振动测试技术基础培训

1、测试技术基础 目录 主要介绍工业中常见物理量主要介绍工业中常见物理量(振动、噪声、振动、噪声、压力、压力、应变、温度等应变、温度等）的传感器测量原理、测试系统原理）的传感器测量原理、测试系统原理和基本信号分析方法和基本信号分析方法。测试技术基本概念试验：对未知事物探索性的认识过程试验：对未知事物探索性的认识过程测量：为确定量值而进行的试验过程测量：为确定量值而进行的试验过程测试：具有试验性的测量测试：具有试验性的测量测试技术基本概念 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测物理量的测量原理量原理以及以及信号分析处理信号分析处理方法。方法。 测试

2、技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可以简单的测试系统可以只有一个模块，如玻只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接璃管温度计。它直接将被温度变化转化液将被温度变化转化液面示值。面示值。 没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，但析电路，很简单，但精度底，无法实现测精度底，无法实现测量自动化。量自动化。 为提高测量精度和自为提高测量精度和自动化程度，以便于和动化程度，以便于和其它环节一起构成自其它环节一起构成自动化装置，通常先将动化装置，通常先将被测

3、物理量转换为电被测物理量转换为电量，再对电信号进行量，再对电信号进行处理和输出。如图所处理和输出。如图所示的测振仪。示的测振仪。 测试技术工程应用 在工程领域，科学实在工程领域，科学实验、产品开发、生产验、产品开发、生产监督、质量控制等，监督、质量控制等，都离不开测试技术。都离不开测试技术。 测试技术应用涉及到测试技术应用涉及到土木建筑、航空航天、土木建筑、航空航天、汽车、机械、电力、汽车、机械、电力、石化和海洋运输等每石化和海洋运输等每一个工程领域。一个工程领域。土木工程中的应用桥梁房屋建筑等土木工程中，涉及使用者的安全性，因此经常需要检测结构的强度（承载力）、抗振性能等试验。航空航天工程应

4、用神州飞船飞机整机强度试验、模态试验飞机发动机试验、整机测试、动部件测试等火箭发动机点火试验卫星地面试验航天航天旋转设备状态监测 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。通常建立状态（定期或在线）监测系统。系到整个生产线流程。通常建立状态（定期或在线）监测系统。石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。产品质量控制 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件的加工出厂在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件的加工出厂质量检验。质量检验。

5、 为了保证加工精度，需要监测机床的振动等。为了保证加工精度，需要监测机床的振动等。 机床加工精度测量机床加工精度测量图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油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。对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量测试系统基本概念 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。和设备的总称。 简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V复杂测试系统复杂测试系统( (

6、轴承缺陷检测轴承缺陷检测) ) 加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器测试系统分类 静态测试系统 顾名思义，被测物理量在测试过程中，量值基本不发生变化，在任何时候采集一组数据得到的数值都是相同的。例如1节电池的电压为1.5V，在测试过程中始终是1.5V. 如DH3818 DH3815N 桥梁荷载试验 动态测试系统 当被测物理量的幅值变化很大，很快时，必须采用与之相对应的动态测试系统，方能得到真实有效的信号。 测试系统组成 一般说来，测试系一般说来，测试系统由传感器、中间统由传感器、中间变换装置和显示记变换装置和显示记录装置三部分组成。录装置三部分组成。传感器传感器（耳朵、

7、眼睛、皮肤等）将被测（耳朵、眼睛、皮肤等）将被测物理量物理量(如噪声如噪声,温度、振动等温度、振动等) 检出并转检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析信号分析，显示记录，显示记录装置则测量结果分析处理后显示出来，装置则测量结果分析处理后显示出来，提供给观察者去做判断分析提供给观察者去做判断分析。传感器基础-被测物理量 应力应变：应力应变： 材料或构件在单位截面上所承受的垂直作用力称为应力。 在外力作用下，单位长度材料的伸长量或缩短量，称为应变量。 在一

8、定的应力范围（弹性形变）内，材料的应力与应变量成正比，它们的比例常数称为弹性模量或弹性系数 。 胡克定律（弹性定律）传感器基础被测物理量 振动位移：就是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。 位移的单位可以用m 表示。 进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。 传感器被测物量 振动相位：振动相位：是一个振动部件相对于机器的另一个振动部件在某一固定参考点处的相对移动。也就是说振动相位是某一位置处的振动运动相对于另一位置处的振动运动，对所发生位置变化程度的度量。振动相位是一个很有用的设备故障诊断工具。如下图所示，给出了两个彼此同相位振动的系统

