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1、基于加速度传感器的电机振动测量摘 要电机是现代生产中的重要电气设备，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，电机的故障会对生产造成重大影响，因此需要监测电机的运行状态。为监测电机的运行状态，本文通过加速度传感器来测量电机振动的大小，并通过微控制器对电机加速度信号进行采集，并将它传输给电脑；利用电脑软件对采集的加速度信号进行频域积分得到速度信号，再与电机振动判断标准进行对比分析,从而判断电机运行状态, 确定修复时机，为电机提供检修依据。关键词：加速度；振动测量；信号处理；故障分析Measure the vibration of motor based on the accelera
2、tion sensorAbstractThe electric motor is one sort of the most important electric equipments in modem manufacturingFrom large industrial motors to small appliances, electric motors are everywhere. Its failure would produce a significant impact on the motor, therefore, we need to monitor the operating
3、 status of the motor.In this paper, in order to monitor the motor running, size of the motor vibration is measured by the acceleration sensor, and uses the microcontroller to collect the motor acceleration signal and transfer it to the computer. The acceleration frequency-domain signal is integrated
4、 into the speed signal in the computer, and then the speed signal is compared with the motor vibration criteria, to provide the basis for the maintenance of motor. We can determine the timing of repair.Keywords: Acceleration sensor, Vibration Measurement, Signal Processing, Failure Analysis目 录第1章 绪论
5、11.1 引言11.2 电机振动特性11.2.1 振动参数21.2.2 振动标准3第2章 电机振动测量装置设计62.1 采集模块介绍62.1.1 MMA8452加速度传感器72.1.2 控制器NXP ARM LPC111482.1.3 电源模块82.2 接口转换模块设计92.2.1 TTL信号转485信号92.2.2 RS-485信号转RS-232信号102.2.3 RS-232转USB信号10第3章振动信号采集123.1 信号的采集123.1.1 读取数据模块133.1.2 信号发送18第4章 振动信号处理204.1 振动加速度信号与速度信号之间的转换204.2 信号转换的实现214.3 实
6、际测量结果24结 论27致 谢28参 考 文 献29附录A 译文30附录B 外文原文38附录C 程序代码46第1章 绪论1.1 引言随着科学技术的发展，电机已经成为我们生活中不可缺少的一部分，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，因此电机是否正常工作对我们日常生活的好坏有很大影响。电机振动主要由电枢不平衡、电磁力、轴承磨损、转轴弯曲和安装不良使电机与负载机械的轴心线不对中或倾斜等原因引起的。电机振动大小必须要满足国家的电机振动标准,否则会造成很严重的后果。现在,电机振动标准主要是用振动速度的有效值来衡量。测试和诊断电机振动好坏的基础是采集和处理电机的振动信号，因此我们在测量时必
7、须要有一个电机振动测量、处理和诊断的系统。电机振动测试通常是用加速度传感器记录加速度信号。然后再用傅里叶变换来进行频谱分析。在过去的几十年里，小波分析、时频联合分析、独立分量分析等信号处理的新方法有了很大的发展，为电机振动的深入研究提供了条件。在故障诊断中取得了出色的效果。1.2 电机振动特性电机振动是因为电磁，能量转换，机械振动等物理因素引起的。电机产生振动的原因包括1：1电磁力：电磁力作用在定子和转子之间的空隙中，它的力波在气隙中是旋转的或者是脉动的，力的大小和电磁负荷、电机有效部分的结构和计算参数有关。由电磁力产生的振动大小与作为振荡系统的定子特性有很大的关系，大多数电机的电磁振动都在1
