第七章振動的測量

安全檢測與監(jiān)控技術楊春海第7章振動的測量

VibrationMeasurement7.0關于振動Introduction7.1振動基礎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機器狀態(tài)監(jiān)測與分析MachineConditionMonitoringandAnalysis7.6振動評定標準StandardofVibration7.7位移的測量(DisplacementMeasurement）振動測量形式：測量機器或結構在工作狀態(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、等級評定對機械設備或結構施加某種激勵，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、模態(tài)等找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設計提高其抗振能力7.0序

(Introduction)機械振動是普遍存在的物理現(xiàn)象如：旋轉機器的質(zhì)量不平衡、負載不均勻、結構剛度各向異性、對中不良、潤滑不良、支撐松動等振動機械振動大多數(shù)情況下有害：破壞機器正常工作，降低其性能，縮短其使用壽命，甚至機毀人亡機械振動還伴隨著產(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，如運輸、夯實、清洗、粉碎、脫水等7.1振動的基礎知識

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

xtATmfkx(t)例：簡諧運動質(zhì)量－彈簧系統(tǒng)的運動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)：第一項為均值或直流分量，第二項為基本振動或基波，第三項以下總稱為高次諧波振動。兩個簡諧振動的合成

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

時，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動，各種不同的周期運動都可以用無窮個不同頻率的簡諧運動的組合來表示。其運動規(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)值附近反復變化。振動有各種不同的形式：機械振動電磁振動

7.2.1振動測量分類

按測量原理分：機械方法常用于振動頻率低、振幅大、精度要求低的場合。光學方法主要用于精密測量和振動傳感器的標定。電測法應用范圍廣，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電阻應變式resistancestraingauge電感式inductance電容式capacitance光學式optical按傳感器與被測物關系分：接觸式傳感器有磁電式、壓電式及電阻應變式等。非接觸式傳感器有電渦流式和光學式等。按參考坐標分：相對式傳感器：以空間某一固定點作為參考點，測量物體上的某點對參考點的相對振動。絕對式傳感器：以大地為參考基準，即以慣性空間為基準，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

感應電流F1

感應磁通鏈---

互感耦合系數(shù)的大小與二者之間的距離及導體的材料有關。

7.2.2渦流式位移傳感器

(eddy-currentdisplacementsensor)8mm25mm11mm渦流位移傳感器特點：結構簡單非接觸式測量線性度好頻率響應范圍較寬具有較強的抗干擾能力在生產(chǎn)條件下安裝方便在監(jiān)視診斷尤其是旋轉機械軸振動檢測中應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－導線；11－接線座7.2.3

磁電式速度傳感器

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

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

式中：B——磁場的感應電勢強度；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動速度；——線圈運動方向與磁場方向的夾角。

此即一般慣性速度計的原理。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）的壓電效應作為機電變換器而制成的加速度傳感器特點頻帶極寬(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)量運動時產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生相應大小電荷。(a)(b)量程靈敏度分辨率重量/g應用及特點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，適用于小型結構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/g0.0005g27三角剪切結構，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、結構實驗5g1000mV/g0.00006g243軸、高靈敏度10g100mV/g0.0002g180/片狀3軸坐墊傳感器，汽車實驗500g10mV/g0.001g4/方形3軸、小型，模態(tài)、振動、噪聲實驗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致的破壞或故障時宜做加速度測量。考察振動環(huán)境（采用振動烈度）宜做振動速度的測量。要監(jiān)測機器的位置變化時，宜選用電渦流或電容傳感器做位移的測量。選擇時還需要注意能在實際機器設備安裝的可行性。7.3.3傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標各種拾振傳感器都受其結構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。高振級（如沖擊）測量的都是小到幾克或零點幾克的加速度計。

7.3.4

使用環(huán)境、價格、壽命、可靠性、維修、校準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、設備又極昂貴。只適用于特殊環(huán)境下測量，如實驗室測量、校準等。電渦流傳感器對環(huán)境要求低而被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場對機器振動的測量中，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格要求時，除了應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動測量系統(tǒng)

