振动信号测试

第三章 振动信号测试
原理
• 压电加速度传感器由：刚性很 大的弹簧K、质量M与压电晶 体等组成。 • 当传感器固定在被测物体上时， M加于压电晶体的惯性力也随 之而变，由于K刚度很大，力 的变化完全与被测物体的振动 加速度a成正比。由于压电效 应，压电晶体上就会产生一个 与a成正比的电荷Qa或电压Va， 即 • Qa=SQa • Va=SVa • SQ——电荷灵敏度 • SV——电压灵敏度
输入信号
输入衰减 网络 标 定 振荡器
电 压 放大级
微积分运 算级
功 率 放大级
输出衰减 输出信号 网络
稳压直流 电源
微积分放大器组成电路
第三章 振动信号测试
• 3.3.2 信号预处理
• 目的：提高信号中所包含信息的可靠性和数据分析的精度，使 故障诊断的灵敏度及可靠性提高。 • 核心：采用各种滤波技术提高信号的信噪比。 • 一般取得的信号中总混有噪声，因此要用滤波方法去除或减少 噪声以提高信噪比。 • 信噪比：信号功率与噪声功率之比，一般用分贝（dB）表示： SNR = 10log( Ps/Pn) SNR—信噪比（Signal Noise Ratio）。 Ps，Pn—分别为有用信号功率与噪声功率。
CF Ui Ci Qa Ca Ra Cc Ri Ua
K
压电传感器
电缆
电荷放大器
第三章 振动信号测试
• 3、微积分放大器
x vdt adtdt
a dv / dt d 2 x / d 2t
v dx / dt
adt
• 使用微积分放大器，可将各种传感器的输出信号转换成位移、 速度加速度等振动参数。
• 前置放大器分两种：电压放大器、电荷放大器，基本功能是 对信号进行放大和把加速度传感器的高输出阻抗变为低输出 阻抗，以满足其他仪器的需要。还具有以下调节信号的功能： • 1、在与不同灵敏度的加速度传感器配用时，通过调节可使传 感器灵敏度归一化，即对相同的振动加速度来说，输出的电 量也相同。 • 2、带有积分器，可把加速度信号转换成速度或位移信号。 • 3、带有可调滤波器。 • 4、其他功能，如过载指示、电源状态指示器等。
电涡流传感器与前置放大器
第三章 振动信号测试
第三章 振动信号测试
• 3.2.2速度传感器
• 速度传感器输出的电量与振动速度成正比。速度传感器又称 为磁电式变换器。磁电式速度传感器是基于电磁感应原理， 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 会感应出电动势。
速度传感器原理
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• 对第一种情况，可用线性滤波的方法解决。但第二、三 种情况，由于信号和噪声的叠加方式是非线性的，所以 要使用非线性滤波，及同态滤波方法。
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• 1、线性滤波方法 • 滤波器以最小的衰减传输有用频段内的信号（称为通频 带），而对其他频段内的信号（阻频带）则给予最大的衰 减。位于通频带与阻频带界线上的频率称为截止频率。 • 根据通频带，滤波器可分为：
• 产生的感应电动势，其大小正比于导体运动速度： • e1 = -Blv×10-3V
• B——磁通密度（GS） ； • l——磁场内导体的有效长度（cm） ； • v——线圈与磁力线的相对切割速度（cm/s） 。
• 在传感器内，由于磁通密度 B 与导体有效长度 l 的乘积为常数， 所以传感器输出电压仅与速度（振动速度）成正比。
第三章 振动信号测试
• 选择速度传感器时注意的问题：
• 1、最低工作频率 • 凡被测设备的频谱图中低于最低工作频率的信号是失真的，可 信度低 • 2、灵敏度 • 用于将测得的电压值换算成速度值，也是估计传感器最大输出 电压的重要参数。不同厂家的灵敏度是不同的。
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• 3.2.3加速度传感器
• • • • 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 能传输 0~f0 频带内的信号 能传输 f0~∞频带内的信号 能传输 f1~f2 频带内的信号 不能传输 f1~f2 频带内的信号
• 滤波器工作特性的好坏，主要表现为衰减、相移、特性阻 抗及频率特性的优劣。
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• 对式x(t) = s(t) + n(t)作傅里叶变换得到功率谱： Sx(w) = Ss(w) + Sn(w)
