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3 设备动态信号检测


设备动态信号检测
?特征信号的选择 ?传感器及其选择原则 ?振动测试仪器与仪表 ?噪声的测量 ?动态信号采集原理与方法

1

动态信号检测
? 信号 -> 反映设备运行状态正常或异常的信息载体,适 当的检测方法是发现故障信息的重要条件,也是故障诊断 技术中不可缺少的环节。 ?能否真实、充分地检测到足够数量并能客观地反映设备运 行情况的状态信号,是诊断能否成功的前提。

?传感器是人类器官的延伸

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状态监测与故障诊断用主要检测量
物理特征 振动 温度 油液 声学 强度 压力 电气参数 表面状态 无损检测 工况指标 检测目标 稳态振动、瞬态振动模态参数等 温度、温差、温度场及热图像等 油品的理化性能、磨粒的铁谱分 析及油液的光谱分析 噪声、声阻、超声波、声发射等 载荷、扭矩、应力、应变等 压力、压差、压力联动等 电流、电压、电阻、功率、电磁 特性、绝缘性能等 裂纹、变形、点蚀、剥脱腐蚀、 变色等 射线、超声、磁粉场、渗透、涡 流探伤指标等 设备运行中的工况和主要性能指 标等 适用范围 旋转机械、往复机械、流体机械、转轴、轴承、 齿轮等 热工设备、工业炉窑、电机电器、电子设备等 设备润滑系统、有摩擦副的传动系统、电力变 压器等 压力容器及管道、流体机械、工业阀门、断路 开关等 起重运输设备、锻压设备、各种工程结构等 液压系统、流体机械、内燃机、液力耦合器等 电机、电器、输变电设备、微电子设备、电工 仪表等 设备及零件的表面损伤、交换器及管道内孔的 照相检查等 压延、铸锻件及焊缝缺陷检查,表面镀层及管 壁厚度测定等 流程工业或生产线上的主要生产设备等
3

Deformation Disturbance Vibration Force Machining command

Disturbance from environment (Heat, Vibration) Accuracy Surface quality

CAM
Machining condition Cutter path

CNC
Position velocity

Control command

Actuator

Motion

Machine tool (Tool-work Relative motion)

Machining motion

Machining process

(Vibration, Position) Position) (Position) (Position)

(Machining process information) information)

(Information of machined results) results)

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动态信号检测

测试技术的工程应用
在工程领域,科学实验、产品开发、生产监督、质量控制 等,都离不开测试技术。涉及到航天、机械、电子、电力、 石化和海洋等每一个工程领域。

5 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测 (1)工业自动化中的应用
在各种自动控制系统中,测试环节起着系统感官的作用, 是其重要组成部分。 a)机械手、机器人中的传感器 转动 /移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听 觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、 嗅觉传感器。

密歇根大学的机械手装配模型

广州中鸣数码的机器狗

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动态信号检测
b) AGV(Automatic Guided Vehicle)自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置;红 外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别;条形码 传感器,货品识别。

香港理工AGV模型

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动态信号检测
c) 生产加工过程监测 切削力传感器,加 工噪声传感器,超 声波测距传感器、 红外接近开关传感 器等。

密歇根大学数字化工厂

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动态信号检测 (2)流程工业设备运行状态监控
在电力、冶金、石化、化工等流程工业中,生产线上 设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在 线监测系统。

石化企业输油管 道、储油罐等压 力容器的破损和 泄漏检测。
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动态信号检测 (3)产品质量测量
在汽车、机床等设备,电机、发动机等零部件出厂 时,必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

汽车扭距测量 图示为汽车出厂检验原理框图,测量参数 包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力 及发动机转速等。通过对抽样汽车的测 试,工程师可以了解产品质量。 机床加工精度测量
10 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测 (4)楼宇控制与安全防护
为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工 作环境,并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在 楼宇中应用了许多测试技术,如闯入监测、空气监测、温 度监测、电梯运行状况。
图示为某公司楼宇自动化系 统。该系统分为:电源管理、 安全监测、照明控制、空调 控制、停车管理、水/废水管 理和电梯监控。

