（热能工程专业论文）基于c8051f的便携式双通道振动数据采集系统.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文开发了一种基于高速s o c 单片机c 8 0 5 1 f 的便携式双通道振动数据采集系 统。系统充分运用了c 8 0 5 l f 0 6 x 具有的双通道同步高速数据采集特性，实现了双通 道振动信号的同步采集功能，同时运用c 8 0 5 1 f 0 6 x 中的比较器进行转速测量和键相 触发采样，实现了旋转机械相位的精确测量。系统的信号调理电路能够对各种传感 器信号进行相应的变换和处理，以得到系统分析处理所需信号。系统配置了5 2 英 寸t f t 彩色图形液晶显示器，能够显示各种复杂的振动测试和分析图形，同时设计 了丰富友好的人机接口界面。系统配置了大容量非易失内存，可以独立进行数据采 集分析并存贮上百个测点的动态波形，又能够通过u s b 接口与上位机进行数据通 讯。测试表明，本系统能够满足现场各种振动数据采集分析的要求。 关键词：振动测试，数据采集，c 8 0 5 1 f ，u s b a b s t r a c t ap o r t a b l ed o u b l e c h a n n e lv i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nh i g h - s p e e d s o cc 8 0 51fi sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r i no r d e rt os a m p l es i m u l t a n e o u s l yd o u b l e - c h a n n e lv i b r a t i o n s ，t w oa d c si n t e g r a t e di nc 8 0 51f 0 6 xa r eu s e di nt h es y s t e m ，w h i c hi s o fh i g h s a m p l i n gf r e q u e n c y w i t h a c o m p a r a t o r e m b e d e di nc 8 0 51f 0 6 x ，t h e r o t a t i n g s p e e da n dp h a s eo fr o t a r ym a c h i n ec a nb ep r e c i s e l ym e a s u r e db ym e a n so ft h e k e y p h a s es i g n a l t oo b t a i nd e s i r e da n a l y s i ss i g n a l s ，t h ec o m p l e xs i g n a lc o n d i t i o nc i r c u i t i sd e s i g n e df o rv a r i o u sv i b r a t i o ns e n s o r s a5 2 - i n c hc o l o r f u lt f tl c di su s e dt o d i s p l a y i n ga uk i n d so fc o m p l i c a t e dp l o t so fm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fv i b r a t i o n w h i c ha r e f r i e n d l y i nh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h e s y s t e mw i t hl a r g e c a p a b i l i t y n o n - v o l a t i l er a m i su s e di n d e p e n d e n t l ya sad a t as a m p l i n ga n da n a l y z i n gi n s t r u m e n t ， w h i c hc 觚s a v eo n eh u n d r e do fg r o u po fd y n a m i cw a v e s ，a n dc o n n e c t e dt op cf o rd a t a t r a n s m i s s i o nb yu s b i ti sp r o v e dt h a ti tc a nm e e tt h en e e d so fs a m p l i n ga n da n a l y z i n g o fa l lk i n d so fv i b r a t i o ns i g n a l si nf i e l d k e y w o r d s ：v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，d a t a a c q u i s i t i o n ，c 8 0 5 1 f ，u s b 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c 8 0 5 1 f 的便携式双通道振 动数据采集系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：越渔宝 日期：塑! i ：! ：，) 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 毵幽孥导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 随着现代化工业的发展，各种机械设备的应用范围越来越广泛，并对石油、化 工、电力、冶金等行业生产的正常进行及整个工艺流程起决定性的作用。