《模块振动检测下PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块振动检测下PPT课件（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块七、振动检测模块七、振动检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）7/22/20241本模块介绍本模块介绍“振动振动” 的基本概念、的基本概念、各种测振各种测振传感器传感器、激振的方法、激振的方法、各种激振器各种激振器，简要介绍简要介绍频谱图频谱图、振动的频谱分析，、振动的频谱分析，还介绍了还介绍了MEMSMEMS加速加速度传感器度传感器。内容简介内容简介今天是：今天是：7/22/20
2、247/22/20247/22/20242模块七、振动检测（下）模块七、振动检测（下） 目录目录进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 振动的基本概念振动的基本概念项目一、测振传感器项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断项目二、振动的频谱分析与故障诊断拓展阅读拓展阅读 MEMS加速度传感器加速度传感器現在時間現在時間是：是：08:2008:207/22/20243任务二任务二 涡流式位移传感器测量振动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一、认识涡流效应与涡流线圈的阻抗1涡流效应涡流效应根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的金属导体置
3、于变化的磁场中时磁场中时，导体表面以及近表面就会产生感应电流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的旋涡状感应电涡流涡流（以下简称（以下简称涡流涡流）的现象称为）的现象称为涡涡流效应流效应。7/22/20244图图7-177-17 涡流效应涡流效应1涡流线圈涡流线圈 2导电工件导电工件 3涡流涡流7/22/20245涡流传感器工作原理涡流传感器工作原理 涡流效应演示涡流效应演示 当涡流线圈与当涡流线圈与金属板的距离金属板的距离x 减小时，电涡流减小时，电涡流线圈的线圈的等效电感等效电感L 减
4、小，减小，等效电等效电阻阻R 增大增大，Q值值降低，流过电涡降低，流过电涡流线圈的流线圈的电流电流 i1 增大增大。 7/22/20246趋肤效应趋肤效应工件表面产生的涡流工件表面产生的涡流在金属导体的纵深方向在金属导体的纵深方向不是均匀不是均匀分布分布的，主要的，主要集中在金属导体的表面集中在金属导体的表面，称为，称为趋肤效应趋肤效应，也称也称集肤效应集肤效应。高频电流向高频电流向导线外表面聚集导线外表面聚集7/22/20247圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图圆形导线中的电缆电流趋肤效应示意图a）直流电流时的直流电流时的均匀分布均匀分布 b）中频电流时中心部位中频电流时中心部位电密度减小电
5、密度减小 c）高频电流时，电流高频电流时，电流趋向表面分布趋向表面分布高压电力高压电力传输线的传输线的8分裂导线分裂导线减小减小趋肤效应趋肤效应7/22/20248电磁炉内部的多股漆包线绕制的涡流线圈电磁炉内部的多股漆包线绕制的涡流线圈多股漆包线的多股漆包线的原材料原材料7/22/202492 2涡流线圈的等效阻抗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与激励频率与激励频率f、磁导率磁导率、电导率电导率、金属导体的形状和金属导体的形状和表面因素（粗糙度、沟痕、裂纹等）表面因素（粗糙度、沟痕、裂纹等）r以及以及涡流线圈到涡流线圈
