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1、机 电类 传感器与检测技术项目教程 模块七 振动检测 课件 统一书号 ISBN 978 7 111 48817 0 课程配套网站 sensor measurement 或liangsen 2019年2月第1版 作者 梁森 黄杭美 王明霄 王侃夫 Date1 n本模块块介绍绍 振动动 的基本概念 各种 测测振传传感器 激振的方法 各种激振器 简简 要介绍频谱图绍频谱图 振动动的频谱频谱 分析 还还介绍绍了 MEMS加速度传传感器 内容简介 今天是 模块七 振动检测 下 目录 进入 进入 进入 知识链接 振动的基本概念 项目一 测振传感器 项目二 振动的频谱分析与故障诊断 拓展阅读 MEMS加速度
2、传感器 現在時間是 任务二 涡流式位移传感器测量振动 一 认识涡流效应与涡流线圈的阻抗 1 涡流效应 根据法拉第电磁感应定律 金属导体置于变化的 磁场中时 导体表面以及近表面就会产生感应电流 电流在金属体内自行闭合 这种由电磁感应原理产生 的旋涡状感应电涡流 以下简称涡流 的现象称为涡 流效应 Date4 图7 17 涡流效应 1 涡流线圈 2 导电工件 3 涡流 Date5 涡流传感器工作原理 涡流效应演示 当涡流线圈与 金属板的距离x 减小时 电涡流 线圈的等效电感 L 减小 等效电 阻R 增大 Q值 降低 流过电涡 流线圈的电流 i1 增大 Date6 趋肤效应 工件表面产生的涡流在金属
3、导体的纵深方向不是均 匀分布的 主要集中在金属导体的表面 称为趋肤效应 也称集肤效应 高频电流向 导线外表面聚集 Date7 圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图 a 直流电流时的 均匀分布 b 中频电流时中心部位 电密度减小 c 高频电流时 电流 趋向表面分布 高压电力 传输线的 8分裂导线 减小 趋肤效应 Date8 电磁炉内部的多股漆包线绕制的涡流线圈 多股漆包线的 原材料 Date9 2 涡流线圈的等效阻抗 涡流线圈受被测金属工件影响后一次侧线圈的阻抗Z 与激励频率f 磁导率 电导率 金属导体的形状和 表面因素 粗糙度 沟痕 裂纹等 r以及涡流线圈到 金属导体的距离 有关 涡流线圈的等效
4、阻抗Z可用以下 函数 f 的表达式来表示 Z f f r 7 10 如果控制f r不变 涡流线圈的阻抗Z就成为 的单值函数 可以作为非接触式位移检测传感器 如 果控制 f 不变 就可以用来检测与表面因素r有关的 表面电导率 表面温度 表面裂纹等参数 或用来检 测与材料磁导率 有关的材料型号 表面硬度等参数 涡流线圈的阻抗与f r 之间的关系均呈非 线性关系 必须由计算机进行线性化处理或曲线拟合 Date10 二 涡流式传感器探头结构 图7 18 涡流探头结构 1 扁平涡流线圈 2 探头壳体 3 壳体上的位置调节螺纹 4 印制电路板 5 夹持锁紧螺母 6 电源指示灯 7 阈值指示灯 8 输出屏蔽
5、电缆 9 电缆插头 Date11 三 涡流探头信号转换电路 图7 19 1 定频调幅式信号转换电路 AM电路 以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与 被测金属导体之间的关系 石英晶体振荡器通过耦合电阻 R 向由探头线圈和一个微调电容 C0组成的并联谐振回路提供一个 稳频 稳幅的高频激励信号 相当于一个恒流源 当被 测振动体为非磁性金属时 探头线圈的等效电感Lx减小 并引起Q值下降 输出电压uLx 及Uo就大大降低 Date12 图7 20 定频 调幅式的谐振曲线 0 探头与被测 物间距很远时 1 非磁性金属 间距较小时 2 非磁性金属 间距与探头线圈 直径相等时 3 磁性金属 间距较小时 Dat