然而由于 机械设备的各种故障造成的非计划停机或其他严重事故屡有发生，往往造成巨大的 经济损失。因此，及时监测、诊断并消除关键设备的潜在故障是至关重要的。 设备维修体制是使关键设备安全运行的主要措施。早期的设备维修体制基本上 是事后维修，即设备发生故障以后再进行检修。随着流程化工业的推广，这种落后 的管理模式往往会造成巨大的经济损失，因此又逐步推行定期维修制度。随着对设 备故障机理的研究和设备管理水平的提高，人们又逐步认识到，定期检修实际上既 不经济又不合理，最大的问题是无法解决“维修不足”和“维修过剩”二者之间的 矛盾。由此，将预防性定期维修逐步过渡到“状态维修”己经成为提高生产率的又 一条重要的途径，也是现代设备管理的需要。 机器设备运行状态髓测与故障诊断技术是保证大型机械安全运行，防止恶性事 故的有效手段。它可以及时发现机械设备的运行故障先兆，诊断产生故障的原因， 为生产和维修提供决策依据，同时也避免了定期检修引起的生产停顿。因此，对关 键设备进行状态监测可以对生产过程产生巨大的作用【l 】，表现在： ( 1 ) 可以避免严重的突发事故，从而提高设备的安全运行率，增加产值。 ( 2 ) 即使机械设备发生故障，也可以从系统提供给我们的数据中找出故障的原 因。在检修中做到心中有数，缩短检修时间，延长检修周期，提高检修质量。 ( 3 ) 在机械设备日常运行时，如果在机械设备严重损坏的前期发现故障的前兆， 可以进行预防性维修。将设备从定期维修发展到预防维修，可以使备件的储备量减 到最小，降低生产成本。 目前，对机械设备状态监测的手段虽然很多，但是至今人们仍认为，振动监测 是一种易于实现而又可靠的方法。因为振动信号中携带着机械设备内部运行状态的 大量信息，人们可以通过对这些信息进行采集和分析，根据得到的信息特征进行故 障诊断。当机械设备发生异常或故障时，其振动状态将会发生变化，一般情况是振 幅将会增大。而随着信号分析技术的发展，人们还会发现：由不同类型、性质、原 因和部位产生的故障所激发的振动的特征将是不同的，如不同的频率成分、幅值大 小、相位差别、波形形状、能量分布状况等，这使得从振动信号中识别故障有了更 多的依据。所以，选用合适的振动测试仪表对机械设备的振动信号进行采集和分析 华北电力大学硕+ 学位论文 不仅是可行的，而且对设备异常的查找和故障的诊断都起着举足轻重的作用。 近年来，国内外许多研究单位和厂商相继开发了性能各异的振动测试分析仪表 或系统，总体归纳起来，可大致分为以下几种类别。一种是把机械设备振动信号的 采集功能集成到采集板卡上，把采集板卡插入像工控机等微机设备中，并在微机中 编写驱动程序和分析软件。这种测试分析系统的优点是能实现大批量数据的采集并 能快速的进行数据分析，而不足之处是这种振动测试分析系统结构复杂、体积大、 分量重、携带不方便。另一种是以单片机为核心技术的振动测试分析仪，这种分析 仪虽然小巧、携带方便，但是它的分析功能十分有限，不能有效地进行复杂的信号 处理任务，往往难以满足振动测试分析和诊断要求。随着现代单片机技术的迅速发 展，给便携式仪器设备的发展提供广阔的发展空间。高速宽带的处理器给测量分析 带来了效率，缩短了必要的等待时间。在这个多媒体时代，声音图像技术大大增强 了便携设备的人机交互友好性，给仪器操作人员带来了很大的方便。因此，制作一 台现代化、高性能的便携式振动测试分析仪，已经成为当务之急。便携式振动测试 分析仪是一种袖珍仪器，体积小，重量轻，可方便地用于工业现场中振动信号的采 集和分析，并能对所采集的数据进行存储，当需要时可将所存储的数据传送给计算 机进行更详细的进一步处理与分析。例如，建立维修数据库等，配合相应的故障诊 断专家系统，可完成对设备的自动精密的故障诊断。振动信号数据采集器分析仪表 的出现，极大地推动了设备故障诊断技术的发展与应用，并产生了巨大的经济效益 和社会效益。振动信号数据采集分析仪表在工业设备状态监测与故障诊断中得到广 泛应用，并发挥着巨大的作用。 1 2 仪器仪表技术及其发展趋势 1 2 1 传统仪器仪表技术 传统的仪器仪表技术经历了漫长的发展阶段，它涉及到社会生活的各个方面， 对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用。直到现在，在 很多领域还继续发挥着作用。 传统仪表主要结构由硬件构成，以相对固定形式确定下来，所实现的功能较单 一。用户在使用过程中无法对其功能进行改变。它般具有输入信号接口、内部处 理电路和实时显示三个部分。对于一些仪表功能如自调零、自校准、自动调节量程 等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成。 