6、到金属导体的距离金属导体的距离有关。涡流线圈的等效阻抗有关。涡流线圈的等效阻抗Z可用以下可用以下函数函数 f 的表达式来表示：的表达式来表示：Z=f（f、r、） （7-10）如果控制如果控制f、r不变，涡流线圈的阻抗不变，涡流线圈的阻抗Z就成为就成为的单值函数，可以作为非接触式位移检测传感器的单值函数，可以作为非接触式位移检测传感器；如如果控制果控制、f 不变，就可以用来检测与表面因素不变，就可以用来检测与表面因素r有关的有关的表面电导率表面电导率、表面温度表面温度、表面裂纹表面裂纹等参数，或用来检等参数，或用来检测与材料磁导率测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。有关的材料型号、表面
7、硬度等参数。涡流线圈的阻抗与涡流线圈的阻抗与f、r、之间的关系之间的关系均呈非均呈非线性关系线性关系，必须由计算机进行线性化处理或曲线拟合必须由计算机进行线性化处理或曲线拟合。7/22/202410二、涡流式传感器探头结构二、涡流式传感器探头结构图图7-18 涡流探头结构涡流探头结构1扁平涡流线圈扁平涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制电路板印制电路板5夹持锁紧螺母夹持锁紧螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆输出屏蔽电缆 9电缆插头电缆插头7/22/202411三、涡流探头信号转换电路三、涡流探头信号转换电路（图图7-
8、197-19）1定频调幅式信号转换电路定频调幅式信号转换电路AM电路：电路：以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与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被测金属导体之间的关系。石石英英晶晶体体振振荡荡器器通通过过耦耦合合电电阻阻R,向向由由探探头头线线圈圈和和一一个个微微调调电电容容C0组成的并联谐振回路组成的并联谐振回路提供提供一个一个稳稳频频、稳稳幅幅的的高高频频激激励励信信号号，相相当当于于一一个个恒恒流流源源。当当被被测测振振动动体体为为非非磁磁性性金金属属时时，探探头头线线圈圈的的等等效效电电感感Lx减减小小，并引起并引起Q值下降值下降，输出，输出电压电压uLx 及
9、及Uo就就大大降低大大降低7/22/202412图图7-207-20 定频、调幅式的谐振曲线定频、调幅式的谐振曲线0探头与被测探头与被测物间距很远时物间距很远时 1非磁性金属、非磁性金属、间距较小时间距较小时2非磁性金属、非磁性金属、间距与探头线圈直间距与探头线圈直径相等时径相等时 3磁性金属、磁性金属、间距较小时间距较小时7/22/2024132 2调频式电路调频式电路FM电电路路：是是将将涡涡流流线线圈圈的的电电感感量量L与与微微调调电电容容C0构构成成LC振荡器，以振荡频率振荡器，以振荡频率f 作为输出量作为输出量。此此频频率率可可以以通通过过F/V转转换换器器（又又称称为为鉴鉴频频器器
10、）转转换换成成电电压压。也也可可以以直直接接将将频频率率信信号号（TTL电电平平）送送到到计计算算机机的计数、定时器接口，计算出频率的变化的计数、定时器接口，计算出频率的变化。测测量量转转换换原原理理如如图图7-21a所所示示。并并联联谐谐振振回回路路的的谐谐振振频率为频率为 （7-11） AM FM7/22/202414图图7-217-21 调频式测量转换电路原理框图及鉴频器特性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当涡流线圈与被测振动体的距离距离x变小时，涡流线圈变小时，涡流线圈的电感量的电感量L也随之变小，引起也随之变小，引起LC振荡器的输出频率变大振荡器的输出频
11、率变大，此频率差可直接用计算机测量。如果要此频率差可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行用模拟仪表进行显示或记录时显示或记录时,必须使用鉴频器必须使用鉴频器,将将f转换为电压转换为电压Uo。如果被测金属板处于振动状态，与涡流探头的距离如果被测金属板处于振动状态，与涡流探头的距离周周期变化，鉴频器的输出信号为同频率的交流电压期变化，鉴频器的输出信号为同频率的交流电压。a）测量转换原理）测量转换原理 b）鉴频器特性）鉴频器特性7/22/202415四、涡流式测振传感器的特性四、涡流式测振传感器的特性YD9800系列系列电涡流位移传感器特性电涡流位移传感器特性 探头的直径探头的直径与与测量范围测量
