機(jī)械故障診斷……第4章課件

第4章振動信號的測試

在工程實(shí)際中,特別是將振動技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)的故障診斷時,經(jīng)常采用的則是通過對實(shí)測振動信號的分析處理,借助一定的診斷策略,以此來判斷所測對象的運(yùn)行狀態(tài).

振動實(shí)測是一種不可缺少的振動分析手段,更是機(jī)械故障振動診斷的關(guān)鍵步驟之一以下幾個振動測試第4章振動信號的測試在工程實(shí)際中,特別是將振動技術(shù)1

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

信息轉(zhuǎn)換信息提取一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和2機(jī)械故障診斷……第4章課件3機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運(yùn)動。例如，機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運(yùn)動。4下圖是某鋼廠減速機(jī)上測得的振動信號波形(測點(diǎn)3)，可以近似地看作為周期信號。下圖是某鋼廠減速機(jī)上測得的振動信號波形(測點(diǎn)3)，可以近似地5信號的時域描述只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除只有一個頻率分量的簡諧波外,一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小。信號的時域描述只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除只有一個6機(jī)械故障診斷……第4章課件7信號中不同頻率成分通過測量系統(tǒng)后的輸出信號中不同頻率成分通過測量系統(tǒng)后的輸出8振動測量方法分類振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機(jī)械法和光學(xué)法。其簡單原理和優(yōu)缺點(diǎn)見表振動測量方法分類9名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機(jī)械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后10電測法振動測量系統(tǒng)圖所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。激振系統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器電測法振動測量系統(tǒng)圖所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。11(1)測振傳感器:將機(jī)械或結(jié)構(gòu)的振動參量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參數(shù)

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。(1)測振傳感器:將機(jī)械或結(jié)構(gòu)的振動參量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測12根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同,習(xí)慣上常將測振傳感器分為振動位移傳感器、振動速度傳感器、振動加速度傳感器三大類。典型的頻響范圍：0-10khz電渦流位移傳感器、10-2khz磁電式速度傳感器、0-50khz壓電加速度傳感器根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同,習(xí)慣上常將測振傳感器分為振13振動傳感的選擇原則測量范圍（量程）

它是保證傳感器有用的首要指標(biāo)，超量程不僅意味著測量結(jié)果的不可靠，而且有時會造成傳感器的永久損壞。對于振動加速度傳感器，這個問題顯得不那么重要，一個好的加速度傳感，可承受10000g的沖擊，一般性能的傳感也能承受50g左右的振動振動傳感的選擇原則測量范圍（量程）14頻響范圍振動參量的最顯著特征就是其頻率構(gòu)成特性，一個振動信號往往是由許多頻率不同的信號疊加而成。要求用于振動測試的傳感器的頻響特性要好，即其幅頻特性的水平范圍盡可能寬，相頻特性盡可能線性。同時要求傳感器的頻率下限盡可能低，以檢測緩變的機(jī)械振動信號，頻率上限盡可能高，以檢測高頻沖擊信號。實(shí)際中結(jié)合測試目的和費(fèi)用，傳感器的工作頻響范圍應(yīng)覆蓋需要測試的信號頻段。頻響范圍15靈敏度一般， 總是希望傳感器的靈敏度盡量高，以便檢測微小信號。須注意的幾個問題：外界噪聲的混入會因為傳感器靈敏度提高而變得容易，故要求傳感器的信噪比要高，以便在充分放大被測信號的同時，有效地抑制噪聲信號；應(yīng)同時考慮測量范圍，使傳感器工作在線性區(qū)；對于多維向量的測量，交叉靈敏度越小越好。靈敏度16精度精度是影響測試結(jié)果真實(shí)性的主要指標(biāo)。傳感器的精度與價格對應(yīng)，精度提高一級，價格成倍增長；定性分析可選擇低精度，而定量分析選擇相對高精度的傳感器；應(yīng)考慮同一測試系統(tǒng)中的設(shè)備，盡量使它們屬同一精度等級，以優(yōu)化測試成本；精度17穩(wěn)定性環(huán)境穩(wěn)定性：溫度、濕度、灰塵、電磁場等環(huán)境因素是任何傳感器都要考慮的問題，以避免降低傳感器的性能；時間穩(wěn)定性：這時長期工況監(jiān)測的傳感器所要重點(diǎn)考慮的問題；此外，傳感器`的工作方式、外形尺寸、重量等也是選用傳感器時需要考慮的因素。穩(wěn)定性18產(chǎn)品

