第五讲振动诊断技术

第五讲振动诊断技术东北电力学院机电系工程实际中存在着大量的振动问题，零件原始制造误差、运动零部件间的间隙和摩擦或者回转部件中不平衡力的存在等都会引起振动。而且，随着零件的磨损，零件表面产生的剥落、裂缝等损伤会使振动进一步加剧。总之，大量的生产实践经验表明，机械设备的振动与其运行状态之间有着密切的关系，这就为振动技术用于设备的故障诊断提供了可能性。所谓振动诊断，就是以系统在某种激励下的振动响应作为诊断信息的来源，通过对所测得的振动参量(振动位移、速度、加速度)进行各种分析处理，并以此为基础，借助一定的识别策略，对机械设备的运行状态作出判断，进而对于诊断有故障的机械给出故障部位、故障程度以及故障原因等方面的信息。由于振动的理论和测量方法都比较成熟、简单易行且具有诊断结果准确可靠，便于实时诊断等诸多优点而受到人们的普遍关注，在机械故障诊断的整个技术体系中居主导地位，目前已广泛地应用于各种机械设备(包括往复式机械和旋转式机械)的简易诊断和精密诊断。主要包括：信息采集、分析处理、故障诊断。一、测振传感器（一）、压电加速度传感器测振传感器是用来测量振动参量的传感器，根据所测振动参量和频响范围的不同，习惯上常将测振传感器分为振动位移传感器、振动速度传感器和振动加速度传感器三大类，各自典型的频响范围大致如下：0～10kHz(电涡流位移传感器)、10～2kHz(磁电式速度传感器)、0～50kHz(压电加速度传感器)。（一）、压电加速度传感器线性加速度传感器的种类很多，在这种类众多的加速度传感器中，压电加速度传感器由于具有体积小、重量轻、灵敏度高、测量范围大、频响范围宽、线性度好、安装简便等诸多优点而获得了最为广泛的应用，是目前机械故障的振动诊断测试中最为常用的一种传感器。1．压电加速度传感器的工作原理（1）压电效应由物理学可知，某些电介质，当沿着一定的方向对其施力而使之变形时，其内部将发生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，电介质又重新恢复到不带电的状态，介质的这种机械能转换为电能的现象即为压电效应。其电荷量q=αF(α－压电材料的压电系数，F－压电元件表面上所受的压力）。（2）压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，目前，用于制造压电加速度传感器的压电材料主要分为压电晶体和压电陶瓷，其中石英晶体的应用最早，因其稳定性最好，但压电系数小且价格昂贵，通常用作标准加速度传感器的敏感材料；而钛酸铅、锆钛酸铅，特别是后者则是目前最广泛的压电陶瓷。（3）传感器的力学模型及其动态响应如图所示1为结构原理，2为力学模型。是一个典型的二阶系统。q=asqsin(ωt-φ)当被测振动体的运动频率远远小于传感器的固有频率时，压电元件表面的电荷量与传感器壳体（被测物体）的振动加速度幅值成正比，此即压电传感器的工作原理。螺母质量块压电元件机座mckxτxs=x0sinωt122．测量电路压电式传感器的测量电路（即前置放大器）的作用有两个：一是进行阻抗变换，把压电式传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的微弱信号。目前，用于压电式传感的测量电路有电压放大器和电荷放大器两种，其中电压放大器的输出电压与传感器的输出电压成正比，而电荷放大器的输出电压与传感器的输出电荷成正比。它们各有有缺点，其中，电压放大器具有电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠等优点，其不足之处，电缆长度对传感器测量精度的影响大，这在一定程度上限制了压电式传感器的应用；而电荷放大器则克服了电压放大器的这个显著缺点，在一定的条件下其放大倍数不受电缆电容的影响，因而当采用电荷放大器进行放大时，连接电缆可以长达数百米，甚至更长，而不必重新标定。因此，在绝大多数情况下都优先选用电荷放大器。但电荷放大器的电路复杂，价格较贵，调整也比较困难，这就是它的缺点。3、压电加速度传感器的性能指标表征压电加速度传感器性能特征的指标主要有：(1)灵敏度分电荷灵敏度(Sq)和电压灵敏度(Sv)两种。