烟雾传感器

亮度传感器

红外人体探测器

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动态信号检测 (5)家庭与办公自动化
在家电产品和办公自动化产品设计中,人们大量的应用 了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。

全自动洗衣机中的传感器: 衣物重量传感器,衣质传感 器,水温传感器,水质传感 器,透光率光传感器(洗净度) 液位传感器,电阻传感器(衣 物烘干检测)。

指纹传感器

透光率传感器

温湿度传感器

温度传感器

12

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动态信号检测 (6)其他应用
航天 农业

交通

医学

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动态信号检测
振动测试包括两方面的内容 ? 测量机械设备或结构在工作状态下存在的振动,如振动 位移、速度、加速度、频率和相位等
– 了解被测对象的振动状态、评定等级 – 寻找振源 – 监测、分析、诊断和预测

? 对机械设备或结构施加某种激励,测量其受迫振动
– 被测对象的振动力学参量或动态性能,如固有频率、阻尼、刚 度、响应和模态等。 – 提高机械结构的抗振性能,机械结构的振动分析和振动设计, 找出薄弱环节,改善其抗振能力
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动态信号检测 1、特征信号的选择
? 信号的敏感性 并不是每一种信息都对工况监测有用 有些信息相关性大-> 取舍问题 经费问题 ? 在线与实时性 ?工况监视与故障诊断对特征信号的要求 ?实时对传感器类型选择的要求 ?实际安装使用的可行性
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动态信号检测 2、传感器及其选择原则
分类 ? 按测振参数分
– 位移传感器、速度传感器、加速度传感器

? 按参考坐标分
– 相对式传感器、绝对式传感器

? 按变分原理分
– 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
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动态信号检测
机械振动测试方法 机械方法、光学方法和电测方法 ? 机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度要求不高的 场合 ? 光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定 ? 电测法应用范围最广,在工业界被广泛采用。

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动态信号检测
2.1 涡流式位移传感器

8mm 11mm 25mm

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动态信号检测
电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体(导电体)间 的间隙变化来测量物体的振动和静位移。 – 特点
? 频带宽(DC-10KHz ) ? 线性范围宽(一般是端部线圈直径的一半) ? 在线性范围内灵敏度不随初始间隙而变

– 工作原理
Usr——高频交变电压 i——传感器电流 Ψ——传感器磁通量 ie——感应电流 Ψe——感应磁通链 =》 互感 耦合系数的大小与二者之间 的距离及导体的材料有关。
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动态信号检测
图中R和L为原线圈的电阻与自感;Re和Le为相当的涡流的电阻与 自感;M为互感系数。当所加的UST频率fST很高时,有,可以证明 图(b)中的 L' 2 R′ = R + K Re Le 2 ′ L = L ( 1 ? K ), ——耦合系数 式中

K=

M LLe

K = K (d )
i R M

d ↑? k ↓? L ′ ↑
R' Re Usr C L'

Usr

L

Le

电涡流传感器的等 效线路图

(a)

(b)

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动态信号检测
– 涡流传感器及其测量线路
频率为 f o 的稳定的振荡器(一般用石英振荡器)+检波环节 输出电压 U d 正比于间隙d,可以分为两部分

U = Uo + Ua
直流部分 交流部分

Usr

传感器
C d0 L C' Re Usc

晶体 震荡器
Ud U0~ d 0

检波器

前置器

涡流传感器和前置器的线路图

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a)

b)

c)

d)

载波、调制信号及调幅、调频波 a)载波信号 b) 调制信号 c) 调幅波形 d) 调频波形 Modulator Demodulator ? Modem

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动态信号检测
幅值调制的工作原理:将一个高频简谐信号(载波信号)与 测试信号(调制信号)相乘,使载波信号的幅值随测试信 号的变化而变化。

? 调制信号最高频率成分 f m << 载波信号 f 0 ?载波信号一般为谐波信号 cos 2π f 0 t

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而 则

1 cos 2π f 0 t ? [δ ( f ? f 0 ) + δ ( f + f 0 )] 2 1 x (t ) cos 2π f 0 t ? [ X ( f )δ ( f ? f 0 ) + X ( f )δ ( f + f 0 )] 2
x(t) y(t)=cos2πf0t 调制器 y(t) 1/2 t xm(t)= x(t) cos2πf0t Y(f)
0

