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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。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。利用压电效应，制成压电式加速度传感器，可用于检测机械运转中的加速度振动信号；利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用于探测构件内部缺陷。图3—1加速度计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。图3—3ICP型加速度计测量电路压电式加速度传感器的安装要求图3—4的左边是幅频特性曲线，它反映信号的频率在1Hz到3KHz这一段，加速度计能比较好的复现信号的波形。幅频特性曲线告诉我们，测量装置对信号中不同的频率波形有不同的放大倍数。为了测得的电信号波形能真实地复现振动波形，就必需使所测信号中最高的频率位于幅频特性曲线上的水平段。为此，要使安装后的加速度计特性具有足够高的共振频率。图3—4加速度计的幅频特性压电式加速度传感器的安装此外，低噪声专用电缆的敷设也要注意。对于内置IC的集成加速度传感器，由于恒流供电阻抗变换方式，对电缆的敷设要求不高。但非集成式加速度传感器，因电缆与机壳构成耦合电容，是电压干扰的进入通道，所以要求该电容不随机壳的振动而变化。因此电缆必需紧贴机壳固定，使耦合电容值最小且不变。3．2速度传感器速度传感器又称为磁电式变换器，有时也叫作“电动力式变换器”或“感应式变换器”，它利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它的工作不需要电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，是一种典型的发生器型变换器。由于它的输出功率较大，因而大大简化了后续电路，且性能稳定，又具有一定的工作带宽(一般为10～1000Hz)，所以获得了较普遍的应用。磁电式速度传感器有绝对式和相对式两种，前者测量被测对象的绝对振动速度，后者测量两个运动部件之间的相对振动速度。图3—6磁电式绝对速度传感器1—弹簧片、2—壳体、3—阻尼环、4—永磁铁、5—线圈、6—心轴、7—弹簧1．磁电式绝对速度传感器铜制的阻尼环一方面可增加惯性系统的质量，降低固有频率；另一方面又利用闭合铜环在磁场中运动时所产生的磁阻尼力，使振动系统具有合理的阻尼，从而减小共振对测量精度的影响。2．磁电式相对速度传感器图3—7磁电式绝对速度传感器1—壳体、2—心轴壳体、3—弹簧片、4—永磁铁、5—线圈、6—弹簧片、7—引出线磁电式速度传感器的选用在选择速度传感器时首先要注意传感器的最低工作频率，它告诉我们被测设备的频谱图中低于这个频率的信号是失真的，可信度低。其次是传感器的灵敏度，例如20mv/mm/s（美国本特利公司）、100mv/mm/s（德国申克公司），这个参数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。由于要克服自重的影响，速度传感器分为水平安装（H型）与垂直安装（V型）两种。垂直安装的速度传感器与水平安装的速度传感器内部机械结构参数是不同的，在使用时必须注意，不能混用。3．3位移传感器电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化测量传感器。用于高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。涡流传感器工作原理当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一等处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。振荡器检波电路放大器涡电流探头线圈前置放大器电缆图3—9涡流传感器工作原理图图3—10是目前工业上常见的涡流传感器与前置放大器。由于前置放大器与探头线圈分离，连接两者之间的电缆构成振荡电路的电容元件，电缆长度变化导致电气参数的变化。因此，探头电缆与前置放大器是配套的，没有互换性。一旦电缆损坏，全套报废，而电缆又是最易损坏的部件。图3—11是新型的集成一体化涡流传感器，它将前置放大电路集成到探头内部，这样电缆的作用就仅仅是传输信号，损坏后可以重新接起来，继续使用。所以这种新型的涡流传感器是应用的方向。图3—10涡流传感器与前置放大器图3—11集成一体化涡流传感器涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线图3—12是某涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线。因为供电电压是－24V，所以输出电压也是负电压。这样做的目的是抗干扰。从图上看，0.4～4.8mm是特性曲线的直线段，也是使用的测量区间。这个特性曲线通常是生产厂提供。也可在现场用特制的标定器测出，特别是长期使用后的灵敏度——此曲线的斜率，线性度及测量范围的重新标定。