外壳
质量M 弹簧
压电元件 电线 输出电压
压电式加速度传感器结构原理图
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• 电荷是非常微弱的值，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3~5m，最长不过10m。因此需要配置电荷(电压)放大器。 • 电荷放大器电路复杂，价格较高。 • ICP型加速度传感器：采用了内置IC电路的方案。由内置IC电路完成阻 抗变换的功能，并需要一个20mA的恒流源供电。
机械动态监测与故障诊断 第三章 振动信号测试
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第三章 振动信号测试
3.1 振动信号测试系统的基本构成 1、构成
传 感 器
风 机
信 号 调 理
Ａ ／ Ｄ 转 换
计 算 机
软 件 包
2、信息流
X(t) 物理量
传感器
A1(t)
电量
调理 放大A
x(t)
p(t)
xs(t)
0
0
0
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• 2、量化及误差 • 量化又称幅值量化，把采样信号x(nΔt)经过四舍五入的方法 变为只有有限个有效数字的数的过程称为量化。 • 若信号x(t)可能出现的最大值为A，令其分为D个区间，则每 个间隔长度为R=A/D。R称为量化步长或量化增量。但采样 信号x(nΔt)落在某一小间隔内，经过舍入方法而变为有限值 时，则产生量化误差。
第三章 振动信号测试
• 2、同态滤波方法（简单介绍） • 特点：先将相乘或卷积混杂在一起的信号，用某种变换将它们变成 相加，然后用线性方法去掉不需要的成分，最后用前述变换的逆变 换把滤波后的信号恢复出来。 •（1）解乘积的同态滤波法
x(t) 对数变换 x1(t) Log[x(t)] 线性滤波 s(t) Log[s(t)] 指数变换 s(t)
汽轮发电机组的监测系统框图
振动信号 （快变）
键相信号 适调放大 光电隔离 同步采样 限幅整形 光电隔离 适调放大 光电隔离 采样
温度、压力信号 （慢变）
上位机
通讯 显示存贮 分析处理
下位机
人机对话
联网
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• 3.2振动信号测试传感器
• 测振传感器的作用是把被测对象的机械振动量（位移、速度、 加速度）在要求的范围内正确的接受下来，并将这些机械量 转换成电量输出。 • 根据测量参数的不同可将测振传感器分为：
• Sx(w)—原始信号的功率谱 • Ss(w)—有用信号的功率谱 • Sn(w)—噪声功率谱
• 如果Ss(w) 和 Sn(w)的分布范围或分布特性不同，就 有可能用这种基本的滤波方法将噪声分离或抑制， 否则是不可能的。
第三章 振动信号测试
• (1) Ss(w) 和 Sn(w)不重叠：很容易用前述的一种滤波器将它 们分离。 • (2) Ss(w) 和 Sn(w)部分重叠：用合适的滤波器将非重叠部分 的噪声去除，也能改善信噪比。`
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• 3、频率特性 • 给传感器以一定的振动信号，仅变化其频率，大致在0.1Hz~ 10kHz的范围变化比较平缓。如果>10kHz,振动值虽然一定， 但输出电压逐渐增加，达到其固有频率时最大。
压电式传感器的频率特性
第三章 振动信号测试
• 3.3信号调理和预处理 • 3.3.1信号放大
第三章 振动信号测试
前置放大器
探头线圈
振荡器
检波电流
放大器
涡流
电缆
电涡流位移传感器工作原理图
第三章 振动信号测试
传感器的输入输出特性曲线
-24 -20
输出电压/V
-16 -12 -8 -4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 位移/mm
第三章 振动信号测试
• 1、电压放大器 • 目的：将加速度传感器输出的电压量进行放大。其原理图下图所 示。
Ci Ca Ra Cc Ri
A
压电传感器
电缆
放大器
压电传感器、电缆、放大器组成的等效电路
第三章 振动信号测试
• 2、电荷放大器
• 是一种输出电压与输入电量成正比的前置放大器，实际上是一个具有 电容反馈的输入阻抗极高的高增益放大器。 • 由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如下图所示。