12、范围及及分辨力分辨力之间有何关系之间有何关系？ 线圈线圈直径直径/mm壳体壳体螺纹螺纹/mm线性线性范围范围/mm最佳安装最佳安装距离距离/mm最小最小被测面被测面/mm 分辨力分辨力/m5M8110.515111M141.54235425M161.58470850M3022512100107/22/202416五、被测振动体材料五、被测振动体材料, ,形状形状, ,大小对灵敏度的影响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）对于非磁性材料，被测振动体的电导率越高，灵敏度就越高。敏度就越高。但但被测振动体是导磁材料时，其磁导率将被测振动体是导磁材料时，其磁导率将影响涡流
13、线圈的感抗，其磁滞损耗也将较大地影响涡流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线圈的Q值，所以其灵敏度变高值，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）当被测振动体为圆盘状物体的平面时，物体的直直径应大于线圈直径的径应大于线圈直径的2倍倍；被测振动体为轴状圆柱体的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圆弧表面时，它的直径应为线圈直径的4倍以上倍以上。3）被测振动体的厚度应在）被测振动体的厚度应在0.2mm以上以上。4）在测量时，涡流式传感器探头周围除被测导体外，）在测量时，涡流式传感器探头周围除被测导体外，应尽量应尽量避开其他导体，以免
14、干扰高频磁场避开其他导体，以免干扰高频磁场，引起线圈的，引起线圈的附加损失。附加损失。7/22/202417六、涡流式传感器用于振动位移的检测六、涡流式传感器用于振动位移的检测图图7-22 非接触振幅非接触振幅测量方法测量方法a）径向振动测量）径向振动测量 b）长轴振型测量）长轴振型测量 c）叶片振动测量）叶片振动测量1涡流式传感器涡流式传感器 2被测物被测物7/22/202418 例例7-47-4 用涡流式测振仪检测轴向窜动如用涡流式测振仪检测轴向窜动如图图7-23a所示。所示。已知传感器的灵敏度已知传感器的灵敏度K=2.5V/mm，最大线性范围（优于，最大线性范围（优于5%）xmax=8m
15、m。现将传感器安装在主轴的右侧，使用。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计算机记录下的振动波形如图图7-23b所示。求：所示。求： 1）主轴振动的基频）主轴振动的基频 f 是多少赫兹？是多少赫兹？ 2）轴向振动的振幅峰峰值）轴向振动的振幅峰峰值xpp为多少微米？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）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器与被测金属的安装距离0应为多少毫米？应为多少毫米？ 4）振动波形不是正弦波的原因有哪些？）振动波形不是正弦波的原因有哪些？7/22/202419解解 1）主轴振动的基频）主轴振动的基频 f
16、=1/T=1(40ms/2)=50Hz。2）轴向振动的振幅峰峰值）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，间隙应为量程的一半，所以为了在动态下获得较好的线性度，间隙应为量程的一半，所以传感器与被测金属的安装距离传感器与被测金属的安装距离0=0.5xmax=0.58mm=4mm。4）振动波形不是正弦波的原因有）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轴向振动本身就不是简谐振动，含有大量的高次谐波动，含有大量的高次谐波；被测面不平整被测面不平整；涡流式传感器的涡流式传感器的支架与基座直径存在微小的共振支架与基座直径存在微小
