振动检测技术

明德砺志博学笃行振动检测技术机械电子工程高卫丽明德砺志博学笃行振动检测是状态检测的手段之一，任何机械在输入能量转化为有用功的过程中，均会产生振动；振动的强弱与变化和故障有关，非正常的震动感增强表明故障趋于严重；不同的故障引起的振动特性各异，相同的振动可能是不同的故障；振动信号是在机器运转过程中产生的，就可以在不用停机的情况下检测和分析故障。一、背景明德砺志博学笃行1.振动概述机械振动是指机械或结构在平衡位置附近的往复运动。机械振动是自然界,工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象,任何一台运行着的机器,仪器和设备都存在着震动现象。机械振动应用:明德砺志博学笃行振动的灾害：明德砺志博学笃行振动测试的目的:1.检查机械运转时的振动特性,检查检验产品质量,为设计提供依据;2.考核机械设备承受震动和冲击的能力,并对系统的动态响应那个特性进行测试;3.分析查明振动产生的原因,寻找震源,为减振和避振措施提供依据;4.对工作机进行故障监控,避免重大事故发生。明德砺志博学笃行2.机械振动检测技术机械运动消耗的能量除了做有用功外，其他的能量消耗在机械传动的各种摩擦损耗之中并产生正常振动，如果出现非正常的振动，说明机械发生了故障。这些振动信号包含了机械内部运动部件各种变化信息。分辨正常振动和非正常的振动，采集振动参数,运用信号处理技术,提取特征信息,判断机械运行的技术状态，这就是振动检测。明德砺志博学笃行二、振动和振动测量系统1、振动信号分类明德砺志博学笃行确定性振动可分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动包括简谐振动和复杂周期振动。非周期性振动包括准周期振动和瞬态振动。准周期振动由一些不同频率的简谐振动合成,在这些不同频率的简谐分量中,总会有一个分量与另一个分量的频率之比值为无理数,因而是非周期振动。随机振动是一种非确定性振动,它只服从一定的统计规律性。可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。一般来说,仪器设备的振动信号中既包含有确定性的振动,又包含有随机振动,但对于一个线性振动系统来说,振动信号可用谱分析技术化作许多谐振动的叠加。因此简谐振动是最基本也是最简单的振动。明德砺志博学笃行2、振动测量系统（1）振动测量方法分类振动测量的方法按振动信号转换方式的不同，可分为电测法、机械法和光学法。其简单原理和优缺点如下列所示：明德砺志博学笃行a.电测法：将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量，这种方法灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但是易受电磁场干扰，是目前最广泛采用的方法；b.机械法：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来，这种抗干扰能力强，频率范围及动态范围窄、测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，用于低频大振幅振动及扭振的测量；c.光学法：利用光杠杆原理、读取显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量，这种方法不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量，在精密测量和传感器、测振仪标定中用的较多。明德砺志博学笃行目前广泛应用的是电测法，所以我们主要讨论电测法（2）电测法振动测量系统有图可见，一个一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置等环节所组成。明德砺志博学笃行下面分别就这些组成环节做一简单介绍a.测振传感器拾振部分是振动测量仪器的最基本部分，它的性能往往决定整个仪器或系统的性能。根据线性系统的叠加原理，振动的响应是振动系统拾振部分对各个谐振动响应的叠加。常见的测振传感器类型有发电型、电参数变化型以及伺服型，下边列举了两个常用测振传感器。明德砺志博学笃行磁致伸缩式振动传感器激光振动传感器明德砺志博学笃行磁致伸缩式振动传感器基本原理：当一个磁极材料被磁化时,元磁体(分子磁体)极化方向的改变将会引起外部尺寸的改变,该现象成为磁致伸缩。这种长度的相对变化dl/l在饱和磁极时其值非常小。若施加一种交变的磁场,那么这种现象会产生一种周期性的形状改变和机械振动。而这一效应会产生交流噪音,同时这也可以用来制作磁致伸缩转换器,用以产生超声波。磁致伸缩现象的逆效应称为磁弹性效应,即铁磁材料在受拉或者压力作用时会改变其磁化强度,利用此效应便可以制造磁弹性振动传感器。如下图所示是一种磁致伸缩式声传感器。明德砺志博学笃行激光振动传感器基本原理：激光干涉。如下图所示是一种迈克尔干涉仪的装置原理图。由于这是一种非接触式速度传感器，不影响被测体的结构，这种传感器的典型应用有：内燃机进气管管道热表面的速度检测振动膜片的速度检测旋转机械轴的轨道分析不能连接地震式传感器的机械零件的速度检测明德砺志博学笃行b.激振器激振器是对试件施加某种预定要求的激振力,使试件受到可控的、按预定要求振动的装置。为了减少激振器质量对被测系统的影响,应尽量使激振器体积小、重量轻。激振器的种类繁多，根据工作原理一般可以分为机械式、电磁式、压电式以及液压式，下面对于几种常见的激振器进行简单介绍。明德砺志博学笃行脉冲锤用来在振动试验中给被测对象施加一个局部冲击激励。