8、004000Hz频率范围内；2轴承：轴承产生的振动和轴承本身的制造质量、轴承配合面的加工精度、固定轴承位置的轴承盖相对电机机座的锁紧面加工精度等有关：3转子的机械不平衡：转子的不平衡能产生显著的振动，特别是3000rpm和更高转速的高速电机中非常明显2。1.2.1 振动参数振动有三个基本参数，分别是振幅、频率和相位。其中振幅可用位移、速度和加速度来表示。在测量过程中我们一般在振动频率小于10H z时测量位移，当频率在10H z到1kH z时测量速度，而当振动频率大于1kH z时测量加速度3。电机振动一般是中频振动，所以在测量时要得到振动的速度信号。我们也可以用频率分析仪测量振动频率，用示波器显
9、示振动相位。电机振动是运动的一种，所以它的加速度、速度、位移三者之间的关系和运动一样，三者都是微积分的关系： (1.2-1) (1.2-2)式中：以d(t) 为振动位移，v(t)为振动速度，a(t)为振动加速度。在物理意义上，位移体现了振动质点相对参考点的瞬时位置；速度是单位时间内的位移，反映振动质点运动的快慢程度；加速度是速度的变化率，反映速度变化的快慢。但是它们之间是有着很紧密的联系，例我们假设瞬时位移为：则： (1.2-3) (1.2-4) 推导可得： (1.2-5) (1.2-6)式中分别为振动的位移、速度、加速度。从上面的式子我们可以看出：当振动加速度一定时，速度和振动频率成反比，位
10、移和振动频率的平方成反比；当振动的位移一定时，速度和振动的频率成正比，加速度和振动频率的平方成正比。所以位移对低频振动比较敏感，加速度对高频比较敏感，而速度参量对频率的敏感度在位移和加速度之间。所以我们在对高频故障（如滚动轴承、齿轮箱故障等）或高速设备进行测量时，应选加速度为参考量；在对低频故障（如不平衡、不对中等）或低速设备测量时，应选位移为参考量；而在进行振动的总体状态测量时，都是选速度为参考量。正是由于这样，国际ISO-2372振动烈度标准是以振动的速度为参考量的。我们在测量振动是要将我们测得的物理量变为速度参量。1.2.2 振动标准国际上流行的标准很多，但是一般较集中在振幅（位移）、速
11、度和加速度上。其建立的理论依据为美国齿轮制造协会（AGMA）提出的机械（滚动轴承）发生振动时的预防损伤曲线。见图1-1。图1-1由图可见，频域在10Hz以下，位移是恒定的，所以通常把位移作为振动标准进行比较；当振动的频域在10Hz-1KHz时，速度是恒定不变的，所以把速度作为判断振动好坏的依据；而在1KHz以上高频域时，加速度是一定的，以加速度作为判定标准4。 前人的研究已经理论证明4，电机振动部件的疲劳与振动的速度成正比，振动所产生的能量与振动速度的平方成正比，能量传递的结果造成磨损和其它缺陷，一因此在振动判断标准中，无论从疲劳损伤还是磨损等缺陷来说，以速度标准最为适宜。对于低频振动，主要考
12、虑位移破坏，这种破坏的实质是疲劳强度破坏，而不是能量破坏；对于1KHz以上的高频域，主要考虑冲击和共振破坏。1. 振幅（位移）标准如图1-2振动位移（um）ISO10816140以上DD14011390C71C57B45B3729A22A图1-2 振动位移标准有大型旋转机械的振幅标准、电厂用汽轮机振幅标准、化工部颁发的部分设备标准、部分引进日本设备的振幅标准、大型机组相对位移标准和金属切削机床位移标准。在金属切削机床位移标准中，普通车床位移标准为5.00-25.4m；平面磨床位移标准为1.27-5.0m；外国磨床位移标准为0.76-5.0m。2. 速度标准4 此标准是国际化组织在德国标准VDI
13、2056和英国标准BS4675的基础上制定的,见表1-3。 表1-3速度标准振动强度ISO2372ISO3945范围速度有效值(MM/s)I级级级级刚性基础柔性基础0.280.28AAAA优优0.450.450.710.711.121.121.81.8B2.82.8CB4.54.5CBB良7.17.1DC可良11.211.2DC1818D不可可2828不可4545D71注：（1）I型为小型电机（小于15KW的电动机）；II型为中型电机（15KW-75KW的电动机等）；III型为大型原动机（硬基础）；IV型为大型原动机（弹性基础）。（2）A、B、C、D为振动级别，A级好，B级满意，C级不满意，D
14、级不允许。测量速度RMS应在轴承壳的三个正交方向上。 第2章 电机振动测量装置设计本次设计的装置是一个将微控制器与PC机联合在一起的信号处理装置，它从整体上分为三个部分：采集模块、接口电路转换模块和PC机处理模块如图2-1。采集模块接口转换模块PC机处理模块图2-1 装置结构图采集模块负责对信号进行采集；接口转换模块负责将采集的信号传输给PC机，同时负责将PC机的控制指令传递给采集模块；PC机处理模块负责对接收到的信号进行处理。2.1 采集模块介绍本模块设计包括：传感器部分，用来采集振动的加速度信号；控制部分，用来初步处理数据并将数据进行接发收；信号传输部分，将传感器采集的信号传输给控制器；电源部分，为整个装置提供电源。当控制器接收到计算机接受信号指令后，通过I2C（InterIntegrated Circuit）通信向加速度传感器发
