振动信号测试.ppt

机械动态监测动态监测 与故障诊诊断 第三章 振动动信号测试测试幻灯片下载载地址：cqudtjc@ 密码码：123456 第三章 振动信号测试3.1 振动动信号测试号测试 系统统的基本构构成 1、构构成2、信息流信 号 调 理Ａ ／ Ｄ 转 换计 算 机软 件 包传 感 器风 机物理量电量电量数字量传感器调理A/D报警控制结果计算机 分析灵敏度LX(t)A1(t)A2(t)Xi 放大A16位量 程±5V第三章 振动信号测试• 计算机化的监测系统框图•最简单 的计算机化监测 系统•单一计算机完成数据采集、管理、数据分析、人机对话 等功能存贮器打印机屏 幕软件适调放大切换装置A/D变换器 来自传感器监测仪 表计算机汽轮发电 机组的监测 系统框图下位机分析处理联网显示存贮人机对话通讯适调放 大适调放大限幅整形光电隔离光电隔离光电隔离同步采样采样上位机振动信 号（快 变）温度、压力信号 （慢变）键相信 号第三章 振动信号测试•3.2振动动信号测试传号测试传 感器 • 测振传感器的作用是把被测对 象的机械振动量（位移、速度 、加速度）在要求的范围内 正确的接受下来，并将这 些机械 量转换 成电量输出。

• 根据测测量参数参数 的不同可将测将测 振传传感器分为为： • 振动动位移传传感器 • 振动动速度传传感器 • 振动动加速度传传感器第三章 振动信号测试•3.2.1位移传传感器 • 位移传传感器的输输出电电量与与振动动成正比，分为为： • 接触触式测测量 ：有变变阻式和应变应变 式 • 非接触触式测测量：电电容式和电涡电涡 流式 • 本章重点介绍绍最常用的电涡电涡 流式位移传传感器其原理如下： • 电涡电涡 流式位移传传感器是一种绕种绕 在磁芯线线圈，它与谐它与谐 振电电容并并 联联，构构成并联谐并联谐 振回路振荡荡器提供高频电频电 流激励励，在传传感器 周围产围产 生高频频交变变磁场场，但磁场场范围围出现导现导 体时时，根据电电磁感 应应定律，在磁场场作用下导导体表面将产将产 生感应电应电 流——涡涡流涡涡 流是以线线圈为为中心的同心圆环圆环 ，这这些涡涡流总总是阻止原线线圈磁场场 的变变化，这样传这样传 感器的高频频能量被吸收，表现为传现为传 感器线线圈内内 的电电感量的变变化因此，只要测测出电电感量的变变化，就可以间间接 知道间间隙的变变化，即振动动的位移量第三章 振动信号测试第三章 振动信号测试传感器的输入输出特性曲线位移的测量应当利用此图的直线部分（斜率为传 感器灵敏度），初 始间隙应调 整在曲线线 性范围中点对应 的间隙上。

第三章 振动信号测试•电涡 流传感器的特点：测量线性范围大、抗干扰能力强、 动态 范围宽 、对传 感器安装位置要求不高适应性强，可 在油、水、高气压 、强干扰等环境中工作；可配接多种测 量、监控仪表，可与A/D接口；可连续长 期工作十年以上 电涡流传感器与前置放大器第三章 振动信号测试第三章 振动信号测试•3.2.2速度传传感器 • 速度传感器输出的电量与振动速度成正比速度传感器又称 为磁电式变换 器磁电式速度传感器是基于电磁感应原理， 即当运动 的导体在固定的磁场里切割磁力线时 ，导体两端就 会感应出电动势 速度传感器原理第三章 振动信号测试• 产生的感应电动势 ，其大小正比于导体运动 速度： • e1 = -Blv×10-3V • B——磁通密度（GS） ； • l——磁场内导 体的有效长度（cm） ； • v——线圈与磁力线的相对切割速度（cm/s） • 在传感器内，由于磁通密度 B 与导 体有效长度 l 的乘积为 常 数，所以传感器输出电压仅与 速度（振动速度）成正比第三章 振动信号测试•选择选择 速度传传感器时时注意的问题问题 ： • 1、最低工作频频率 • 凡被测设备测设备 的频谱图频谱图 中低于最低工作频频率的信号号是失真真的， 可信度低 • 2、灵灵敏度 • 用于将测将测 得的电压值换电压值换 算成速度值值，也是估计传计传 感器最大 输输出电压电压 的重要参数参数 。