下图为常用的脉冲锤结构示意图。由锤头、锤头垫、力传感器、锤体、配重块组成。锤头和锤头垫用来冲击被测试件。脉冲锤明德砺志博学笃行电动力式激振器工作原理与电动力式扬声器相同,主要是利用带电导体在磁场中受电磁力作用。电动力式激振器按磁场新城的方式不同可以分为永磁式和励磁式两种,前者用于小型激振器,后者一般用于大型激振台。如下图所示电动力式激振器结构图。该激振器是由永磁铁、激励线圈、芯杆与顶杆组合体和弹簧片组成。动圈产生的激振力经芯杆和顶杆组件传给被测试物件。电动力式激振器明德砺志博学笃行c.振动分析仪器从拾振器检测到的振动信号和从激振点检测到的力信号需经过适当的分析处理,以提取出各种有用的信息。目前常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚似频谱分析仪等。1.测振仪2.频率分析仪3.FFT分析仪4．虚拟频谱分析仪明德砺志博学笃行三、振动参量的测量振动参量是指振幅、频率、相位角和阻尼比等物理量。1.振幅的测量振动量的幅值是时间的函数,常用峰值、峰峰值、有效值和平均绝对值来表示。峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离,峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。在考虑时间过程时常用有效值和平均绝对值表示。有效值和平均值分别定义为对于谐振动而言，峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为明德砺志博学笃行2.谐振动频率的测量谐振动的频率是单一频率,测量方法分直接法和比较法两种。直接法是将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下,可用示波器通过比较测得频率。常用的比较法有录波比较法和李沙育图形法。录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示,根据它们在波形图上的周期或频率比,算出振动信号的周期或频率。李沙育图形法则是将被测信号和由信号发生器发出的标准频率正弦波信号分别送到双轴示波器的y轴及X轴,根据荧屏上呈现出的李沙育图形来判断。明德砺志博学笃行3.相位角的测量相位差角只有在频率相同的振动之间才有意义。测定同频两个振动之间的相位差也常用直读法和比较法。直读法是利用各种相位计直接测定。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。录波比较法利用记录在同一坐标纸上的被测信号与参考信号之间的时间差球出相位差;李沙育图测相位法则是根据被测信号与同频的标准信号之间的李沙育图形来判别相位差。4.阻尼比测量阻尼比是导出参数,可以通过测量振动的某些基本参数,再用公式算出。常用的方法有振动波形图法、共振法、半功率点法和李沙育图法四种。明德砺志博学笃行三、常用的几种振动传感器振动传感器的分类比较多,它的工作原理主要有机械接收原理、机电变换原理两种。按照机械接收原理可分为相对式、慢性式；按照机电变换原理可分为电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；根据振动传感器所测里的参数可以分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器等等。下边列举了几种振动传感器。明德砺志博学笃行1.相对式电动传感器电动式传感器基于电磁感应原理,即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时,导体两端就感生出电动势,因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。2.电感式传感器依据传感器的相对式机械接收原理,电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。明德砺志博学笃行3.电容式传感器电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。4.惯性式电动传感器从传感器的结构上来说,惯性式电动传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生,根据电磁感应电律,当线圈在磁场中作相对运动时,所感生的电动势和线圈切割磁力线的速度成正比。明德砺志博学笃行5.压电式加速度传感器利用晶体的压电效应,可以制成测力传感器,在振动测量中,由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力,所产生的电荷数和加速度大小成正比,所以压电式传感器是加速度传感器。6.电阻应变式位移传感器电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。明德砺志博学笃行下面简单的选择压电片谐振式振动传感器说明其的工作原理和特点压电片谐振式振动传感器使用压电片直接将振动信号转换为电信号输出。市售的普通压电片的谐振频率都在音频段的高端,与振动信号频率相差较大。为了降低诸振频率,人们使用弹簧球与压电片基体连接,其结构如图1所示。在降低整体谐振频率的同时,弹簧也降低振动能量的消耗,延长振动衰减的时间,增强了振动效果。压电片谐振式振动传感器的优点是:1结构简单,取材方便;2安装方便,使用寿命长。其不足是:1谐振频率高,容易受到声音的干扰2输出阻抗高,输出信号典型的三极管放大电路如图所示。明德砺志博学笃行谢谢