加速度計力傳感器壓電式傳感器

產(chǎn)品

19 （2）振動測量原理

根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運(yùn)動所引起的。如圖5.3所示。設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0則質(zhì)量塊的運(yùn)動方程為:

（2）振動測量原理20mz。kc由載體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)

mz。kc由載體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)21質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:

則上式可改寫成:

設(shè)載體的運(yùn)作為諧振動，即:寫成:

質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:22

考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：

(1)z01相對于載體的振動位移z1，此時相當(dāng)于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線曲線如圖所示。 考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：23圖由載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)圖由載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)24(2)z01相對于載體振動速度

，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖-所示。(2)z01相對于載體振動速度，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計25由載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖由載體運(yùn)動引起的加速度響應(yīng)由載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖由載26(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖所示。(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速27從可以看出：① 測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。在位移計狀態(tài)下，其工作條件為>>1，即工作在過諧振區(qū)。對于加速度計來說，其工作條件為<<1，即工作在亞諧振區(qū)。對于速度計來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。從可以看出：28② 阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。對位移計和加速度計而言，當(dāng)取值在0.6~0.8范圍內(nèi)時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。對于速度計而言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計測量振動速度的響應(yīng)時，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。② 阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。29(3)激振器

激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。下表列舉了部分常用的激振器。

(3)激振器

激振器是對試件施加30名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動力驅(qū)動固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體相連，線圈通電產(chǎn)生電動力使振動臺體作機(jī)械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產(chǎn)生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設(shè)備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動臺面產(chǎn)生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負(fù)載大，易于自控和多臺激振，設(shè)備復(fù)雜表部分常用的激振設(shè)備名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動31

為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時，往往用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則：為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最32高頻激振低頻激振高頻激振低頻激振33。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨機(jī)激勵測試和瞬態(tài)激勵測試三種。。34穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試

穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的一種激勵方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可分為單點(diǎn)激勵和多點(diǎn)激勵。

單點(diǎn)激勵就是采用一個激振器，對結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)進(jìn)行激勵。

多點(diǎn)激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進(jìn)行激勵。

穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 35下圖是對某被測試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試的原理框圖。被測試件按實(shí)際工作條件固定。在其上選擇激勵點(diǎn)和測量點(diǎn)，激勵點(diǎn)和測量點(diǎn)應(yīng)避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個柔性桿連接（以減小激振器對試件非激勵方向的附加剛度約束）。信號器輸出單一頻率的正弦信號經(jīng)功率放大器推動激振器，使試件產(chǎn)生受迫振動。振動信號與力信號分別通過電荷放大器放大，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎敕治鰞x進(jìn)行分析運(yùn)算，結(jié)果由記錄儀或打印機(jī)輸出。下圖是對某被測試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦36圖穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器機(jī)械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機(jī)電荷放大器加速度計柔性桿力傳感器被測試件圖穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器X-Y記錄37 。

分析儀器的作用是對激勵及響應(yīng)信號進(jìn)行采樣、變換、運(yùn)算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關(guān)積分式分析儀，也可用FFT分析儀。

。38瞬態(tài)激勵測試

磁帶記錄儀電荷放大器器傳遞函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計微型計算機(jī)X-Y繪圖儀打印機(jī)去計算機(jī)中心圖脈沖錘擊法測試原理框圖瞬態(tài)激勵測試磁帶電荷傳遞函數(shù)脈沖錘加速度計微型X-Y打印機(jī)39瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激勵方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵等方法，下面分別討論和介紹。瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是40快速正弦掃描這種測試方法是使正弦激勵信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵的目的。快速正弦掃描這種測試方法是使正弦激勵信號在所需的頻率范41機(jī)械故障診斷……第4章課件42階躍松馳激勵

