第七章振动的测量

安全检测与监控技术杨春海第7章振动的测量

VibrationMeasurement7.0关于振动Introduction7.1振动基础BasicofVibration7.2振动测量传感器SensorsofVibrationMeasurement7.3传感器的选择SensorSelection7.4振动测量方法MethodsofVibrationMeasurement7.5机器状态监测与分析MachineConditionMonitoringandAnalysis7.6振动评定标准StandardofVibration7.7位移的测量(DisplacementMeasurement）振动测量形式：测量机器或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度等掌握被测对象的运行状态状态监测、故障诊断环境控制、等级评定对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力7.0序

(Introduction)机械振动是普遍存在的物理现象如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等振动机械振动大多数情况下有害：破坏机器正常工作，降低其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康振动也能被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等7.1振动的基础知识

(BasicofVibration)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)例：简谐运动质量－弹簧系统的运动vibrationofmass-springsystem振动信号三要素：1）幅值amplitude

振动体离开其平衡位置的最大位移。2）频率frequency

周期的倒数。频谱分析频率成分及其幅值大小线性系统频率保持特性寻找振源3）相位phase

确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控制等周期振动及其性质

周期振动的定义：周期函数可以展开为傅里叶级数：第一项为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三项以下总称为高次谐波振动。两个简谐振动的合成

合成振动为周期性非简谐振动振幅变化的频率等于振幅的数值在A1+A2

到A1-A2

间变化

A1A2A1+A21342A1-A2当

时，合成振动为拍振振幅变化的频率等于A2A

简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运动规律可用简谐函数表示为位移速度加速度单自由度系统在基础受力所产生的受迫振动

令f(t)

mkcy0(t)

y1(t)m广义振动：任一物理量(如位移、电流等)在某一数值附近反复变化。振动有各种不同的形式：机械振动电磁振动

7.2.1振动测量分类

按测量原理分：机械方法常用于振动频率低、振幅大、精度要求低的场合。光学方法主要用于精密测量和振动传感器的标定。电测法应用范围广，在工业界被广泛采用。

按测振参数分：位移传感器displacementsensor速度传感器velocitysensor加速度传感器accelerationsensor7.2振动测量传感器

（SensorofVibrationMeasurement）按变换原理分：磁电式magnetoelectric压电式piezoelectric电阻应变式resistancestraingauge电感式inductance电容式capacitance光学式optical按传感器与被测物关系分：接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。非接触式传感器有电涡流式和光学式等。按参考坐标分：相对式传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对振动。绝对式传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。

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。工作原理Usr

高频交变电压i 传感器电流F 传感器磁通量i1

感应电流F1

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。

7.2.2涡流式位移传感器

(eddy-currentdisplacementsensor)8mm25mm11mm涡流位移传感器特点：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轴振动检测中应用十分普遍不同材质对灵敏度的影响

00.51.01.52.02.5

d/mmU/-v2018161412108642铜铝钢涡流传感器检测透平叶片根裂纹示意图磁电式绝对速度计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7.2.3

磁电式速度传感器

(MagnetoelectricVelocitySensor)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

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；——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。7.2.4压电式加速度传感器(Piezoelectricaccelerationsensor)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特点频带极宽(0.2~20KHz)。本身质量小(2~50g)。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)量程灵敏度分辨率重量/g应用及特点5000g0.5mV/g0.02g4.5适用于爆破、撞击等100000g0.05mV/g0.3g4.4适用于爆破、撞击、爆炸分离等150g10mV/g0.003g10.5可在-196℃的低温环境下工作5g1000mV/g0.00004g35高分辨率型500g10mV/g0.0015g0.5微型，适用于小型结构50g100mV/g0.00016g2小型、高灵敏度、高分辨率，各种用途500g10mV/g0.005g2高频、小型、石英剪切，各种用途50g100mV/g0.0005g27三角剪切结构，石英通用加速度传感器2000g2.5mV/g

0.04g17.9冲击传感器、内置滤波器，桩基检测500g10mV/g0.0005g10环型50g100mV/g0.0002g203轴、结构实验5g1000mV/g0.00006g243轴、高灵敏度10g100mV/g0.0002g180/片状3轴坐垫传感器，汽车实验500g10mV/g0.001g4/方形3轴、小型，模态、振动、噪声实验5g1103mV/g0.0001g1000超低频地震传感器，长期稳定性良好0.5g1104mV/g0.000001g635超低频地震传感器，高灵敏度某系列加速度传感器特性表31kHz28kHz7kHz2kHz传感器固定方式及其共振频率(a)(b)(c)(d)(e)(f)7.3.1直接测量参数的选择

幅值频率等7.3传感器的选择

(SensorSelection)7.3.2应使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得考察惯性力可能导致的破坏或故障时宜做加速度测量。考察振动环境（采用振动烈度）宜做振动速度的测量。要监测机器的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器做位移的测量。选择时还需要注意能在实际机器设备安装的可行性。7.3.3传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围

