测试技术课件：CH 7 振动的测量

第第7 7章章 振动的测量振动的测量 Vibration Measurement7.0 序序 Introduction7.1 振动基础振动基础 Basic of Vibration7.2 振动测量传感器振动测量传感器 Sensors of Vibration Measurement7.3 传感器的选择传感器的选择 Sensor Selection7.4 振动测量方法振动测量方法 Methods of Vibration Measurement7.5 机器状态监测与分析机器状态监测与分析 Machine Condition Monitoring and Analysis7.6 振动评定标准振动评定标准 Standard of Vibration7.7 位移的测量位移的测量（Dispacement Measurement）振动测量形式：振动测量形式： 测量机器或结构在测量机器或结构在工作状态下的振动工作状态下的振动，如振动位移、，如振动位移、速度、加速度等速度、加速度等掌握被测对象的运行状态掌握被测对象的运行状态状态监测、故障诊断状态监测、故障诊断环境控制、等级评定环境控制、等级评定 对机械设备或结构施加某种激励，测量其对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动受迫振动获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等获得被测对象的动态性能：固有频率、阻尼、响应、模态等 找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力序序7.0 7.0 序序 (Introduction)机械振动是普遍存在的物理现象机械振动是普遍存在的物理现象 如：旋转机器的如：旋转机器的质量不平衡质量不平衡、负载不均匀负载不均匀、结构刚度各结构刚度各向异性向异性、对中不良对中不良、润滑不良润滑不良、支撑松动支撑松动等等 振动振动 机械振动大多数情况下机械振动大多数情况下 有害有害：破坏机器正常工作，降破坏机器正常工作，降低其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡低其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡 机械振动还伴随着产生机械振动还伴随着产生同频率的噪声同频率的噪声，恶化环境和劳动，恶化环境和劳动条件，危害人们的健康条件，危害人们的健康 振动也能被利用来完成振动也能被利用来完成有益有益的工作，如运输、夯实、清的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等洗、粉碎、脱水等序序7.1 7.1 振动的基础知识振动的基础知识 (Basic of Vibration)振动振动 ：在一定条件下，振动体在其平衡位置附近随时间：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。作来回往复变化的运动。 xtATmfkx(t)sin()(tAtx例：简谐运动例：简谐运动质量质量 弹簧系统的运动弹簧系统的运动vibration of mass-spring system振动的基础知识振动的基础知识振动信号三要素：振动信号三要素：1） 幅值幅值 amplitude 振动体离开其平衡位置的最大位移。振动体离开其平衡位置的最大位移。2） 频率频率 frequency 周期的倒数。周期的倒数。频谱分析频谱分析 频率成分及其幅值大小频率成分及其幅值大小 线性系统频率保线性系统频率保持特性寻找振源持特性寻找振源3） 相位相位 phase 确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控确定共振频率、振型、动平衡、有源振动控制等制等振动的基础知识振动的基础知识周期振动及其性质周期振动及其性质 , 2, 1, 0),()(nnTtyty周期振动的定义：周期振动的定义：周期函数可以展开为傅里叶级数：周期函数可以展开为傅里叶级数： yaantbntnnn( )cossint01y tAAtAtAn tnn( )sin()sin()sin()011222第一项为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三第一项为均值或直流分量，第二项为基本振动或基波，第三项以下总称为高次谐波振动。项以下总称为高次谐波振动。振动的基础知识振动的基础知识两个简谐振动的合成两个简谐振动的合成 合成振动为周期性非简谐振动合成振动为周期性非简谐振动振幅变化的频率等于振幅变化的频率等于振幅的数值在振幅的数值在 A1 + A2 到到A1 - A2 间变化间变化 tAtAx2211sinsin)(21振动的基础知识振动的基础知识A1A2A1+A21342A1-A22121,AAA 当当 时，合成振动为拍振时，合成振动为拍振 振幅变化的频率等于振幅变化的频率等于ttAx)2sin()2cos(22121振动的基础知识振动的基础知识A2A221214 简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。