1、階躍松弛激勵定義

2、特點(diǎn)：由于階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。

3、實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。階躍松馳激勵1、階躍松弛激勵定義43

目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳感器的手錘敲擊試件，給試件一脈沖力。用裝在試件上的加速度計或位移傳感器測量響應(yīng)，將力及響應(yīng)信號同時送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測試原理如圖所示。 脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它由錘頭、測力計、附加質(zhì)量和錘柄四部分組成。錘頭裝在測力計上，敲擊時直接與試件接觸。 為了得到不同的脈沖寬度，錘頭可用不同的材料制成，根據(jù)測試頻響要求，進(jìn)行更換。錘頭的材料越軟，其脈沖頻譜越窄；反之錘頭材料越硬，則脈沖頻帶越寬。幾種常用錘頭材料及使用頻率范圍見表。 目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳44

脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與脈沖力的大小及激勵頻帶寬度有關(guān)。若力錘太小，能量不夠；力錘太大，靈敏度低。所以應(yīng)根據(jù)試件剛度和質(zhì)量大小、頻率范圍等選擇力錘的適當(dāng)大小。

錘頭力傳感器錘柄附加配重圖脈沖錘結(jié)構(gòu) 脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與45

表常用錘頭材料及使用范圍

材料橡皮尼龍66有機(jī)玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500以下5001000以下1k~3k2k~5k 材料橡皮尼龍66有機(jī)玻璃銅鋼使用頻率（Hz）50046當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一個半正弦波的力脈沖，如圖(a)所示。該類脈沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)，脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般來說，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限額率fe越高。當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一47隨機(jī)激振 隨機(jī)激振一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為信號源，也是一種寬帶激振方法。白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號，其自相關(guān)函數(shù)也是在τ=0處形成陡峭的峰，只要τ稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就很快衰減，其自功率譜密度函數(shù)也接近為常值。當(dāng)白噪聲信號通過功率放大器控制激振器時，由于功放和激振器的通頻帶不是無限寬的，所得激振力頻譜不再是在整個頻域中保持常數(shù)，但它仍然是一種寬帶激振，能夠激起被測對象在一定的頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動。配合頻譜分析儀，利用Sxy(f)=H(f)Sx(f)式可以得到被測對象的頻率響應(yīng)。隨機(jī)激振48隨機(jī)激勵方法純隨機(jī)激勵

理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個時間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。隨機(jī)激勵方法純隨機(jī)激勵49偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)的，但各個周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗的可重復(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個50機(jī)械故障診斷……第4章課件51(4)振動分析儀器 從拾振器檢測到的振動信號和從激振點(diǎn)檢測到的力信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治鎏幚?，以提取出各種有用的信息。目前常見的振動分析儀器有測振儀、頻率分析儀、FFT分析儀和虛似頻譜分析儀等。1.測振儀 測振儀是用來直接指示位移、速度、加速度等振動量的峰值、峰一峰值、平均值或均方值的儀器。2.頻率分析儀 模擬量頻譜分析儀目前仍是振動測量較常用的分析設(shè)備。振動信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)中間變換電路輸入頻率分析儀，手控或自動掃描就可完成所需頻帶的頻譜分析。(4)振動分析儀器523.FFT分析儀隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)學(xué)技術(shù)處理振動測量信號的方式已廣泛被采用。以微處理器為核心和以快速傅里葉變換（FFT）算法為基礎(chǔ)的數(shù)字分析儀，精度高、動態(tài)范圍大、功能多、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。4.虛擬頻譜分析儀虛擬儀器的核心是具備各種功能的軟件系統(tǒng)，通常包括計算機(jī)圖形軟件，數(shù)據(jù)處理軟件和顯示測量結(jié)果的測試系統(tǒng)軟件等。當(dāng)然也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計算機(jī)與儀器硬件相連的總線結(jié)構(gòu)等。和傳統(tǒng)的FFT分析儀相比，具有頻譜分析功能的虛擬儀器可以更加靈活地選擇窗口，采樣速率和頻譜二進(jìn)制數(shù)，且價格低，技術(shù)更新快，具有靈活的開放功能等。

