第七章振動的測量

安全檢測與監(jiān)控技術(shù)楊春海第7章振動的測量

VibrationMeasurement7.0關(guān)于振動Introduction7.1振動基礎(chǔ)BasicofVibration7.2振動測量傳感器SensorsofVibrationMeasurement7.3傳感器的選擇SensorSelection7.4振動測量方法MethodsofVibrationMeasurement7.5機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測與分析MachineConditionMonitoringandAnalysis7.6振動評定標(biāo)準(zhǔn)StandardofVibration7.7位移的測量(DisplacementMeasurement）振動測量形式：測量機(jī)器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動，如振動位移、速度、加速度等掌握被測對象的運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷環(huán)境控制、等級評定對機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵，測量其受迫振動獲得被測對象的動態(tài)性能：固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)提高其抗振能力7.0序

(Introduction)機(jī)械振動是普遍存在的物理現(xiàn)象如：旋轉(zhuǎn)機(jī)器的質(zhì)量不平衡、負(fù)載不均勻、結(jié)構(gòu)剛度各向異性、對中不良、潤滑不良、支撐松動等振動機(jī)械振動大多數(shù)情況下有害：破壞機(jī)器正常工作，降低其性能，縮短其使用壽命，甚至機(jī)毀人亡機(jī)械振動還伴隨著產(chǎn)生同頻率的噪聲，惡化環(huán)境和勞動條件，危害人們的健康振動也能被利用來完成有益的工作，如運(yùn)輸、夯實(shí)、清洗、粉碎、脫水等7.1振動的基礎(chǔ)知識

(BasicofVibration)振動：在一定條件下，振動體在其平衡位置附近隨時(shí)間作來回往復(fù)變化的運(yùn)動。

xtATmfkx(t)例：簡諧運(yùn)動質(zhì)量－彈簧系統(tǒng)的運(yùn)動vibrationofmass-springsystem振動信號三要素：1）幅值amplitude

振動體離開其平衡位置的最大位移。2）頻率frequency

周期的倒數(shù)。頻譜分析頻率成分及其幅值大小線性系統(tǒng)頻率保持特性尋找振源3）相位phase

確定共振頻率、振型、動平衡、有源振動控制等周期振動及其性質(zhì)

周期振動的定義：周期函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)：第一項(xiàng)為均值或直流分量，第二項(xiàng)為基本振動或基波，第三項(xiàng)以下總稱為高次諧波振動。兩個(gè)簡諧振動的合成

合成振動為周期性非簡諧振動振幅變化的頻率等于振幅的數(shù)值在A1+A2

到A1-A2

間變化

A1A2A1+A21342A1-A2當(dāng)

時(shí)，合成振動為拍振振幅變化的頻率等于A2A

簡諧振動是最基本的周期運(yùn)動，各種不同的周期運(yùn)動都可以用無窮個(gè)不同頻率的簡諧運(yùn)動的組合來表示。其運(yùn)動規(guī)律可用簡諧函數(shù)表示為位移速度加速度單自由度系統(tǒng)在基礎(chǔ)受力所產(chǎn)生的受迫振動

令f(t)

mkcy0(t)

y1(t)m廣義振動：任一物理量(如位移、電流等)在某一數(shù)值附近反復(fù)變化。振動有各種不同的形式：機(jī)械振動電磁振動

7.2.1振動測量分類

按測量原理分：機(jī)械方法常用于振動頻率低、振幅大、精度要求低的場合。光學(xué)方法主要用于精密測量和振動傳感器的標(biāo)定。電測法應(yīng)用范圍廣，在工業(yè)界被廣泛采用。

按測振參數(shù)分：位移傳感器displacementsensor速度傳感器velocitysensor加速度傳感器accelerationsensor7.2振動測量傳感器

（SensorofVibrationMeasurement）按變換原理分：磁電式magnetoelectric壓電式piezoelectric電阻應(yīng)變式resistancestraingauge電感式inductance電容式capacitance光學(xué)式optical按傳感器與被測物關(guān)系分：接觸式傳感器有磁電式、壓電式及電阻應(yīng)變式等。非接觸式傳感器有電渦流式和光學(xué)式等。按參考坐標(biāo)分：相對式傳感器：以空間某一固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)，測量物體上的某點(diǎn)對參考點(diǎn)的相對振動。絕對式傳感器：以大地為參考基準(zhǔn)，即以慣性空間為基準(zhǔn)，測量振動物體相對于大地的絕對振動，又稱慣性式傳感器。