其运动规律可用简谐函数表示为动规律可用简谐函数表示为)2sin(tTAy)2(sint fAAtsin()2cos(ddt fAtyvyt fAtva22)2sin(dd位移位移速度速度加速度加速度振动的基础知识振动的基础知识单自由度系统在单自由度系统在基础受力基础受力所产生的受迫振动所产生的受迫振动 0)()()()(ddd)(d1010202tytyktytytcttym21201012012d)(d)(d)(dd)(dttymtkyttycttym)()()(1001tytyty令令振动的基础知识振动的基础知识f (t) mkcy0(t) )()(dd10tytytcy1(t)202ddtymm)()(10tytyk基础振动的幅基础振动的幅- -频曲线频曲线2n22n2n/2/1)/()(A振动的基础知识振动的基础知识00.511.522.530123456nA01. 00.10.20.50.7100.511.522.53020406080100120140160180n/01. 00.10.20.50.710 2nn/1/2arctan基础振动的相基础振动的相- -频曲线频曲线振动的基础知识振动的基础知识比较质量块运动比较质量块运动)()(d)(dd)(d22tftykttycttym振动的基础知识振动的基础知识 mkcf (t)y(t) f (t)ky(t)ttycd)(d22d)(dttym2n22n)2()(1 1)(A质量块运动的幅质量块运动的幅- -频曲线频曲线2n22n2n/2/1)/()(A基础运动的幅基础运动的幅- -频曲线频曲线振动的基础知识振动的基础知识00.511.522.5301234560.10.20.50.71nA00.511.522.530123456nA01. 00.10.20.50.7101. 0广义振动：广义振动：任一物理量任一物理量( (如位移、电流等如位移、电流等) )在某一数值附近反在某一数值附近反复变化。复变化。振动有各种不同的形式：振动有各种不同的形式：机械振动电磁振动机械振动电磁振动 振动的基础知识振动的基础知识7.2.1 振动测量分类振动测量分类 按测量原理分：按测量原理分： 机械方法机械方法 常用于振动频率低、振幅大、精度要求低的常用于振动频率低、振幅大、精度要求低的场合。场合。 光学方法光学方法 主要用于精密测量和振动传感器的标定。主要用于精密测量和振动传感器的标定。 电测法电测法 应用范围广，在工业界被广泛采用。应用范围广，在工业界被广泛采用。 按测振参数分：按测振参数分： 位移传感器位移传感器 displacement sensor 速度传感器速度传感器 velocity sensor 加速度传感器加速度传感器 acceleration sensor7.2 7.2 振动测量传感器振动测量传感器 （Sensor of Vibration Measurement）振动测量传感器振动测量传感器 按变分原理分：按变分原理分： 磁电式磁电式 magnetoelectric 压电式压电式 piezoelectric 电阻应变式电阻应变式 resistance strain gauge 电感式电感式 inductance 电容式电容式 capacitance 光学式光学式 optical 按按传感器与被测物关系分传感器与被测物关系分： 接触式接触式传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。传感器有磁电式、压电式及电阻应变式等。 非接触式非接触式传感器有电涡流式和光学式等。传感器有电涡流式和光学式等。振动测量传感器振动测量传感器 按参考坐标分：按参考坐标分： 相对式相对式传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物传感器：以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对振动。体上的某点对参考点的相对振动。 绝对式绝对式传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基传感器：以大地为参考基准，即以惯性空间为基准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式准，测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。传感器。振动测量传感器振动测量传感器 电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。间隙变化来测量物体的振动和静位移。工作原理工作原理Usr 高频交变电压高频交变电压i 传感器电流传感器电流F F 传感器磁通量传感器磁通量i1 感应电流感应电流F F1 1 感应磁通链感应磁通链- 互感互感耦合系数的大小与二者之间耦合系数的大小与二者之间的距离及导体的材料有关。的距离及导体的材料有关。 