传统仪表的主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。传统仪表所有的 功能，如信号输入输出范围、界面功能( 开关、旋钮、显示面板等) ，以及使用场合 等都事先确定好，用户无法改变其功能或应用场合。同时，一台普通传统仪表具有 一2 华北电力大学硕十学位论文 相对独立性，不能与其他仪表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量结果在处 理、存储、显示等方面局限性很大。另外，传统仪表开发周期长，经费投入大，升 级换代困难。 随着科技水平不断发展，对传统仪表提出以下几方面要求：测量精度高、功能 强、可靠性好，测量全程自动化、智能化，微型化、使用灵活方便、升级方便，同 时还能进行测量数据的处理、存储和显示，具有和其他仪表设备进行数据通讯等功 能。这些新要求不仅促使着传统仪表不断地改进和发展，也孕育了新一代仪表一智 能仪表的产生。 1 2 2 智能仪器仪表技术及其发展趋势 近二十年来，智能仪器仪表技术在国内外得到了飞速发展和广泛的应用。尤其 是近几年来应用了很多新的技术，如e d a ( 电子设计自动化) 、c a m ( 计算机辅助设 计) 、c a t ( 计算机辅助测试) 、d s p ( 数字信号处理) 、a m c ( 专用集成电路) 及s m t ( 表 面贴装技术) 等。高度智能化、多功能和综合应用的智能仪表日益普遍。在国外，智 能仪表的改进和更新换代频繁，功能日益增强，有的智能仪表甚至具有专家系统和 推断、分析、决策、优化控制等功能。 智能仪表在我国虽然起步较晚，但发展非常迅速，开发潜力巨大，市场极其广 阔。目前，我国智能仪表技术水平总体上还比较落后。据统计，仅有4 0 的产品实 现了数字化，1 5 的产品实现了智能化。我国己经成为智能仪表厂商激烈争夺的重 要市场。虽然智能仪表在我国发展较快，但是我国的智能仪表行业还处于起步阶段， 其所占比重在l o 以下，综合仪表更是少之又少，普及应用率较低、品种少、产量 少、更新换代慢、研究开发人员少，受到国外产品激烈冲击。 国内外智能仪表的发展趋势主要表现在硬件功能软件化和总线化两个方面【2 j 。 ( 1 ) 硬件功能软件化 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，微处理器的 处理速度越来越快，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过 软件来完成。而且甚至许多用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，也可以通 过软件很好地来解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛应 用，极大地提高了仪表的信号处理能力。同时，促进了新的测试理论、测试领域、 测试方法不断涌现并发展成熟，改变了以往仪表功能主要依赖于硬件电路实现的传 统方法，硬件的作用逐渐削弱并由软件来实现。 ( 2 ) 总线化 现场总线技术的广泛应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。然而 集中测控越来越不能满足复杂、远程及范围较大的测控任务的需求，所以必须组建 - 3 华北电力大学硕士学位论文 一个可供各个现场仪表数据共享的网络，c a n 总线系统正是在这种情况下应运而生 的。现场总线控制系统是一种用于现场智能仪表与中央控制之间的一种开放的、双 向的、全数字化的、多站的通信系统。目前，现场总线己成为全球自动化技术发展 的重要表现形式，它为过程测控仪表的发展提供了巨大的发展机遇，并为实现高精 度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等要求提供了巨大动力和发展空间【3 1 。 1 2 3 智能仪器仪表结构和功能 1 2 3 1 智能仪器仪表结构 智能仪表本质上是一种微机自动检测系统，由硬件和软件两部分组成。 ( 1 ) 硬件部分 由于被测对象大部分为非电量，需要利用传感器将测到的非电量转换为电信 号，然而大多数传感器产生的信号都非常微弱，有的只有g v 或m v 量级，必须通 过运算放大器对它们进行放大，使其达到一定的幅度( 通常达到v 量级) 。同时，对 信号还需要进行滤波，选取一定频率范围的信号成分，去掉各种干扰和噪声。通过 程控增益放大器对信号进行放大以保证转换精度。一般采用多路模拟开关对多路被 测信号进行切换，使各路信号共用一个a d 转换器。如果模拟信号变化比较缓慢， 可以直接加到a d 转换器的输入端；如果变化较快，需要加采样保持器以保证a d 转换的正确性。转换后的数字信号送入单片机，单片机进行数据运算和处理，存储、 显示和打印结果。单片机还可以采用适当的控制算法，向执行部件输出控制信号。 智能仪表还可以与p c 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量 信号和数据，通过串行通信接口将信息传送给上位机，由p c 机进行更复杂的数据 处理或进行全局监控。 智能仪表硬件的常见结构图如图1 1 所示。 h 塑卜_ 】jl j 1 _ r 1 j 微处理器 j 1 1 一 图1 - 1 智能仪表的硬件结构图 ( 2 ) 软件部分 智能仪表的软件部分主要包括监控程序、接口程序和数据处理程序三大部分。 