3.FFT分析儀53振動信號的頻譜分析

在振動測量中，由測振傳感器接收的信號通常是復(fù)雜的時間函數(shù)。利用信號處理技術(shù)，通過傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號加以分析的方法就稱為頻譜分析。頻譜分析技術(shù)包括幅值譜分析、自功率譜密度函數(shù)分析、互功率譜密度函數(shù)分析、相干函數(shù)分析、倒頻譜分析等。振動信號經(jīng)過頻譜分析，可以求得信號的頻率成分和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而分析系統(tǒng)的傳遞特性；通過頻譜分析，還可以對被測對象進(jìn)行振動監(jiān)測和故障診斷。

振動信號的頻譜分析54圖電動機(jī)的在線識別圖表示在某電動機(jī)生產(chǎn)線上，利用響應(yīng)頻譜診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在線自動識別、分類的過程。圖電動機(jī)的在線識別圖表示在某電動機(jī)生產(chǎn)線55具體檢測步驟如下：（1）將裝有微型加速度計的測頭接觸傳送帶上運(yùn)送的電動機(jī)；（2）檢測電動機(jī)的振動信號，經(jīng)放大器后輸入FFT分析儀；（3）將檢測得的振動頻譜與預(yù)先在分析儀中設(shè)定的判別譜進(jìn)行比較；（4）進(jìn)行合格與否判斷，輸出判斷信號。具體檢測步驟如下：56 如圖分別為典型的合格品與廢品的振動頻譜。從圖中可以看出，廢品的頻譜圖中往往在某一頻率有較大的幅值。 如圖分別為典型的合格品與廢品的振動頻譜。57主要傳感器和測試儀器生產(chǎn)廠商2、振動/噪聲傳感器丹麥B&K（振動測量、聲學(xué)測量領(lǐng)域最富盛名）/1、工業(yè)自動化類傳感器美國霍尼威爾公司（有全球最大傳感器技術(shù)研究中心）/china主要傳感器和測試儀器生產(chǎn)廠商2、振動/噪聲傳感器丹麥B&K583、測量分析儀器美國國家儀器公司(全球最大的計算機(jī)虛擬儀器生產(chǎn)商)/美國Agilent公司(原惠普公司儀器部，著名的測試儀器商)/3、測量分析儀器美國國家儀器公司(全球最大的計算機(jī)虛擬儀器59第4章振動信號的測試

在工程實(shí)際中,特別是將振動技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)的故障診斷時,經(jīng)常采用的則是通過對實(shí)測振動信號的分析處理,借助一定的診斷策略,以此來判斷所測對象的運(yùn)行狀態(tài).

振動實(shí)測是一種不可缺少的振動分析手段,更是機(jī)械故障振動診斷的關(guān)鍵步驟之一以下幾個振動測試第4章振動信號的測試在工程實(shí)際中,特別是將振動技術(shù)60