7.2.2 涡流式位移传感器涡流式位移传感器 (eddy-current displacement sensor)振动测量传感器振动测量传感器8 mm25 mm11 mm振动测量传感器振动测量传感器涡流传感器及其测量线路涡流传感器及其测量线路 频率为频率为 的振荡器（一般用石英振荡器）检波环节的振荡器（一般用石英振荡器）检波环节输出电压输出电压 正比于间隙正比于间隙d，可以分为两部分，可以分为两部分 dUaoUUUof直流部分直流部分交流部分交流部分调制与解调过程调制与解调过程振动测量传感器振动测量传感器UsrReUscCUU0（静态位移d0）d0CL传感器前置器石英振荡器检波器典型涡流传感器的幅频相应曲线典型涡流传感器的幅频相应曲线振动测量传感器振动测量传感器幅值 /dB相位 /频率 /Hz幅值相位 涡流位移传感器特点：涡流位移传感器特点：结构简单结构简单非接触式测量非接触式测量线性度好线性度好频率响应范围较宽频率响应范围较宽具有较强的抗干扰能力具有较强的抗干扰能力在生产条件下安装方便在生产条件下安装方便 在监视诊断尤其是旋转机械轴振动检测中应用十分普遍在监视诊断尤其是旋转机械轴振动检测中应用十分普遍 振动测量传感器振动测量传感器不同材质对灵敏度的影响不同材质对灵敏度的影响 振动测量传感器振动测量传感器0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 d /mmU /-v2018161412108642铜铝钢涡流传感器检测透平叶片根裂纹示意图涡流传感器检测透平叶片根裂纹示意图振动测量传感器振动测量传感器磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计1、9弹簧片；弹簧片；2磁靴；磁靴；3阻尼环；阻尼环；4外壳；外壳；5铝架；铝架；6磁钢；磁钢；7线圈；线圈；8线圈架；线圈架；10导线；导线；11接线座接线座7.2.3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器 (Magnetoelectric Velocity Sensor)振动测量传感器振动测量传感器当穿过匝数为当穿过匝数为w线圈的磁通线圈的磁通F F 发生变化时，其感应电动势为发生变化时，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 sinwBlve twedd F 式中：式中：B磁场的感应电势强度；磁场的感应电势强度；l单匝线圈有效长度；单匝线圈有效长度； w线圈匝数；线圈匝数；v线圈与磁场的相对运动速度；线圈与磁场的相对运动速度； 线圈运动方向与磁场方向的夹角。线圈运动方向与磁场方向的夹角。 此即一般惯性速度计的原理。此即一般惯性速度计的原理。 振动测量传感器振动测量传感器7.2.4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器(Piezoelectric acceleration sensor)利用某些晶体材料（如压电陶瓷锆钛酸铅等）的利用某些晶体材料（如压电陶瓷锆钛酸铅等）的压电效应压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器作为机电变换器而制成的加速度传感器maF 振动测量传感器振动测量传感器特点特点 频带极宽频带极宽(0.220 KHz) 。 本身质量小本身质量小(250 g)。 动态范围很大。动态范围很大。工作原理工作原理惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电晶体产生相应大小电荷。晶体产生相应大小电荷。振动测量传感器振动测量传感器(a)(b)量程灵敏度分辨率重量/g应用及特点5000g0.5mV/g0.02g4.5适用于爆破、撞击等100000g0.05mV/g0.3g4.4适用于爆破、撞击、爆炸分离等150g10mV/g0.003g10.5可在-196的低温环境下工作5g1000mV/g0.000 04g35高分辨率型500g10mV/g0.001 5g0.5微型，适用于小型结构50g100mV/g0.000 16g2小型、高灵敏度、高分辨率，各种用途500g10mV/g0.005g2高频、小型、石英剪切，各种用途50g100mV/g0.000 5g27三角剪切结构，石英通用加速度传感器2000g2.5mV/g 0.04g17.9冲击传感器、内置滤波器，桩基检测500g10mV/g0.000 5g10环型 50g100mV/g0.000 2g203轴、结构实验5g1000mV/g0.000 06g243轴、高灵敏度10g100mV/g0.000 2g180/片状3轴坐垫传感器，汽车实验500g10mV/g0.001g4/方形3轴、小型，模态、振动、噪声实验5g1103mV/g0.0001g1 000超低频地震传感器，长期稳定性良好0.5g1104mV/g0.000 001g635超低频地震传感器，高灵敏度某系列加速度传感器特性表某系列加速度传感器特性表振动测量传感器振动测量传感器钢杆螺栓绝缘螺栓云母垫圈磁 铁探针薄腊层胶合剂胶合螺栓12453631 kHz28 kHz7 kHz2 kHz传感器固定方式及其共振频率传感器固定方式及其共振频率振动测量传感器振动测量传感器(a)(b)(c)(d)(e)(f)7.3.1 直接测量参数的选择直接测量参数的选择 低频时加速度的幅值测量噪声相当低频时加速度的幅值测量噪声相当 直接用位移拾振器更合理直接用位移拾振器更合理用位移拾振器测高频位移同理用位移拾振器测高频位移同理7.3 7.3 传感器的选择传感器的选择 (Sensor Selection)7.3.2 应使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得应使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得考察考察惯性力惯性力可能导致的破坏或故障时宜做加速度测量。