监控程序主要监控仪表的键盘和显示器，实现从键盘输入数据或进行功能设置，完 成对处理后的数据以数字、字符、图像等形式显示的任务。接口程序主要完成数据 采集、数据存储、数据通信等任务。数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析 4 华北电力大学硕士学位论文 等任务。 1 2 3 2 智能仪器仪表功能 智能仪表的基本功能如下【4 l ： ( 1 ) 能够进行巡回测量； ( 2 ) 能够进行数据分析和处理； ( 3 ) 能够提供数据输出，可方便地与其他仪表设备进行数据交换； ( 4 ) 能够作为自动控制的信息反馈环节，把检测与报警( 控制) 结合起来： ( 5 ) 能够通过编程的方法增减仪表功能来适应不同的使用环境和应用对象； ( 6 ) 能够自校准、自诊断、量程自动转换和各种报警功能。 1 3 振动测试仪器技术及其发展趋势 1 3 1 振动测试技术 振动测试技术从上世纪初发展到今天，经过几代科技工作者的探索和研究，正 逐步走向完善。振动测试通常包括振动的位移、速度、加速度等振动量，与其他缓 变的静态信号不同，这些振动量都是动态信号，对测量系统提出了较高的要求。动 态测量时，要将由传感器感知获得的这些非电物理量转换为电信号，经过放大和滤 波等环节后进行记录、分析和显示。 在工程问题的研究中，任何一个结构都可以看作是一个机械系统，并且各自有 其固有的静态和动态特性，它们的动态特性可用参数一固有频率、固有振型和阻尼 等结构模态参数来确定【5 l 。随着当今科学技术的发展，机械系统结构目趋紧凑，高 载和高可靠性要求，所以除了解结构材料本身的物理性能和静力学特性外，应特别 的充分考虑结构的动态特性。机械结构在工作工程中产生振动，这种振动方面与 结构的动态特性有关，另一方面与外界激励或干扰力有关。因此，振动测试技术包 括结构动态特性测试分析技术和结构在运行状态下振动监测分析技术。 1 3 2 振动测试仪器 振动测试分析仪器的发展使得机械设备振动的高精度测量，实时测量及自动测 量都成为可能。根据仪器设计时上下位机侧重点的不同，形成了两种既有区别又有 联系的仪器设计思想：一是以通用微机为基础，下位机对振动信号进行采集和预处 理，通过下位机与上位机的外设接口把采集到的数据传给上位机，并在上位机实现 对数据进行图形显示、数据处理、数据分析及打印等功能；二是信号采集及分析功 能都由下位机来完成，根据测试的需要，采用一个或多个微处理器来完成仪器的测 s 华北电力大学硕士学位论文 量控制、数据采集、数据处理、数据显示等功能。其中，第一种设计思想是近年来 的最新发展，即仪器的虚拟化发展方向；第二种设计思想被智能化仪器所采用，即 振动测试分析仪器的智能化设计发展方向。 目前，现有的振动测试智能仪表虽然引入了微处理器，采用了计算机技术，在 测量功能、测量精度、数据处理能力、自校准、自诊断、人机交互、操作自动化、 控制策略、可维修性等方面比传统仪表有了大幅度地提高，有些功能甚至是传统振 动测试仪表所不具有的，但是在不少方面还是存在不足之处： ( 1 ) 功能单一化 目前，振动测试仪表的功能都比较单一，大都只是一种功能或者是两种功能的 组合，往往在工业现场只能承担极小的一部分功能，总体而言功能趋向单一化，由 此造成应用场合单一化，遇到需要多种功能一起使用的场合，往往就不能胜任了， 其应用范围大大缩小。 ( 2 ) 适用范围窄 振动测试仪表都只具有非常有限的使用环境，常常只针对于一种或两种被测信 号，例如：速度信号或加速度信号等等，往往只有单一的使用环境，不具有通用性， 无法同时处理两种以上的信号。因此，振动测试仪表的适用性较差。 1 3 3 智能化振动测试仪器 目前，智能化振动测试仪，多采用8 位m c u 为核心，采用加速度传感器拾取 振动加速度信号，通过模拟变换电路，数字变换电路将信号数字化后，利用处理器 对振动数据进行各种分析，如时域分析和频域分析等。这类仪表主要特点是： ( 1 ) 传统单片机功能弱。主要表现在工作主频低，数据运算能力差，功能单一。 ( 2 ) 数据存储量小。早期很多使用s r a m 等易失性存储器，不仅存储容量很小， 而且一旦掉电，数据就会丢失。 ( 3 ) 人机交互效果差。由于没有强劲的片上系统软件的支持，人机交互界面比较 简单，只有简单的数据图形显示，不能显示复杂的波形，或者没有人机交互界面。 这个缺点大大限制了仪表的现场快速分析能力。 ( 4 ) 体积大，携带不够方便。由于大量分立电路靠芯片堆积，而且芯片的封装尺 寸也比较大，所以整机体积较大。 ( 5 ) t 作模式简单。往往只有测量某种数据或做某个频谱分析的功能，灵活性比 较差，难以满足不同使用者的不同需要。 此外，现场振动测试分析和故障诊断对设备的要求越来越高。有时候设备需要 在很短的时间内采集多组数据，然后对每组数据都做f f t 运算，这样大的运算量对 这些仪器来说，需要很长的时间，速度慢得让人无法等待。因此，必须大幅提升便 一6 一 华北电力大学硕士学位论文 携式设备的计算速度。为此，必须选择功能强大的m c u ，如采用高速m c u ，或将 部分处理运算任务从软件实现改成硬件实现，如采用d s p 芯片或s o c 芯片等。 1 3 4 旋转机械振动测试 旋转机械是一种应用非常广泛的机械之一。