不同厂厂家的灵灵敏度是不同的第三章 振动信号测试•3.2.3加速度传传感器 •加速度传感器输出电量与振动加速度成正比这种类 型的传感器只有 接触式的，分为压电 式和应变式，其中最常用的是压电式加速度传感 器 •某些具有压电效应的晶体，如石英、人工极化陶瓷等，在承受一定压 力而变形时内部会产生极化现象，在其表面产生电荷这种将 机械能 转化为电能的现象称为压电压电 效应应加速度传传感器结结构图图及实实物第三章 振动信号测试• 压电 加速度传感器由：刚性 很大的弹簧K、质量M与压电 晶体等组成 • 当传 感器固定在被测物体上 时，M加于压电 晶体的惯性 力也随之而变，由于K刚度很 大，力的变化完全与被测物 体的振动加速度a成正比由 于压电 效应，压电 晶体上就 会产 生一个与 a成正比的电 荷Qa或电压 Va，即 • Qa=SQa • Va=SVa • SQ——电荷灵敏度 • SV——电压灵 敏度 压电式加速度传感器结构原理图原理第三章 振动信号测试•电荷是非常微弱的值，不能传输较长 的距离，通常厂家提供的专用低 噪声电缆只有3~5m，最长不过10m因此需要配置电荷(电压)放大 器。

•电荷放大器电路复杂，价格较高 •ICP型加速度传感器：采用了内置IC电路的方案由内置IC电路完成 阻抗变换的功能，并需要一个20mA的恒流源供电ICP型加速度传传感器测测量电电路1—压电加速度传感器 2—微型IC放大器第三章 振动信号测试•3.2.4测测振传传感器的性能指标标（以压电压电 式传传感器为为例） •1、灵灵敏度 • 电压灵 敏度：加速度计输 出电压 (mV)与所承受的加速度之比 • 电荷灵敏度：输出电荷与所承受加速度之比 •这两种灵 敏度是针对不同前置放大器而言的，若前置放大器为电荷放大 器时采用电荷灵敏度，若前置放大器为电压 放大器时，采用电压灵 敏度 •加速度单位：m/s2，但也常用重力加速度g(1g=9.807m/s2) •2、固有频频率•压电式加速度传感器的适用频率范围比fa低很多第三章 振动信号测试• 3、频率特性 • 给传 感器以一定的振动信号，仅变 化其频率，大致在 0.1Hz~10kHz的范围变 化比较平缓如果>10kHz,振动值 虽然一定，但输出电压 逐渐增加，达到其固有频率时最大压电压电式传传感器的频频率特性第三章 振动信号测试•3.3信号调号调 理和预处预处 理 •3.3.1信号号放大 • 前置放大器分两种 ：电压 放大器、电荷放大器，基本功能是 对信号进 行放大和把加速度传感器的高输出阻抗变为 低输出 阻抗，以满足其他仪器的需要。

还具有以下调节 信号的功能 ： • 1、在与不同灵敏度的加速度传感器配用时，通过调节 可使 传感器灵敏度归一化，即对相同的振动加速度来说 ，输出的 电量也相同 • 2、带有积分器，可把加速度信号转换 成速度或位移信号 • 3、带有可调滤 波器 • 4、其他功能，如过载 指示、电源状态 指示器等第三章 振动信号测试•1、电压 放大器 •目的：将加速度传感器输出的电压 量进行放大其原理图下图 所示压电传压电传感器、电缆电缆、放大器组组成的等效电电路第三章 振动信号测试•2、电荷放大器 •是一种输出电压与输 入电量成正比的前置放大器，实际上是一个具 有电容反馈的输入阻抗极高的高增益放大器 •由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如下图所示第三章 振动信号测试•3、微积积分放大器• 使用微积分放大器，可将各种传 感器的输出信号转换 成位移 、速度加速度等振动参数 微积积分放大器组组成电电路第三章 振动信号测试• 3.3.2 信号预处预处理 – 目的：提高信号中所包含信息的可靠性和数据分析的精度，使 故障诊断的灵敏度及可靠性提高 – 核心：采用各种滤波技术提高信号的信噪比 – 一般取得的信号中总混有噪声，因此要用滤波方法去除或减少 噪声以提高信噪比。

