3500振动监测系统培训总结

一、振动的基本概念

1、振动的定义

振动是有由于外力作用而引起的往返（周期）运动。振动特性：周期，频率，幅值和振动波形，可用来描述振动信号的基本特征。

物理参数：位移，速度和加速度是用来描述机器振动的三个物理参数。

计量单位：用来描述机械振动信号幅值的国际制单位和我们常用的单位主要有m/^2, mm/s，microns，in/^2，in/ S，mil，g。

时域或频域：可以用这两种不同的方式来显示和评估振动测量信号的数值。时域图通常称为波形图，而频域图一般称为频谱图。

2、机械转子的振动

滚动轴承：这些轴承采用滚珠或圆柱滚子来支撑套在轴承内圈上的转子轴。在轴承套圈和滚动体之间基本上不存在间隙，这样就可以保证将转轴完全固定。转子振动而产生的力会作用在轴承座上或机器外壳上。对于这类机器，通常是测量轴承座或者机器外壳的振动从而间接的获取转子的振动信息。

液膜轴承：这类轴承的原理是，采用高压液膜（通常是油膜）来防止转轴与轴瓦之间直接接触。在轴承间隙内，转轴可以自由移动，所以转子振动而产生的力不会作用在轴承座和机器外壳上。对于这种类型的机器，必须使用特殊的振动传感器来测量轴承间隙内的转子的实际位置。

单个振动传感器只能测量发生在该传感器测量轴线方向上的振动分量。上面左图这幅图显示的是只在垂直方向上安装有一个振动传感器的机器示意图。这种传感器只能测量振动的垂直分量，而不能检测发生在任何其他方向的上的振动信息。如右图所示，由于机器在不同方向上的振动一般是不同的，所以我们往往同时测量两个不同方向上的独立振动信号。两个传感器相隔90度布置，我们称之为正交分布。用这种方式安装的传感器去测量油膜轴承间隙内的转子位置，可以得到具有代表性的二维X-Y坐标图。

二、振动信号

1、振动传感器

传感器是一种简单的设备，它可以将一种能量转化为其他不同的能量。在机械振动信号测量中，我们就需要一种传感器，它可以准确地将机器的振动信号转换成电信号。我们可以对该电信号进行处理，提取有用的信息。

通过传感器的灵敏度（输出信号变化值与振动输入信号变化值的比值），我们就可以根据输出电信号的量程来判断振动幅值的测量范围。在现代振动监测仪器中，传感器输出的模拟电信号被转化成以一系列二进制表示的数字量。我们可以将分这些数据存储为数字文件以方便计算机软件的处理。

2、振动的特性

2.1、周期

一个信号以相同的模式不断的出现，正如这里所显示的正弦波，我们称这种信号具有周期性。信号周期的定义是，连续两次出现同一信号波形时所需要的时间。信号任意的两个相应测点之间的时间跨度值就是周期。在这个例子中，我们测量了两个相邻波峰之间的时间跨度。但我们也可以测量两个相邻的波谷之间或者两个斜率都为正的相邻零点之间的时间跨度，我们同样可以获得相同的周期值。

2.2、频率

一个周期信号的频率定义是：信号在一秒钟内的完成周期性变化的次数。频率和周期互为倒数，即1 /频率=周期，1 /周期=频率（1/f=T，1/T=f）。

在这个例子中，我们可以数出在一秒钟内，该信号共完成了五次完整的周期性变化。因此，信号的频率是每秒5次，或5赫兹。

由于频率为周期的倒数，我们也可以根据上一张幻灯片测量得到的信号周期（0.2s）来计算出该信号的频率。两种方法都给出了相同的结果。频率= 1周期/ 0.2秒= 5赫兹

2.3、幅值

波峰(PK)：波峰被定义为信号的振幅相对于零参考值偏移的最大或最小值。这个值也被称为波形的最高点，有时被称为“单峰值”。对于一个完整的正弦波形，如果没有直流偏置，峰值大小正好是峰-峰值的一半。

峰-峰值(PP)：振幅信号最大值与最小值之间的差值。在这个例子中所显示的正弦波形，峰-峰值正好是峰值的两倍。但一个实际的振动信号，信号的正值和负值通常是不对称的。