在火力发电厂以及其他大型工业企 业中，大量的旋转机械设备担负着重要的角色。例如，发电厂的汽轮机、发电机、 给水泵、各种风机等等，都是典型的大型旋转机械。 旋转机械转子或多或少存在质量偏心，因此在工作工程中必然会产生振动。对 旋转机械振动的测量与分析也有着特殊的要求。主要表现在 6 1 ： ( 1 ) 旋转机械振动故障处理工作是现场动平衡，包括单面和双面动平衡，这就 需要进行双通道同步采集，才能满足动平衡的需要。 ( 2 ) 旋转机械振动测试主要测量旋转机械转子的振动信号峰值、转速和相位。 ( 3 ) 旋转机械振动测量中要设置一个基准，从而可以在测试中得到基准信号， 使得相位和转速的测量更加的准确。 ( 4 ) 在旋转机械的振动测量中测点的选择和传感器的安装方式尤其重要。 1 4 本文主要研究内容 本论文在分析研究智能仪器仪表技术和振动测试仪器等技术状况和发展趋势 的基础上，针对旋转机械振动测试的特点和要求，采用嵌入式系统技术研究开发便 携式双通道振动数据采集系统。 系统的基本要求如下： ( 1 ) 系统具有高精度双通道同步振动测量功能，同时能够测量转速和相位，即 系统应具有两个同步振动通道和一个转速通道。 ( 2 ) 支持多种类型的振动传感器，包括普通压电加速度传感器、i c p 加速度传感 器、m e m s 加速度传感器、速度传感器、位移传感器、光电转速传感器以 及其他电压输出型传感器等。 ( 3 ) 系统应配置足够的存贮区，以满足数据采集器进行大量振动数据采集并保 存的功能。 ( 4 ) 系统应尽可能采用数字程序控制技术，尽可能减少按键和各种开关。 ( 5 ) 应采用大屏幕彩色图形l c d 显示，满足振动分析图形显示的要求，同时要 求汉字界面。 ( 6 ) 系统应具有u s b 接口，实现与p c 计算机的数据通讯功能。系统既可以独 立工作，又可以通过p c 机进行设置。 ( 7 ) 系统应采用充电屯池供电并具有低功耗特点和节电工作模式，一次完全充 7 华北电力大学硕士学位论文 电应能使用一个工作日。 ( 8 ) 系统应具有便携设备特点，体积小，携带方便，外型美观，操作简便。 本文的主要研究内容包括； ( 1 ) 分析研究机械振动测试、分析与诊断技术，以及振动测试分析仪器等相关技 术。 ( 2 ) 分析研究旋转机械振动故障机理与测试分析方法以及动平衡原理。 ( 3 ) 分析研究嵌入式系统技术和智能仪器技术。 ( 4 ) 研究系统各功能的硬件和软件实现方法。 ( 5 ) 设计系统硬件电路原理图和电路板图。 ( 6 ) 安装调试各个子系统硬件。 ( 7 ) 开发各子系统的驱动程序。 ( 8 ) 开发整个系统程序。 8 华北电力大学硕十学位论文 第二章旋转机械振动测试与故障诊断技术 旋转机械是应用最广泛的机械设备之一。大型旋转机械是许多行业的关键设备 之一，对安全生产意义特别重大，这就要求对这些设备进行状态监测和故障诊断。 而旋转机械大部分故障的征兆都包含在机械振动信号中，因此，对旋转机械振动信 号进行监测和分析，为判断设备是否正常运行、是否存在潜在故障以及预测故障发 展趋势等提供了十分有效的手段。 2 1 旋转机械振动 2 1 1 机械振动 振动是一种极其普遍的物理现象，是物体围绕平衡位置所作的往复运动。在振 动过程中，振动的位移、速度、加速度、力和应变等机械量都是随时间而变化的动 态信号。 机械设备在工作过程中发生机械振动是十分普遍的，尤其是旋转机械、往复机 械、冲击机械等等。机械设备在工作过程中产生振动有其内在原因，即机械结构中 存在的质量、弹性和阻尼等元件使之构成机械振动系统，该系统在受到外界激励后 就会发生机械振动；另一方面原因是机械设备在工作过程中存在各种激励力作用， 如冲击力、周期性激励力，随机性干扰力等等。 根据振动的信号特征可将振动分为确定性振动与非确定性振动两大类。确定性 振动又分为周期性振动和非周期性振动。周期性振动是经过相同的时间问隔振动量 重复出现的振动，包括简谐振动和复杂周期振动。复杂周期振动是由一些不同频率 的简谐分量合成的振动。一般大型设备的振动是由若干个不同频率的简谐振动叠加 合成的复杂周期振动。冲击振动和瞬态振动是最常见的非周期振动。瞬态振动信号 是一个随时间衰减的函数。随机振动是一种非确定性振动，不能用任何函数关系式 表达，但具有一定的统计规律性。 机械振动对于大多数的工业设备、工程结构和仪器仪表等都是有害的。它常常 是造成机械和结构恶性破坏和失效的直接原因。例如，振动使结构的内应力大大增 加，由于振动产生的交变载荷使结构发生疲劳破坏；共振使结构产生不容许的大变 形，致使结构发生严重破坏；振动还能使机械加工精度下降；在有些机械中，由于 振动的存在而引起地基的振动和噪音，造成了极为恶劣的环境，使精密仪器不能正 常工作，人的劳动条件恶化。 经过长期的观察和实践发现，振动具有以下几个主要特点： q 华北电力大学硕十学位论文 ( 1 ) 任何机械设备在动态下都会或多或少的发生振动，这在机械设备的工作过 程中是广泛存在的。 ( 2 ) 振动量的变化是机械发生异常的表现，并且可以从振动信号中提取有用的 诊断信息。 ( 3 ) 振动特征不仅取决于故障，而且还受到系统特性的影响。 ( 4 ) 振动信号在频率成分、幅值大小、相位、波形形状、能量分布等方面的差 异是振动故障差异的表现。 2 1 2 旋转机械振动 旋转机械是一类应用极为广泛的机械设备，在工业生产中担负重要角色。