振动信号测试

机械动态监测与故障诊断第三章振动信号测试幻灯片下载地址：[e-mail]密码：123456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2、信息流信号调理Ａ／Ｄ转换计算机软件包传感器风机物理量电量电量数字量传感器调理A/D报警控制结果计算机分析灵敏度LX(t)A1(t)A2(t)Xi放大A16位量程±5V第三章振动信号测试•计算机化的监测系统框图•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。存贮器打印机屏幕软件适调放大切换装置A/D变换器来自传感器监测仪表计算机汽轮发电机组的监测系统框图下位机分析处理联网显示存贮人机对话通讯适调放大适调放大限幅整形光电隔离光电隔离光电隔离同步采样采样上位机振动信号（快变）温度、压力信号（慢变）键相信号第三章振动信号测试•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：•振动位移传感器•振动速度传感器•振动加速度传感器。第三章振动信号测试•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。第三章振动信号测试振荡器检波电流放大器涡流探头线圈电缆前置放大器电涡流位移传感器工作原理图第三章振动信号测试-4-8-12-16-20-2400.40.81.21.62.02.42.83.23.64.04.44.8输出电压/V位移/mm传感器的输入输出特性曲线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。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。速度传感器原理第三章振动信号测试•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。第三章振动信号测试•3.2.3加速度传感器•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第三章振动信号测试•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——电压灵敏度外壳质量M弹簧压电元件输出电压电线压电式加速度传感器结构原理图原理第三章振动信号测试•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。APS24VA12CRV0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。•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•压电式加速度传感器的适用频率范围比fa低很多mkfa21第三章振动信号测试•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•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。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。ACaRaCcCiRi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。KCaRaCcCiRi压电传感器电缆电荷放大器UaQaCFUi第三章振动信号测试•3、微积分放大器•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。adtdtvdtxadtdtdxv/tdxddtdva22//输入衰减网络输入信号电压放大级微积分运算级功率放大级输出衰减网络输出信号稳压直流电源标定振荡器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（SignalNoiseRatio）。Ps，Pn—分别为有用信号功率与噪声功率。第三章振动信号测试•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x(t)=s(t)+n(t)•(2)相乘关系x(t)=s(t)n(t)•(3)卷积关系x(t)=s(t)*n(t)•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。第三章振动信号测试•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：•低通滤波器能传输0~f0频带内的信号•高通滤波器能传输f0~∞频带内的信号•带通滤波器能传输f1~f2频带内的信号•带阻滤波器不能传输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。第三章振动信号测试•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)•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。`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。对数变换x(t)线性滤波指数变换s(t)x1(t)Log[x(t)]s(t)Log[s(t)]•（1）解乘积的同态滤波法傅氏变换x(t)对数变换逆傅氏变换S(f)Log[S(f)]c(τ)线性滤波傅氏变换指数变换cx(τ)Log[x(f)]x(f)逆傅氏变换s(t)•（2）解卷积的同态滤波法第三章振动信号测试•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。采样量化编码模拟信号x(t)数字信号x(n)xs(t)p(t)00Δt第三章振动信号测试•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。00p(t)x(t)0xs(t)第三章振动信号测试•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•3.4.2采样间隔和频率混淆•采样定理•Shannon采样定理给出了带限信号不丢失信息的最低采样频率为：fs≥2fm•fm—为原信号中最高频率成分的频率。若不满足此采样定理，将会产生频率混淆现象。•解决频率混淆的办法：•（1）提高采样频率以满足采样定理，一般工程中取：fs=（2.56~4）2fm•（2）用低通滤波器滤掉不必要的高频成分，以防频混产生，此时的低通滤波器也称为抗频混滤波器，如滤波器的截止频率为fc，则•fc=fs/(2.56~4)第三章振动信号测试•3.4.3采样长度与频率分辨率•当采样间隔Δt为一定时，采样长度T越长，数据点数N就越大。为了减少计算量，T不宜过长。但是若，T过短，不能反应信号的全貌，因为在做傅里叶变换时，频率分辨率Δf与采样长度成反比：•Δf=1/T=1/(NΔt)•因此，要综合考虑采样频率和采样长度问题。•一般信号分析中，采样点数N选2M，使用较多