9、，即两个振动系统以零度相位差运动。传感器技术基础传感器技术基础传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器技术 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪器接入。 dV传感器技术-传感器种类 自发电型:直接由被测对象输入能量使其工作.磁电速度传感器、压电加速度计、热电偶温度计. 非自发电型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例

10、如:电阻应变片.桥式传感器等dV传感器技术传感器分类 传感器根据被测物量的不同分为：温度传感器、压力传感器、力传感器、应变计、振动传感器（位移传感器、速度传感器、加速度传感器）、转速传感器以及噪声传感器等； 常常用磁电式速度传感器、压电式加速度传感器、应变式位移传感器来表示描述传感器，即说明了传感器的工作原理，又说明了传感器测量的物理量类型。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器- -应变计应变计电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变

11、化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有有金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：金属丝体积不变：ldlrdr有：有：dRdR2对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：应变计金属应变计金属应变计电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间

12、阻值 相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金属丝应

13、变片：金属丝应变片：V V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥动手做：动手做：1.自己动手在等强度梁上粘自己动手在等强度梁上粘贴应变片。贴应变片。2.使用应变测试系统测试等使用应变测试系统测试等强度梁应变值。强度梁应变值。电涡流位移传感器电涡流位移传感器原理原理: :涡流效应涡流效应产品：产品：电涡流转速传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器 1.1.变换原理变换原理: : 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。应电动势的一种转换器。

14、dtdWe感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 cosSB),(mdtdRB磁电式速度传感器DH610传感器线速度型线速度型角速度型角速度型测速电机测速电机磁电速度传感器应用桥梁等大型结构的动特性测试，模态试验；旋转机械低转速设备的振动测试。加速度计加速度计力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 加速度传感器安装方式模态试验模态试验压电式传感器压电式传感器 应用应用旋转机械故障诊断DH186 DH187等光电转

15、速传感器光电转速传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使其使其导电性能增强导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应 。传感器指标与选用原则传感器指标与选用原则 选择传感器

16、主要考虑的几个指标：灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式、安装方式等方面的问题。1、灵敏度、灵敏度 传感器将物理量转换成电量后，我们测到的是电压，如何知道真实物理量变化了多少呢？这就是传感器的灵敏度指标要告诉我们的。灵敏度就是单位物理量变化产生的电量大小。如位移传感器灵敏度指标：7.87mv/um。 单位：V/EU 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 灵敏度过高引起的干扰问题； 量程范围。、 交叉灵敏度问题。2 2 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希

17、望延迟的时间越短越好。 3 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。基本条件。 4 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。是时间与环境。5 5 精

18、确度精确度 传感器的精确度是表示传感器传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。的输出与被测量的对应程度。 6 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。7 7 现场安装现场安装 在一些特殊场合，传感器的安装收到限在一些特殊场合，传感器的安装收到限制，必须考虑实际情况选择合适的安装制，必须考虑实际情况选择合适的安装方式。方式。数据采集分析仪数据采集分析仪 熟悉动态信号的基本概念 了解数据采集分析仪构成 了解各部分作用 熟悉仪器的技术指标测试信号数字化处理的基本步骤测试信号数字化处理的基本步骤

19、物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号信信号号调调理理电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显显示示数采仪器组成 静态测试仪组成：信号调理器静态测试仪组成：信号调理器+电压放大器电压放大器+低通滤波滤波器器+A/D采样采样+数据通讯数据通讯+计算机（采样控制软件）计算机（采样控制软件） 动态测试分析仪组成：信号调理器信号调理器+电压放大器电压放大器+抗混滤波器滤波器+A/D采样采样+ +DSP处理器处理器+数据通讯数据通讯+计算机（采计算机（采样控制样控制+信号分析软件）信号分析软件）DH动态信号测试分析系统便携式动态信号分析仪：将信号适调器信号适调器+电压放大器电压