旋转 机械的振动常常导致其功能失常，比如动态性能恶化，不符合技术要求等，通常表 现为设备运行失稳，发生异常振动，工作转速和输出功率等发生变化。旋转机械发 生故障的原因不同，所产生的振动信息也不一样。因此，根据旋转机械特有的振动 信息，可以对旋转机械故障进行诊断。但是，旋转机械发生故障的原因不是单一的 因素，往往是多种故障因素的综合结果，所以对旋转机械进行故障诊断，必须进行 全面的综合分析研究。 大型旋转机械，如汽轮发电机组、水泵、风机等，都包括许多环节，影响其安 全运行的因素很多，通过使用各种仪器设备对其稳态数据，瞬态数据以及过程参数 和运行工作状态等信息进行测量与分析，是判断设备是否正常运行、是否存在潜在 的故障以及预测故障发展的趋势等问题的有效方法。对于一般的旋转机械设备，可 作为状态监测和诊断的信号多种多样，如振动、噪声、形变、温度、压力等，其中 应用最多的是机械振动信号，原因首先是由振动引起的机械损坏比例很高，其次是 振动信号中含有丰富的信息，许多机械故障都通过异常的机械振动信号反映出来。 转子是旋转机械最主要的部件之一。旋转机械发生故障的重要特征就是转子发 生振动。转予振动信号无论是在时域、幅值域，还是在频率域，都能够实时在线地 反映旋转机械的故障信息。因此，通过对旋转机械在故障状态下的振动机理的分析 研究，借助于先进的振动测试分析仪器，随时监测旋转机械运行时的振动状态，及 早对故障类型进行准确地诊断并及时消除故障，对于确保旋转机械设备的安全运行 具有重要意义。 2 2 振动测试分析技术 机械设备的振动是一种动态信号，为了准确可靠地获得设备的振动信号，在振 动信号变换、数据采集、信号分析等方面都有很高的要求，涉及动态测试技术的许 多方面，包括振动传感器、信号预处理、信号采集、数字信号处理与分析等。 1 0 华北电力大学硕十学位论文 2 2 1 振动测试技术 2 2 1 1 振动的基本参数 对于作简谐振动的机械设备，其振动位移j ( ，) 随时间变化 x ( f ) = x s i n ( + 9 ) ( 2 - 1 ) 式中，x 为位移振幅，为振动圆频率o b = 2 n f , f 为振动频率，妒为振动位移初相角。 简谐振动的速度和加速度分别为 v ( t ) = 警= 硝e o s ( a x + 咖= a p t s i n ( a g 埘争( 2 - 2 ) 口( f ) = 忑d 2 x r ( t ) = 卅2 x s i n ( “+ 妒) = w 2 x s i n ( a 】t + 妒+ 芹) ( 2 - 3 ) 通过振动测试，可以获得位移工( f ) 、速度v ( f ) 、加速度口( f ) 等振动信号，通过信 号分析，进一步得到描述设备结构振动的特征参数，如振动频率，幅值、相位等。 ( 1 ) 振动频率 振动频率是物体每秒振动的次数。频率越高，振动越快。振动频率与振动周期 互为倒数。不同的结构，不同的零部件，不同的故障源产生的振动频率是不同的。 因此，振动频率是一个重要的振动特征信息，频率分析是设备振动诊断中最重要的 内容之一。 ( 2 ) 振动幅值 振动振幅用于衡量机械振动的大小。振动幅值一般可用加速度幅值、速度有效 值或位移峰峰值等来表示。振动的加速度、速度和位移三者可以相互转换，其关系 为加速度积分为速度，速度的积分为位移。对于简谐振动，加速度、速度和位移三 者的幅值关系为 v = ( 2 - 4 ) a = t o v ；留 ( 2 5 ) 式中，y 为速度幅值，彳为加速度幅值。 ( 3 ) 相位 由式( 2 - 1 ) ( 2 3 ) 可知，加速度与速度和位移之间存在着相位差，分别为n 2 和丌， 即加速度比速度超前9 0 0 ，比位移超前1 8 0 0 。来自两个不同振源的同频振动有着各 自的振动相位，相同的相位可能引起合拍振动，产生严重后果。即使是两个不同频 率的振动，如果频率比较接近时也会产生“拍振”。因此，相位也是振动的重要参 数。对于旋转机械振动，相位特指振动相对于键相信号的滞后角，是旋转机械振动 参数中最为重要的一个参数，是转子故障诊断的重要依据之一，也是动平衡测量和 计算的关键参数。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 2 振动信号的幅值特征 对于复杂的周期振动以及随机振动等信号，常采用振动信号的幅值统计特征来 描述，主要包括：峰值、峰峰值、平均值、有效值和波峰因素等。 ( 1 ) 峰值和峰峰值 峰值耸用于描述瞬时振动冲击的大小，不能表明波形的时间历程。峰峰值勘 用于描述振动波形的最大变化范围。 ( 2 ) 平均值 平均值，是振动波形的绝对平均值 1 一 以2 考j ：i x ( t ) i d t ( 2 6 ) 对于简谐振动，平均值与峰值的关系为 兄r = o 6 3 7 x ( 2 - 7 ) ( 3 ) 有效值 有效值，即均方根值是用来描述振动强度和能量的最常用参数，表征了振动 的破坏能力。振动速度的有效值即为振动烈度。振动信号x ( f ) 的有效值为 x f ( 2 8 ) 对于简谐振动，有效值与峰值的关系为 j ，埘，2 o 7 0 7 x p ( 2 _ 9 ) ( 4 ) 波峰因素 波峰因素疋为峰值与有效值之比 x c = 孑 ( 2 - l o ) 当机器发生故障时，波峰因素会发生有规律的变化。