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測量物體的振動和靜位移。工作原理Usr

高頻交變電壓i 傳感器電流F 傳感器磁通量i1

感應(yīng)電流F1

感應(yīng)磁通鏈---

互感耦合系數(shù)的大小與二者之間的距離及導(dǎo)體的材料有關(guān)。

7.2.2渦流式位移傳感器

(eddy-currentdisplacementsensor)8mm25mm11mm渦流位移傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單非接觸式測量線性度好頻率響應(yīng)范圍較寬具有較強(qiáng)的抗干擾能力在生產(chǎn)條件下安裝方便在監(jiān)視診斷尤其是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸振動檢測中應(yīng)用十分普遍不同材質(zhì)對靈敏度的影響

00.51.01.52.02.5

d/mmU/-v2018161412108642銅鋁鋼渦流傳感器檢測透平葉片根裂紋示意圖磁電式絕對速度計(jì)1、9—彈簧片；2—磁靴；3—阻尼環(huán)；4—外殼；5—鋁架；6—磁鋼；7－線圈；8－線圈架；10－導(dǎo)線；11－接線座7.2.3

磁電式速度傳感器

(MagnetoelectricVelocitySensor)當(dāng)穿過匝數(shù)為w線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動勢為

置于永久磁鐵直流磁場內(nèi)的線圈作直線運(yùn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中：B——磁場的感應(yīng)電勢強(qiáng)度；l——單匝線圈有效長度；

w——線圈匝數(shù)；v——線圈與磁場的相對運(yùn)動速度；——線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角。

此即一般慣性速度計(jì)的原理。7.2.4壓電式加速度傳感器(Piezoelectricaccelerationsensor)利用某些晶體材料（如壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等）的壓電效應(yīng)作為機(jī)電變換器而制成的加速度傳感器特點(diǎn)頻帶極寬(0.2~20KHz)。本身質(zhì)量小(2~50g)。動態(tài)范圍很大。工作原理慣性質(zhì)量運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生相應(yīng)大小電荷。(a)(b)量程靈敏度分辨率重量/g應(yīng)用及特點(diǎn)5000g0.5mV/g0.02g4.5適用于爆破、撞擊等100000g0.05mV/g0.3g4.4適用于爆破、撞擊、爆炸分離等150g10mV/g0.003g10.5可在-196℃的低溫環(huán)境下工作5g1000mV/g0.00004g35高分辨率型500g10mV/g0.0015g0.5微型，適用于小型結(jié)構(gòu)50g100mV/g0.00016g2小型、高靈敏度、高分辨率，各種用途500g10mV/g0.005g2高頻、小型、石英剪切，各種用途50g100mV/g0.0005g27三角剪切結(jié)構(gòu)，石英通用加速度傳感器2000g2.5mV/g

0.04g17.9沖擊傳感器、內(nèi)置濾波器，樁基檢測500g10mV/g0.0005g10環(huán)型50g100mV/g0.0002g203軸、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)5g1000mV/g0.00006g243軸、高靈敏度10g100mV/g0.0002g180/片狀3軸坐墊傳感器，汽車實(shí)驗(yàn)500g10mV/g0.001g4/方形3軸、小型，模態(tài)、振動、噪聲實(shí)驗(yàn)5g1103mV/g0.0001g1000超低頻地震傳感器，長期穩(wěn)定性良好0.5g1104mV/g0.000001g635超低頻地震傳感器，高靈敏度某系列加速度傳感器特性表31kHz28kHz7kHz2kHz傳感器固定方式及其共振頻率(a)(b)(c)(d)(e)(f)7.3.1直接測量參數(shù)的選擇

幅值頻率等7.3傳感器的選擇

(SensorSelection)7.3.2應(yīng)使最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測得考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)宜做加速度測量?？疾煺駝迎h(huán)境（采用振動烈度）宜做振動速度的測量。要監(jiān)測機(jī)器的位置變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感器做位移的測量。選擇時(shí)還需要注意能在實(shí)際機(jī)器設(shè)備安裝的可行性。7.3.3傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo)各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的范圍