– 信噪比：信号功率与噪声功率之比，一般用分贝（dB）表示 ：SNR = 10log( Ps/Pn) SNR—信噪比（Signal Noise Ratio） Ps，Pn—分别为有用信号功率与噪声功率 第三章 振动信号测试• 滤波的实质 ：去除或抑制某些频率范围内 信号成分 • 信号中有用成分 s(t) 与噪声 n(t) 的关系大体上有以下几 种关 系： • (1)相加关系 x(t) = s(t) + n(t) • (2)相乘关系 x(t) = s(t) n(t) • (3)卷积关 系 x(t) = s(t) * n(t) • 对第一种情况，可用线性滤波的方法解决但第二、 三种情况，由于信号和噪声的叠加方式是非线性的， 所以要使用非线性滤波，及同态滤 波方法第三章 振动信号测试•1、线性滤波方法 •滤波器以最小的衰减传输 有用频段内的信号（称为 通频 带），而对其他频段内的信号（阻频带 ）则给 予最大的衰 减位于通频带与 阻频带 界线上的频率称为 截止频率 •根据通频带 ，滤波器可分为： • 低通滤滤波器 能传输传输 0~f0 频带内频带内 的信号号 • 高通滤滤波器 能传输传输 f0~∞频带内频带内 的信号号 • 带带通滤滤波器 能传输传输 f1~f2 频带内频带内 的信号号 • 带带阻滤滤波器 不能传输传输 f1~f2 频带内频带内 的信号号 •滤波器工作特性的好坏，主要表现为 衰减、相移、特性阻 抗及频率特性的优劣。

第三章 振动信号测试• 对式x(t) = s(t) + n(t)作傅里叶变换 得到功率谱：Sx(w) = Ss(w) + Sn(w)• Sx(w)—原始信号的功率谱 • Ss(w)—有用信号的功率谱 • Sn(w)—噪声功率谱• 如果Ss(w) 和 Sn(w)的分布范围或分布特性不同， 就有可能用这种 基本的滤波方法将噪声分离或抑 制，否则是不可能的第三章 振动信号测试•(1) Ss(w) 和 Sn(w)不重叠：很容易用前述的一种滤 波器将 它们 分离 •(2) Ss(w) 和 Sn(w)部分重叠：用合适的滤波器将非重叠部 分的噪声去除，也能改善信噪比`第三章 振动信号测试•2、同态滤 波方法（简单 介绍） •特点：先将相乘或卷积混杂在一起的信号，用某种变换将它们变 成相加，然后用线性方法去掉不需要的成分，最后用前述变换 的逆 变换 把滤波后的信号恢复出来 •（1）解乘积积的同态滤态滤 波法•（2）解卷积积的同态滤态滤 波法第三章 振动信号测试•3.4模拟拟信号号的离散化 •3.4.1采样与样与 量化误误差 •1、采样过样过 程：把模拟信号转 化为数 字信号的过程，称为 模/数 (A/D)转换过 程。

该过 程包括了采样、量化、编码 等第三章 振动信号测试•采样样：也称为 抽样，利用采样脉冲序列p(t)从模拟信号x(t)中抽取 一系列离散样值 ，使之成为采样信号x(nΔt) •Δt称为 采样间样间 隔，1/ Δt= fs 称为 采样频样频 率 •采样，实质 上是将模拟信号x(t)按一定的时间间 隔Δt逐点取其瞬 时值 可以描述为采用脉冲序列p(t)与模拟信号x(t)相乘的结果第三章 振动信号测试•2、量化及误误差 •量化又称幅值量化，把采样信号x(nΔt)经过 四舍五入的方 法变为 只有有限个有效数字的数的过程称为 量化 •若信号x(t)可能出现的最大值为 A，令其分为D个区间 ，则 每个间 隔长度为R=A/DR称为 量化步长或量化增量但 采样信号x(nΔt)落在某一小间隔内，经过 舍入方法而变为 有限值时 ，则产 生量化误误差第三章 振动信号测试•3.4.2采样间样间 隔和频频率混淆 •采样样定理 •Shannon采样定理给出了。