20、放大器+抗混滤波器抗混滤波器+A/D采样采样+DSP处理器处理器集中在一个采集系统中，外接计算机进行数据存储、处理和显示。例如DH5920等便携式动态信号分析仪；手持式仪器：还有一些系统将信号适调器信号适调器+电压放大器电压放大器+抗混滤波抗混滤波器器+A/D采样采样+DSP处理器处理器+数据通讯数据通讯+计算显示计算显示+应用分析软件应用分析软件集中在一个系统中，无需外接计算机。如手持式仪器DH5901DH5903DH5904DH5925等；集成度更高的动态测试系统：传感器传感器+信号适调器信号适调器+电压放大器电压放大器+抗抗混滤波器混滤波器+A/D采样采样+DSP处理器处理器+计算机 D

21、H5907A 桥梁模态测试系统。 在线监测系统：传感器传感器+信号适调器信号适调器+电压放大器电压放大器+抗混滤波器抗混滤波器+A/D采样采样+DSP处理器处理器+工控机工控机+服务器。DH5971 DH5926传感器与测试系统之间的连接方式传感器与测试系统之间的连接方式不同类型的传感器与数据采集器之间的连接方式不同：发电型传感器，发电型传感器，如压电传感器、磁电式传感器由于其原理是自发电型传感器，因此不需要外供电，传感器输出经过放大器后直接输入采集系统；非自发电型传感器，非自发电型传感器，例如：应变计、电阻或电容式传感器，以及各种桥式传感器、电涡流传感器、ICP加速度传感器等，这种传感器在接

22、入采集系统之前需要采集系统的信号适调器提供电源（电压或电流）。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 信号调理器的作用信号调理器的作用 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3、为传感器提供符合要求的供电电源、为传感器提供

23、符合要求的供电电源：电荷调理：电荷调理器、应变调理器等器、应变调理器等电荷调理器电荷调理器ffyKCCCKqe)(F+将压电传感器输出的电荷量转换成电将压电传感器输出的电荷量转换成电压量。压量。数字信号处理技术数字信号处理技术1.1.了解信号模数转换（了解信号模数转换（A/DA/D） 2.2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.3.了解数字信号处理中信号截断、能量泄露了解数字信号处理中信号截断、能量泄露等现象等现象 4.4.掌握常用的数字信号处理方法掌握常用的数字信号处理方法模数模数(A/D)(A/D) 采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列利用

24、采样脉冲序列，从信号中抽取一系列 离散值，使之成为采样信号离散值，使之成为采样信号x(nTs)x(nTs)的过程的过程 编码编码将经过量化的值变为二进制数字的过程将经过量化的值变为二进制数字的过程。 量化量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有把采样信号经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化效数字的数，这一过程称为量化A/DA/D转换转换 6.3 6.3 采样定理采样定理 采样是将采样脉冲序列采样是将采样脉冲序列p(t)p(t)与信号与信号x(t)x(t)相相乘，取离散点乘，取离散点x(nt)x(nt)的值的过程。的值的过程。X(0), X(1), X(2), , X(n) 每周

25、期应该有多少采样点每周期应该有多少采样点 ？最少最少2 2点点: :采样定理采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的频率成分的2 2倍。这是采样的基本法则，称为采倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。样定理。Fs 2 Fmax 需注意，满足采样定理，只保证不发生频率需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号原信号x(t)x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号。工程实际中

26、采样频率通常大于信号中最高频率成分的中最高频率成分的3 3到到5 5倍。倍。频混现象实验：频混现象实验： A/DA/D采样前的抗混迭滤波：采样前的抗混迭滤波： 物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号调调理理放放大大电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号展开展开抗混滤波抗混滤波(0-Fs/2)(0-Fs/2)放大放大动手做：动手做：测量测量1kHz的动态信号，的动态信号，采样率设置为采样率设置为1kHz，观，观察测到的信号是否失真。察测到的信号是否失真。思考题：思考题：1.A/D1.A/D转换器的主要技术指标有那些转换器的主要技术指标有那些 ？2.2.信号量化误差与信号量化误差与A

27、/DA/D，D/AD/A转换器位数的关系转换器位数的关系 ？3.3.采样定理的含义，当不满足采样定理时如何计算采样定理的含义，当不满足采样定理时如何计算 混迭频率混迭频率 ？4.A/D4.A/D采样为何要加抗混迭滤波器，其作用是什麽？采样为何要加抗混迭滤波器，其作用是什麽？ 5.5.数字信号处理中采样信号的频谱为何一定会产生数字信号处理中采样信号的频谱为何一定会产生 能量泄漏，如何解决能量泄漏，如何解决 ？6.6.用用FFTFFT计算的频谱为何一定会存在栅栏效应误差计算的频谱为何一定会存在栅栏效应误差 ？ 7.7.窗函数的作用是什麽窗函数的作用是什麽 ？ 信号分析基础信号分析基础1.1.了解信