一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。

傳感器將被測物理量檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

信息轉(zhuǎn)換信息提取一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和61機(jī)械故障診斷……第4章課件62機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運(yùn)動。例如，機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運(yùn)動。63下圖是某鋼廠減速機(jī)上測得的振動信號波形(測點(diǎn)3)，可以近似地看作為周期信號。下圖是某鋼廠減速機(jī)上測得的振動信號波形(測點(diǎn)3)，可以近似地64信號的時域描述只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除只有一個頻率分量的簡諧波外,一般很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量的大小。信號的時域描述只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除只有一個65機(jī)械故障診斷……第4章課件66信號中不同頻率成分通過測量系統(tǒng)后的輸出信號中不同頻率成分通過測量系統(tǒng)后的輸出67振動測量方法分類振動測量方法按振動信號轉(zhuǎn)換的方式可分為電測法、機(jī)械法和光學(xué)法。其簡單原理和優(yōu)缺點(diǎn)見表振動測量方法分類68名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進(jìn)行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機(jī)械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后69電測法振動測量系統(tǒng)圖所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。由圖可見，一個一般的振動測量系統(tǒng)通常由激振、拾振、中間變換電路、振動分析儀器及顯示記錄裝置等環(huán)節(jié)所組成。激振系統(tǒng)測振傳感器中間變換電路功放振動分析儀器顯示記錄反饋控制干擾信號發(fā)生器電測法振動測量系統(tǒng)圖所示為用電測法測振時系統(tǒng)的一般組成框圖。70(1)測振傳感器:將機(jī)械或結(jié)構(gòu)的振動參量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參數(shù)

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。拾振部分是振動測量儀器的最基本部分，它的性能往往決定了整個儀器或系統(tǒng)的性能。(1)測振傳感器:將機(jī)械或結(jié)構(gòu)的振動參量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測71根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同,習(xí)慣上常將測振傳感器分為振動位移傳感器、振動速度傳感器、振動加速度傳感器三大類。典型的頻響范圍：0-10khz電渦流位移傳感器、10-2khz磁電式速度傳感器、0-50khz壓電加速度傳感器根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同,習(xí)慣上常將測振傳感器分為振72振動傳感的選擇原則測量范圍（量程）

它是保證傳感器有用的首要指標(biāo)，超量程不僅意味著測量結(jié)果的不可靠，而且有時會造成傳感器的永久損壞。對于振動加速度傳感器，這個問題顯得不那么重要，一個好的加速度傳感，可承受10000g的沖擊，一般性能的傳感也能承受50g左右的振動振動傳感的選擇原則測量范圍（量程）73頻響范圍振動參量的最顯著特征就是其頻率構(gòu)成特性，一個振動信號往往是由許多頻率不同的信號疊加而成。要求用于振動測試的傳感器的頻響特性要好，即其幅頻特性的水平范圍盡可能寬，相頻特性盡可能線性。同時要求傳感器的頻率下限盡可能低，以檢測緩變的機(jī)械振動信號，頻率上限盡可能高，以檢測高頻沖擊信號。實(shí)際中結(jié)合測試目的和費(fèi)用，傳感器的工作頻響范圍應(yīng)覆蓋需要測試的信號頻段。頻響范圍74靈敏度一般， 總是希望傳感器的靈敏度盡量高，以便檢測微小信號。須注意的幾個問題：外界噪聲的混入會因為傳感器靈敏度提高而變得容易，故要求傳感器的信噪比要高，以便在充分放大被測信號的同時，有效地抑制噪聲信號；應(yīng)同時考慮測量范圍，使傳感器工作在線性區(qū)；對于多維向量的測量，交叉靈敏度越小越好。靈敏度75精度精度是影響測試結(jié)果真實(shí)性的主要指標(biāo)。傳感器的精度與價格對應(yīng)，精度提高一級，價格成倍增長；定性分析可選擇低精度，而定量分析選擇相對高精度的傳感器；應(yīng)考慮同一測試系統(tǒng)中的設(shè)備，盡量使它們屬同一精度等級，以優(yōu)化測試成本；精度76穩(wěn)定性環(huán)境穩(wěn)定性：溫度、濕度、灰塵、電磁場等環(huán)境因素是任何傳感器都要考慮的問題，以避免降低傳感器的性能；時間穩(wěn)定性：這時長期工況監(jiān)測的傳感器所要重點(diǎn)考慮的問題；此外，傳感器`的工作方式、外形尺寸、重量等也是選用傳感器時需要考慮的因素。穩(wěn)定性77產(chǎn)品