17、的共振等。等。图图7-23 用涡流式测振仪检测轴向窜动用涡流式测振仪检测轴向窜动a）轴向窜动轴向窜动的检测的检测 b）振动波形振动波形7/22/202420表表7-77-7 汽轮机汽轮机- -发电机组轴相对振动的限值发电机组轴相对振动的限值（位移峰峰值，单位（位移峰峰值，单位mm）级级段段转速转速/rmin-11500180030003600A100908075B200 185 165 150C300 290 260 2407/22/202421任务三任务三 磁电式传感器测量振动磁电式传感器测量振动磁电式传感器的磁电式传感器的工作原理是电磁感应工作原理是电磁感应。它能。它能将被测速将被测速度转
18、换成感应电动势度转换成感应电动势，也称为电动式传感器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：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。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磁电式传感器是一种机-电能量变换的自发电型传电能量变换的自发电型传感器感器，现场不需要供电电现场不需要供电电源源，输出信号强输出信号强，输出阻输出阻抗小抗小，信号处理电路简单信号处理电路简单，但但尺寸和重量均较大尺寸和重
19、量均较大，不不适合高频振动检测适合高频振动检测。7/22/202422一、动圈式磁电传感器一、动圈式磁电传感器图图7-24 磁电式速度传感器磁电式速度传感器a）动铁式结构）动铁式结构 b）动圈式结构）动圈式结构1顶杆（与被测振动体接触）顶杆（与被测振动体接触） 2限位器限位器 3、8波纹膜片支撑波纹膜片支撑 4磁铁磁铁 5铁心铁心6动圈动圈 7动圈引线动圈引线 9壳体壳体 10支撑弹簧支撑弹簧 11固定线圈固定线圈 12线圈框架线圈框架 13被测振动体被测振动体7/22/202423二、动铁式磁电传感器二、动铁式磁电传感器当振动频率当振动频率远高于永久远高于永久磁铁及弹簧组成的弹性系磁铁及弹簧
20、组成的弹性系统的固有频率时统的固有频率时，永久磁，永久磁铁来不及跟随振动体一起铁来不及跟随振动体一起振动，几乎静止不动振动，几乎静止不动，所，所以以永久磁铁与线圈之间的永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于被测相对运动速度接近于被测振动体的振动速度振动体的振动速度。线圈线圈与磁铁之间的相对运动使与磁铁之间的相对运动使线圈切割磁力线线圈切割磁力线，产生与产生与运动速度成正比的感应电运动速度成正比的感应电动势动势，只适合于低频振动只适合于低频振动检测。检测。7/22/202424任务四任务四 振动的激振与激振振动的激振与激振 激振器有激振器有脉冲力锤式脉冲力锤式、机械偏心轮式机械偏心轮式、机械凸轮
21、式机械凸轮式、电液式电液式（振动力可达（振动力可达10kN）和）和电动式电动式等几种类型。等几种类型。电电动式激振器也称动式激振器也称“电动式振动台电动式振动台”。可分为。可分为永磁式永磁式和和励励磁式磁式两种。两种。前者用于小型激振器前者用于小型激振器，后者多用于大型振动台后者多用于大型振动台。7/22/202425激振的主要方式激振的主要方式（1）稳态正弦激振：）稳态正弦激振：稳态正弦激振又称简谐激振稳态正弦激振又称简谐激振，它是借助于它是借助于激振设备对被测对象施加一个频率可控的简激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力，谐激振力， (t)=Fsint。它的优点是激振功率大、。它的
22、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。足够的稳定时间。（2）随机激振：）随机激振：随机激振一般用白噪声或伪随机信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号发生器作为信号源，是一种带宽激振方法。白噪声发。白噪声发生器能产生连续的随机信号。生器能产生连续的随机信号。（3）瞬态激振：）瞬态激振：瞬态激振给被测系统提供的激振信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