均方根（RMS）：计算过程共分为三个步骤。首先，将信号图上各个点的数值进行平方运算。然后，求出这个新信号的平均值。最后，对这个平均数座平方根运算。

RMS测量在监测安装有滚动轴承的机器的振动信号的整体能量特别有用。一个信号波形有可能会出现又高又窄的尖峰但是其峰面积（振动能量）却很小或者其峰面积很大但是其整体的幅值却很小，所以我们可以测量峰值或峰-峰值来确定其振动的严重性程度。用RMS值表示信号的整个频谱图的波形面积。

2.4、波形

振动信号的波形描述了它的大体形状。上图中第一个例子表示的是一个单一频率的正弦波。这个信号的均方根值（RMS值）是该信号峰值的0.707倍。

下图中第二个例子则是是一个较为复杂的信号，其中包括多个频率分量。这种复杂的信号是更能代表一个现实世界的原始（᳾滤波）信号。为了准确判断这样一个信号的真正的均方根值（RMS值），振动分析仪不能像计算正弦波的均方根值一样简单将峰值乘以0.707。相反，它需要将该信号的每个瞬时值参与均方根值的求解运算。

3、振动的物理参数

3.1、位移

装有油膜轴承的涡轮机械中，转轴在轴承间隙内位置，通常利用图中所示的涡流探头来测量。这些探头发射的小型的无线电射频电磁场与被测的金属表面相互作用，使得金属表面产生感应电流，与此同时，电涡流场也会产生相反的交变磁场。当测量金属表面向探头顶端靠拢时，更多的电磁场能量被金属表面所吸收，测得的信号幅值就会变小。

3.2、速度

速度表示的是物体位移的变化率。从历史上看，因为动圈式速度传感器是使用最早的电子振动传感器，所以速度一直以来都是作为设定警报值的首选参数。在传统的动圈式速度传感器中，线圈被几个小弹簧顶在固定的永磁铁上。由于传感器的外壳上下移动，固定在外壳上的永磁铁随之移动。传感器线圈与永磁铁之间就会产生相对运动，从而导致线圈切割磁感线，产生弱电压信号。

近年来，动圈式速度传感器已基本上被更加坚固的压电式传感器（压电晶体）所取代，在压电式传感器中，还集成了一个微型的电子积分电路。这种类型的传感器实际测量的是加速度信号，通过积分电路就可以将加速度信号转化为等效的速度信号。

3.3、加速度

加速度表示的是物体速度的变化率。加速计的种类很多。体积小的加速度传感器通常能够测量高频振动，但它们产生的输出信号强度较弱。而对于相同的机械振动，一个体积更大的传感器通常比一个体积较小的传感器所输出信号强度更强，但它的高频响应能力有限。

在我们介绍的三种类型的振动传感器中，加速度传感器非常适合测量高频振动信号，所以，它一般用于测量具有周期性脉冲性质的齿轮啮合振动频率和机械共振频率。

3.4、各个物理两之间的关系

对于任何给定的振动频率，我们可以利用上图所列的关系式对这三个物理参数（加速度，速度和位移）之间的振动测量峰值进行相互转化。在没有电脑的时代，我们都是利用诺模图上所列的关系式，手动计算这些物理参数振动峰值的转化。现在，我们可以非常方便的利用电子制表软件自动计算这些参数值。

注：这些公式只适用于在一个特定的频率分量上，对振动测量信号进行参数转化。对于具有多个频率分量的宽频振动信号，我们就不能利用这些关系式来进行相互转化了。

三、径向振动的测量

1、振动测量相关参数

在工业生产中，系统对于轴振动的测量主要涉及三个物理参数：

径向振动：这是最根本和最广泛的用来测量旋转机械振动的参数。对于油膜轴承来说，它可用来度量转子在轴承间隙内的运动，而对于滚动轴承来说，它可以用来度量轴承座在垂直于转轴中心线的方向上的运动。

相位角：相位角表示的是各种振动信号之间的时序关系，它可以为机械诊断评估和转子动平衡提供非常有用的信息。当转子旋转时，我们可以通过使用适当的转子结构（凹槽和凸键）和相应的传感器来触发一系列相同的参考脉冲信号。

