沖擊脈沖和振動(dòng)的區(qū)別(2013年10月)

1、 Copyright BMA Advanced Instrument L振動(dòng)和沖擊脈沖的區(qū)別振動(dòng)和沖擊脈沖的區(qū)別一、振動(dòng)和脈沖的概念：一、振動(dòng)和脈沖的概念：1、振動(dòng)的概念、振動(dòng)的概念機(jī)械或結(jié)構(gòu)在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械或結(jié)構(gòu)在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng); 廣義廣義地說，任何物理量交替增減變化的現(xiàn)象都叫做振地說，任何物理量交替增減變化的現(xiàn)象都叫做振動(dòng)。動(dòng)。2、脈沖的概念、脈沖的概念 脈搏的跳動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波。脈沖的定義其實(shí)是脈搏的跳動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波。脈沖的定義其實(shí)是這樣的這樣的: 電壓或電流的波形象心電圖上的脈搏跳電壓或電流的波形象心電圖上的脈搏跳動(dòng)的波形。動(dòng)的波形。 二、振動(dòng)和脈沖的區(qū)別二、振動(dòng)和脈

2、沖的區(qū)別1、振動(dòng)和脈沖產(chǎn)生的原因不同？、振動(dòng)和脈沖產(chǎn)生的原因不同？1）沖擊脈沖信號(hào)的產(chǎn)生）沖擊脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 沖擊脈沖是在剛性材料中傳播的一種彈性波，是剛性沖擊脈沖是在剛性材料中傳播的一種彈性波，是剛性物體之間（如鋼）相互碰撞的結(jié)果。由于碰撞的原因，沖物體之間（如鋼）相互碰撞的結(jié)果。由于碰撞的原因，沖擊點(diǎn)處的材料分子受到加速度作用，并通過靠近沖擊點(diǎn)的擊點(diǎn)處的材料分子受到加速度作用，并通過靠近沖擊點(diǎn)的材料分子傳遞至周圍的分子中，直到形成一個(gè)特性波（我材料分子傳遞至周圍的分子中，直到形成一個(gè)特性波（我們稱為前導(dǎo)波）。們稱為前導(dǎo)波）。 若碰撞點(diǎn)上的材料足夠堅(jiān)硬且碰撞發(fā)生在極短的時(shí)間段內(nèi)若碰撞點(diǎn)上的材

3、料足夠堅(jiān)硬且碰撞發(fā)生在極短的時(shí)間段內(nèi)，則會(huì)生成非常強(qiáng)烈的前導(dǎo)波，且該波在材料中以聲速傳，則會(huì)生成非常強(qiáng)烈的前導(dǎo)波，且該波在材料中以聲速傳播。如圖播。如圖1所示。前導(dǎo)波在鋼中的傳播速度通常為所示。前導(dǎo)波在鋼中的傳播速度通常為5000m/s，持續(xù)的時(shí)間一般為幾微秒到幾十微秒。，持續(xù)的時(shí)間一般為幾微秒到幾十微秒。 圖圖1：彈性波前的產(chǎn)生為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)碰撞的結(jié)果：彈性波前的產(chǎn)生為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)碰撞的結(jié)果 前導(dǎo)波2）、）、 振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生 振動(dòng)是物體受到外力的作用，在外力作用下做功，并將能振動(dòng)是物體受到外力的作用，在外力作用下做功，并將能量進(jìn)行傳遞一種形式，它是一種受到外力作用后的一種效量進(jìn)行傳遞一種形