6、e13 2 调频式电路 FM电路 是将涡流线圈的电感量L与微调电容C0构 成LC振荡器 以振荡频率f 作为输出量 此频率可以通过F V转换器 又称为鉴频器 转换成 电压 也可以直接将频率信号 TTL电平 送到计算机 的计数 定时器接口 计算出频率的变化 测量转换原理如图7 21a所示 并联谐振回路的谐振 频率为 7 11 AM FM Date14 图7 21 调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性 当涡流线圈与被测振动体的距离x变小时 涡流线圈 的电感量L也随之变小 引起LC振荡器的输出频率变大 此频率差可直接用计算机测量 如果要用模拟仪表进 行显示或记录时 必须使用鉴频器 将 f转换为电压
7、Uo 如果被测金属板处于振动状态 与涡流探头的距离 周 期变化 鉴频器的输出信号为同频率的交流电压 a 测量转换原理 b 鉴频器特性 Date15 四 涡流式测振传感器的特性 YD9800系列电涡流位移传感器特性 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系 线圈 直径 m m 壳体 螺纹 mm 线性 范围 mm 最佳安装 距离 mm 最小 被测面 mm 分辨 力 m 5M8 110 5151 11M14 1 542354 25M16 1 584708 50M30 2251210010 Date16 五 被测振动体材料 形状 大小对灵敏度的影响 1 对于非磁性材料 被测振动体的电导率越高 灵 敏度
8、就越高 但被测振动体是导磁材料时 其磁导率将 影响涡流线圈的感抗 其磁滞损耗也将较大地影响涡流 线圈的Q值 所以其灵敏度变高 2 当被测振动体为圆盘状物体的平面时 物体的直 径应大于线圈直径的2倍 被测振动体为轴状圆柱体的 圆弧表面时 它的直径应为线圈直径的4倍以上 3 被测振动体的厚度应在0 2mm以上 4 在测量时 涡流式传感器探头周围除被测导体外 应尽量避开其他导体 以免干扰高频磁场 引起线圈 的附加损失 Date17 六 涡流式传感器用于振动位移的检测 图7 22 非接触振幅 测量方法 a 径向振动测量 b 长轴振型测量 c 叶片振动测量 1 涡流式传感器 2 被测物 Date18 例
9、7 4 用涡流式测振仪检测轴向窜动如图7 23a所示 已知传感器的灵敏度K 2 5V mm 最大线性范围 优于5 xmax 8mm 现将传感器安装在主轴的右侧 使用计算机记录下的振动波形如图7 23b所示 求 1 主轴振动的基频 f 是多少赫兹 2 轴向振动的振幅峰峰值xpp为多少微米 3 为了得到较好的线性度与最大的测量范围 传感 器与被测金属的安装距离 0应为多少毫米 4 振动波形不是正弦波的原因有哪些 Date19 解 1 主轴振动的基频 f 1 T 1 40ms 2 50Hz 2 轴向振动的振幅峰峰值xpp Upp K 5 2 5V mm 2mm 3 为了在动态下获得较好的线性度 间隙
10、应为量程的一半 所以 传感器与被测金属的安装距离 0 0 5xmax 0 5 8mm 4mm 4 振动波形不是正弦波的原因有 轴向振动本身就不是简谐振 动 含有大量的高次谐波 被测面不平整 涡流式传感器的 支架与基座直径存在微小的共振等 图7 23 用涡流式测振仪检测轴向窜动 a 轴向窜动的检测 b 振动波形 Date20 表7 7 汽轮机 发电机组轴相对振动的限值 位移峰峰值 单位 m 级 段 转速 r min 1 15 0 0 18 0 0 30 0 0 36 0 0 A 10 0 908075 B 20 0 18 5 16 5 15 0 C 30 0 29 0 26 0 24 0 Dat
11、e21 任务三 磁电式传感器测量振动 磁电式传感器的工作原理是电磁感应 它能将被测 速度转换成感应电动势 也称为电动式传感器 根据电磁感应定律 线圈中的感应电动势幅值由磁 通的变化率决定 磁通量的变化可以通过很多方法来实 现 如磁铁与线圈之间作相对运动 磁路中磁阻的变化 等 磁电式传感器是一种机 电能量变换的自发电型传 感器 现场不需要供电电 源 输出信号强 输出阻 抗小 信号处理电路简单 但尺寸和重量均较大 不适合高频振动检测 Date22 一 动圈式磁电传感器 图7 24 磁电式速度传感器 a 动铁式结构 b 动圈式结构 1 顶杆 与被测振动体接触 2 限位器 3 8 波纹膜片支撑 4 磁