转子转速：严格意义上讲，转子转速并不是振动测量参数，但是转子转速可以为振动分析过程提供非常重要的信息。我们可以通过转子上的一些结构（凹槽和凸键，齿轮或联轴器等）和相应的径向安装的电涡流传感器来触发一系列的参考脉冲信号，根据这些脉冲信号，我们就可以求出转子的转速

2、径向振动测量方式

2.1、轴振动类型

对于不同的参考面来说，测量的结果也是不一样的。

机架绝对振动测量，可用来监测装有滚动轴承机器的振动情况。我们是在惯性参考系下，利用速度和加速度传感器来测量机器的振动。当安装在机架上的壳振传感器受力时，才会产生相应的加速度。在不存在加速度的情况下，它的速度将恒定不变。

轴的相对振动测量，用于监测油膜轴承的间隙内的转子轴的位置。我们可以利用已经标定过的电涡流传感器探头测量其顶端到转轴表面的距离。涡流探头应该紧固到位，这样就可以保证一个恒定的自身参考系了。这是我们最常用的测量安装有油膜轴承的机器径向振动方法。

轴的绝对振动测量，有些大型旋转机器上的油膜轴承座是可以弹性移动的，对于这类机器来说，轴的绝对振动测量意义很大。根据轴承座的绝对振动以及转轴相对于轴承座的振动，我们就可以间接的求出转子相对于惯性参考系的绝对振动了。相对于轴的相对振动测量而言，这种方法用的不是很多。

2.2、机架绝对振动测量

绝对振动测量是相对惯性参考系而言的。我们可以根据牛顿运动定律，来求解作用在传感器上的力与加速度的关系。因为转轴与滚动轴承内圈无间隙，它们之间不存在间隙，转子的振动可以有效的传递到轴承座上，所以我们可以采用机壳绝对振动测量的方法。

2.3、轴相对振动的测量

相对振动是测量相对我们选定的参考系的振动。涡流探头测量的是转子相对于探头安装位置的振动位移，通常情况下，我们将趋近式探头安装在轴承座上。我们一般利用轴的相对振动测量方法来监测油膜轴承间隙内的转子轴颈的位置。根据机器轴承及轴承安装座结构的设计特点，我们就可以得出，是否有必要测量转子相对轴承的相对振动。对于较小的机器而言，轴承，轴承座与机架之间的连接都比较紧凑，刚度也比较大。所以，对于这类机器，通过将探头安装在轴承或机架（邻近轴承）上，我们基本上可以得到相似的振动信息。然而，对于较大型的机器，如大型汽轮机发电机，其轴承，轴承座与机架之间的连接相对比较宽松，将探头安装在轴承上或安装在机架上测量得到的振动信息有可能会相差很大。在这种情况下，我们一般可以使用双探头安装（参见下页）。

2.4、轴绝对振动的测量

对于具有弹性支承结构或者机架具有高频振动的机器，采用轴的绝对测量振动非常有必要。通过测量涡流探头安装部位的绝对振动信号和转轴的相对振动信号，再将这两个信号做矢量运算，就可以得出转轴相对于惯性参考系的绝对振动了。这里做一个大概的估计，如果一台机器的外壳的绝对振动幅值至少是相对振动幅度的30%，那么利用双探头传感器的效果是比较理想的。上图的例子显示，在一个小的机壳内，安装了一个3300 XL 8 mm的涡流探头和一个速度计（压电式速度传感器），当这个双传感器系统和状态监测器或者故障分析仪相连时，可以测量轴的相对振动值，机架的绝对振动值以及转轴的绝对振动值。

2.5、二维径向位置测量

一个电涡流探头只能测量其轴线方向上转子轴的位置情况。但如果我们将两个电涡流传感器正交布置，并将它们测量得到的数值在二维图上表示出来，那么我们就可以得到其他更加有意义的信息。轴心轨迹图被放大后，就可以看出转轴中心线的运动情况了。一个典型的轴心轨迹尺寸一般小于100微米（〜4mil），这和一根普通的人类头发的直径差不多。轴心轨迹图相当于转轴中心线微观运动的等效图。

注：截面图，例如上面这幅图有可能会给我们造成这样一种错觉，那就是趋近式探头是安装在径向轴承的内部的。一般情况下，我们是将传感器安装在靠近轴承但仍然在轴承外部的地方。