拾振器質(zhì)量大，其上限頻率就低、靈敏度高。質(zhì)量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計(jì)為例:超低振級測量的都是質(zhì)量超過100g靈敏度很高的加速度計(jì)。高振級（如沖擊）測量的都是小到幾克或零點(diǎn)幾克的加速度計(jì)。

7.3.4

使用環(huán)境、價(jià)格、壽命、可靠性、維修、校準(zhǔn)激光測振有很高的分辨力和測量精確度。對環(huán)境（隔振）要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴。只適用于特殊環(huán)境下測量，如實(shí)驗(yàn)室測量、校準(zhǔn)等。電渦流傳感器對環(huán)境要求低而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場對機(jī)器振動的測量中，且能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)環(huán)境下長期可靠地工作。比較電容、激光傳感器對相位有嚴(yán)格要求時(shí)，除了應(yīng)注意拾振器的相頻特性外，還要注意放大器的相頻特性和測試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性。7.3.5

傳感器對被測構(gòu)件附加質(zhì)量的影響

傳感器固定在被測物體上，對被測量有影響。修正為切削動態(tài)特性檢測圖7.4.1相對振動測量方法

使用非接觸式傳感器的相對運(yùn)動測量系統(tǒng)

7.4振動測量方法

（MethodsofVibrationMeasurement）前置器遠(yuǎn)距離指示儀表機(jī)器結(jié)構(gòu)用于報(bào)警停機(jī)記錄和分析儀表得任選輸出非接觸式傳感器軸前置器7.4.2

絕對振動測量方法

使用非接觸式傳感器和慣性傳感器的絕對運(yùn)動測量系統(tǒng)

前置器遠(yuǎn)距離指示儀表機(jī)器結(jié)構(gòu)非接觸式傳感器軸用于報(bào)警停機(jī)記錄和分析儀表得任選輸出前置器7.4.3

一般測試方法

信號拾取信號調(diào)理信號記錄信號分析處理結(jié)果輸出7.5

機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測與分析

（MachineConditionMonitoringandAnalysis）目的：保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行提高設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益科學(xué)管理與決策，革新設(shè)備維修體制由事后維修、計(jì)劃維修向預(yù)知維修（視情維修）轉(zhuǎn)變分析方法：時(shí)域：波形分析、統(tǒng)計(jì)相關(guān)等頻域：頻譜分析選擇刀桿垂直方向的振動加速度作為原始特征信號，用加速度傳感器拾取。檢測和分析系統(tǒng)如圖所示。切削條件是刀具角度為；工件材料為45鋼；切削用量為7.5.1制造過程狀態(tài)監(jiān)測與分析切削過程刀具磨損的狀態(tài)識別BA頻譜分析－低通濾波器1000Hz417.9未切削時(shí)的頻譜開始切削后的頻譜切削時(shí)間增加，刀具有磨損刀具有磨損更多01002003004005006007008009001000051015202530417.9f/HzS(f

)0100200300400500600700800051015202530398.4S(f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.9328.1S(f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.978.1S(f

)f/Hz切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇切削時(shí)間增加，刀具磨損加劇刀具磨損特征頻率與切削時(shí)間關(guān)系刀具磨損量與切削時(shí)間關(guān)系01002003004005006007008009001000051015202530417.958.5S(f

)f/Hz0510152025303540455055050100150200250300350特征頻率f/Hzf/Hzt/min01002003004005006007008009001000051015202530417.939.0S(f

)051015202530354045505500.10.20.30.40.5t/min刀具磨損量/mm高頻頻譜分析-無低通濾波器418418未切削時(shí)的頻譜開始切削后的頻譜切削時(shí)間增加，刀具有磨損刀具有磨損加劇0500100015002000250030003500400001020304050S(f