可能导致的破坏或故障时宜做加速度测量。考察考察振动环境振动环境（采用振动烈度）宜做振动速度的测量。（采用振动烈度）宜做振动速度的测量。要监测机器的要监测机器的位置位置变化时，宜选用电涡流或电容传感变化时，宜选用电涡流或电容传感器做位移的测量。器做位移的测量。选择时还需要注意能在实际机器设备选择时还需要注意能在实际机器设备安装安装的可行性。的可行性。传感器的选择传感器的选择7.3.3 传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标 各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围各种拾振传感器都受其结构的限制而有其自身适用的范围 拾振器质量大，其上限频率就低、灵敏度高。拾振器质量大，其上限频率就低、灵敏度高。质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。质量轻的拾振器上限频率高、灵敏度低。以压电加速度计为例以压电加速度计为例: : 超低振级测量的都是质量超过超低振级测量的都是质量超过100g灵敏度灵敏度很高的加很高的加速度计。速度计。 高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克高振级（如冲击）测量的都是小到几克或零点几克的加速度计。的加速度计。 传感器的选择传感器的选择7.3.4 使用环境、价格、寿命、可靠性、维修、校准使用环境、价格、寿命、可靠性、维修、校准激光测振有很高的分辨力和测量精确度。激光测振有很高的分辨力和测量精确度。 对环境对环境（隔振）要求极严、设备又极昂贵。（隔振）要求极严、设备又极昂贵。 只适用于特只适用于特殊环境下测量，如实验室测量、校准等。殊环境下测量，如实验室测量、校准等。电涡流传感器对环境要求低而被广泛应用于工业现场电涡流传感器对环境要求低而被广泛应用于工业现场对机器振动的测量中，且能在高温、油污、蒸汽介质对机器振动的测量中，且能在高温、油污、蒸汽介质环境下长期可靠地工作。环境下长期可靠地工作。 比较比较电容、激光传感器电容、激光传感器对相位有严格要求时，除了应注意对相位有严格要求时，除了应注意拾振器拾振器的相频特性的相频特性外，还要注意外，还要注意放大器放大器的相频特性和测试系统中所有其的相频特性和测试系统中所有其他仪器的相频特性。他仪器的相频特性。传感器的选择传感器的选择7.3.5 传感器对被测构件附加质量的影响传感器对被测构件附加质量的影响 传感器固定在被测物体上，对被测量有影响。修正为传感器固定在被测物体上，对被测量有影响。修正为asssrmmmaa信号采集系统信号分析系统工况状态辩识传感器 B传感器 A切削动态特性检测图切削动态特性检测图传感器的选择传感器的选择7.4.1 相对振动测量方法相对振动测量方法 使用非接触式传感器的相对运动测量系统使用非接触式传感器的相对运动测量系统 7.4 7.4 振动测量方法振动测量方法 （Methods of Vibration Measurement）振动测量方法振动测量方法前置器远距离指示仪表机器结构用于报警停机记录和分析仪表得任选输出非接触式传感器轴前置器7.4.2 绝对振动测量方法绝对振动测量方法 使用非接触式传感器和惯性传感器的绝对运动测量系统使用非接触式传感器和惯性传感器的绝对运动测量系统 振动测量方法振动测量方法前置器远距离指示仪表机器结构非接触式传感器轴用于报警停机记录和分析仪表得任选输出前置器7.4.3 一般测试方法一般测试方法 信号拾取信号拾取 信号调理信号调理 信号记录信号记录 信号分析处理信号分析处理 结果输出结果输出振动测量方法振动测量方法7.5 机器状态监测与分析机器状态监测与分析 （Machine Condition Monitoring and Analysis）目的目的： 保证设备安全、可靠运行保证设备安全、可靠运行 提高设备利用率和经济效益提高设备利用率和经济效益 科学管理与决策，革新设备维修体制科学管理与决策，革新设备维修体制 由由事后维修事后维修、计划维修计划维修向向预知维修（视情维修）预知维修（视情维修）转变转变分析方法分析方法： 时域：波形分析、统计相关等时域：波形分析、统计相关等 频域：频谱分析频域：频谱分析机器状态监测与分析机器状态监测与分析信号采集系统信号分析系统工况状态辩识传感器 B传感器 A选择刀杆垂直方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感器拾选择刀杆垂直方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感器拾取。检测和分析系统如图所示。切削条件是刀具角度为取。检测和分析系统如图所示。切削条件是刀具角度为 ；工件材料为；工件材料为45钢；切削用量为钢；切削用量为 度度度0 ,7 ,12s00min/m125 ,/mm301. 