《设备故障诊断技术》003设备振动状态监测技术第一部分

机械设备振动形状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根底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？幅值：振动能量大小频率：缺点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缘由设计不当，运转时发生强迫振动/自激振动构造不合理，应力集中设计任务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缘由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/维修的缘由机械安装不当，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)调整不当操作运转的缘由工艺参数(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光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？机器劣化的缘由零部件磨损、点蚀、零落、腐蚀、产生裂纹配合面受力劣化、产生过盈缺乏或松动等，破坏了配合的性质和精度机器根底沉降不均匀，机器壳体变形为什么会产生振动？测定机械系统的动态呼应特性，以便确定机器设备接受振动和冲击的才干，并为产品的改良设计提供根据；分析振动产生的缘由，寻觅振源，以便有效地采取减振和隔振措施；对运动中的机器进展缺点监控，以防止艰苦事故。为什么要研讨振动？振动的根底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传感器类型及原理传感器的选择传感器的安装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、非接触式传感器任务原理：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、电感和质量要素都发生变化，且它们的变化量与线圈到金属导体之间的间隔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任务原理：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，以上景象称为电涡流效应。

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〕发生改动，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外表的间隔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，那么线圈阻抗Z就成为间隔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。〔运用时应留意线性范围〕电涡流位移传感器电涡流位移传感器的运用本卷须知〔1〕被测体资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资料〔如普通钢、构造钢等〕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资料〔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运用本卷须知〔2〕被测体外表平整度对传感器的影响不规那么的被测体外表，会给实践的丈量带来附加误差，因此对被测体外表应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。普通要求，对于振动丈量的被测外表粗糙度要求在0.4um～0.8um之间；对于位移丈量被测外表粗糙度要求在0.4um～1.6um之间。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的运用本卷须知〔3〕被测体外表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外表。〔集肤效应〕。加工过程中能够构成的残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶构造不均匀等都会影响传感器特性。振动丈量时，假设被测体外表残磁效应过大，会导致丈量波形畸变。电涡流位移传感器电涡流位移传感器的运用本卷须知〔4〕被测体外表镀层对传感器的影响被测体外表的镀层对传感器的影响相当于改动了被测体资料，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运用本卷须知〔5〕被测体外表尺寸对传感器的影响在线圈轴线附近，涡流密度非常小，愈接近线圈的外径处，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％。被测体外表为平面时，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，普通要求被测轴直径为线圈直径3倍以上，否那么传感器的灵敏度会下降，被测体外表越小，灵敏度下降越多。优点：能实现非接触式丈量灵敏度高、频响范围宽、丈量范围大抗干扰才干强、构造简单、容易标定可以实现静态和动态丈量缺陷：对被测资料敏感对同一资料，假设被测外表的材质不均，或内部有裂纹等缺陷，都会影响丈量结果。〔可用此进展无损探伤〕被测体的外形对丈量结果也有影响。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

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，传感器本生不需求电源，运用方便磁钢-线圈型构造容易获得高灵敏度，可丈量微小振动缺陷：体积大，分量大，不适宜狭小空间和轻小设备的丈量动态范围有限，低频线性差难以实现静态丈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程度安装磁电式速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器构造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，内部就产生极化景象，相应地会在它的两个外表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形状的景象称为压电效应。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求经过的后续的电荷放大器才干进入数据采集器ICP型，放大电路内置的压电式传感器，美国PCB公司第一次运用。压电式加速度传感器压电式加速度传感器思索：用压电式传感器能丈量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？由于不可防止地存在电荷走漏，利用压电式传感器丈量静态或准静态量值时，必需采取一定措施，使电荷从压电元件经丈量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态丈量时，电荷可以不断补充，从而供应丈量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态丈量。优点：频带极宽〔0.2~20kHz〕；本身质量小(2~50g)；动态范围很大；缺陷：会受电场的干扰，且有电荷泄露；某些压电资料需求防潮措施，而且输出的直流呼应差，需求采用高输入阻抗电路或电荷放大器来抑制这一缺陷。压电式加速度传感器传感器类型及原理传感器的选择传感器的安装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可以感知的变化量越小，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，与丈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要素。当被丈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；假设被丈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。准确度表示输出与被测物理量的对应程度。与准确度相对应的是误差，在工程中常用误差目的来替代准确度目的。准确度有绝对准确度和相对准确度两个目的。准确度越高，价钱越贵，因此要从实践需求出发来选择传感器精度。在实践工程测试中，普通情况下要求精度到达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任务范围，线性范围愈宽，阐明传感器的任务量程愈大。传感器在线性区内任务，是保证丈量精度的根本条件，但保证绝对任务在线性范围内是不容易的，在某些情况下，在答应限制内也可以取其近似线性区域。如电涡流传感器，其任务区间选在初始间隙附近，选用时必需思索被丈量变化范围，保证其非线性误差在允许限制内。传感器的选择线性范围稳定性表示传感器经过长期运用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的要素主要有时间、环境等。为保证稳定性，在选择传感器时应思索其运用环境，以选择适宜的传感器类型。在工程实践运用往往要求传感器能长期运用而不需经常改换或校准，在这种情况下，对传感器的稳定性有严厉的要求。传感器的选择稳定性频率呼应特性是指在所测评论范围内，传感器的输出可以真正反映被测参数而不失真，是传感器的主要动态目的。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能够发生缺点的性质选择适用的传感器。传感器的选择频率呼应特性传感器的丈量方式也是选用传感器时应思索的重要要素。如接触与非接触，在线与离线丈量，条件不同，对传感器的要求亦不同对运动部件的丈量普通应采用非接触丈量方式。此时采用电容式、电涡流式等非接触传感器比较方便丈量对象的不同与运用场所的不同，所采用的传感器往往也不同。例如：对大型、高精度、价值高和关键的设备，测试时往往选用精度高，稳定性好的传感器；对长期延续任务的监测系统，应重点思索传感器的稳定性；高温场所应重点思索传感器的耐温性能，强电干扰场所，不应选用磁电式或霍尔元件传感器。传感器的选择丈量方式与运用场所传感器类型及原理传感器的选择传感器的安装传感器的标定振动传感器尽能够地防止选择高温、高湿、出风口和温度变化猛烈的地方作为丈量点，以保证丈量结果的有效性对各测点做出标志，以保证每次丈量的部位不变丈量部位的外表应是光滑干净的，防止脏物对振动传送呵斥衰减对于低频振动，应在程度和垂直两个方向同时进展丈量，必要时，还应在轴向进展丈量；而对于高频振动，那么只需在一个方向进展丈量。HV传感器安装位置的选择丈量转轴时通常是在一个平面内正交的两个方向分别安装一个探头,即两个测点相差90度。轴颈的径向振动丈量传感器安装位置的选择在测轴承的振动时，丈量点应尽量接近轴承的承载区；与被监测的转动部件最好只需一个界面，丈量点必需求有足够的刚度。传感器安装位置的选择1234丈量径向振动，在承载区最适宜丈量轴向振动，途径最短最适宜××？2024/1/28加速度传感器的安装方式暂时安装：所运用的方法应具有良好的可反复性振动探针磁铁快速衔接安装例如：振动探针安装仅用于难以接近的测点和铝制外表，不能丈量低于10HZ的振动，共振频率范围800-1500HZ加速度传感器的安装方式磁铁固定可以在有微小曲面的机器外表安装机器外表