因此，波峰因素是一个可 以衡量机器故障严重程度的比值。简谐振动波峰因素r 为芝 7 1 。 2 2 1 3 波形分析 对振动信号的时域波形进行分析，是振动数据分析的常用方法之一。通过对振 动信号的时域波形图或轴心轨迹图等来显示分析振动的原始波形，可以直观地了解 机械设备的运行状态。通过波形分析，可以对机械设备的某些故障进行直观地判断 和诊断。 2 2 i 4 频谱分析 频谱分析是对振动信号进行频域分析和对设备进行故障诊断的最常用、最有效 1 2 华北电力大学硕士学位论文 的方法。通过频谱分析把复杂的振动信号分解成由一系列单一频率的谐波信号组 成。 频谱分析方法主要有滤波法和f f t 分析法l s i 。滤波法将振动信号通过不同带宽 的滤波网络或可调带通滤波器，分别测量显示各个频段的振平值。f f t 分析法通过 对振动信号进行快速傅立叶变换得到频谱图，从而得到各个频率处的振幅参数。 由于一台机器中各个零部件都具有确定的振动频率，因此将测得的频谱图与其 正常谱图( 原始谱) 进行比较，就能较方便地寻找振源，诊断出故障部位和严重程度。 当频谱图上出现新的谱线或原有谱线幅值发生显著变化时，就表明设备状态发生了 变化或出现了新的故障。因此，这种基于频谱的故障诊断方法，是振动故障诊断的 最常用、最有效的方法。 2 2 2 振动传感器 振动传感器的作用是把振动量转换成电信号。对振动传感器的基本要求包括较 宽的动态范围、较宽的频率范围、较好的频响特性、较好的抗干扰性及高工作可靠 性等几方面例。 在满足传感器基本要求的前提下，应采用灵敏度高的传感器，以提高信噪比， 确保振动测量精度。由于振动的加速度幅值与频率平方成正比，因此对于很低频率 的振动，即使其位移振幅很大，加速度幅值仍可能很小；反之，对于高频振动，虽 然振动位移幅值较小，但加速度幅值仍可能很大。所以，在振动监测中，为提高信 噪比，对低频振动常用位移或速度传感器，对高频振动常用加速度传感器【l 们。 与被测振动参数对应，振动传感器主要有三种，即位移传感器、速度传感器和 加速度传感器。在便携式测振仪表中，一般采用速度传感器和加速度传感器。 2 2 2 1 速度传感器 常用的速度传感器有电动式和电磁式速度传感器。 电动式速度传感器是由轭铁、永久磁铁、线圈及支撑弹簧等组成。永久磁铁和 轭铁产生一个均匀磁场，线圈安装在这个磁场中。根据电磁感应定律，穿过线圈的 磁通量随时间发生变化时，在线圈两端将产生与磁通量中的减少速率成正比的电压 u u - - - ? d o( 2 1 i ) 讲 如果传感器中的线圈沿与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度 成正比的感应电压，由此可以获得振动速度信号。 传感器的灵敏度与磁通密度、线圈的匝数及其展开面积的乘积成f 比。但线圈 的面积越大，传感器的体积也越大，并影响其动态特性。当接入负载电阻吼时，线 13 华北电力大学硕士学位论文 圈位移产生的电流会产生与磁场作用的反作用力，这种反作用力可用在测量中起阻 尼作用。这种传感器的测量范围为1 0 4 1 0 2 m s e 1 。 电磁式速度传感器的原理相对要简单一些，如图2 1 所示，它由永久磁铁和线圈 构成。永久磁铁和运动物体相连，线圈处于固定状态。根据电磁感应定律，当永久 磁铁从线圈旁边经过时，线圈便会产生一个感应电势，如果磁铁经过的路径不变， 那么这个感应电势的波动情况与磁铁运动的速度成正比。因此，可以通过这个感应 电势的波动情况来确定永久磁铁的运动速度。把永久磁铁固定在被测物体上，就可 测得物体的运动速度。 图2 1电磁式速度传感器结构原理图 2 2 2 2 压电加速度传感器 压电加速度传感器是基于压电效应的，是一种自发电式和机电转换式传感器。 当压电晶体受到某方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面 上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用 方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正 比。由压电材料制成压电传感器的敏感元件，常用于测量力和能变换为力的物理量， 如压力、加速度等。现在，压电传感器已广泛应用于力学、生物医学、电声学等测 量领域。压电加速度传感器具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可 靠和重量轻等特点【l “。 压电传感器是一种高阻抗元件，其产生的电荷不能直接测量，而需要经过阻抗 变换器或电荷放大器等测量电路后才能测量使用。由于阻抗变换器的输出受电缆电 容的影响，所以一般很少直接采用。电荷放大器具有较大的反馈电容远大于电缆的 分布电容，测量信号不受电缆电容的影响，因此得到广泛应用。但是，采用电荷放 大器的测量系统复杂，费用较高。随着电子技术和传感器技术的发展，采用i c p 技 术生产的加速度传感器得到广泛应用，这种传感器实际上是将阻抗变换电路直接封 装与传感器中，避免了外接电缆电容的影响。i c p 传感器一般需要直流1 8 v 以上 2 1 0 m a 的恒流激励源，信号与电源共用一根线，后续电路通过交流耦合获得测量 信号。