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【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动

2017-03-27 23:18阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/6190621150

一、机器的振动 我们知道，很多机器都是由转子和定子组成的，转子在转动，定子固定不动，但是由于积灰、不对中、不平衡等等原因，使得机器的整个身子都会发生振动：


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图1 - 振动的机器


有的振动我们可以听到，有的可以摸到或者看到，但不管怎么样，振动变大了，总不是什么好事情，可能预示着某种故障，如果长时间工作下去，机器就要报销了。。。


当然，有些时候，我们也会故意制造一些振动，如手机的振动，减脂机的振动，或是。。。（哎呦，你猜我要说什么），此时，振动当然越大越好啦！


对于非故意设计的振动，我们就要进行监视，其中蕴含了丰富的信息，可以帮助我们分析机器的工作状态哦。




二、如何描述振动 就像“温度”是用数值方式来科学地描述“冷、热”一样，振动也有一套自己的描述语言，其中最基本的两个数值是——振幅和频率。



1.振幅
振幅，表示振动的范围和强度的物理量。在机器振动中，振幅就是物体振动时离开平衡位置最大的“位移”的绝对值：


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图2 -振幅


2.频率
频率，是单位时间内完成周期性振动的次数，单位为赫兹，符号为Hz。
比如，物体的振幅从平衡位置，到最高点，经过平衡位置，到最低点，再回到平衡位置，就是一个周期了。单位时间内有多少个周期，就是频率：


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图3 – 频率和周期


真实的机器振动形式很复杂，但往往可以被分解为一个个周期性的、具有固定振幅的小振动，而且每个小振动在数学上可以用“正弦函数”表示。


三、位移、速度和加速度 还记得中学物理吗，振动也脱离不了牛顿运动定律，我来帮你回忆一下：
  • 位移：表示物体的位置变化，如前面说的“振幅”，就是位移的最大值。
  • 速度：表示位移变化快慢的物理量。
  • 加速度：表示速度变化快慢的物理量。


三者的关系是：
  • 加速度与时间的积分，就是当前的速度；速度与时间的积分，就是当前的位移。
  • 换句话说，速度是位移对于时间的一阶导数，加速度是位移对于时间的二阶倒数。


OK，如果物体振动的位移随着时间的变化，符合一个正弦函数的曲线的话，那么，它的速度和加速度的变化，是什么样的呢？


请看下图：
【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图4 – 位移、速度、加速度


你猜对了吗？请注意几点：
  • 知道其中一个变量，就能推算出另外两个变量；
  • 位移和速度的相位差90度，速度和加速度的相位差90度；
  • 纵坐标上，三者的单位不同，对于机器振动来说，位移通常是‘µm’（微米），速度是‘mm/s’，加速度是‘m/s2’；




四、频率啊频率 那么，既然位移、速度、加速度可以相互换算，我们应该用哪个来描述振动呢？
答案是，取决于振动的频率。


第二节的图片是用“位移”来展示振动的，因为在振动比较慢的情况下，物体的振幅是我们可以亲眼看见的，但如果振动快起来，用“速度”甚至“加速度”来描述振动，可能更为合适。


这里引入一个数字——7.6 mm/s，这是业内认为大多数旋转型机器振动在10Hz~1KHz情况下的典型速度数值。


如果从频谱的角度去看，位移、速度、加速度的关系如下：
【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图5 – 频率的影响
说明如下：
  • 在10Hz~1KHz情况下，振动的速度保持7.6mm/s，所以振幅为一根水平直线；
  • 位移的振幅，随着频率增高而下降（周期短了嘛，同样的速度也跑不了多远，不是吗）；
  • 加速度的振幅，随着频率增高而增高（周期短了，速度变化更快，对吧）；


为了获得最好的信噪比，应取频谱上较为水平的数据作为分析依据，比如，振动速度7.6mm/s的情况下，如果不用“速度”作为分析依据，你会不会把1KHz的“位移”数据或者10Hz的“加速度”数据当做噪声呢？


通常的选择标准是，低频时，选用“位移”作为分析依据；中频时，选用“速度”作为分析依据；高频时，选用“加速度”作为分析依据！


【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图6 – 位移、速度、加速度和频率




五、振动传感器 对于位移、速度和加速度，也分别有三种传感器。


1.位移传感器
位移传感器利用涡电流效应，即当大块导体放在磁场中相对运动时，在导体中也会出现感应电流，这使得线圈的阻抗也会随之改变，最终能够通过电信号来反映物体位移的变化。
【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图7 – 位移传感器


位移传感器是非接触式的，这使得它适合测量转动轴的振动情况。不过，位移传感器的频率响应相对较低。


2.速度传感器
速度传感器内有永磁体和线圈，线圈由弹性装置支持，随着监测物体的运动，线圈和永磁体之间也发生相对运动，这种相对运动产生的电信号能够用来反映物体速度的变化。
【振动监测】机械振动的那些事1——如何描述振动
图8 – 速度传感器


内部机械式的弹性结构使得传感器无法获得很高的频响特性，不过目前也有基于压电工艺的速度传感器，甚至还有基于激光多普勒技术的速度传感器，当然，后者价格非常贵啊。


3.加速度传感器
加速度传感器内部结构里有质量块（mass）和压电材料（piezoelectric），随着监测物体的运动，质量块对压电材料会施加压力，从而获得能够反映加速度变化的电信号。
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图9 – 加速度传感器


加速度传感器可以获得比较宽的频响特性，下图红色曲线尖头处为它的共振频率，一般有效带宽为共振频率的三分之一，而接近共振频率的部分传感器的灵敏度就会大打折扣了：


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图10 – 频响特性


今天的分享，就到这里。



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