7.4振動測量方法

（MethodsofVibrationMeasurement）前置器遠距離指示儀表機器結構用于報警停機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動測量系統(tǒng)

前置器遠距離指示儀表機器結構非接觸式傳感器軸用于報警停機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果輸出7.5

機器狀態(tài)監(jiān)測與分析

（MachineConditionMonitoringandAnalysis）目的：保證設備安全、可靠運行提高設備利用率和經(jīng)濟效益科學管理與決策，革新設備維修體制由事后維修、計劃維修向預知維修（視情維修）轉變分析方法：時域：波形分析、統(tǒng)計相關等頻域：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未切削時的頻譜開始切削后的頻譜切削時間增加，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切削時間增加，刀具磨損加劇切削時間增加，刀具磨損加劇刀具磨損特征頻率與切削時間關系刀具磨損量與切削時間關系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未切削時的頻譜開始切削后的頻譜切削時間增加，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、自相關函數(shù)、樣本方差與切削時間的關系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函數(shù)r17.5.2旋轉機械的狀態(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蝕斷齒裂紋轉子思考：軸的自轉與公轉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0.254mm。找正后譜圖（右圖）2處的幅值已明顯變小，機組運行相當平穩(wěn)。說明：（1）兩次測量結果，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附近有兩個譜峰，一個在7100r／min處，為水泵的二倍軸頻譜；另一個在7200r／min處，它是電動機定子繞組中電氣故障引起的。1X2X1X2X不對中240048007200960012000r/min240048007200960012000r/min四輥軋機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機械振動評定標準

目前最常采用的是通頻振幅來衡量機械運行狀態(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振動評定標準

(StandardofVibration)轉速/(r/min)

標準/mm優(yōu)良合格150030507030002030

水電部汽輪機組振動標準(雙振峰)

離心鼓風機和壓縮機振動標準標準轉速/≤3000≤6500≤10000>10000-16000主軸軸承/mm50≤40≤30≤20齒輪軸承/mm

≤40≤40≤30在制定上述振動標準時，假設：機組振動為單一頻率的弦波振動；軸承振動和轉子振動基本上有一固定比值，因此可利用軸承振動代表轉子振動；軸承座在垂直、水平方向上的剛度基本上相等，即認為是各向同性的。實際證明上述假設與事實不盡相符: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；轉子振動和軸承座振動的比值，可以達2~50倍，它與軸承形式、間隙、軸承座剛度、油膜特性等有關，且同類機組亦不盡相同。為了較全面的反映機組的振動情況，必須制定其他的振動標準

振動烈度。

振動烈度與振動位移的關系

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)機組的振動應在此區(qū)域內(nèi)區(qū)域B機組可以長期運行區(qū)域C機組不允許長期運行，利用機會進行處理區(qū)域D運行有危險，可能引起機組事故大型旋轉機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）位移測量時應注意的問題

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，則測量結果僅僅反映該測量方向上的分量，而不能真實反映需測位移的大小。位移測量時，應當根據(jù)不同的測量對象，選擇適當?shù)臏y量點、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。機械結構不牢固結構牢固，壽命長，但分辨率差，電噪聲大應變式非粘貼式的粘貼的半導體的±0.5%應變±0.3%應變±0.25%應變±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微動同步器旋轉變壓器±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的轉速下工作，堅固、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形式測量范圍精確度直線性特點電容式變面積

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%

結構簡單，動態(tài)特性好感應同步器直線式

旋轉式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

(直線式感應同步器的分析率可達1μm)形式測量范圍精確度直線性特點計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"測量時工作速度可達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位移測量應用實例

(ExamplesofDisplacementMeasurement)1.軸位移的測量軸位移不僅能表明機器的運行特性和狀況。而且能夠指示推力軸承的磨損情況以及轉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向盤之間的距離變化。導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轉位置停機位置緊急報警位置相對軸位移測量示意圖(2)相對軸膨脹的測量

是指旋轉機器的旋轉部件和靜止部件因為受熱或冷卻導致膨脹或收縮量。相對軸膨脹的測量相對軸膨脹的測量在旋轉機器