4、式，它是一種受到外力作用后的一種效果體現(xiàn)。假如不考慮阻尼的作用，物體必將持續(xù)運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)果體現(xiàn)。假如不考慮阻尼的作用，物體必將持續(xù)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)實(shí)生活中，阻尼必然存在，所以，物體的振動(dòng)必將受到持實(shí)生活中，阻尼必然存在，所以，物體的振動(dòng)必將受到持續(xù)外力的激勵(lì)才能持續(xù)的振動(dòng)。阻尼的大小決定振動(dòng)的類續(xù)外力的激勵(lì)才能持續(xù)的振動(dòng)。阻尼的大小決定振動(dòng)的類型和大小。型和大小。3）、振動(dòng)和脈沖產(chǎn)生的先后順序和關(guān)系）、振動(dòng)和脈沖產(chǎn)生的先后順序和關(guān)系小鋼球撞擊鐵棒的試驗(yàn)小鋼球撞擊鐵棒的試驗(yàn)撞擊首先產(chǎn)生脈沖信號(hào)撞擊首先產(chǎn)生脈沖信號(hào)-紅色部分紅色部分鐵棒接收到?jīng)_鐵棒接收到?jīng)_擊后轉(zhuǎn)換成運(yùn)擊后轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)形式動(dòng)形式-振動(dòng)振動(dòng)由于持續(xù)

5、的激勵(lì)，振動(dòng)由于持續(xù)的激勵(lì)，振動(dòng)和脈沖信號(hào)疊加在一起和脈沖信號(hào)疊加在一起 沖擊脈沖只傳播于堅(jiān)硬材料（如鋼）中，具有非常急劇的沖擊脈沖只傳播于堅(jiān)硬材料（如鋼）中，具有非常急劇的上升和下降時(shí)間的彈性波，在整體材料中的傳播速度為音上升和下降時(shí)間的彈性波，在整體材料中的傳播速度為音速（一般為速（一般為5000m/s）。沖擊脈沖生成于相碰撞的兩個(gè)物）。沖擊脈沖生成于相碰撞的兩個(gè)物體的接觸點(diǎn)，如滾動(dòng)體撞擊滾道上剝落處的尖銳邊緣，體的接觸點(diǎn)，如滾動(dòng)體撞擊滾道上剝落處的尖銳邊緣，持持續(xù)的時(shí)間一般為幾微秒到幾十微秒續(xù)的時(shí)間一般為幾微秒到幾十微秒。沖擊脈沖的頻率組成。沖擊脈沖的頻率組成范圍非常寬，包含很多高頻能量

6、；范圍非常寬，包含很多高頻能量； 由于上面的原因，我們通過振動(dòng)來分析沖擊信號(hào)，根本沒由于上面的原因，我們通過振動(dòng)來分析沖擊信號(hào)，根本沒有可能，分析的信號(hào)僅僅是振動(dòng)的信號(hào)，因?yàn)檎駝?dòng)傳感器有可能，分析的信號(hào)僅僅是振動(dòng)的信號(hào)，因?yàn)檎駝?dòng)傳感器的響應(yīng)范圍一般在的響應(yīng)范圍一般在10KHz左右，高頻信號(hào)丟失；左右，高頻信號(hào)丟失； 如設(shè)備不平衡所產(chǎn)生的機(jī)械波，并不屬于沖擊脈沖，不含如設(shè)備不平衡所產(chǎn)生的機(jī)械波，并不屬于沖擊脈沖，不含有高頻能量，是典型的振動(dòng)波；有高頻能量，是典型的振動(dòng)波； 沖擊脈沖的幅值與沖擊瞬間的相對(duì)速度成正比。沖擊脈沖的幅值與沖擊瞬間的相對(duì)速度成正比。 三、脈沖信號(hào)的捕捉方式三、脈沖信號(hào)的捕