1/2 f0 f

0 x(t) 0 xm(t)

?f

0 X(f) 1

t

?f

m

0

fm 1/2 f0

f

Xm(f)= X(f) ?Y(f) 1/2 t a) 时域波形 调幅过程

0

?f

0

0 b) 频域谱图

f
24

幅值调制信 号的解调 同步解调 ?将调幅波再次与 原载波信号相乘 ?通过低通滤波器 滤去高频(2f0)信 号分量

xm(t) 调幅波

乘法器 载波y(t) Xm(f) 1/2

低通滤波

x(t)

1/2

?f
1/2

0

0 Y(f)

f0 1/2 f0 1/2 低通 1/4

f

?f
1/4

0

0

f

Xm(f) ?Y(f)

?2 f

0

?f c ?f

m

0

fm fc

2 f0
25

同步解调

从时域看:

a) b)

x(t ) cos 2π f 0t cos 2π f 0t 1 1 = x(t ) + x(t ) cos 4π f 0t 2 2
整流检波解调 ?对调制信号进行偏置使其大于零 ?对载波进行调制 ?将调制波进行整流(半波或全波) ?低通滤波 ?消除直流偏置

c)

d) e) f) 整流检波解调
26

27

动态信号检测
? 主要特点:
– 结构简单 – 非接触式测量 – 线性度好 – 频率响应范围较宽 – 具有较强的抗干扰能力 – 在生产条件下安装方便

? 在监视诊断尤其是旋转机械的轴振动检测中应用十分 普遍。

28 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测
y

传感器B
t SA(p-p)

前置传感器

由传感器A测得的波形

远距离指示仪表

机器结构
x SA1 S1 SB1 K

用于报警停机 记录和分析仪 表得任选输出
S B(p-p)

轴 非接触式传感器 ?安装-水平垂直方向?
S (p
-p)

o P
ma

t

传感器A

Sma
x

x

y

由传感器B测锝的波形

?轴的自转与公转 ?轴心轨迹 ?轴心位置

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动态信号检测

30

动态信号检测 – 使用涡流传感器的注意事项
? 安装时要注意平均间隙的选取
U0

u0 u0

' d0

d0 0

d0 d

平均间隙的选取,d0—正确; d0’ —不正确

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动态信号检测
传感器端部附近除了被测物体表面外,不得有其它导体与 之靠近

? 15

7.6
(a) (b)

1.3

涡流传感器的安装 (a)不正确安装;(b)正确安装

涡流传感器附近的导 体的最小范围
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动态信号检测 ? 标定
距离 导体的导电率和导磁率
传感器

d

由测试材料 制成的圆盘

螺旋测微计

前置器

数字电压表

电涡流传感器(包括前置器)灵敏度的标定装置

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动态信号检测
不同材质对灵敏度的影响
u d (-V) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

钢 铝 铜
d(mm)
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动态信号检测

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动态信号检测
2.2 磁电式速度传感器

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动态信号检测

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动态信号检测
当穿过匝数为w线圈的磁通Φ发生变化时,其感应电动势为
dΦ e = ?w dt

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

e = wBlv sin θ
式中:B——磁场的感应电势强度;l——单匝线圈有效长度; w——线圈匝数;v——线圈与磁场的相对运动速度;

θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。
此即一般惯性速度计的原理。
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动态信号检测

磁电式绝对速度计 1—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 9-弹簧片 10-导线 11-接线座
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动态信号检测

频响下限取决于什么? 弹簧-质量-阻尼系统的固有频率 ω

n

=

k m

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动态信号检测

6

ζ = 0.01
5

0.1
4

0.2 0.5 0.7 1

A(ω)

3

2

1

0

0

0.5

1

ω ωn

1.5

2

2.5

3

41

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动态信号检测

中分面如何安装?