28、号分类方法了解信号分类方法 2.2.掌握信号时域波形分析方法掌握信号时域波形分析方法3.3.掌握信号时差域相关分析方法掌握信号时差域相关分析方法4.4.掌握信号频域频谱分析方法掌握信号频域频谱分析方法5.5.了解其它信号分析方法了解其它信号分析方法信号的分类与描述信号的分类与描述 信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。信号波形：信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。的波形。0At信号波形图：信号波形图：用被测物

29、理量的强度作为纵坐标，用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。化情况。信号的时域波形分析信号的时域波形分析 信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用测试系统可以直信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段，用测试系统可以直接显示信号波形，读取特征参数（统计信息）。接显示信号波形，读取特征参数（统计信息）。1 1、信号波形图、信号波形图 周期周期T T，频率，频率f=1/Tf=1/T峰值峰值PAtT PPp-p峰峰值峰峰值Pp-p4 4、均值、均值TTTxdttxtxE01)(lim)( 均值均值Ex(t)Ex(t)

30、表示集合平均值或数学期望值。表示集合平均值或数学期望值。均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。为直流分量。x5 5、均方值（标准差）、均方值（标准差） 信号的均方值信号的均方值Ex2(t)Ex2(t)，表达了信号的强度；，表达了信号的强度；其正平方根值，又称为其正平方根值，又称为有效值有效值(RMS)(RMS)，也是信号，也是信号平均能量的一种表达。平均能量的一种表达。 22120 xTTTE xtxt dt ( )lim( )波形分析的应用波形分析的应用超标报警超标报警 信号类型识别信号类型识别 基本参数识别基本参数识别 Pp-p案例：案例：

31、汽车速度测量汽车速度测量:波形分析应用超标报警： 在线监测和离线巡检系统中，用于判断设备振动是否超标的振动值，就是从波形分析中计算出来的特征参数。 位移：峰峰值 等效峰峰值 振动速度：有效值 加速度：峰值 等效峰值 通过积分得到的位移的峰峰值都是计算峰峰值，不能和电涡流传感器测得峰峰值进行比较。信号的幅值域分析信号的幅值域分析 p xxp xx txxx( )lim( ) 1 1 概率密度函数概率密度函数 以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的概率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信的概率为纵坐标进行统计分析的方法。它反映了信号落在不同幅值强度区域

32、内的概率情况。号落在不同幅值强度区域内的概率情况。 p xxxTTTx( )lim lim 01p(x)p(x)的计算方法：的计算方法：2 2 直方图直方图 以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内以幅值大小为横坐标，以每个幅值间隔内出现的频次为纵坐标进行统计分析的一种方法。出现的频次为纵坐标进行统计分析的一种方法。0 0101020203030404050506060707080809090-1-1-0.5-0.50.50.51 1直方图直方图概率密度函数概率密度函数归一化归一化3 3、概率分布函数、概率分布函数 概率分布函数是信号幅值小于或等于某值概率分布函数是信号幅值小于或等于某值R R的的

33、概率，其定义为：概率，其定义为： 概率分布函数又称之为累积概率，表示了落在某概率分布函数又称之为累积概率，表示了落在某一区间的概率。一区间的概率。 RdxxpxF)()(实验图谱实验图谱 波形波形相关分析（相关函数相关分析（相关函数 ） 如果所研究的变量如果所研究的变量x, yx, y是与时间有关的函是与时间有关的函数，即数，即x(t)x(t)与与y(t)y(t)：x(t)x(t)y(t)y(t) 这时可以引入一个与时间这时可以引入一个与时间有关的量，称为有关的量，称为函数的相关系数，简称相关函数，并有：函数的相关系数，简称相关函数，并有：xyx t y tdtxt dtyt dt( )( )

34、 ()( )( )/221 2相关函数相关函数反映了二个信号在时移中的相关性。反映了二个信号在时移中的相关性。x(t)x(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)相关函数的性质相关函数的性质 相关函数描述了两个信号间或信号自身不同时刻的相似程度，通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西。 （1 1）自相关函数是 的偶函数，RX()=Rx(- )；（2 2）当 =0 时，自相关函数具有最大值。（3 3）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。（4 4）随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减。（5）两周期信号的互相关函数仍然是同频率