0 ,mm2vrfap7.5.1 制造过程状态监测与分析制造过程状态监测与分析切削过程刀具磨切削过程刀具磨损的状态识别损的状态识别机器状态监测与分析机器状态监测与分析BA频谱分析低通滤波器频谱分析低通滤波器1 000 Hz417.9机器状态监测与分析机器状态监测与分析未切削时的频谱未切削时的频谱开始切削后的频谱开始切削后的频谱切削时间增加，刀具有磨损切削时间增加，刀具有磨损刀具有磨损更多刀具有磨损更多0100200300400500600700800900 1 000051015202530417.9f /HzS ( f )0100200300400500600700800051015202530398.4S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.9328.1S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.978.1S ( f )f /Hz机器状态监测与分析机器状态监测与分析切削时间增加，刀具磨损加剧切削时间增加，刀具磨损加剧切削时间增加，刀具磨损加剧切削时间增加，刀具磨损加剧刀具磨损特征频率与切削时间关系刀具磨损特征频率与切削时间关系刀具磨损量与切削时间关系刀具磨损量与切削时间关系0100200300400500600700800900 1 000051015202530417.958.5S ( f )f /Hz0510152025303540455055050100150200250300350特征频率 f /Hzf /Hzt /min01002003004005006007008009001000051015202530417.939.0S ( f )051015202530354045505500.10.20.30.40.5t /min刀具磨损量 /mm高频频谱分析高频频谱分析-无低通滤波器无低通滤波器418机器状态监测与分析机器状态监测与分析418未切削时的频谱未切削时的频谱开始切削后的频谱开始切削后的频谱切削时间增加，刀具有磨损切削时间增加，刀具有磨损刀具有磨损加剧刀具有磨损加剧05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 00001020304050S ( f )f /Hzf /Hzf /Hzf /Hzf /Hz05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040504188362 680S ( f )05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040504188362 220S ( f )05001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 000010203040501 620S ( f )机器状态监测与分析机器状态监测与分析特征频率、特征频率峰值、自相关函数、样本方差与切削时间的关系特征频率、特征频率峰值、自相关函数、样本方差与切削时间的关系t /min051015202530354045505511.251.51.7522.252.52.753特征频率 f /kHz051015202530354045505500.10.20.30.40.50.60.7t /min一步自相关函数 r1051015202530354045505505101520253035404550S ( f )t /mint /min特征频率谱峰05101520253035404550550123456x1000样本方差 s 金属切削颤振金属切削颤振(chattering)颤振发生前后振动波形图颤振发生前后振动波形图机器状态监测与分析机器状态监测与分析05010015020025030035040045050055060000.511.522.533.544.555.5x10t /min振动幅值 /mm振动幅值 /mm频谱分析频谱分析颤振未发生颤振未发生颤振已发生颤振已发生颤振剧烈颤振剧烈机器状态监测与分析机器状态监测与分析01002003004005006007008009001 000012345 S (f ) 300f /Hzf /Hzf /Hz功率谱01002003004005006007008009001 000012345S(f )180功率谱01002003004005006007008009001000012345180300S(f )功率谱统计分析统计分析机器状态监测与分析机器状态监测与分析0102030405060012345x1000t /mint /min样本方差 s 05101520253035404550556000.250.50.751-0.25-0.5-0.75-1一步自相关函数 r17.5.2 旋转机械的状态监测与故障诊断旋转机械的状态监测与故障诊断振动测试的重要性振动测试的重要性常见故障：常见故障： 质量不平衡质量不平衡 轴弯曲轴弯曲 不对中不对中 摩擦摩擦 油膜涡动油膜涡动 松动松动 裂纹裂纹 点蚀点蚀 断齿断齿裂纹转子裂纹转子机器状态监测与分析机器状态监测与分析思考：思考：轴的自转与公转轴的自转与公转传感器安装方向传感器安装方向轴心轨迹右图轴心轨迹右图轴心位置下页轴心位置下页振动信号的表示及其轴心轨迹振动信号的表示及其轴心轨迹机器状态监测与分析机器状态监测与分析yStKSSSoPytA(p-p)xA11B1maxSB(p-p)传感器B由传感器A测得的波形传感器A由传感器B测锝的波形(p-p)maxSS轴心位置图轴在轴承中悬浮的位置轴心位置图轴在轴承中悬浮的位置机器状态监测与分析机器状态监测与分析左图是一台水泵的谱图，图中左图是一台水泵的谱图，图中2 处有峰值，存在某种程度的处有峰值，存在某种程度的不对中不对中。