42

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43

动态信号检测
2.3 压电式加速度传感器 利用某些晶体材料(如压 电陶瓷锆钛酸铅等)的压 电效应作为机电变换器而 制成的加速度传感器
F 金属膜

δ

F

F = ma
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动态信号检测
? 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等当受到外力作用后, 不仅几何尺寸发生变化,其内部还产生极化,表面出 现电荷,形成电场,当外力失去后,又恢复原状。这 种现象叫做压电效应。 ? 如将这种物质置于电场中,其几何尺寸也会变化。这 种由外电场的作用而导致物质变形现象称为逆压电效 应,或称之为电致伸缩效应。 液位测量 清洗机器人 飞行机器人
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动态信号检测
– 特点 ? 频带极宽(0.2Hz~20KHz) ? 本身质量小(2g~50g) ? 动态范围很大 – 工作原理 惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上,压 电晶体产生相应大小电荷。

(a)

(b)

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动态信号检测
F 金属膜

F

F

δ

- - - - - - - - - - + + + + + +
F

+ + + + + +

- - - - - + + + + + +

+ + + + + +

- - - - - F
o

F
o

q

C

C

i

R0

o

o

压电传感器可以看作是电荷发生器,它又是一个电容器。
C=

εε 0 A δ

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动态信号检测
S dB 20 10 0 -10 -20 0.01

振幅下限 相位下限
0.1 1 10 100

相位上限 振幅上限
1000 10000 Hz

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型号 350B04 350B21 351B03 352A 352C22 352C65 353B18 353B33 353M255 355B03 356B08 356A18 356A40 356M41 393C 393B31

量程 5000g
100000g

灵敏度 0.5mV/g 0.05mV/g 10mV/g 1000mV/g 10mV/g 100mV/g 10mV/g 100mV/g 2.5mV/g 10mV/g 100mV/g 1000mV/g 100mV/g 10mV/g 1V/g 10V/g

分辨率 0.02g 0.3g 0.003g 0.00004g 0.0015g 0.00016g 0.005g 0.0005g 0.04g 0.0005g 0.0002g 0.00006g 0.0002g 0.001g 0.0001g
0.000001g

重量 4.5g 4.4g 10.5g 35g 0.5g 2g 2g 27g 17.9g 10g 20g 24g 180g/片状 4g/方形 1000g 635g

应用及特点 适用于爆破、撞击等 适用于爆破、撞击、爆炸分离等 可在-196℃的低温环境下工作 高分辨率型 微型,适用于小型结构 小型、高灵敏度、高分辨率,各种用途 高频、小型、石英剪切,各种用途 三角剪切结构,石英通用加速度传感器 冲击传感器、内置滤波器,桩基检测 环型 3轴、结构实验 3轴、高灵敏度 3轴坐垫传感器,汽车实验 3轴、小型,模态、振动、噪声实验 超低频地震传感器,长期稳定性良好 超低频地震传感器,高灵敏度 49

150g 5g 500g 50g 500g 50g 2000g 500g 50g 5g 10g 500g 5g 0.5g

NOISE COMPARISON
ICP

CHARGE MODE
(Ranged for 500 mV/g Sensitivity)

50

故障诊断理论篇-信号检测

28kHz

7kHz

2kHz

51

52

低速轴转速为3000r/min,齿数为 74 齿 高速轴转速为5163r/min,齿数为 43齿 啮合频率:3700Hz
53

54

55

动态信号检测
2.4 测振传感器的选择与安装 ? 直接测量参数的选择 – 低频时可能加速度的幅值~测量噪声相当 – 用加速度计测量低频振动的位移,会因低信噪比使测量 不稳定和增大测量误差->直接用位移拾振器更合理 – 用位移拾振器测高频位移有类似的情况发生。

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动态信号检测
? 最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得 – 如考察惯性力可能导致的破坏或故障时,宜作加速 度测量 – 考察振动环境(振动烈度以振动速度的均方值来描 述)时,宜作振动速度测量 – 要监测机件的位置变化时,宜选用电涡流或电容传 感器作位移的测量 – 选择时还需要注意能在实际机器设备安装的可行性