35、的周期信号，且保留原了信号的相位信息。（6）两个非同频率的周期信号互不相关。相关分析相关分析-工程应用工程应用 案例案例1 1：机械加工表面粗糙度自相关分析机械加工表面粗糙度自相关分析 被测工件被测工件相关分析相关分析性质性质3,3,性质性质4:4:提取出回转误差等周期性的故障源。提取出回转误差等周期性的故障源。相关分析相关分析-案例案例2：自相关测转自相关测转速速理想信号理想信号干扰信号干扰信号实测信号实测信号自相关系数自相关系数性质性质3 3，性质，性质4 4：提取周期性转速成分。提取周期性转速成分。相关分析相关分析-案例案例3：地下输油管道漏损位置的探测地下输油管道漏损位置的探测tX1X

36、2相关分析相关分析-案例案例4：地震位置测量地震位置测量频域分析频域分析 信号频域分析是采用傅立叶变换FFT将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。 傅里叶傅里叶变换变换X(t)= sin(2nft)0 t0 f信号频谱信号频谱X(f)X(f)代表了信号在不代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。丰富的信息。 时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化时域分析只

37、能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。信号的频率组成和各频率分量大小。 图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 频谱分析在频谱分析模块中，时域数据经过FFT变换后得到其傅里叶谱的幅值谱。幅值谱也叫做线性谱，分为： 实时谱：实时谱： 每一块数据的傅里叶谱的幅值谱。 平均谱：平均谱： 将所有块数据的实时谱按一定的平均方式平均后得到的幅值谱。大型空气压缩机传动装置故障诊断大型空气压缩机传动装置故障诊断1 1 时域和频域的对应关系时域和频域的对应关系131Hz147Hz1

38、65Hz175Hz频域参数对频域参数对应于设备转应于设备转速、固有频速、固有频率等参数，率等参数，物理意义更物理意义更明确。明确。频谱图的概念频谱图的概念 工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以f fn n ( ( 0 0) )为横坐标，为横坐标，b bn n 、a an n为纵坐标画图，称为实频虚频谱图。为纵坐标画图，称为实频虚频谱图。图例图例 以以f fn n为横坐标，为横坐标，A An n、 为纵坐标画图，则称为为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；幅值相位谱；n 以以f fn n为横坐标，为横坐标， 为纵坐标画图，则称为为纵坐标画图，则称为功率谱。功率谱

39、。 2nA幅值相位谱幅值相位谱实验：典型信号的频谱分析实验：典型信号的频谱分析频谱分析频谱分析工程应用工程应用 频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。信号分析中最常用的一种手段。案例：案例：在齿轮箱故障诊断在齿轮箱故障诊断通过齿轮箱振动信号频谱分析，通过齿轮箱振动信号频谱分析，确定最大频率分量，然后根据确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障机床转速和传动链，找出故障齿轮。齿轮。案例：案例：螺旋浆设计螺旋浆设计可以通过频谱分析确定螺旋浆可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定的固有频率和临界转速，确定

40、螺旋浆转速工作范围。螺旋浆转速工作范围。 谱阵分析：谱阵分析：设备启设备启/ /停车变速过程分析停车变速过程分析 思考：从下面的功率谱中读出信号的主要频率成分。思考：从下面的功率谱中读出信号的主要频率成分。500Hz010V思考思考2：从下面的信号波形图中读出其主要参数。：从下面的信号波形图中读出其主要参数。5V-5V0.1秒秒0模态试验与分析 Modal Test &Analyse什么叫“模态”？“ Modal Test” n利用振动测试、信号处理、参数识别的方法，确定结构动态特性一种试验分析技术。 结构动特性结构动态特性是结构固有的特性，包括哪些模态参数？n模态频率（固有频模态频率