拾振器质量大，其上限频率就低、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:超低振级测量的都是质量超过100g灵敏度很高的加速度计。高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。

7.3.4

使用环境、价格、寿命、可靠性、维修、校准激光测振有很高的分辨力和测量精确度。对环境（隔振）要求极严、设备又极昂贵。只适用于特殊环境下测量，如实验室测量、校准等。电涡流传感器对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中，且能在高温、油污、蒸汽介质环境下长期可靠地工作。比较电容、激光传感器对相位有严格要求时，除了应注意拾振器的相频特性外，还要注意放大器的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性。7.3.5

传感器对被测构件附加质量的影响

传感器固定在被测物体上，对被测量有影响。修正为切削动态特性检测图7.4.1相对振动测量方法

使用非接触式传感器的相对运动测量系统

7.4振动测量方法

（MethodsofVibrationMeasurement）前置器远距离指示仪表机器结构用于报警停机记录和分析仪表得任选输出非接触式传感器轴前置器7.4.2

绝对振动测量方法

使用非接触式传感器和惯性传感器的绝对运动测量系统

前置器远距离指示仪表机器结构非接触式传感器轴用于报警停机记录和分析仪表得任选输出前置器7.4.3

一般测试方法

信号拾取信号调理信号记录信号分析处理结果输出7.5

机器状态监测与分析

（MachineConditionMonitoringandAnalysis）目的：保证设备安全、可靠运行提高设备利用率和经济效益科学管理与决策，革新设备维修体制由事后维修、计划维修向预知维修（视情维修）转变分析方法：时域：波形分析、统计相关等频域：频谱分析选择刀杆垂直方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感器拾取。检测和分析系统如图所示。切削条件是刀具角度为；工件材料为45钢；切削用量为7.5.1制造过程状态监测与分析切削过程刀具磨损的状态识别BA频谱分析－低通滤波器1000Hz417.9未切削时的频谱开始切削后的频谱切削时间增加，刀具有磨损刀具有磨损更多01002003004005006007008009001000051015202530417.9f/HzS(f

)0100200300400500600700800051015202530398.4S(f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.9328.1S(f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.978.1S(f

)f/Hz切削时间增加，刀具磨损加剧切削时间增加，刀具磨损加剧刀具磨损特征频率与切削时间关系刀具磨损量与切削时间关系01002003004005006007008009001000051015202530417.958.5S(f

)f/Hz0510152025303540455055050100150200250300350特征频率f/Hzf/Hzt/min01002003004005006007008009001000051015202530417.939.0S(f

)051015202530354045505500.10.20.30.40.5t/min刀具磨损量/mm高频频谱分析-无低通滤波器418418未切削时的频谱开始切削后的频谱切削时间增加，刀具有磨损刀具有磨损加剧0500100015002000250030003500400001020304050S(f

)f/Hzf/Hzf/Hzf/Hzf/Hz05001000150020002500300035004000010203040504188362680S(f

)05001000150020002500300035004000010203040504188362220S(f

)05001000150020002500300035004000010203040501620S(f

)特征频率、特征频率峰值、自相关函数、样本方差与切削时间的关系t/min051015202530354045505511.251.51.7522.252.52.753特征频率f/kHz051015202530354045505500.10.20.30.40.50.60.7t/min一步自相关函数r1051015202530354045505505101520253035404550S(f)t/mint/min特征频率谱峰05101520253035404550550123456x1000样本方差s2金属切削颤振(chattering)颤振发生前后振动波形图05010015020025030035040045050055060000.511.522.533.544.555.5x10t/min振动幅值/mm振动幅值/mm频谱分析颤振未发生颤振已发生颤振剧烈01002003004005006007008009001000012345S(f)300f/Hzf/Hzf/Hz功率谱01002003004005006007008009001000012345S(f)180功率谱01002003004005006007008009001000012345180300S(f)功率谱统计分析0102030405060012345x1000t/mint/min样本方差s205101520253035404550556000.250.50.751-0.25-0.5-0.75-1一步自相关函数r17.5.2旋转机械的状态监测与故障诊断振动测试的重要性常见故障：质量不平衡轴弯曲不对中摩擦油膜涡动松动裂纹点蚀断齿裂纹转子思考：轴的自转与公转传感器安装方向轴心轨迹－右图轴心位置－下页振动信号的表示及其轴心轨迹yStKSSSoPytA(p-p)xA11B1maxSB(p-p)传感器B由传感器A测得的波形传感器A由传感器B测锝的波形(p-p)maxSS轴心位置图－－轴在轴承中悬浮的位置左图是一台水泵的谱图，图中2处有峰值，存在某种程度的不对中。检查发现不对中量达0.254mm。找正后谱图（右图）2处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。说明：（1）两次测量结果，1处的幅值无明显变化，而2处幅值变化很大，这正是不对中故障的典型频谱特征。（2）在2附近有两个谱峰，一个在7100r／min处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在7200r／min处，它是电动机定子绕组中电气故障引起的。1X2X1X2X不对中240048007200960012000r/min240048007200960012000r/min四辊轧机垂直振动速度检测与颤振出现120～250Hz颤振的振动频谱图旋转机械振动评定标准

