中在主辨，就可以较为接近于真 实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截断 信号．
（2） 常用的窗函数
实际应用的窗函数，可分为以下主要类型；
1)幂窗——采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三 角形、梯形或其它时间的高次幂
+
0
..

1 ( n )2
[1 ( n ) 2 ]2 [2
n
]2
当 n
1
0
..
2 n
压电式加速度传感器的频率特性曲线
选用与安装
振动位移、速度与加速度的选择与比较
复合式传感器
图1-17 复合式振动传感器示意图
键相传感器
图1-21 相位角的定义
GSP-827 频谱分析仪
技术特点： •高频率稳定度：±5ppm •输入范围：-105dBm～+20dBm •高性能之噪音准位：-140dBm/Hz •解析频宽(RBW)：3K,30K,300K,4MHz •ACPR/OCBW/CH POWER量测 •双窗口同时量测两个频率 •10组完善量测功能游标 •100组带时标的轨迹/设定存储 •RS-232C •设定上下限进行PASS/FAIL比较 •触发功能：VIDE0/EXTERNAL •64K～19.2M的外部参考时钟输入 •AC/DC/BATTERY供电,结构轻巧,携带方便
(4) 海明(Hamming)窗
(5)高斯窗
式中a为常数，决定了函数曲线衰减的快慢．a值如果选取 适当，可以使截断点(T为有限值)处的函数值比较小，则截 断造成的影响就比较小，高斯窗谱无负的旁瓣，第一旁瓣 衰减达－55dB．高斯窗谱的主瓣较宽，故而频率分辨力低 ．高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号，如指数衰减 信号等．
本特利3500系统是目前我国大型机组上应用较为广泛，也是本 特利公司最先进的TSI系统，该系统具有以下主要技术特点： (1)单元模块化结构，安装于标准框架中，主要包括：电源模 块、接口模块、键相模块、监测模块、通讯模块等。 (2)各功能模块都有一颗单片微控制器，用于实现各模块的智 能化功能，如组态设置、自诊断、信号测试、报警保护输出、数 据通信等。 (3)各模块间通过RS232/RS422/RS485总线和MODBUS协议进行数 据通信，最高通信速率115.2kbps。 (4)可通过上位机的组态软件对各个模块进行组态设置，并下 载到各个模块的非易失性存储器中。 (5)双重冗余供电电源模块。 (6)支持带电拔插功能。
数据图表显示
知识库
故障诊断
图4-3 状态监测、分析及故障诊断系统
振动监测仪表
振动测量仪 频谱分析仪 汽轮机安全监视仪表（TSI）
振动测量仪
模拟式振动表
交流输出 振动信号 直流输出
图抗变化
衰减
放大
普通滤波
检波
图4-4 测振表的原理框图
数字测振表
数字测振表的原理框图与模拟仪表基本相同， 其差别在于将采集的电压进行模数转换后使用数 字电路对信号进行处理。 目前，数字测振表一般都具有以下功能 1) 可以储存多组测点的数； 2) 能与微机进行通讯； 3) 能够进行趋势分析。 一般振动测量的值有：1）通频幅值，2）基 波频率的幅值与相位，即1X幅值，3）跟踪测量 基波或某高次谐波的幅值（通常时2X幅值）与相 位。
振动检测仪表与系统
传感器及信号测量
常用测量参量
•振动测量 •声测量 •应变和力的测量
•温度测量
•流体参量的测量
机械量:长度,厚度,位移,速度, 加速度,旋转角,转数, 质量,重量,力,压力, 真空度,力矩,风速, 流速,流量,振动; 声: 声压,噪声 磁: 磁通,磁场 温度: 温度,热量,比热
(5)栅栏效应
频域采样以后，只能获得采样点的频率成分，其余的 频率成分一概被舍去，这犹如透过栅栏观赏光景，只能看 到一部分，就可能使一部分有用的频率成分被漏掉，而丢 掉了部分有用信息，此种现象称为栅栏效应．
数字信号处理
信号的截断 能量泄漏 窗函数
u
u
（1） 信号的截断 能量泄漏
截断方法就是将无限长的信号乘以窗函数(window function)．这里“窗”的含义显指透过窗口能够观测 列整个剖“景的一部分，其余被遮蔽(视为零)． 从采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一 经截断，就不可避免地引起混叠，因此信号截断必 然导致一些误差． 原因：窗函数w(t)是一个频带无限的函数，所以 即使原信号x(t)是限带信号，而在截断以后也必 然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量 与分布被扩展了．
VM-9502型 袖珍式数字测振仪
用于旋转机器振动的巡测、监测和振动等级评估。 技术参数： 频率范围： 3～1000 Hz（转速范围180～60000rpm）。 振 幅 测 量 范 围 与 准 确 度 ： 位 移 : 0 ～ 1000μ mp-p; 速 度 ： 0 ～ 100mm ／ s ( 真 正 有 效 值 ); 加速度：0～50m/s2 0-p; 准确度: 土5％。 可存储100个测点的振动值，数据永远保存； 具有数字存储、回放、更改、清除功能。