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• 滤波的实质：去除或抑制某些频率范围内信号成分。 • 信号中有用成分 s(t) 与噪声 n(t) 的关系大体上有以下几 种关系：
• (1)相加关系 • (2)相乘关系 • (3)卷积关系 x(t) = s(t) + n(t) x(t) = s(t) n(t) x(t) = s(t) * n(t)
• 振动位移传感器 • 振动速度传感器 • 振动加速度传感器。
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• 3.2.1位移传感器
• 位移传感器的输出电量与振动成正比，分为：
• 接触式测量 ：有变阻式和应变式 • 非接触式测量：电容式和电涡流式
• 本章重点介绍最常用的电涡流式位移传感器。其原理如下：
• 电涡流式位移传感器是一种绕在磁芯线圈，它与谐振电容并联， 构成并联谐振回路。振荡器提供高频电流激励，在传感器周围产 生高频交变磁场，但磁场范围出现导体时，根据电磁感应定律， 在磁场作用下导体表面将产生感应电流——涡流。涡流是以线圈 为中心的同心圆环，这些涡流总是阻止原线圈磁场的变化，这样 传感器的高频能量被吸收，表现为传感器线圈内的电感量的变化。 因此，只要测出电感量的变化，就可以间接知道间隙的变化，即 振动的位移量。
•（2）解卷积的同态滤波法
x(t) 傅氏变换 S(f) 对数变换 Log[S(f)] 逆傅氏变 换 逆傅氏变 换 c(τ) 线性滤波
cx(τ)
傅氏变换
Log[x(f)]
指数变换
x(f)
s(t)
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• 3.4模拟信号的离散化 • 3.4.1采样与量化误差 • 1、采样过程：把模拟信号转化为数字信号的过程，称为模/数(A/D) 转换过程。该过程包括了采样、量化、编码等。
• 这两种灵敏度是针对不同前置放大器而言的，若前置放大器为电荷放大器 时采用电荷灵敏度，若前置放大器为电压放大器时，采用电压灵敏度。 • 加速度单位：m/s2，但也常用重力加速度g(1g=9.807m/s2) • 2、固有频率
1 k fa 2 m
• 压电式加速度传感器的适用频率范围比fa低很多
0 模拟信号 0 x(t)
p(t) 采样 量化 编码 数字信号 x(n)
xs(t)
Δt
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• 采样：也称为抽样，利用采样脉冲序列p(t)从模拟信号x(t)中抽取一 系列离散样值，使之成为采样信号x(nΔt)。 • Δt称为采样间隔，1/ Δt= fs 称为采样频率。 • 采样，实质上是将模拟信号x(t)按一定的时间间隔Δt逐点取其瞬时值。 可以描述为采用脉冲序列p(t)与模拟信号x(t)相乘的结果。
位移的测量应当利用此图的直线部分（斜率为传感器灵敏度），初 始间隙应调整在曲线线性范围中点对应的间隙上。
第三章 振动信号测试
• 电涡流传感器的特点：测量线性范围大、抗干扰能力强、 动态范围宽、对传感器安装位置要求不高。适应性强，可 在油、水、高气压、强干扰等环境中工作；可配接多种测 量、监控仪表，可与A/D接口；可连续长期工作十年以上。
• 加速度传感器输出电量与振动加速度成正比。这种类型的传感器只有接 触式的，分为压电式和应变式，其中最常用的是压电式加速度传感器。 • 某些具有压电效应的晶体，如石英、人工极化陶瓷等，在承受一定压力 而变形时内部会产生极化现象，在其表面产生电荷。这种将机械能转化 为电能的现象称为压电效应。
加速度传感器结构图及实物
A2(t) 电量
A/D
16位量 程±5V
Xi 数字量
计算机 分析
报警 控制 结果
灵敏度L
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• 计算机化的监测系统框图
监测仪表
适调
切换
装置
A/D
变换器
屏 幕
放大
来自传感器
计算机
打印机 软件 存贮器
• 最简单的计算机化监测系统。
• 单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话等功能。
1
2 C A R
24V
PS V0 A
内置IC电路
外接信号调理
ICP型加速度传感器测量电路
1—压电加速度传感器 2—微型IC放大器
第三章 振动信号测试
• 3.2.4测振传感器的性能指标（以压电式传感器为例）
• 1、灵敏度
• 电压灵敏度：加速度计输出电压(mV)与所承受的加速度之比。 • 电荷灵敏度：输出电荷与所承受加速度之比。