检。检查发现不对中量达查发现不对中量达0.254 mm。找正后谱图（右图）。找正后谱图（右图）2 处的幅值已明显变小，处的幅值已明显变小，机组运行相当平稳。机组运行相当平稳。说明说明：（：（1）两次测量结果，两次测量结果，1 处的幅值无明显变化，而处的幅值无明显变化，而2 处幅值变化很处幅值变化很大，这正是不对中故障的典型频谱特征。（大，这正是不对中故障的典型频谱特征。（2）在）在2 附近有两个谱峰，一附近有两个谱峰，一个在个在7 100 rmin处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在处，为水泵的二倍轴频谱；另一个在7 200 rmin处，它处，它是电动机定子绕组中电气故障引起的。是电动机定子绕组中电气故障引起的。 1X2X1X2X不对中不对中机器状态监测与分析机器状态监测与分析2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min2 400 4 800 7 200 9 600 12 000r/min四辊轧机垂直振动速度检测与颤振四辊轧机垂直振动速度检测与颤振出现出现120250Hz颤振的振动频谱图颤振的振动频谱图机器状态监测与分析机器状态监测与分析旋转机械振动评定标准旋转机械振动评定标准 目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用传感器的种类分为：使用传感器的种类分为： 1) 轴承振动轴承振动评定，用接触式传感器评定，用接触式传感器(例如磁电式振动速度传例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量放置在轴承座上进行测量 2) 轴振动轴振动评定，用非接触式传感器评定，用非接触式传感器(例如电涡流式传感器例如电涡流式传感器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。 评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度评定参数可用振动位移峰峰值和振动烈度(即均方根值，它即均方根值，它代表了振动能量的大小代表了振动能量的大小)来表示。来表示。7.6 振动评定标准振动评定标准 (Standard of Vibration)振动评定标准振动评定标准转速/(r/min) 标准/mm优良合格15003050 7030002030 水电部汽轮机组振动标准水电部汽轮机组振动标准(双振峰双振峰) 离心鼓风机和压缩机振动标准离心鼓风机和压缩机振动标准/(min)r标准转速 /300065001000010000-16000主轴轴承/mm50403020齿轮轴承/mm 404030振动评定标准振动评定标准振动评定标准振动评定标准在制定上述振动标准时，假设：在制定上述振动标准时，假设：机组振动为机组振动为单一频率单一频率的弦波振动；的弦波振动；轴承振动和转子振动基本上有一轴承振动和转子振动基本上有一固定比值固定比值，因此可利，因此可利用轴承振动代表转子振动；用轴承振动代表转子振动； 轴承座在垂直、水平方向上的轴承座在垂直、水平方向上的刚度刚度基本上基本上相等相等，即认，即认为是各向同性的。为是各向同性的。实际证明上述假设与事实不尽相符实际证明上述假设与事实不尽相符:所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；转子振动和轴承座振动的比值，可以达转子振动和轴承座振动的比值，可以达250倍，它与倍，它与轴承形式、间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且轴承形式、间隙、轴承座刚度、油膜特性等有关，且同类机组亦不尽相同。同类机组亦不尽相同。振动评定标准振动评定标准为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其他的振动为了较全面的反映机组的振动情况，必须制定其他的振动标准标准 振动烈度振动烈度。 )(21d)(12222102rmsnTvvvttvTv)(212222222121nnAAA振动位移峰峰值式中pppprms22AAv：振动烈度与振动位移的关系振动烈度与振动位移的关系振动评定标准振动评定标准GB11347.1-89 区域区域A新投产机组的振动应在此区域内新投产机组的振动应在此区域内区域区域B机组可以长期运行机组可以长期运行区域区域C机组不允许长期运行，利用机会进行处理机组不允许长期运行，利用机会进行处理区域区域D运行有危险，可能引起机组事故运行有危险，可能引起机组事故大型旋转机械振动烈度评定等级 轴承振动烈度 支承分类 1.smmvrms 刚性支承 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 振动评定标准振动评定标准GB /T 11347.1 - 89位移的测量位移的测量 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。 