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 3 新型加速度传感器 目前，采用微机电系统( m e m s ) 技术制造的新型加速度传感器也得到广泛应用。 借助于先进的芯片加工技术，在一片多晶硅上通过微机械加工技术，加工出加速度 敏感元件及其转换，测量、放大电路。这种传感器通常可测量从直流到最高2 k h z 的 l 5 0 9 以内的加速度，具有优良的稳定性、可靠性和很强的抗干扰能力i i 引。 新型加速度传感器还有一个最大的优点就是标定方便。普通加速度传感器通常 需要在标准振动台上进行标定，给使用带来很多不便。这种新型加速度传感器，采 用先进的微电子j j n t 技术和电容式测量原理，可获得优良的直至直流的低频响应， 因此，通过重力加速度譬就可对传感器进行标定。另外，这种传感器还内置了自检 系统，通过自检可方便地判定传感器工作是否正常。 2 2 2 4 转速传感器 对于大型旋转机械，通常在进行动平衡时，都需要进行转速和相位的测量，通 常选用电涡流传感器或光电传感器。采用电涡流传感器测量时，需要在转子上设置 一个凸键或凹槽，每当转子转过标记时就产生一个脉冲。采用光电传感器测量时， 首先需要在转子上粘贴一条反光带，然后用激光束照射到反光带上，从反射光束可 得到一个脉冲信号。 2 2 2 5 监测点选择 设备振动信号是设备异常和故障信息的载体。选择最佳监测点并采用合适的检 测方法是获得有效故障信息的重要条件。真实而充分的反应设备状况的振动信号是 监测分析与故障诊断能否成功的关键。如果检测的信号不真实，不具有代表性，不 能反应设备的实际工作状态，那么后续的检测分析与诊断都是没有意义的。选取监 测点的一般原则是：( 1 ) 能对振动状态作出全面的描述；( 2 ) 尽可能的选择机械振动 的敏感点；( 3 ) 离机器核心部位最近的关键点和容易产生劣化现象的易损点。 例如，在旋转机械振动测量时，对于低频振动，必须同时测量径向的水平和垂 直两个方向，或再加上轴向观测点。对于高频随机振动或冲击振动可以只确定一个 方向作为测量点。测量点应尽量靠近轴承的承载区，与被监测的转动部件最好只有 一个界面，尽可能的避免多层相隔，使振动信号在传递过程中减少中间环节和衰减 量。监测点必须有足够的刚度，轴承座往往是较好的监测点【1 4 1 。 在实际的振动监测工作中，并不是把所有的设备都作为振动监测对象，而要根 据设备特点和重要性研究决定。通常优先考虑的设备是直接生产的关键设备，贵重 设备，维修周期长、费用商的设备，以及容易发生安全事故的设备。 - 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 数据采集技术 振动信号数据的采集过程对于整个的振动测试过程起着非常重要的作用。振动 信号数据采集主要应考虑采样频率、整周期截取以及同步采集等方面内容1 1 5 】。 2 2 3 1 采样频率 对模拟信号x ( r ) 每隔f 时间采样一次。时自j 间隔f 为采样间隔或者采样周期。 当t = o ，a t ，2 a t ，3 a t ，时，x ( 0 的采样值为x ( o ) ，x ( a t ) ，x ( 2 a t ) 。对信号x ( 0 采集个采样点，数列x ( 玎) 就是信号x ( 0 的数字化结果。采样频率石为采样周期的 倒数，即正= l a t 。 根据采样定理，最低采样频率必须大于信号中最高频率的两倍。奈奎斯特频率 是在给定采样频率下能够正确获得信号而不发生畸变的最大频率，为采样频率的一 半。如果信号中包含的频率高于奈奎斯特频率，则采样得到的信号就会发生畸变。 过低的采样频率使得还原后的信号与原始信号不同，在频域发生了混叠。为了避免 混叠，通常在信号被采集( a d ) 之前先经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特 频率的频率成分滤去。理论上，采样频率为被采集信号中最高频率的2 倍就不会发 生混叠，但是，在实际应用中为了更好地还原波形，有时取的倍数较高，如5 - 1 0 倍。 另外，为了提高频谱分析的分辨率，根据频率分辨率a f = n ，在确定的采样频率 下，不得不增加采样长度j ，。长时间使用高的采样频率会导致内存不足，因此常需 要根据实际情况选择合适的采样频率正和采样点数。 2 2 3 2 整周期截取 通常，稳定运行时旋转机械的振动信号是周期性信号，其频率成分主要为转速 频率( 基频) 及其谐波。在对周期信号进行频谱分析时，获得准确频谱的先决条件 是实行整周期截取。用计算机进行数字频谱分析时，只能截取有限长度的模拟信号 ( 截断) ，造成频谱的泄露。d f t 的效果相当于将该有限长度的信号向外进行周期 延拓，获得离散的频谱，该频谱实质上是对原信号的连续频谱的一种“摘取”，因 而会产生栅栏效应，从而丢失频谱成分。对于周期信号，在满足采样定理的前提下 进行整周期截取，则上述周期延拓后的信号将和原信号完全重合，无任何畸变。而 且，由于截取的信号长度为信号周期的整数倍，因而，频谱分析的谱线恰好落在基 频及其谐波的频率上，不会产生泄漏和栅栏效应。 2 2 3 3 同步采集 旋转机械的振动信号是一种快速变化的动态量，能够充分反映机械的运行情 况。在许多情况下，为了获得他们之间的相互关系所表现出来的故障信息要求做到 - 1 6 华北电力大学硕士学位论文 多通道同步采集f 1 6 j 。例如，轴心轨迹是轴瓦水平和垂直两个方向振动的合