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机械设备振动状态监测技术机械工程学院阳建宏由于共振所产生大桥坍塌事故地震及其危害设备的振动设备振动出现异常振动的基础知识振动传感器振动信号的采集振动信号的分析主要内容振动：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间作来回往复变化的运动。xtATmfkx(t)什么是振动？()sin()xtAt幅值：振动能量大小频率：故障定位相位分类名称主要特征与说明按系统的自由度单自由度系统振动用一个独立变量就能表示系统振动多自由度系统振动须用多个独立变量表示系统振动连续弹性体振动须用无限多个独立变量表示系统振动按系统结构参数的特性线性振动可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比非线性振动要用非线性微分方程来描述，即微分方程中出现非线性项振动的分类分类名称主要特征与说明按振动产生的原因自由振动系统受初始干扰或外部激振力取消后，系统本身由弹性恢复力和惯性力来维持的振动。当系统无阻尼时，振动频率为系统的固有频率；当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐减弱受迫振动由于外界持续干扰引起和维持的振动，系统的振动频率为激振频率自激振动系统在输入和输出之间具有反馈特性时，在一定条件下，没有外部激振力而由系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固有频率振动的分类分类名称主要特征与说明按振动产生的方向横向振动振动发生在包括转轴的横向xoy平面内，大多数故障所激发的振动为此类振动轴向振动振动发生在转轴轴线z方向上，某些故障如不对中将会激发轴向振动扭转振动沿转轴轴线发生的扭振，多盘转子的柔性轴将会产生扭振振动的分类yxz0最简单的转子系统–设计原因•设计不当，运行时发生强迫振动/自激振动•结构不合理，应力集中•设计工作转速接近或落入临界转速区•热膨胀量计算不准，导致热态不对中–制造原因•零部件加工制造不良，精度不够•零件材质不良，强度不够，制造缺陷为什么会产生振动？–安装/维修的原因•机械安装不当，零部件错位，预负荷大•轴系对中不良•机器几何参数(配合间隙、过盈量及相对位置)调整不当–操作运行的原因•工艺参数(介质的温度、压力、流量、负荷)偏离设计值•转速接近或落入临界转速区•润滑或冷却不良•启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时间过长为什么会产生振动？–机器劣化的原因•零部件磨损、点蚀、脱落、腐蚀、产生裂纹•配合面受力劣化、产生过盈不足或松动等，破坏了配合的性质和精度•机器基础沉降不均匀，机器壳体变形为什么会产生振动？•测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；•分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；•对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。为什么要研究振动？振动的基础知识振动传感器振动信号的采集振动信号的分析主要内容①传感器类型及原理②传感器的选择③传感器的安装④传感器的标定振动传感器振动传感器的分类类别具体说明按测量原理分机械方法、光学方法、电测法按测振参数分位移传感器、速度传感器、加速度传感器按转换原理分磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式按传感器与被测物关系分接触式传感器、非接触式传感器工作原理：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x的变化量有关，于是就把位移量变成了电量。电涡流位移传感器电涡流位移传感器工作原理：电涡流效应。根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流位移传感器将高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加给电感线圈L时，将产生高频磁场H0被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体内就产生电涡流i1。电涡流产生与H0方向相反的磁场H1因涡流磁场的反作用，电感线圈的电流幅度、相位等（有效阻抗）发生改变，经检测电路可转换成电压或电流的变化电涡流位移传感器通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，电感线圈有效阻抗的变化与金属体磁导率ξ、电导率σ、线圈的尺寸因子T、电流频率ω、电流强度I以及线圈到金属导体表面的距离D等参数有关。Z=f(ξ,σ,T,ω,I,D)控制ξ,σ,T,ω,I在一定范围内不变，则线圈阻抗Z就成为距离D的单值函数虽然整个函数是非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可取近似线性的一段。（使用时应注意线性范围）电涡流位移传感器电涡流位移传感器的使用注意事项（1）被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，涡流效应减弱，传感器灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的使用注意事项（2）被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um～0.8um之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um～1.6um之间。