图3—12某涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线电涡流传感器探头的正确安装电涡流传感器探头的正确安装是保证传感器系统可靠工作的先决条件，安装时应该注意以下几个环节。▲探头的安装间隙（探头端面到被测端面的距离）▲各探头间的最小间距。▲探头头部与安装面的安全间距▲探头安装支架的选择（牢固性）▲电缆转接头的密封与绝缘。▲探头所带电缆、延伸电缆的安装▲探头抗腐蚀性▲探头的高温、高压环境电涡流传感器探头安装图例1图3—13电涡流传感器探头的安装电涡流传感器探头安装图例2图3—14轴的径向振动测量当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90º±5º。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45º，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在垂直中心线的左侧。图3—15鉴相测量的安装某些情况下，我们需要测量最大振幅在轴的哪个方向上。例如在现场动平衡测量时，这时就需要鉴相测量。鉴相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称鉴相标记。这就是轴的相对0度。凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V(AP1670标准要求不小于7V)。一般若采用φ5探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。当采用模/数转换测量时，鉴相标记的宽度决定了鉴相脉冲的最低采样频率。最低采样频率=INV（圆周长度÷鉴相标记的宽度＋0.5）×轴的转频。3．4结构的激振方法在机械工程中常用的激振方法有以下几种：1．稳态正弦激振稳态正弦激振又称简谐激振。它是借助激振器对被测对象施加一个频率与幅值均可控制的正弦激振力。它的优点是激振功率大，信噪比高，测试精度高；缺点是测试周期长，特别是对小阻尼的测试对象，每次激振频率的改变均需要较长的稳定时间。2．瞬态激振瞬态激振时，施加在被测对象上的力是瞬态变化力，它属于宽带激振方法。常用的瞬态激振方法有以下几种。1)快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振的激振信号由振荡频率变化可控韵信号发生器供给，激振力的大小仍按正弦规律变化。常采用线性正弦扫描——激振信号频率在扫描周期内线性增加，但最大幅值不变。扫描周期和激振的上、下限频率可根据试验要求选定，扫描周期仅为1s～2s，可快速测试被测对象的动态特性。2)脉冲激振脉冲激振又称锤击法。通常用一个带有力传感器的脉冲锤敲击被激对象。同时测量激励和响应。这种方法具有试验时间短，现场使用的设备简单，在试验对象上没有附加质量等优点。其主要缺点是：力的大小不易控制，过小会降低信噪比，过大会引起非线性；试验结果误差较大，准确度差。3)阶跃激振阶跃激振是指被测对象突然受到或消除一恒作用力而产生自由振动的激振方法。例如在被测对象选定点处，用一重量轻、受拉方向刚度大的钢索对被测对象施加一恒张力，然后突然切断或松脱钢索，就相当于对被测对象施加一负的阶跃激振力，激起被测对象的宽带自由振动。对于大型结构件，如建筑物、桥梁等的激振，就可采用类似的办法。3．随机激振随机激振也是一种宽带激振方式，一般采用白噪声或伪随机信号发生器作为激振的信号源。市场上所售的白噪声发生器能产生连续的随机信号，它可激起被测对象在一定频率范围内的随机振动。利用频谱分析仪可得到被测对象的频率响应。许多干扰力和动载荷(如切削力等)也具有随机性质，也可作为现场测试的随机激振源。随机激振方式的优点是测试速度快、效率高，但所用仪器设备复杂而昂贵。图3—17脉冲力激振器激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，使其产生预期振动的装置。激振器应能在所要求的频率范围内，提供波形良好、足够稳定的激振力。激振器的形式有脉冲的、正弦的和随机的三种。目前国内普遍应用的是脉冲力激振器和正弦力激振器。1)．脉冲力激振器脉冲力激振器为一个内部装有压电式力传感器的测力榔头，又称脉冲锤。图3－17给出脉冲锤的结构简图及装在锤中的力传感器测得的敲击力的波形图和频谱图。从波形图和频谱图可以看出：锤帽材料越硬，其敲击力波形图的峰值越高，持续时间越短，越接近于理想的脉冲函数；而且，锤帽材料越硬，其敲击力的谱特性图中平坦段的频率范围越宽。图3—18电动式激振器2)．正弦力激振器正弦激振器按安装方式不同，分为绝对式和相对式两种。①电动式激振器——绝对式电动式激振器是利用电磁感应原理将电能转变为机械能对被测对象提供激振力的装置。磁场形成方式不同，电动式激振器分为永磁式和励磁式两类，前者多用于小型激振器，后者多用于大型激振器——振动台。其结构原理如图3—18所示②电磁式激振器——相对式电磁式激振器是直接利用电磁力作为激振力，它常用于非接触式激振。其结构如图3—20所示。电磁激振器的特点是：可以对旋转着的被测对象进行激振，它不受附加质量和刚度