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动态信号检测
? 传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标 各种传感器受其结构的限制而有其自身适用的范围 – 对于惯性式拾振器,一般质量大的拾振器上限频率低、 灵敏度高 – 质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度 计为例:
? 超低振级测量都是质量超过100g灵敏度很高的加速度计 ? 高振级(如冲击)测量都是小到几克或零点几克的加速度 计

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动态信号检测
? 使用环境、价格、寿命、可靠性、维修、校准 – 激光测振 – 电涡流和电容传感器 – 相位有要求的振动测试

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动态信号检测
振动量测位置选择 ? 在简易或精密诊断中, 每次测点必须固定 ? 传感器以愈接近被测对 象愈好-> 获得被测对 象最短路径传递值,尽 量避免结构部分所带来 的影响。
?測軸相對於 軸承座的振動 轉動? ?測軸承座的絕對振動

加到軸承上的?

垂直方向(Vertical)

軸向振動?測 建議位置
) ial x a ( 軸向

?好的位置

水 平 ( H 方向 or iz on ta l)

加速規 水平或垂直向振動 建議?測位置 ?好的位置

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动态信号检测
? 传感器对被测构件附加质量的影响 对于一些小巧轻型的结构振动或在薄板上测量 振动参数时,应该使用小而轻的传感器,估算加速 度计质量—载荷的影响。

ms ar = as m s + ma
式中: a r —带有加速度计的结构加速度; a s —不带有加速度计的结构加速度; ms —待装加速度计的结构“部件”的等效质量(重量)

m a —加速度计的质量(重量)
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动态信号检测
? 传感器安装角度引起的误差 – 传感器的感振方向,应该与待测方向一致,否则会造成 测试误差。 – 测量小加速度时,传感器更应该精确安装,使惯性质量 运动的方向和待测振动方向重合。 ? 其它问题 – 导线连接 :接头不良,会产生寄生的振动波形,有时 使得测试数据忽大忽小 – 接地:不良的接地或不合适的接地地点,使测试中会产 生较大的电气干扰,同样会使测试受到严重的影响 – 电缆的噪声 :这些噪声既可由电缆的机械运动引起, 也可由接地回路效应的电感应和噪声引起。
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动态信号检测
– 防潮问题 :传感器本身到接头的绝缘电阻,会因 受潮气和进水而大为降低,从而严重地影响测试。
错误的 正确的 电缆应在振动最小 点离开试件 C

固定电缆避免“颤动噪声”示意

密封剂

加速度计电缆 接头的密封

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动态信号检测 3、振动测试仪表与仪器
以传感器将机械振动的物理量(位移、速度、加速度)转换 为电压、电荷、电流信号,经信号放大器再传至振动信号 量测仪,以读得振动量。 ?振动计(Vibration Meter) ?频谱分析仪(Dynamic Signal Analyzer/ FFT Analyzer) ?振动平衡设备(Balance Instrument)

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动态信号检测 振动计(Vibration Meter/ Analyzer)

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动态信号检测 振动计(Vibration Meter/ Analyzer)
RMS
信号放大 传感器 振动加速度显示

HPF

LPF ∫ ∫ RMS RMS
振动速度显示

加速度

振动位移显示
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动态信号检测 振动大小的表达方式
? 峰峰值(peak-to-peak)表示机器振动位移量大小。 ? 峰值(peak)表示机器瞬间承受冲击的振动量大小。 ? 平均值(average)表示机器在某段时间内的振动量平均 值。 ? 均方根值(RMS)最能表示机器在某段时间内所承受的 振动能量,即振动的破坏能力。

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动态信号检测
? 位移经由微分得到速度及加速度单位,或者加速度经 由积分得到速度及位移。 ? 这三者之间存在微、积分的关系,不应该被看作单纯 的单位转换。 ? 以这三者作单位所得的结果会有很大的不同。

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动态信号检测
? 对于中、高频振动信号的频谱分析一般用速度与加速度作量测,较 低频的振动信号及机械元件的相对振动间隙则用位移作量测。