7、捉方式問題一：問題一： 前面我們說到，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，持續(xù)的時(shí)前面我們說到，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，持續(xù)的時(shí)間一般為間一般為幾微秒到幾十微秒幾微秒到幾十微秒，這么短的時(shí)間必然帶來一個(gè)問，這么短的時(shí)間必然帶來一個(gè)問題題-如何保證前后沖擊信號(hào)這間不互相疊加和干擾？如何保證前后沖擊信號(hào)這間不互相疊加和干擾？為了解釋這個(gè)問題，我們來做一個(gè)試驗(yàn)：為了解釋這個(gè)問題，我們來做一個(gè)試驗(yàn)：我們用一支鋼筆敲擊杯子,會(huì)產(chǎn)生嗡嗡的聲音;連續(xù)敲擊就產(chǎn)生疊加的聲音信號(hào)如果我們敲擊1次,馬上用手抓住杯子,聲音就馬上消失 通過這個(gè)試驗(yàn)通過這個(gè)試驗(yàn),我們知道避免前后沖擊信號(hào)的干擾我們知道避免前后沖擊信號(hào)的干擾,必須在必須在

8、硬件上做處理硬件上做處理.這也是為什么脈沖和振動(dòng)傳感器不能互換這也是為什么脈沖和振動(dòng)傳感器不能互換的原因之一。的原因之一。振動(dòng)傳感器既用來采集振動(dòng)信號(hào)又采集脈沖振動(dòng)傳感器既用來采集振動(dòng)信號(hào)又采集脈沖信號(hào)是不可能的。信號(hào)是不可能的。問題二問題二 脈沖是一個(gè)高頻的信號(hào)，高頻信號(hào)一般能量很低，如何捕脈沖是一個(gè)高頻的信號(hào)，高頻信號(hào)一般能量很低，如何捕捉到這樣的信號(hào)？捉到這樣的信號(hào)？ 脈沖傳感器工作頻率設(shè)定在脈沖傳感器工作頻率設(shè)定在32KHz共振峰處，不同于振動(dòng)共振峰處，不同于振動(dòng)傳感器設(shè)在振動(dòng)傳感器靈敏度曲線直線段部分，一般頻率傳感器設(shè)在振動(dòng)傳感器靈敏度曲線直線段部分，一般頻率范圍在范圍在1-10KH

9、z。 沖擊脈沖利用共振效應(yīng)來取信號(hào)，這樣可以將信號(hào)放大沖擊脈沖利用共振效應(yīng)來取信號(hào)，這樣可以將信號(hào)放大5-7倍，確?？梢宰サ娇煽啃盘?hào)。倍，確?？梢宰サ娇煽啃盘?hào)。 前提是共振，前提是共振，如何保證脈沖傳感器能在如何保證脈沖傳感器能在32KHz發(fā)生共振至發(fā)生共振至關(guān)重要。關(guān)重要。時(shí)域中上升和下降持續(xù)時(shí)間短的強(qiáng)烈脈沖頻域中包含很寬高能量的頻率成分能量頻率時(shí)間幅值傅里葉變換前面我們講過，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，在時(shí)域中相當(dāng)于一根線。如上左圖前面我們講過，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，在時(shí)域中相當(dāng)于一根線。如上左圖所示。所示。對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)數(shù)學(xué)上的斯托克斯定律，就能看到如上對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行傅里葉

10、變換，根據(jù)數(shù)學(xué)上的斯托克斯定律，就能看到如上右圖所示的頻譜，在這個(gè)頻譜圖中包含幾乎所有的頻率成分，當(dāng)然也包含右圖所示的頻譜，在這個(gè)頻譜圖中包含幾乎所有的頻率成分，當(dāng)然也包含32KHz頻率成分，必然激起沖擊脈沖傳感器發(fā)生共振。頻率成分，必然激起沖擊脈沖傳感器發(fā)生共振。時(shí)域中上升和下降持續(xù)時(shí)間較長的輕微脈沖時(shí)域中上升和下降持續(xù)時(shí)間較長的輕微脈沖頻域中包含較少高頻能量的頻率成分頻域中包含較少高頻能量的頻率成分幅值 能量 時(shí)間 頻率 傅里葉變換輕微脈沖，進(jìn)行傅里葉變換后，頻域中不含高頻率能量成分，也就不可能輕微脈沖，進(jìn)行傅里葉變換后，頻域中不含高頻率能量成分，也就不可能激起傳感器共振，也就抓不到放大的