加速度計力傳感器壓電式傳感器

產(chǎn)品

78 （2）振動測量原理

根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，振動的響應(yīng)是振動系統(tǒng)拾振部分對各個諧振動響應(yīng)的疊加。 在許多情況下，例如慣性式測振傳感器，振動系統(tǒng)的振動是由載體的運(yùn)動所引起的。如圖5.3所示。設(shè)載體的絕對位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對位移為z0則質(zhì)量塊的運(yùn)動方程為:

（2）振動測量原理79mz。kc由載體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)

mz。kc由載體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)80質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:

則上式可改寫成:

設(shè)載體的運(yùn)作為諧振動，即:寫成:

質(zhì)量塊m相對于載體的相對位移為:81

考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：

(1)z01相對于載體的振動位移z1，此時相當(dāng)于測振儀處于位移計工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線曲線如圖所示。 考慮這樣幾種情形下的響應(yīng)特性：82圖由載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)圖由載體運(yùn)動引起的位移響應(yīng)83(2)z01相對于載體振動速度

，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖-所示。(2)z01相對于載體振動速度，此時相當(dāng)于測振儀處于速度計84由載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖由載體運(yùn)動引起的加速度響應(yīng)由載體運(yùn)動引起的速度響應(yīng)圖由載85(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速度計的工作狀態(tài)下。此時幅頻特性和相頻特性分別為:

其幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖所示。(3)z01相對于載體的振動加速度，此時相當(dāng)于測振儀處于加速86從可以看出：① 測振儀在不同工作狀態(tài)下，其有效工作區(qū)域是不相同的。在位移計狀態(tài)下，其工作條件為>>1，即工作在過諧振區(qū)。對于加速度計來說，其工作條件為<<1，即工作在亞諧振區(qū)。對于速度計來說，則要求其工作在=1，即諧振區(qū)附近。從可以看出：87② 阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。對位移計和加速度計而言，當(dāng)取值在0.6~0.8范圍內(nèi)時，幅頻特性曲線有最寬廣而平坦的曲線段，此時，相頻特性曲線在很寬的范圍內(nèi)也幾乎是直線。對于速度計而言，則是阻尼比越大，可測量的頻率范圍越寬，因此，在選用速度計測量振動速度的響應(yīng)時，往往使其在很大的過阻尼狀態(tài)下工作。② 阻尼比的取值對測振儀幅頻特性和相頻特性都有較大的影響。88(3)激振器

激振器是對試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到可控的、按預(yù)定要求振動的裝置。為了減少激振器質(zhì)量對被測系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。下表列舉了部分常用的激振器。

(3)激振器

激振器是對試件施加89名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電動激振器裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動線圈與支承部件固聯(lián)，線圈通電產(chǎn)生電動力驅(qū)動固聯(lián)于支承部件的試件產(chǎn)生周期性正弦波振動頻率范圍寬，振動波形好，操作調(diào)節(jié)方便勵磁式電動振動臺利用直流勵磁線圈來形成磁場，將置于磁場氣隙中的線圈與振動臺體相連，線圈通電產(chǎn)生電動力使振動臺體作機(jī)械振動頻率范圍寬、激振力大、振動波形好，設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜電磁式激振器交變電流通至電磁鐵的激振線圈，產(chǎn)生周期性的交變吸力，作為激振力用于非接觸激振，頻率范圍寬、設(shè)備簡單，振動波形差，激振力難控制電液式激振器用小型電動式激振器帶動液壓伺服油閥以控制油缸，油缸驅(qū)動臺面產(chǎn)生周期性正弦波振動激振力大，頻率較低，臺面負(fù)載大，易于自控和多臺激振，設(shè)備復(fù)雜表部分常用的激振設(shè)備名稱工作原理適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)永磁式電裝置于永磁體磁場中的驅(qū)動90

為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時，往往用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則：為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最91高頻激振低頻激振高頻激振低頻激振92。 按激勵方式的不同，測試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試、隨機(jī)激勵測試和瞬態(tài)激勵測試三種。。93穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試