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

)05001000150020002500300035004000010203040504188362220S(f

)05001000150020002500300035004000010203040501620S(f

)特征頻率、特征頻率峰值、自相關(guān)函數(shù)、樣本方差與切削時(shí)間的關(guān)系t/min051015202530354045505511.251.51.7522.252.52.753特征頻率f/kHz051015202530354045505500.10.20.30.40.50.60.7t/min一步自相關(guān)函數(shù)r1051015202530354045505505101520253035404550S(f)t/mint/min特征頻率譜峰05101520253035404550550123456x1000樣本方差s2金屬切削顫振(chattering)顫振發(fā)生前后振動波形圖05010015020025030035040045050055060000.511.522.533.544.555.5x10t/min振動幅值/mm振動幅值/mm頻譜分析顫振未發(fā)生顫振已發(fā)生顫振劇烈01002003004005006007008009001000012345S(f)300f/Hzf/Hzf/Hz功率譜01002003004005006007008009001000012345S(f)180功率譜01002003004005006007008009001000012345180300S(f)功率譜統(tǒng)計(jì)分析0102030405060012345x1000t/mint/min樣本方差s205101520253035404550556000.250.50.751-0.25-0.5-0.75-1一步自相關(guān)函數(shù)r17.5.2旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷振動測試的重要性常見故障：質(zhì)量不平衡軸彎曲不對中摩擦油膜渦動松動裂紋點(diǎn)蝕斷齒裂紋轉(zhuǎn)子思考：軸的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)傳感器安裝方向軸心軌跡－右圖軸心位置－下頁振動信號的表示及其軸心軌跡yStKSSSoPytA(p-p)xA11B1maxSB(p-p)傳感器B由傳感器A測得的波形傳感器A由傳感器B測锝的波形(p-p)maxSS軸心位置圖－－軸在軸承中懸浮的位置左圖是一臺水泵的譜圖，圖中2處有峰值，存在某種程度的不對中。檢查發(fā)現(xiàn)不對中量達(dá)0.254mm。找正后譜圖（右圖）2處的幅值已明顯變小，機(jī)組運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)。說明：（1）兩次測量結(jié)果，1處的幅值無明顯變化，而2處幅值變化很大，這正是不對中故障的典型頻譜特征。（2）在2附近有兩個(gè)譜峰，一個(gè)在7100r／min處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個(gè)在7200r／min處，它是電動機(jī)定子繞組中電氣故障引起的。1X2X1X2X不對中240048007200960012000r/min240048007200960012000r/min四輥軋機(jī)垂直振動速度檢測與顫振出現(xiàn)120～250Hz顫振的振動頻譜圖旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動評定標(biāo)準(zhǔn)

目前最常采用的是通頻振幅來衡量機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的，根據(jù)所使用傳感器的種類分為：

1)軸承振動評定，用接觸式傳感器(例如磁電式振動速度傳感器或壓電式振動加速度傳感器)放置在軸承座上進(jìn)行測量

2)軸振動評定，用非接觸式傳感器(例如電渦流式傳感器)測量軸相對于機(jī)殼的振動值或軸的絕對振動值。評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度(即均方根值，它代表了振動能量的大小)來表示。7.6振動評定標(biāo)準(zhǔn)

(StandardofVibration)轉(zhuǎn)速/(r/min)

標(biāo)準(zhǔn)/mm優(yōu)良合格150030507030002030

水電部汽輪機(jī)組振動標(biāo)準(zhǔn)(雙振峰)

離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)振動標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速/≤3000≤6500≤10000>10000-16000主軸軸承/mm50≤40≤30≤20齒輪軸承/mm

≤40≤40≤30在制定上述振動標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，假設(shè)：機(jī)組振動為單一頻率的弦波振動；軸承振動和轉(zhuǎn)子振動基本上有一固定比值，因此可利用軸承振動代表轉(zhuǎn)子振動；軸承座在垂直、水平方向上的剛度基本上相等，即認(rèn)為是各向同性的。實(shí)際證明上述假設(shè)與事實(shí)不盡相符:所測得的振動多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動合成的；軸承組水平剛度明顯低于垂直剛度；轉(zhuǎn)子振動和軸承座振動的比值，可以達(dá)2~50倍，它與軸承形式、間隙、軸承座剛度、油膜特性等有關(guān)，且同類機(jī)組亦不盡相同。為了較全面的反映機(jī)組的振動情況，必須制定其他的振動標(biāo)準(zhǔn)

振動烈度。

振動烈度與振動位移的關(guān)系

T:所測信號的長度，s;vt:物體的振動速度，mm/sGB11347.1-89區(qū)域A新投產(chǎn)機(jī)組的振動應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)區(qū)域B機(jī)組可以長期運(yùn)行區(qū)域C機(jī)組不允許長期運(yùn)行，利用機(jī)會進(jìn)行處理區(qū)域D運(yùn)行有危險(xiǎn)，可能引起機(jī)組事故大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動烈度評定等級