按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。（1）位移测量的分类（2）位移测量时应注意的问题 测量方向与位移方向重合位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该测量方向上的分量，而不能真实反映需测位移的大小。 位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。7.7 7.7 位移的测量位移的测量(Displacement Measurement)7.7.1 常用位移传感器常用位移传感器(displacement sensor)形 式测量范围精确度直线性特 点电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移1300 mm0360 11000 mm060 rad0.1%0.1%0.5%0.5%0.1%0.1%0.5%0.5% 分辨率较好，可用于静态或动态测量。机械结构不牢固 结构牢固，寿命长，但分辨率差，电噪声大应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的0.5%应变0.3%应变0.25%应变0.1%2%3%2%3%1%满刻度20% 不牢固 牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高常用位移传感器常用位移传感器(2/4)形 式测量范围精确度直线性特 点电感式 自感式变气隙型 螺管型 特大型差动变压器涡电流式同步机微动同步器旋转变压器0.2 mm1.52 mm3002000 mm0.08 75 mm2.5 250 mm360 10601%0.5%1%3%0.10.7 1%3%0.15%0.1%0.5%3%0.5%0.05%0.1% 只宜用于微小位移测量 测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差 分辨率好，受到磁场干扰时需屏蔽 分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响 可在1200 r/min 的转速下工作，坚固、对温度和湿度不敏感 非线性误差与变压比和测量范围有关常用位移传感器常用位移传感器(3/4)形 式测量范围精确度直线性特 点电容式 变面积 变间距10-3100 mm10-310 mm0.005%0.1%1% 介电常数受环境温度、湿度变化的影响 分辨率很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保持线性霍尔元件1.5 mm0.5% 结构简单，动态特性好感应同步器 直线式 旋转式10-3100 mm03602.5m/250 mm0.5 模拟和数字混合测量 系统，数字显示 (直线 式感应同步器的分析率 可达1 m)常用位移传感器常用位移传感器(4/4)形 式测量范围精确度直线性特 点计量光栅 长光栅 圆光栅10-31 000 mm03603 m/1 mm1模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨率0.11 m)磁栅 长磁栅 圆磁栅10-310000 mm03605 m/1 mm1测量时工作速度可达12 m/min角度编码器 接触式 光电式0360036010-6 r10-8 r分辨率好，可靠性高7.7.2 7.7.2 位移测量应用实例位移测量应用实例 (Examples of Displacement Measurement)1.轴位移的测量轴位移不仅能表明机器的运行特性和状况。而且能够指示推力轴承的磨损情况以及转动部件和静止部件之间发生碰撞的可能性。在工业现场，常用电涡流位移传感器来测量轴位移。在位移测量中只考虑传感器中的直流电压成分。轴位移分为相对轴位移（即轴向位置）和相对轴膨胀。（1）相对轴位移的测量相对轴位移是指轴向推力轴承和导向盘之间的距离变化。导向盘和轴承之间必须有一定的间隙以便能够形成承载油膜。位移测量应用实例位移测量应用实例(2/21)涡流传感器轴正常运转位置停机位置紧急报警位置相对轴位移测量示意图位移测量应用实例位移测量应用实例(3/21)(2) 相对轴膨胀的测量 是指旋转机器的旋转部件和静止部件因为受热或冷却导致膨胀或收缩量。相对轴膨胀的测量相对轴膨胀的测量在旋转机器的启/停机过程十分重要。因为机组加热和冷却时转子和机壳会发生不同的膨胀。 例如，功率大于1 000 MW的大汽轮机的相对膨胀可能达到50 mm。