11、信號(hào)。激起傳感器共振，也就抓不到放大的信號(hào)。問題三問題三 反過來，脈沖傳感器可以用來做振動(dòng)分析嗎？反過來，脈沖傳感器可以用來做振動(dòng)分析嗎？ 答案是否定的，為了說明這個(gè)問題，我們看一下脈沖信號(hào)答案是否定的，為了說明這個(gè)問題，我們看一下脈沖信號(hào)的處理過程：的處理過程：信號(hào)進(jìn)行1次帶通濾波，過濾掉低頻的信號(hào)0半波整流0包絡(luò)處理0共振捕捉的信號(hào)由于信號(hào)中的低頻率信號(hào)被過濾，所以如設(shè)備不平衡、不對(duì)中信號(hào)、松動(dòng)等由于信號(hào)中的低頻率信號(hào)被過濾，所以如設(shè)備不平衡、不對(duì)中信號(hào)、松動(dòng)等信號(hào)被徹底拿掉了，所以脈沖信號(hào)不能分析普通振動(dòng)的問題。信號(hào)被徹底拿掉了，所以脈沖信號(hào)不能分析普通振動(dòng)的問題。問題四問題四 沖擊脈沖

12、信號(hào)能做什么分析？沖擊脈沖信號(hào)能做什么分析？ 我們通過對(duì)軸承滾動(dòng)體和滾道間相互作用的研究，我我們通過對(duì)軸承滾動(dòng)體和滾道間相互作用的研究，我們發(fā)現(xiàn)即使在狀況非常良好的軸承中，每秒內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生上們發(fā)現(xiàn)即使在狀況非常良好的軸承中，每秒內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生上百次的沖擊脈沖，這些沖擊脈沖正是源自所有滾動(dòng)軸承中百次的沖擊脈沖，這些沖擊脈沖正是源自所有滾動(dòng)軸承中極小的微米級(jí)的碰撞。極小的微米級(jí)的碰撞。 在健康、潤滑良好的軸承中，只有粗糙表面中最高的凸在健康、潤滑良好的軸承中，只有粗糙表面中最高的凸起會(huì)產(chǎn)生接觸（貫穿油膜），所以會(huì)產(chǎn)生相對(duì)來說比較低起會(huì)產(chǎn)生接觸（貫穿油膜），所以會(huì)產(chǎn)生相對(duì)來說比較低幅的沖擊脈沖；而在潤滑較

13、差的軸承中，重復(fù)率和幅值都幅的沖擊脈沖；而在潤滑較差的軸承中，重復(fù)率和幅值都會(huì)增高。我們還發(fā)現(xiàn)滾道或滾動(dòng)體有損壞的軸承會(huì)產(chǎn)生很會(huì)增高。我們還發(fā)現(xiàn)滾道或滾動(dòng)體有損壞的軸承會(huì)產(chǎn)生很高幅值的沖擊脈沖，其重復(fù)率取決于軸承的幾何參數(shù)和軸高幅值的沖擊脈沖，其重復(fù)率取決于軸承的幾何參數(shù)和軸的轉(zhuǎn)速。沖撞所產(chǎn)生的沖擊脈沖的力量和碰撞物體間的相的轉(zhuǎn)速。沖撞所產(chǎn)生的沖擊脈沖的力量和碰撞物體間的相對(duì)速度有關(guān)。以滾動(dòng)軸承為例，生成的沖擊脈沖的幅值和對(duì)速度有關(guān)。以滾動(dòng)軸承為例，生成的沖擊脈沖的幅值和滾動(dòng)體的速度成正比。滾動(dòng)體的速度成正比。 通過通過40多年大量的實(shí)踐證明，沖擊脈沖來診斷滾動(dòng)軸承故障具有振動(dòng)多年大量的實(shí)踐證