振动位移

振动速度

振动加速度

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动态信号检测
可以在机械设备上选择于主轴附近量测其总振动量,其中 选择 ? 位移测量方式(mm),测量频宽10Hz-1kHz,来表示整机 的振动大小 ? 速度测量方式(mm/s),测量频宽10Hz-1kHz来表示旋转 元件(主轴)的运转顺畅度 ? 加速度测量(g),测量频宽10Hz 以上,表示旋转元件(主 轴)的轴承运转特性 而速度与加速度测量更可提供您有关主轴运转的重要讯息 如果加上您的经验,您就能看出主轴出了什么问题
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动态信号检测

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动态信号检测 频谱分析仪工作流程
输入电压 采样 FFT 处理 显示

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动态信号检测

频谱分析仪的规格与功能
一般规格

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动态信号检测

频谱分析仪的规格与功能
测量功能

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动态信号检测 4 噪声的测量
噪声的测量:声压级、声功率级及其噪声频谱分析 ?声功率级在特定的条件下由测量的声压级计算得到 ?噪声分析除利用声级计的滤波器进行简易频率分析外,还可 以将声级计的输出接示波器进行波形分析,或接信号分析仪 进行精密的频率分析 ?传声器是将声波信号转换为相应的电信号的传感器 声的空气压力 ? 推动传声器的振动膜振动 ? 变换器将机 械振动变成电参数的变化 ?根据变换器的形式不同,常用传声器有电容式、动圈式、压 电式和永电体式。
75

动态信号检测

电容式传声器

动圈式传声器
76

动态信号检测

压电式传声器
77

动态信号检测
?声波弹性介质中传播的疏密波即纵波,其压力随着疏密程度 的变化而变化。 ?声压某点上各瞬间的压力与大气压力之差值,单位为N/m2, 即帕(Pa)。 ?空气中正常人耳刚能听到的1000Hz声音的声压为 2×10-5Pa, 称为听阈声压,并规定为基准参考声压P0。当声压为20Pa时, 能使人耳开始产生疼痛,称之为痛阈声压。 ?声压级定义: P L P = 20 lg (dB) P0 ?声强是在传播方向上,单位时间内通过单位面积的声能量 ?声功率是声源在单位时间内发射出的总能量
78

动态信号检测
通用语言与若干乐器输出声功率值的近似值(W)
声 源 峰值功率

男生会话 女生会话 单簧管 低音提琴 钢琴 管乐器 37in×36in的低音鼓 75件乐器的交响乐

2 × 10?3 4 × 10?3
5 × 10?2
16 × 10?2

27 × 10?2
31 × 10?2

25.0 70~100
79

动态信号检测

声级计 ?调查用的声级计(三级) 只有A计权网络 ?普通声级计(二级) 具有A,B,C计权网络 ?精密声级计(一级) 除了具有A、B、C计权网络外,还有外 接滤波器插口,可进行倍频程或1/3倍频程滤波分析

80

动态信号检测
听阈和痛阈的数值都是定 义在1000Hz纯音条件下的 量,当声音的频率发生变 化时,听阈和痛阈的数值 也将随着变化,为使在任 何频率条件下主客观量都 能统一?等响曲线。 它表达了典型听者认为响 度相同的纯音的声压级同 频率的关系。 听阈线为零方响度线,痛 阈线为120方响度线
81

动态信号检测
采用滤波器对不同频率的声音信号实行不同程度的衰减,使得 仪器的读数能近似地表达人对声音的响应?频率计权网络
A计权网络是效仿倍频程等响曲线 40方曲线,较好地模仿了人耳对低 频段(500Hz以下)不敏感,而对于 1000~5000Hz声敏感的特点,用A 计权测量的声级来代表噪声的大 小,叫做A声级。记作dB(A) B计权网络是效仿70方等响曲线, 对低频有衰减 C计权网络是效仿100方等响曲 线,在整个可听频率范围内近于平 直的特点,它让所用频率的声音近 于一样程度的通过,基本上不衰减
82