12、铁 5 铁心 6 动圈 7 动圈引线 9 壳体 10 支撑弹簧 11 固定线圈 12 线圈框架 13 被测振动体 Date23 二 动铁式磁电传感器 当振动频率远高于永久 磁铁及弹簧组成的弹性系 统的固有频率时 永久磁 铁来不及跟随振动体一起 振动 几乎静止不动 所 以永久磁铁与线圈之间的 相对运动速度接近于被测 振动体的振动速度 线圈 与磁铁之间的相对运动使 线圈切割磁力线 产生与 运动速度成正比的感应电 动势 只适合于低频振动 检测 Date24 任务四 振动的激振与激振 激振器有脉冲力锤式 机械偏心轮式 机械凸轮式 电液式 振动力可达10kN 和电动式等几种类型 电 动式激振器也称 电动
13、式振动台 可分为永磁式和励磁 式两种 前者用于小型激振器 后者多用于大型振动台 Date25 激振的主要方式 1 稳态正弦激振 稳态正弦激振又称简谐激振 它是借助于激振设备对被测对象施加一个频率可控的简 谐激振力 t Fsin t 它的优点是激振功率大 信噪 比高 能保证响应测试的准确度 但由于系统达到稳态 需要一定的时间 特别是当系统阻尼较小时 要有足够 的稳定时间 2 随机激振 随机激振一般用白噪声或伪随机信 号发生器作为信号源 是一种带宽激振方法 白噪声发 生器能产生连续的随机信号 3 瞬态激振 瞬态激振给被测系统提供的激振信 号是一种瞬态信号 属于一种宽频带激振 目前常用的瞬态激振方法
14、有脉冲锤击等 可以用敲 击锤对试件直接施加脉冲力 Date26 一 电动式激振器 图7 25 电动式激振器 1 固定螺栓 或橡胶扎带 2 振动台面 3 顶杆 4 限位器 5 下凹支撑弹簧片 两片 6 动圈引 线 7 接线端子 8 动圈 9 永久磁铁 10 环形软铁 心 11 心杆 12 上凸支撑弹簧片 13 壳体 14 刚性 支架 右图图 结结构 左图图 外形 右图图 结结构 左图图 外形 Date27 2 电动式激振器的安装 对于固定工作或极低频 应将激振器刚性固定于 地面 要求激振器和支架 夹具等形成的振动系统的共 振频率高于激振器的工作频率3 4倍 激振工作频率5Hz f 100Hz时
15、激振器用具有弹 性的支撑固定在地面 在进行较高频率激振或当激振器无法采用上述两 种方法固定于地面时 可将激振器依靠弹簧 橡胶等弹 性元件固定在被测振动体上方的顶面上 要求激振器和 弹簧所形成的振动系统共振频率低于激振最低工作频率 3 4倍 Date28 电动式激振器的安装 续 将激振器用弹簧支撑在 被测振动体上 如桥梁 飞 机的机翼等结构 适用于 被测振动体的质量远远超过 激振器且激振频率大于激振 器和弹性支撑所形成的振动 系统共振频率的场合 当需要进行水平激振时 激振器应水平悬挂 悬挂 弹簧的吊杆应倾斜 角 Date29 图7 26 电动式激振器的安装 a 激振器直接固定在地面 b 激振器用
16、具有弹性的 支撑固定在地面 c 激振器用具有弹性的 支撑固定在顶面 d 激振器固定在被测振动体上方 e 激振器固定在侧面 k 弹簧 c 阻尼 Date30 3 振动体振动参数的激光干涉检测方法 图7 27 激光干涉测振系统 1 氦氖激光器 或LD 2 分光镜 3 反光膜 4 被校测振传感器 5 参考反射镜 o0 测量光束 o1 振动体反射光束 o2 振动体光束 e0 参考光束 e1 参考镜反射光束 e2 参考镜光束Date31 半导体激光器 LD 半导体激光器的发光波长随 温度变化为0 2 0 3nm 在室温附近 温度每升高 1 半导体激光器的发光 强度会相应地减少1 氦氖激光器 Date32 二 力锤激振 力锤由锤头垫 测力传感器 附加质量块 配重 和锤柄等几部分组成 锤头垫与质量块之间装有一个测 力传感器 以测量被测系统所受锤击力的大小 锤击的 能量与质量 初速度的乘积的平方成正比 锤击的激振 力与锤击质量 锤头的材料 钢 铝 橡胶 塑料等 有关 较重的力锤适合于体积和质量较大的被测振动体 Date33 图7 28 力锤 a 结构 b 外形 c 激振的时域波形 1 锤头垫 2 测力