三、相位角

1、相位角测量的作用

在一些机械故障诊断技术中，各种振动信号之间的时序（相位）关系非常重要，但是这部分内容已经超出了本课程的讲授范围。然而，相对和绝对相位测量的一些基本概念是相当简单的，它们有助于我们理解振动监测和分析的一些基本理论。

我们一般利用本特利内华达*产品中的键相传感器来测量相位信息。转轴每旋转一次，该传感器就会触发一个事件响应，为了求得转轴的绝对相位信息，我们还需要使用一个基准参考信号。

2、相位角的测量

2.1相对相位角测量

这个例子显示的是比较两个振动信号从而找到它们之间的的相位差。这种测量方法被称为相对相位测量。相位测量均以角度来描述，一个完整的循环周期是360。为了找到信号之间的相对相位，我们在任意一个信号上选择一个基准点，并测量该选定点与另外一个信号上最近的对应点之间的角度差异。在这个例子中，两个信号对应点之间相差四分之一个周期（90度）。

由于信号B比信号A提前穿过水平轴，我们可以说，信号A滞后信号B 90度，或者说信号B超前信号A 90度。同样，我们也可以说，信号A超前信号B 270度，或者说信号B滞后信号A 270度。然而，相对相位测量值，传统上是表示两个信号的对应点之间的最小的角距离，因此该值总是在0和180度之间。

注：当且仅当两个信号具有相同的频率时，我们才可以算出它们之间的相位差。

2.1相对相位角测量

在这个例子中，我们比较的是一个振动信号与参考基准信号之间的相位差。该参考基准信号是由一系列脉冲信号组成，这些脉冲是诸如凹槽和凸键过这类事件所触发的。本特利内华达产品中的键相传感器有这个功能。

为了求得振动信号的绝对相位，我们测量脉冲信号产生的初始时刻点和该振动信号产生第一个后续正峰值时刻点之间的角度差异。在这个例子中，振动信号的绝对相位约为130度。

注：该振动信号波形中的“亮点”提供了每转一次促发相位参考事件的时间的视觉参考。

3、感器类型

电涡流传感器可以用来有效得提供基准相位信息。键相传感器的典型安装是将其探头呈径向安装在转子周围，当转轴每次旋转时，就可以感知轴上每圈一次的信息（键槽等）。键相传感器可以创建一个基准信号用于测量绝对相位信息及确定机器的转速。

注：我们对键相传感器的探头安装方向没有任何要求，即它们可以安装在任何角度位置上。但在一般情况下，我们将探头安装在便于初始安装及后续维护的角度上。

四、转子转速

自从有了旋转机器后，我们就使用了各种方法来测量它们的转速。机械转速表的原理是在一定的时间间隔内记录下转轴的旋转圈数。一些手持式转速计的测量原理是，首先将其顶着旋转轴的᳿端，然后记录下一定时间间隔内的旋转圈数，最后将旋转圈数除以以分钟为单位的时间间隔，求出转速，单位为RPM（转每分钟）。

频闪观测器提供了一个方便测量轴转速的方法，该方法不需要和转轴有任何接触。当频闪观测器的闪烁频率可以正好将一个可见的旋转组件（如联轴器上的键）“定格”，此时的闪烁频率就对应于转轴的旋转频率（RPM）。在这张照片中，

频闪仪是用来测量电源频率为60赫兹的4极交流异步电机的速度（同步转速=1800RPM）。

频闪观测器的闪烁频率与皮带轮的转速相匹配时，显示器上显示的数字1777.7 RPM，这表明，电机在负载情况下运行，因为它此时的运行转速比同步速度慢了22RPM。

键相位信号：除了提供一个相位参考外，键相信号还提供一个脉冲序列的触发信号。我们可以利用一个脉冲计数器来计算旋转轴的转速（RPM）。

转速计的多触发事件信号：我们也可以通过感应一个普通的齿轮或联轴器上均匀布置的齿形来测量机械的转速。这种类型的信号有一个缺点，就是它不能在轴每次旋转时就提供一个触发脉冲信号，从而就不能为转轴相位测量提供基准信号。但是这种信号也有一个优点，那就是转轴转动很小角度时，它也能感知转轴速度的变化。

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