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1、机械动态监测与故障诊断 第三章 振动信号测试,幻灯片下载地址： 密码：123456,第三章 振动信号测试,3.1 振动信号测试系统的基本构成 1、构成 2、信息流,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。,汽轮发电机组的监测系统框图,第三章 振动信号测试,3.2振动信号测试传感器 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。 根据测量参数的不同可将测振传感器分为： 振动位移传感器 振动速度传感器 振动加速度传感器。,第三章 振动
2、信号测试,3.2.1位移传感器 位移传感器的输出电量与振动成正比，分为： 接触式测量 ：有变阻式和应变式 非接触式测量：电容式和电涡流式 本章重点介绍最常用的电涡流式位移传感器。其原理如下： 电涡流式位移传感器是一种绕在磁芯线圈，它与谐振电容并联，构成并联谐振回路。振荡器提供高频电流激励，在传感器周围产生高频交变磁场，但磁场范围出现导体时，根据电磁感应定律，在磁场作用下导体表面将产生感应电流涡流。涡流是以线圈为中心的同心圆环，这些涡流总是阻止原线圈磁场的变化，这样传感器的高频能量被吸收，表现为传感器线圈内的电感量的变化。因此，只要测出电感量的变化，就可以间接知道间隙的变化，即振动的位移量。,第
3、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
4、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。,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 = -Blv10-3V 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,选择速度传感器时注意的问题： 1、最低工作频率 凡被测设备的频谱图中低于最低工作频率的信号是失真的，可信度低 2、灵敏度 用于将测得的电压值换算成速度值，也是估计传感器最大输出电压的重要参数。不同
5、厂家的灵敏度是不同的。,第三章 振动信号测试,3.2.3加速度传感器 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效应。,加速度传感器结构图及实物,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
6、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35m，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型加速度传感器测量电路 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测振传感器的性能指标（以压电式传感器为例） 1、灵
7、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0.1Hz10kHz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。,压电式传感器的频率特性,第三章 振
8、动信号测试,3.3信号调理和预处理 3.3.1信号放大 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。,压电传感器、电缆、放大器组成的等效电路,第三
9、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。,微积分放大器组成电路,第三章 振动信号测试,3.3.2 信号预处理 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
10、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
11、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： 低通滤波器 能传输 0f0 频带内的信号 高通滤波器 能传输 f0频带内的信号 带通滤波器 能传输 f1f2 频带内的信号 带阻滤波器 不能传输 f1f2 频带内的信号 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
12、(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
13、乘积的同态滤波法,（2）解卷积的同态滤波法,第三章 振动信号测试,3.4模拟信号的离散化 3.4.1采样与量化误差 1、采样过程：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：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(nt)。 t称为采样间隔，1/ t= fs 称为采样频率。 采样，实质上是将模拟信号x(t)按一定的时间间隔t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、量化及误差 量化又称幅值量化，把采样
14、信号x(nt)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/D。R称为量化步长或量化增量。但采样信号x(nt)落在某一小间隔内，经过舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。,第三章 振动信号测试,3.4.2采样间隔和频率混淆 采样定理 Shannon采样定理给出了带限信号不丢失信息的最低采样频率为： fs 2fm fm为原信号中最高频率成分的频率。若不满足此采样定理，将会产生频率混淆现象。 解决频率混淆的办法： （1）提高采样频率以满足采样定理，一般工程中取： fs =（2.564）2fm （2）用低
15、通滤波器滤掉不必要的高频成分，以防频混产生，此时的低通滤波器也称为抗频混滤波器，如滤波器的截止频率为 fc，则 fc= fs /(2.564),第三章 振动信号测试,3.4.3采样长度与频率分辨率 当采样间隔t为一定时，采样长度T越长，数据点数N就越大。为了减少计算量，T不宜过长。但是若，T过短，不能反应信号的全貌，因为在做傅里叶变换时，频率分辨率 f 与采样长度成反比： f = 1/ T = 1/(N t) 因此，要综合考虑采样频率和采样长度问题。 一般信号分析中，采样点数N选2M，使用较多的有512，1024，2048等。,第三章 振动信号测试,3.5模数(A/D)转换器的性能指标 A/D
16、转换器的性能指标很多，其中最基本的指标是转换时间、转换位数、分辨率以及通道数。 1、转换时间 转换时间是指完成一次完整A/D转换工作所需要的时间。转换时间越短意味着可以用更高的采样频率采样。 在A/D转换中，转换时间大于300us的称为低速A/D。 20300us的称为中速A/D。 小于20us称为高速A/D。现在高速A/D转换时间可达到5us，也就是说对模拟信号采用20MHz的采样频率。,第三章 振动信号测试,2、转换位数和分辨率 对A/D转换器，分辨率表示输出量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。其定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为A/D转换器的转换位数，常用的有8bit、10
17、bit、12bit、14bit、16bit。 一个10V满刻度的12bit A/D转换器，能够分辨出输入电压变化的最小值为：10V/212=2.4mV。 对于给定的A/D，当转换位数确定后，其分辨率就已经确定。转换位数增多，分辨率提高，但另一方面又会使电路复杂，转换时间拖长，转换器的价格也相应提高。,A/D转换器分辨率与位数关系（满量程电压10V）,第三章 振动信号测试,3、通道数 通道数：能同时输入或输出模拟信号的路数。 在考察一个A/D转换器的通道时，还需要注意一个情况，通道是并行输入（出）还是顺序输入（出）的。 并行输入每个通道都有一个转换器工作，而顺序输入是用一个转换器交替切换工作。
18、在多通道工作时的容许采样频率就比单通道工作时的要低。 例如单通道工作时的容许最高采样频率为20MHz，则双通道工作时的容许最高采样频率为10Hz,第三章 振动信号测试,4、同步采样与伪同步采样 一般工业控制系统中的工艺参数往往是缓变量，但数据采集点多，在数据采集策略上都是对一个数据采集点取多个样，取平均值作为该采样的采集值，然后切换到下一个数据采集点。即，各个采集点的数据实际上都是在不同时间采集的。 故障诊断系统是一种多通道信号分析系统。要求各通道的采样值都是同一时刻的，即要求同步采样。,第三章 振动信号测试,多通道信号分析系统的A/D转换装置有两种硬件策略。 （1）每通道一个A/D转换电路，
19、实现同步采样，这种方案同步性最好，也是成本最高的。通常用于少通道采样，如2通道、4通道。 （2）用带有多通道同步保持器的单A/D转换电路，同步保持器类似照相机的快门，将个通道的信号电压拍摄下来并保持，再等待A/D电路一次进行转换采样。 另外还有一种伪同步采样，它使用普通的A/D卡，从控制软件上实现伪同步采样。其思路是：由于设备诊断所需的采用频率在10kHz以下，所以采用100300kHz A/D卡，在控制软件的采样策略方面，以最高速度一次对各通道进行转换传输，然后空循环等待下一次采样指令。控制空循环等待时间以实现所需要的采用频率。,数据采集卡,经济型PCI总线数据采集卡 12位单端16通道/双端8通道 输入：05V、010V、5V、2.5V (010mA、420mA) 数字量DI/DO各8CH,型号：USB-9211 16位USB2.0总线AD、DA数据采集卡 16位32单端/16双端模拟量输入卡 AD采集速率:100K/S AD转换方式：通道自动切换，不间断连续采集 程控放大：1/2/4/8 倍或(1/10/100/1000倍；H型) 板载FIFO：16K字 16路数字量输入/16路数字量输出 4通道32位计数输入/4通道32位定时输出，坚固钢制外壳,