动态信号检测
噪声测量应注意的问题 (1)测量部位的选取:
?测点选在距机械表面1.5m,并离地面1.5m的位置 ?若机械本身尺寸很小(如小于0.25m),测点应距所测机械表面较近,如 0.5m,但应注意测点与测点周围反射面相距在2~3m以上 ?机械噪声大,测点宜取在相距5~10m处,对于行驶的机动车辆,测点应 距车体7.5m,并高出地面1.2m处 ?相邻很近的两个噪声源,测点宜距噪声源很近,如0.2m或0.1m ?如果研究噪声对操作人员的影响,可把测点选在工作人员经常所在的位 置,以人耳的高度为准选择若干个测点 ?做为一般噪声源,测点应在所测机械规定表面的四周均布,且不少于4点 ?如相邻测点测出声级相差5dB以上,应在其间增加测点,机械的噪声级应 取各测点的算术平均值。 ?如果机械噪声不是均匀地向各个方向辐射,除了找出A声级最大的一点作 为评价该机器噪声的主要依据外,同时还应当测出若干点(一般多于五点) 83 作为评价的参考。

动态信号检测
噪声测量应注意的问题 (2)测量时间的选取 ?当测量城市街道的环境噪声时: ?白天的理想测定时间为16小时,即从早上6点至晚上10点 ?测夜间的噪声,取8小时为宜,即从晚上10点至早上6点 ?有的国家选取一天中最吵闹的8小时作为测量的参考时间 ?测量各种动态设备的噪声: ?当测量最大值时,应取起动时或工作条件变动时的噪声 ?当测量平均正常噪声时,应取平稳工作时的噪声 ?当周围环境的噪声很大时,应选择环境噪声最小时(比如 深夜)测量。
84

动态信号检测
噪声测量应注意的问题 (3)本底噪声的修正 ?本底噪声指被测定的噪声源停止发声时周围环境的噪声 ?总噪声=被测对象噪声+本底噪声 ?本底噪声应低于所测机器噪声10分贝以上,否则应在所测机 器噪声中扣除环境噪声修正值

85

动态信号检测
噪声测量应注意的问题 (4)干扰的排除 ?避免气流的影响: ?若在室外测量,最好选择无风天气,风速超过四级以上 时,可在传声器上戴上防风罩或包上一层绸布; ?在管道里测量时,在气流大的部位(如管壁口)也应如此 ?在空气动力设备排气口测量时,应避开风口和气流 ?注意反射所造成的影响,应尽可能地减少或排除噪声源周围 的障碍物,在不能排除时要注意选择点的位置 ?用声级计进行测量时,其话筒取向不同,测量结果也有一定 的误差,因而,各测点都要保持同样的入射方向
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动态信号检测
A-weighted sound pressure level (dBA): The measurement obtained from a sound level meter having an A-weighting network conforming to ANSI S1.4, Specification for sound level meters, which filters the frenquency content of the sound pressure measurement to match the human ear's sensitivity. Sound Power Level: Sound measurement based upon sound intensity measuring method. The frequency spectrum must be represented in the form of a one-third octave and narrowband chart.

87

动态信号检测
Individual Tones: Individual third-octaves which can be audibly perceived from within the sound intensity spectrum and designated individual tones. Structure-Borne noise: Structure-borne noise is determined by measuring effective oscillation speed (RMS), and is represented as a narrowband chart (FFT analysis). The specified oscillation speeds must be assured at the specified suspension points on the gearbox housing.

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动态信号检测

1/3 octave

FRF

Power spectrum

Phase
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动态信号检测 5 动态信号采集原理与方法
永久性机械振动监测及预测维护
– 对于昂贵而无备品的机械设备,宜采用永久性机械振动监 测,这类机器的连续运转与生产过程被严密监视,一出现异 常,则马上触发工厂控制室的警报系统,以避免灾难性的故 障出现。

90

动态信号检测
工业控制计算机

PC 总线

多通道同步 采集A/D卡

采样控制 转速测量

非振动信号 采集模块
温度、压力等非振动 信号输入

开关量 采集模块
开关量输入

AC/DC选择

AC/DC分离

通道选择

模拟信号隔离

...
振动信号输入

振 动 信 号 采 集 模 块
91

动态信号检测 5.1 信号调理
? ? ? 交、直流分离:涡流传感器、压电传感器 信号滤波:低通、高通、带通、带阻 信号放大

5.2 A/D转换
14
x( t )

x( t ) xt
0

12 10 8
0 0

Δ
0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0
0 0

0

0

0

6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 时间 t= kΔ, s

92

动态信号检测 5.3 混叠和采样定理
时域采样间隔过长->频域周期化间隔不够大时,出现局 部互相重叠现象,称为频率混叠。 混叠的后果是原来的高频信号将被误认为是某种相应的低 频信号。 Ts x (t) A 1 C
2 0 B 3 4 t