軸承振動烈度

支承分類

()1-.smmvrms

剛性支承

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

按被測量，位移的測量分為線位移測量和角位移測量。

按測量參數(shù)的特性，位移測量分為靜態(tài)位移測量和動態(tài)位移測量。（1）位移測量的分類（2）位移測量時(shí)應(yīng)注意的問題

測量方向與位移方向重合位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動，是矢量。如果測量方向與位移方向不重合，則測量結(jié)果僅僅反映該測量方向上的分量，而不能真實(shí)反映需測位移的大小。位移測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的測量對象，選擇適當(dāng)?shù)臏y量點(diǎn)、測量方向和測量系統(tǒng)。7.7位移的測量(DisplacementMeasurement)7.7.1常用位移傳感器(displacementsensor)形式測量范圍精確度直線性特點(diǎn)電阻式滑線式線位移角位移變阻器線位移角位移1~300mm0°~360°1~1000mm0~60rad±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%

分辨率較好，可用于靜態(tài)或動態(tài)測量。機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固結(jié)構(gòu)牢固，壽命長，但分辨率差，電噪聲大應(yīng)變式非粘貼式的粘貼的半導(dǎo)體的±0.5%應(yīng)變±0.3%應(yīng)變±0.25%應(yīng)變±0.1%±2%~3%±2%~3%±1%滿刻度±20%

不牢固牢固，使用方便，需溫度補(bǔ)償和高絕緣電阻輸出幅值大，溫度靈敏性高形式測量范圍精確度直線性特點(diǎn)電感式自感式變氣隙型螺管型特大型差動變壓器渦電流式同步機(jī)微動同步器旋轉(zhuǎn)變壓器±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%

只宜用于微小位移測量測量范圍較前者寬，使用方便可靠，動態(tài)性能較差

分辨率好，受到磁場干擾時(shí)需屏蔽分辨率好，受被測物體材料、形狀、加工質(zhì)量影響

可在1200r/min的轉(zhuǎn)速下工作，堅(jiān)固、對溫度和濕度不敏感非線性誤差與變壓比和測量范圍有關(guān)形式測量范圍精確度直線性特點(diǎn)電容式變面積

變間距10-3~100mm10-3~10mm±0.005%0.1%±1%

介電常數(shù)受環(huán)境溫度、濕度變化的影響分辨率很好，但測量范圍很小，只能在小范圍內(nèi)近似地保持線性霍爾元件±1.5mm0.5%

結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)特性好感應(yīng)同步器直線式

旋轉(zhuǎn)式10-3~100mm0°~360°2.5μm/250mm±0.5"

模擬和數(shù)字混合測量系統(tǒng)，數(shù)字顯示

(直線式感應(yīng)同步器的分析率可達(dá)1μm)形式測量范圍精確度直線性特點(diǎn)計(jì)量光柵長光柵圓光柵10-3~1000mm0°~360°3μm/1mm±1"模擬和數(shù)字混合測量系統(tǒng)，數(shù)字顯示(長光柵分辨率0.1~1μm)磁柵長磁柵圓磁柵10-3~10000mm0°~360°5μm/1mm±1"測量時(shí)工作速度可達(dá)12m/min角度編碼器接觸式光電式0°~360°0°~360°10-6r10-8r分辨率好，可靠性高7.7.2位移測量應(yīng)用實(shí)例

(ExamplesofDisplacementMeasurement)1.軸位移的測量軸位移不僅能表明機(jī)器的運(yùn)行特性和狀況。而且能夠指示推力軸承的磨損情況以及轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間發(fā)生碰撞的可能性。在工業(yè)現(xiàn)場，常用電渦流位移傳感器來測量軸位移。在位移測量中只考慮傳感器中的直流電壓成分。軸位移分為相對軸位移（即軸向位置）和相對軸膨脹。（1）相對軸位移的測量相對軸位移是指軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間的距離變化。導(dǎo)向盤和軸承之間必須有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。渦流傳感器軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)位置停機(jī)位置緊急報(bào)警位置相對軸位移測量示意圖(2)相對軸膨脹的測量

是指旋轉(zhuǎn)機(jī)器的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件因?yàn)槭軣峄蚶鋮s導(dǎo)致膨脹或收縮量。相對軸膨脹的測量相對軸膨脹的測量在旋轉(zhuǎn)機(jī)器