一般采用涡流传感器在轴肩处测量轴肩测量不超过12.5 mm的相对轴膨胀位移测量应用实例位移测量应用实例(4/21)可以测量大约25 mm的相对轴膨胀在轴肩两侧相对地安装涡流传感器位移测量应用实例位移测量应用实例(5/21)转轴锥面两个涡流传感器构成差分电路进行补偿测量50 mm或更大相对轴膨胀当锥面移动时，轴向位移与径向位移的转换位移测量应用实例位移测量应用实例(6/21)双锥面用一传感器测量相对轴膨胀用另一传感器补偿轴的径向浮动位移测量应用实例位移测量应用实例(7/21)空间有限，轴肩太低或太小，或者相对轴膨胀太大摆，有磁性，使得摆能跟随轴肩运动通过非接触传感器测量摆固定点附近的运动而测量相对轴膨胀位移测量应用实例位移测量应用实例(8/21)2. 回转轴径向运动误差的测量回转轴运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现的附加运动。运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动（端面运动误差）和在垂直于轴线的平面内的移动（径向运动误差）。端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。 因此，在讨论运动误差时，应指明测量点的位置。常用径向误差测量。位移测量应用实例位移测量应用实例(9/21)回转径向运动误差测量示意图RmROrOmO0r()edydxSx()Sy()yx圆球理想圆球位移测量应用实例位移测量应用实例(10/21)3. 厚度测量厚度测量分为非接触式测厚和接触式测厚。（1）非接触式测厚 X射线测厚仪检测器被测带材放射源状态控制闸门测量线路指示器位移测量应用实例位移测量应用实例(11/21)对于窄束入射线，在其穿透被测材料后，射线强度 I 的衰减规律为I = I0e-mh式中，I0 入射射线强度； m 吸收系数； h 被测材料的厚度。 当 m 和 I0 一定时， I 仅仅是板厚 h 的函数。所以，测出 I 就可以知道厚度 h。位移测量应用实例位移测量应用实例(12/21)（2）接触式测厚上传感器导辊被测带材下传感器C形架导辊以保证在测量时带钢与传感器垂直4. 物位的测量物位是液位、料位以及界面位置的总称。测量物位有时是为了测知容器中物体的多少、大小（静态测量）；有时是为了对容器中的物体进行监控，调节物料的进出速度，或在物位接近极限位置时能提前报警（动态连续测量）常用测量方法：（4）放射性同位素测量法（1）电感测量法（2）电容测量法（3）超声测量法位移测量应用实例位移测量应用实例(13/21)（1）电感测量法位移测量应用实例位移测量应用实例(14/21)缺点：机械和机电式测量仪几乎无法测粘液粒状、粉末状材料的物面。铁心浮子刚性杆原理：利用电感探头（线圈、铁心等）通过刚性杆感受浮子的运动，从而实现液位数字显示的（2）电容测量法1 部分或整体绝缘的棍电极；2 具有内外电极的管式电极；3、4 拉紧或放松的绳电极；5 反电极。容器壁由金属材料制成时，只需装入电极 1或 3或 4容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。容器壁由非金属材料制成时用管式电极 2，或对电极 1、3、4另附一个反电极 5，也可用金属带 6与1、3、4组合。5、6均需接地。 用于连续测量的探头位移测量应用实例位移测量应用实例(15/21)200 mm15342测量电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其他材料。物位变化时，电容器的电容变化值与被测材料的高度成线性关系hxCCr) 1(0式中：h 电容器的总高度； C0 初始电容值。 用于极限位置监控的探头1 部分或全部绝缘的棍电极或绳电极；3 侧面安装的棍电极；4 平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器物体的测量，如搅拌器。如果容器为非导电材料制成，同样需另外附加一个反向电极。位移测量应用实例位移测量应用实例(16/21)127034（3）超声测量法通过被测物体使声波短路或断路,或使振荡器频率改变停振而定点发信号的物位计，多用于极限位置监控。位移测量应用实例位移测量应用实例(17/21)发射器接收器（a）换能器（b）连续发出声波信号，其在界面处发生反射再由接收器接收，测出信号从发出到返回的时间，从而得物位高度，它多用于物位的连续测量。位移测量应用实例位移测量应用实例(18/21)（c）换能器（d）（4）放射性同位素测量法在那些由于极端条件（如高压、高温、高真空度、高腐蚀性等）而不能使用常规方法测量的场合，以及因结构等因素不允许装探头或装探头成本较高的容器、地窖、地下库可采用同位素法测量物位。放射性同位素测量物位的原理是基于射线经过被测物体时，会被材料吸收而使射线探测器接收到的射线强度发生变化。辐射器的配置方式：1）测量结构示意图2）输入量与输出量之间的特性曲线一个辐射器发出两束射线的配置方式。对准两束射线的计数器互相并联。液位经过极限位置时，输出信号就会发生突变，以此来启动继电器，而在液位 hmin 至hmax 之间输出几乎为常数。位移测量应用实例位移测量应用实例(19/21)输入量与输出量之间的特性曲线位移测量应用实例位移测量应用实例(20/21)h辐射源nhhminhmax0将接收计数器排成一排串联起来，适用于大量程的测量，高度测量范围可达 1.2 m。采用若干个辐射源整齐排列进行近似连续测量，液位高度与输出特性曲线有台阶。该方法可使被测高度三倍于容器直径。位移测量应用实例位移测量应用实例(21/21)h0nh0nhminhmaxh辐射源h