电荷灵敏度(Sq)是单位加速度下的电荷量大小(pC／g)。电压灵敏空(Sq)则是单位加速度下的输出电压大小(mV／g)，它们之间有如下的关系式：Sq=SvCa(Ca传感器等效电容)。要求传感器的灵敏度尽量高，以便检测微小信号。(2)频响范围是指传感器的幅频特为水平线的频率范围，一般以3dB为截止频率点。频响范围是加速度传感器的一个最重要的指标．要求越宽越好。(3)测量范围是指传感器所能测量的加速度大小，要求越大越好。(4)最大横向灵敏度是指传感器的最大灵敏度在垂直于主轴的水平面的投影值，以主轴方向的灵敏度的百分比表示，要求越小越好-(5)使用温度范围也是传感器的一个重要指标，要求越宽越好。（一般石英573℃，锆钛酸铅180～350℃）此外，传感器的重量、尺寸以及输出阻抗等也是经常需要考虑的因素，要求越轻越好；越小越好。4、测量误差来源及使用注意事项压电加速度传感器用于测量时，有很多因素都会影响测量结果的真实性，带来测量误差，这些因素是环境因素、安装因素以及传感器本身的特性。下面来分析这些因素及其对测量结果的影响，以及使用时需要注意的问题。(1)温度的影响周围环境温度的变化对压电材料的压电系数、介电常数影响最大，将使传感器的灵敏度发生变化。但不同的压电材料，其受温度变化的影响程度不同，石英晶体对温度就不敏感，在常温范围内，以致温度变至200℃时，石英的压电系数和介电常数几乎不变，在200～400℃的范围内也变化不大，故石英常用于标准传感器。而温度对人工极化的压电陶瓷的压电系数和介电常数的影响则大得多，为了提高压电陶瓷的温度稳定性和长期稳定性，一般要进行人工老化处理。尽管如此，压电陶瓷在高温环境中使用时，其压电系数和介电常数仍会发生变化。（2）湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响很大，主要表现在：环境湿度增大，将会使传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）减小，从而使传感器的低频响应特性变坏。因此，传感器的有关部分一定要良好绝缘，要选用绝缘良好的绝缘材料。此外，传感器的输出端要保持清洁干燥，以免尘土积落受潮后降低绝缘电阻。对那些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采取防潮密封措施，在容易漏气或进水的输出引线接头处用聚氟塑料加以密封(3)电缆噪声压电式传感器信号电缆一般多采用小型同轴导线，这种电缆很柔软，具有良好的挠性。但当它受到突然的扰动或振动时，电缆自身会产生噪声。由于压电式传感器是电容性的，所以在低频(≤20Hz)时其内阻抗极高(约上百兆欧)，这样，电缆里产生的噪声不会很快消失，以致进入前置放大器，成为一种干扰信号。电缆噪声完全是由电缆自身产生的。普通的同轴电缆是由带挤压聚乙烯或聚四氟乙烯材料作绝缘保护层的多股铰线组成的。外部屏蔽是一个编织的多股镀银金属套套在绝缘材料上，如图所示。当电缆受到突然的弯曲振动时，电缆芯线和绝缘体之间以及绝缘体和金属屏蔽套之间就可能发生相对移动，将因静摩擦而产生静电感应，静电荷放电时将直接馈送到放大器中，形成电缆噪声。电缆芯线绝缘层金属屏蔽外套同轴电缆截面结构为减小电缆噪声，除选用特制的低噪声电缆外，在测量过程中应将电缆固定，以避免相对运动。(4)接地回路噪声在振动测试中，测量仪器往往不只一个，如果各仪器和传感器各自接地，如图(a)所示，当不同接地点之间存在电位差ΔU时，该电位差就会在接地回路中形成回路电流，导致在测量系统中产生噪声信号。防止接地回路中产生噪声信号的办法是整个测量系统在一点接地，如图(b)所示。此时由于没有接地回路，当然也就不会有回路电流和噪声信号了。·一般合适的接地点是记录设备的辅入端，因此，要将传感器和放大器对地隔离。传感器的简单隔离方法是电气绝缘，可以用绝缘螺栓和云母垫片将传感器与它所安装的构件绝缘。记录设备前置放大器传感器ΔU回路电流(a)记录设备传感器(b)前置放大器绝缘(5)传感器横向灵敏度的影响横向灵敏度是指传感器受到垂直于主轴方向的横向加速度作用时的灵敏度。