穩(wěn)態(tài)正弦激勵即施加在被測對象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，是最常用的一種激勵方式。它具有能量集中、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可分為單點(diǎn)激勵和多點(diǎn)激勵。

單點(diǎn)激勵就是采用一個激振器，對結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)進(jìn)行激勵。

多點(diǎn)激勵是用兩個或兩個以上的激振器對被測物同時進(jìn)行激勵。

穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試 94下圖是對某被測試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試的原理框圖。被測試件按實(shí)際工作條件固定。在其上選擇激勵點(diǎn)和測量點(diǎn)，激勵點(diǎn)和測量點(diǎn)應(yīng)避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個柔性桿連接（以減小激振器對試件非激勵方向的附加剛度約束）。信號器輸出單一頻率的正弦信號經(jīng)功率放大器推動激振器，使試件產(chǎn)生受迫振動。振動信號與力信號分別通過電荷放大器放大，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎敕治鰞x進(jìn)行分析運(yùn)算，結(jié)果由記錄儀或打印機(jī)輸出。下圖是對某被測試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦95圖穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器機(jī)械阻抗分析儀X-Y記錄儀打印機(jī)電荷放大器加速度計柔性桿力傳感器被測試件圖穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試原理框圖激振器功放信號發(fā)生器X-Y記錄96 。

分析儀器的作用是對激勵及響應(yīng)信號進(jìn)行采樣、變換、運(yùn)算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵測試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關(guān)積分式分析儀，也可用FFT分析儀。

。97瞬態(tài)激勵測試

磁帶記錄儀電荷放大器器傳遞函數(shù)分析儀脈沖錘加速度計微型計算機(jī)X-Y繪圖儀打印機(jī)去計算機(jī)中心圖脈沖錘擊法測試原理框圖瞬態(tài)激勵測試磁帶電荷傳遞函數(shù)脈沖錘加速度計微型X-Y打印機(jī)98瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激勵方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵等方法，下面分別討論和介紹。瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是99快速正弦掃描這種測試方法是使正弦激勵信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵的目的?？焖僬覓呙柽@種測試方法是使正弦激勵信號在所需的頻率范100機(jī)械故障診斷……第4章課件101階躍松馳激勵

1、階躍松弛激勵定義

2、特點(diǎn)：由于階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。

3、實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。階躍松馳激勵1、階躍松弛激勵定義102

目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳感器的手錘敲擊試件，給試件一脈沖力。用裝在試件上的加速度計或位移傳感器測量響應(yīng)，將力及響應(yīng)信號同時送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測試原理如圖所示。 脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它由錘頭、測力計、附加質(zhì)量和錘柄四部分組成。錘頭裝在測力計上，敲擊時直接與試件接觸。 為了得到不同的脈沖寬度，錘頭可用不同的材料制成，根據(jù)測試頻響要求，進(jìn)行更換。錘頭的材料越軟，其脈沖頻譜越窄；反之錘頭材料越硬，則脈沖頻帶越寬。幾種常用錘頭材料及使用頻率范圍見表。 目前常用的瞬態(tài)激勵方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳103

脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與脈沖力的大小及激勵頻帶寬度有關(guān)。若力錘太小，能量不夠；力錘太大，靈敏度低。所以應(yīng)根據(jù)試件剛度和質(zhì)量大小、頻率范圍等選擇力錘的適當(dāng)大小。

錘頭力傳感器錘柄附加配重圖脈沖錘結(jié)構(gòu) 脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與104

表常用錘頭材料及使用范圍

材料橡皮尼龍66有機(jī)玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500以下5001000以下1k~3k2k~5k 材料橡皮尼龍66有機(jī)玻璃銅鋼使用頻率（Hz）500105當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一個半正弦波的力脈沖，如圖(a)所示。該類脈沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)，脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般來說，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限額率fe越高。當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一106隨機(jī)激振 隨機(jī)激振一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為信號源，也是一種寬帶激振方法。白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號，其自相關(guān)函數(shù)也是在τ