14、明，沖擊脈沖來診斷滾動(dòng)軸承故障具有振動(dòng)無法比擬的優(yōu)勢。無法比擬的優(yōu)勢。（1）比振動(dòng)提前預(yù)知滾動(dòng)軸承的故障，因?yàn)闆_擊脈沖共振放大的作用；）比振動(dòng)提前預(yù)知滾動(dòng)軸承的故障，因?yàn)闆_擊脈沖共振放大的作用；（2）能診斷滾動(dòng)軸承的故障，而且可以診斷潤滑的狀況；見動(dòng)畫。）能診斷滾動(dòng)軸承的故障，而且可以診斷潤滑的狀況；見動(dòng)畫。（3）診斷齒輪箱滾動(dòng)軸承故障更清晰。因?yàn)辇X輪箱上齒輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)）診斷齒輪箱滾動(dòng)軸承故障更清晰。因?yàn)辇X輪箱上齒輪的嚙合振動(dòng)信號(hào)很強(qiáng)，常常把滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)淹沒掉。沖擊脈沖把齒輪的嚙合信號(hào)過很強(qiáng)，常常把滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)淹沒掉。沖擊脈沖把齒輪的嚙合信號(hào)過濾掉，只保留滾動(dòng)軸承的信號(hào)，分析起

15、來更容易。濾掉，只保留滾動(dòng)軸承的信號(hào)，分析起來更容易。問題五問題五 為什么設(shè)定沖擊脈沖傳感器共振頻率為為什么設(shè)定沖擊脈沖傳感器共振頻率為32KHz？ 沖擊脈沖傳感器包含黃銅棒和帶通濾波器的設(shè)計(jì)，確保每沖擊脈沖傳感器包含黃銅棒和帶通濾波器的設(shè)計(jì)，確保每個(gè)傳感器都在個(gè)傳感器都在32KHz發(fā)生共振。由于沖擊脈沖包含很寬范發(fā)生共振。由于沖擊脈沖包含很寬范圍的頻率信號(hào)，其中必然含有觸發(fā)傳感器振動(dòng)的圍的頻率信號(hào)，其中必然含有觸發(fā)傳感器振動(dòng)的32KHz頻頻率成分，這樣沖擊脈沖傳感器在接觸沖擊脈沖時(shí)由于共振率成分，這樣沖擊脈沖傳感器在接觸沖擊脈沖時(shí)由于共振放大的作用，使得傳感器反應(yīng)很明顯。放大的作用，使得傳感

16、器反應(yīng)很明顯。 所有沖擊脈沖傳感器都經(jīng)過一致校準(zhǔn)，在接觸沖擊脈沖時(shí)所有沖擊脈沖傳感器都經(jīng)過一致校準(zhǔn)，在接觸沖擊脈沖時(shí)，能具有完全同等的性能，即幅值和衰減時(shí)間都是一致的，能具有完全同等的性能，即幅值和衰減時(shí)間都是一致的，且所有傳感器幾乎完全相同。這也振動(dòng)傳感器做不到的，且所有傳感器幾乎完全相同。這也振動(dòng)傳感器做不到的主要原因，我們都知道每個(gè)振動(dòng)傳感器都有自己的靈敏度主要原因，我們都知道每個(gè)振動(dòng)傳感器都有自己的靈敏度，需要單獨(dú)設(shè)置。，需要單獨(dú)設(shè)置。 與使用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器的振動(dòng)包絡(luò)技術(shù)比較，由于其技術(shù)與使用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)傳感器的振動(dòng)包絡(luò)技術(shù)比較，由于其技術(shù)是基于設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)共振頻率，不同設(shè)備結(jié)構(gòu)共振頻率是基于設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)共振頻率，不同設(shè)備結(jié)構(gòu)共振頻率差異很大，所以當(dāng)振動(dòng)傳感器接觸沖擊脈沖時(shí)，其性能表差異很大，所以