混叠现象

93

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动态信号检测
采样定理:fs≥2fh
, fh为信号中的最高频率

|X(f)?S (f )| … -fh 0 fh fs 不产生混叠的条件 fh … f

实际工作中,fs 常取为信号最高频率的2.56X以上 旋转机械常取工作转速的32、64、128X
齿轮箱的频率成份?

f 大齿轮 Z大齿轮= f小齿轮 Z小齿轮

94

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动态信号检测
?消除混叠的措施: ?提高采样频率。但将导致在同样信号长度下,采样 点数随之提高,增加计算负担。 ?采用抗混滤波器降低信号中的最高频率。但由于抗 混滤波器的非理想特性,不可能彻底消除混叠。

95 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测
低通 带通

高通

带阻

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动态信号检测 5.4 A/D转换器位数
?模拟信号经采样后得到的离散信号转变为数字信号的过程 称为量化。由此引起的误差称为量化误差。 ?量化由A/D转换器实现,量化误差取决于其分辨力。若 A/D转换器的位数(字长)为b,允许的动态工作范围为D (如±5V,±10V或0~5V,0~10V等) 最大量化误差的绝对值为:

e = D 2b
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动态信号检测 5.5 频域采样与栅栏效应
频域采样与时域采样类似,频域采样导致对时域截断信号进 行周期延拓,将时域截断信号“改造”为周期信号。 经频域采样后的频谱仅在各采样点上存在,而非采样点的频 谱则被“挡住”无法显示(视为0),这种现象称为栅栏效应。 在时域,只要满足采样定理,栅栏效应不会丢失信号信息, 但在频域,则有可能丢失的重要的或具有特征的频率成分 (由于泄漏,丢失频率成分附近的频率有可能存在),导致 谱分析结果失去意义。

98 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

x(t) s0(t) x(t)s0(t) w(t) x(t)s0(t)w(t) s1(t)
[x(t)s0(t)w(t) ] * s1(t)

X(f) S0(f) X(f)?S0(f) W(f)
X(f)?S0(f)?W(f)

S1 (f)
[X(f)?S0(f)?W(f) ] S1 (f)
99

动态信号检测 5.6 频率分辨力、整周期采样
频率采样间隔Δf决定了频率分辨力。Δf 越小,分辨力越高, 被挡住的频率成分越少。 由于DFT在频域的一个周期内(周期为:1/Ts)输出N个有效 谱值,故频率间隔为:

1 Ts f s 1 Δf = = = N N T
可以通过降低 fs 或提高 N 以提高 Δf。但前者受采样定理的 限制,不可能随意降低,后者必然增加计算量。 为了解决上述矛盾,可以采用ZOOM-FFT或Chip-Z变换, 或采用基于模型的现代谱分析技术。
100 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测
谱线是离散的,其对应的频率值都是 Δf 整数倍。 为了得到特定频率f0的谱线,必须满足:
f0 = 整数 Δf

T = 整数 T0

T:信号分析时长。T0:频率为f0信号的周期。 只有信号的截断长度T为待分析信号周期的整数倍时,才可 能使谱线落在f0,获得准确的频谱。此即为整周期采样(或 整周期截断)。 整周期采样的结果是使得频域抽样后所拓展的周期时域信 号完全等同于实际的周期信号-> 对旋转机械特别有用
101 Research Center of Condition Monitoring & Fault Diagnosis ( RCCMFD ), Southeast University,025-52090512

动态信号检测 5.7 转速测量及采样控制 5.8 异常值处理 3σ准则

xi ? kσ xi ≤ xi +1 ≤ xi + kσ xi

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