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的使用注意事项（3）被测体表面磁效应对传感器的影响涡流在金属导体中的深度方向分布是按指数规律衰减的。电涡流效应主要集中在导体表面。（集肤效应）。加工过程中可能形成的残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。振动测量时，若被测体表面残磁效应过大，会导致测量波形畸变。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的使用注意事项（4）被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的使用注意事项（5）被测体表面尺寸对传感器的影响在线圈轴线附近，涡流密度非常小，愈靠近线圈的外径处，涡流的密度愈大，而在等于线圈外径1.8倍处,涡流将衰减到最大值的5％。被测体表面为平面时，被测面直径应大于线圈直径的1.5倍；当被测体为圆轴且轴线与线圈中心线正交，一般要求被测轴直径为线圈直径3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。优点：–能实现非接触式测量–灵敏度高、频响范围宽、测量范围大–抗干扰能力强、结构简单、容易标定–可以实现静态和动态测量缺点：–对被测材料敏感–对同一材料，若被测表面的材质不均，或内部有裂纹等缺陷，都会影响测量结果。（可用此进行无损探伤）–被测体的形状对测量结果也有影响。电涡流位移传感器磁电式速度传感器当穿过匝数为w线圈的磁通发生变化时，其感应电动势为置于永久磁铁直流磁场内的线圈作直线运产生的感应电动势为sinwBlvetwedd磁电式绝对速度计1、9—弹簧片；2—磁靴；3—阻尼环；4—外壳；5—铝架；6—磁钢；7－线圈；8－线圈架；10－导线；11－接线座磁电式速度传感器磁电式速度传感器振动监测优点：–输出信号与振动速度成正比，因此较好的兼顾了高频与低频振动–由永久磁铁感应出电动势，传感器本生不需要电源，使用方便–磁钢-线圈型结构容易获得高灵敏度，可测量微小振动缺点：–体积大，重量大，不适合狭小空间和轻小设备的测量–动态范围有限，低频线性差–难以实现静态测量–对安装角度要求较高，有的型号只适用于垂直安装，而有的型号只适用于水平安装磁电式速度传感器压电式加速度传感器F上盖石英晶片绝缘套电极机座预压弹簧压电元件螺栓外壳质量块机座压电式加速度传感器结构图压电式传感器压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态的现象称为压电效应。压电式加速度传感器：以压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。33石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器信号需要经过的后续的电荷放大器才能进入数据采集器ICP型，放大电路内置的压电式传感器，美国PCB公司第一次使用。压电式加速度传感器压电式加速度传感器思考：用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。优点：–频带极宽（0.2~20kHz）；–本身质量小(2~50g)；–动态范围很大；缺点：–会受电场的干扰，且有电荷泄露；–某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。压电式加速度传感器①传感器类型及原理②传感器的选择③传感器的安装④传感器的标定振动传感器传感器的选择灵敏度从一定角度讲，传感器的灵敏度越高越好，灵敏度越高意味着传感器能够感知的变化量越小，被检测的参数稍有微小变化就能被检测出来。但是，当灵敏度很高时，与测量信号无关的外界噪声容易混入，并且会被电子系统进一步放大。这时就要求提高信噪比。量程也是限制灵敏度的另一个因素。当被测量是一个单向向量时，要求传感器单向灵敏度愈高愈好，横向灵敏度愈低愈好；如果被测量是二维或三维向量，对传感器还应要求交叉灵敏度愈低愈好。精确度表示输出与被测物理量的对应程度。与精确度相对应的是误差，在工程中常用误差指标来代替精确度指标。精确度有绝对精确度和相对精确度两个指标。精确度越高，价格越贵，因此要从实际需要出发来选择传感器精度。在实际工程测试中，一般情况下要求精度达到1.5%左右即可，有时甚至3%～5%也是可以接受的。传感器的选择线性即传感器输出与输入成比例关系，任何传感器都有一定的线性工作范围，线性范围愈宽，表明传感器的工作量程愈大。传感器在线性区内工作，是保证测量精度的基本条件，但保证绝对工作在线性范围内是不容易的，在某些情况下，在许可限度内也可以取其近似线性区域。如电涡流传感器，其工作区间选在初始间隙附近，选用时必须考虑被测量变化范围，保证其非线性误差在允许限度内。传感器的选择线性范围稳定性表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素主要有时间、环境等。为保证稳定性，在选择传感器时应考虑其使用环境，以选择合适的传感器类型。在工程实际应用往往要求传感器能长期使用而不需经常更换或校准，在这种情况下，对传感器的稳定性有严格的要求。传感器的选择稳定性频率响应特性是指在所测评论范围内，传感器的输出能够真正反映被测参数而不失真，是传感器的主要动态指标。任何传感器的频率范围都有一定的限定范围，如：•位移传感器为0～10kHz，能给出准确的低频振幅及相位•速度传感器为5～2kHz，能对中频的振动产生较强的信号•加速度传感器为5～20kHz，高频范围信号较强。应根据被测对象及其可能发生故障的性质选择适用的传感器。传感器的选择频率响应特性传感器的测量方式也是选用传感器时应考虑的重要因素。如接触与非接触，在线与离线测量，条件不同，对传感器的要求亦不同对运动部件的测量一般应采用非接触测量方式。此时采用电容式、电涡流式等非接触传感器比较方便测量对象的不同与使用场合的不同，所采用的传感器往往也不同。例如：•对大