41、（固有频率）率）n模态阻尼模态阻尼n模态振型模态振型n模态刚度n模态质量模态分析方法如何获得结构的动态特性参数？如何获得结构的动态特性参数？n有限元计算法：有限元计算法：通常可以从结构的质量、刚度和阻尼计算出结构的动态参数，例如固有频率、阻尼和振型等，这个过程是有限元分析法。这个过程可以在结构加工或建成之前进行计算，但是计算精度受到各种简化约束的限制，精度不够。n模态试验法：模态试验法：通过对已有试件进行激励，激起结构的共振频率，从测量结构的输入激励信号和响应信号计算得到其频响函数。然后对从频响函数或传递率进行模态识别，识别出结构的模态频率、阻尼和振型，在已知输入力的情况下，还可以识别结构的模

42、态质量、模态刚度.模态实验过程旋转机械监测与故障诊断旋转机械监测与故障诊断 旋转机械的故障诊断通常是通过振动来分析其故障，因为旋转机械的振动信号与转速密切相关。基本概念-通频值通频值 通频振动不同于频谱图中特定频率下的振动，不管频率是多少，它是所有振动成分的总和通频值。 通频值类型：加速度峰值、速度有效值、位移峰峰值等.对于位移峰峰值，有的测试系统采用的是真峰峰值（实际测量对于位移峰峰值，有的测试系统采用的是真峰峰值（实际测量的最大值与最小值之差绝对值），有的测试系统采用的峰的最大值与最小值之差绝对值），有的测试系统采用的峰峰值（通过计算有效值，然后乘上峰值（通过计算有效值，然后乘上2.828

43、的来）。同样加速的来）。同样加速度峰值也有真峰值和峰值之分，国外产品除直接测量位移度峰值也有真峰值和峰值之分，国外产品除直接测量位移值外，大都采用计算得到的峰值或峰峰值。值外，大都采用计算得到的峰值或峰峰值。 倍频倍频 振动频率也可以用转速频率的倍数来表示。倍频倍频就是用转速频率的倍数来表示的振动频率。 一倍频又称基频、工频，为转子实际工作转速的频率， f = n /60 Hz 思考：某机器的实际运行转速思考：某机器的实际运行转速n为为1500 r/min，振动的，振动的1倍频二倍频和倍频二倍频和半频分别是多少？半频分别是多少？ 键相 在转子上布置键相标记K ，在轴承座上布置键相传感器K（光电

44、式或涡流式），其输出为相位参考脉冲。 参考脉冲是测量相位的基准。参考脉冲也可用于测量转子的转速。故障诊断常用图谱振动趋势图振动趋势图显示振幅及相位与时间的关系。显示振幅及相位与时间的关系。从振动趋势图可以看到异常振动的起始时间、持续时间、终止时间， 波形图波形图显示通频振动位移（总振值）与时间(周期)的关系，又称幅值时域图。频谱图频谱图显示了在各振动分量的频率及其振幅值。 横坐标可选择“阶比”或“频率”，一般用阶比。轴心轨迹图轴心轨迹图显示转子轴心相对于轴承座涡动运动的轨迹。轴心位置图轴心位置图在忽略振动的情况下，显示轴心相对与轴承中心的稳态位置。故障诊断常见图谱 启停机图谱（启停机图谱（又称

45、瞬态图，仅分析启停机过程中的状况） 转速时间图转速时间图显示开停机过程中，转速变化与时间的关系。 极坐标图极坐标图把开停机过程中振幅与相位随转速变化关系用极坐标的形式表示出来，又称极坐标图，或奈奎斯特图。 波德图波德图显示转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。 频谱瀑布图频谱瀑布图(级联图级联图) 显示转子在各种转速（或时间）下的频谱变化。通常表示：X轴频率；Y轴振幅；Z轴时间或转速间隔。如何获得有效的振动数据如何获得有效振动数据 高质量的数据是振动监测计划成功的基础 检测 分析 校正 验证 获得稳定高质量数据需注意的问题 选择测量位置 机器和测点识别 测量参数 仪器选择、设置和调整 测量技巧 传感器安装 选择测量位置1.选择合适的测量位置尽量靠近轴承三个方向设测点且必须设在刚性良好处对低速重负荷轴承，在负载区域设测点选择测量位置（续）2. 不要为了测量牺牲安全性，必要时安装固定传感器3. 水平方向尽量接近水平轴线4. 垂直方向尽量接近垂直轴线5. 轴向与轴平行，每次在相同位置，如3:00, 9:006. 对泵，不要将密封位置误认为轴承7. 不要在基座或基础上测取轴承数据8. 不要将测量位置放在薄钢板上，如电机端罩机器和测点识别1.制定机器和测点