目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为：

1)轴承振动评定，用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量

2)轴振动评定，用非接触式传感器(例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值，它代表了振动能量的大小)来表示。7.6振动评定标准

(StandardofVibration)转速/(r/min)

标准/mm优良合格150030507030002030

水电部汽轮机组振动标准(双振峰)

离心鼓风机和压缩机振动标准标准转速/≤3000≤6500≤10000>10000-16000主轴轴承/mm50≤40≤30≤20齿轮轴承/mm

≤40≤40≤30在制定上述振动标准时，假设：机组振动为单一频率的弦波振动；轴承振动和转子振动基本上有一固定比值，因此可利用轴承振动代表转子振动；轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即认为是各向同性的。实际证明上述假设与事实不尽相符:所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；转子振动和轴承座振动的比值，可以达2~50倍，它与轴承形式、间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同。为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其他的振动标准

振动烈度。

振动烈度与振动位移的关系

T:所测信号的长度，s;vt:物体的振动速度，mm/sGB11347.1-89区域A新投产机组的振动应在此区域内区域B机组可以长期运行区域C机组不允许长期运行，利用机会进行处理区域D运行有危险，可能引起机组事故大型旋转机械振动烈度评定等级

轴承振动烈度

支承分类

()1-.smmvrms

刚性支承

柔性支承

0.460.711.121.82.84.67.111.218.028.046.071.0

C

B

B

C

A

A

D

D

GB/T11347.1-89

按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。

按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。（1）位移测量的分类（2）位移测量时应注意的问题

测量方向与位移方向重合位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该测量方向上的分量，而不能真实反映需测位移的大小。位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。7.7位移的测量(DisplacementMeasurement)7.7.1常用位移传感器(displacementsensor)形式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移角位移变阻器线位移角位移1~300mm0°~360°1~1000mm0~60rad±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%

分辨率较好，可用于静态或动态测量。机械结构不牢固结构牢固，寿命长，但分辨率差，电噪声大应变式非粘贴式的粘贴的半导体的±0.5%应变±0.3%应变±0.25%应变±0.1%±2%~3%±2%~3%±1%满刻度±20%

不牢固牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高形式测量范围精确度直线性特点电感式自感式变气隙型螺管型特大型差动变压器涡电流式同步机微动同步器旋转变压器±0.2mm1.5~2mm300~2000mm±0.08~±75mm±2.5~±250mm360°10°60°±1%±0.5%±1%~3%±0.1~±0.7°±1%±3%0.15%~0.1%±0.5%<3%±0.5%±0.05%±0.1%

只宜用于微小位移测量测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差

分辨率好，受到磁场干扰时需屏蔽分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响

可在1200r/min的转速下工作，坚固、对温度和湿度不敏感非线性误差与变压比和测量范围有关形式测量范围精确度直线性特点电容式变面积

变间距10-3~100mm10-3~10mm±0.005%0.1%±1%

介电常数受环境温度、湿度变化的影响分辨率很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保持线性霍尔元件±1.5mm0.5%

结构简单，动态特性好感应同步器直线式

旋转式10-3~100mm0°~360°2.5µm/250mm±0.5"

模拟和数字混合测量系统，数字显示

(直线式感应同步器的分析率可达1µm)形式测量范围精确度直线性特点计量光栅长光栅圆光栅10-3~1000mm0°~360°3µm/1mm±1"模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨率0.1~1µm)磁栅长磁栅圆磁栅10-3~10000mm0°~360°5µm/1mm±1"测量时工作速度可达12m/min角度编码器接触式光电式0°~360°0°~360°10-6r10-8r分辨率好，可靠性高7.7.2位移测量应用实例

(ExamplesofDisplacementMeasurement)1.轴位移的测量轴位移不仅能表明机器的运行特性和状况。而且能够指示推力轴承的磨损情况以及转动部件和静止部件之间发生碰撞的可能性。在工业现场，常用电涡流位移传感器来测量轴位移。在位移测量中只考虑传感器中的直流电压成分。轴位移分为相对轴位移（即轴向位置）和相对轴膨胀。（1）相对轴位移的测量相对轴位移是指轴向推力轴承和导向盘之间的距离变化。导向盘和轴承之间必须有一定的间隙以便能够形成承载油膜。涡流传感器轴正常运转位置停机位置紧急报警位置相对轴位移测量示意图(2)相对轴膨胀的测量

是指旋转机器的旋转部件和静止部件因为受热或冷却导致膨胀或收缩量。相对轴膨胀的测量相对轴膨胀的测量在旋转机器