一只理想的加速度传感器，只有当振动沿其主轴方向发生时才会有信号输出。换句话说，传感器最大灵敏度的方向应该与传感器的主轴重合，而垂直于主轴方向的振动不应使传感器产生输出。然而，实际上任何加速度传感器都做不到这一点，这主要有以下几个方面的原因：压电材料性能的非均匀性、压电片表面粗糙或两个表面不平行、压电片表面有杂质或接触不良、传感器安装不对称或安装基础不平等。因此，传感器的最大灵敏度方向就不可能与主轴线完全重合。人们将传感器最大灵敏度在主轴线方向的投影称为主轴灵敏度，或基本灵敏度，简称灵敏度，而将最大灵敏度在垂直于主轴线方向的投影称为横向灵敏度。横向灵敏度是测量误差的一个来源，为了减小横向灵敏度的影响，除尽量提高压电元件的加工精度和传感器的装配精度、以及调整压电片的相互位置外，在测量过程中正确选择传感器的安装方位是一个实用措施。如果使传感器的最小横向灵敏度方向与被测体的横向振动方向一致，则可最大限度地降低横向灵敏度的影响，使测量误差降为最小。(6)传感器安装方式的影响安装方式是影响测量结果的一个重要因素，因为不同的安装方式对传感器频响特性的影响是不同的。（二）、涡流式位移传感器电涡流传感器是一种新近研制成功的传感器，它利用导体在交变磁场作用下的电涡流效应，将形变、位移与压力等物理参量的改变转化为阻抗、电感、品质因素等电磁参量的变化。由于电涡流传感器具有灵敏度高、频响范围宽、测量范围大、抗干扰能力强、不受介质影响、结构简单以及非接触测量等优点，而被广泛地应用于各工业领域，在汽轮发电机组、透平机、压缩机、离心机等大型旋转机械的轴振动、轴端窜动、以及轴心轨迹监测中都有应用。此外，电涡流传感器还可用于测厚、测表面粗糙度、无损探伤、测流体压力、转速等一切可转化为位移的物理参量。下面对电涡流振动位移传感器加以说明。电涡流传感器的工作原理及结构如图1所示，当一块金属导体置于一个由通有高频电流的线圈所产生的交变磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应的作用，金属导体内将产生一个闭合的电流环，此即“电涡流”。电涡流将产生一个与交变磁场相反的涡流磁场φ2来阻碍原交变磁场φ1的变化，从而使原线圈的阻抗、电感和品质因素都发生变化，且它们的变化量与线圈到金属导体之间的距离的变化量有关，于是就把位移量转化成了电量，这就是电涡流传感器的工作原理。电涡流传感器结构如图2所示。φ2φ1x1电涡流传感器的工作原理2电涡流传感器结构简图线圈支架壳体电缆接头（三）、磁电式速度传感器在机械故障的振动诊断方法中，振动速度也是一个经常需要观测的物理参量，因为振动速度与振动能量直接对应，而振动能量常常是造成振动体破坏的根本原因。磁电式速度传感器是测量振动速度的典型传感器，然而，由于该种类型的传感器在结构上一般都大而笨重，给使用带来了许多不便；其频响范围又很有限，加之振动速度可由振动位移微分或由振动加速度积分而得到，因此，用磁电式速度传感器进行振动速度的直接测量在实际工作中并不多见。为此我们仅对磁电式速度传感器予以简要的介绍。Kxτxs=x0sinωtSSNNcm磁电式速度传感器模型1、磁电式速度传感器的工作原理磁电式速度传感器的工作原理如图所示。测试时，将传感器与被测体固接，传感器因被测体振动激振而作强迫振动，质量块带动导体在磁场中运动，因切割磁力线而产生感生电动势，感生电动势的大小可根据电磁感应定律求得e=-Blvτ式中e感生电动势；B磁场强度；l动圈导线的有效长度;vτ导体切割磁力线的速度。由上式可知，感生电动势的大小与导体切割磁力线的速度成正比。在图中，取质量块m相对于传感器的基座的相对运动vτ=Asin(ωt-φ)（A为二阶系统的振幅）,假定传感器(即被测振动体)的运动为xs=x0sinωt。当00s01,Ax,0,x=Asin(t-)xsint,x=xcos(t-)=xn时由此得即即传感器中质量块的相对振动与传感器机座即被测振动体的运动同步，两者的速度相同，而传感器质量相对传感器机座的相对运动速度即是导体切割磁力线的速度，因此，传感器中的感生电动势大小也与被测振动体的运动速度成正比。