23、振号是一种瞬态信号，属于一种宽频带激振。目前常用的目前常用的瞬态激振方法有脉冲锤击瞬态激振方法有脉冲锤击等。可以用敲击等。可以用敲击锤对试件直接施加脉冲力。锤对试件直接施加脉冲力。7/22/202426一、电动式激振器一、电动式激振器图图7-25 电动式激振器电动式激振器1固定螺栓（或橡胶扎带）固定螺栓（或橡胶扎带） 2振动台面振动台面 3顶杆顶杆 4限位器限位器 5下凹支撑弹簧片（两片）下凹支撑弹簧片（两片） 6动圈引线动圈引线7接线端子接线端子 8动圈动圈 9永久磁铁永久磁铁 10环形软铁心环形软铁心 11心杆心杆 12上凸支撑弹簧片上凸支撑弹簧片 13壳体壳体 14刚性支架刚性支架右右图
24、图:结结构构 左左图图:外形外形右右图图:结结构构 左左图图:外形外形7/22/2024272 2电动式激振器的安装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频率高于激振器的工作频率34倍倍；激振工作频率激振工作频率5Hzf100Hz时，激振器用具有弹时，激振器用具有弹性的支撑固定在地面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
25、将激振器依靠弹簧、橡胶等弹性方法固定于地面时，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簧所形成的振动系统共振频率低于激振最低工作频率34倍倍；7/22/202428电动式激振器的安装（续）电动式激振器的安装（续）将激振器用弹簧支撑在将激振器用弹簧支撑在被测振动体上（如桥梁、飞被测振动体上（如桥梁、飞机的机翼等结构），机的机翼等结构），适用于适用于被测振动体的质量远远超过被测振动体的质量远远超过激振器且激振频率大于激振激振器且激振频率大于激振器和弹性支撑所形成的振动
26、器和弹性支撑所形成的振动系统共振频率的场合系统共振频率的场合；当需要进行水平激振时，当需要进行水平激振时，激振器应水平悬挂。悬挂弹激振器应水平悬挂。悬挂弹簧的吊杆应倾斜簧的吊杆应倾斜角角。7/22/202429图图7-267-26 电动式激振器的安装电动式激振器的安装a）激振器直接固定在地面激振器直接固定在地面 b）激振器用具有弹性的激振器用具有弹性的支撑固定在地面支撑固定在地面 c）激振器用具有弹性的）激振器用具有弹性的支撑固定在顶面支撑固定在顶面d）激振器固定在被测振动体上方激振器固定在被测振动体上方 e）激振器固定在侧面激振器固定在侧面k弹簧弹簧 c阻尼阻尼7/22/2024303 3振
27、动体振动参数的激光干涉检测方法振动体振动参数的激光干涉检测方法图图7-27 激光干涉测振系统激光干涉测振系统1氦氖激光器（或氦氖激光器（或LD） 2分光镜分光镜 3反光膜反光膜 4被校测振传感器被校测振传感器 5参考反射镜参考反射镜 o0测量光束测量光束 o1振动体反射光束振动体反射光束 o2振动体光束振动体光束 e0参考光束参考光束 e1参考镜反射光束参考镜反射光束 e2参考镜光束参考镜光束7/22/202431半导体激光器（半导体激光器（LD）半导体激光器的发光波长随半导体激光器的发光波长随温度变化为温度变化为0.20.3nm/。在室温附近，温度每升高在室温附近，温度每升高1，半导体激光器
28、的发光，半导体激光器的发光强度会相应地减少强度会相应地减少1。氦氖激光器氦氖激光器7/22/202432二、力锤激振二、力锤激振力锤由力锤由锤头垫锤头垫、测力传感器测力传感器、附加质量块（配重）附加质量块（配重）和和锤柄锤柄等几部分组成。等几部分组成。锤头垫与质量块之间装有一个测力锤头垫与质量块之间装有一个测力传感器传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。，以测量被测系统所受锤击力的大小。锤击的能锤击的能量与质量、初速度的乘积的平方成正比量与质量、初速度的乘积的平方成正比；锤击的激振力锤击的激振力与锤击质量、锤头的材料（钢、铝、橡胶、塑料等）有与锤击质量、锤头的材料（钢、铝、橡胶、塑料等）有关
29、关。较重的力锤适合于体积和质量较大的被测振动体。较重的力锤适合于体积和质量较大的被测振动体。 7/22/202433图图7-287-28 力锤力锤a）结构）结构 b）外形）外形 c）激振的时域波形）激振的时域波形1锤头垫锤头垫 2测力传感器测力传感器 3锤柄锤柄 4配重配重7/22/202434图图7-297-29 力锤法激振系统示意图力锤法激振系统示意图1力锤力锤 2压电式加速度计压电式加速度计7/22/202435项目二项目二 振动的频谱分析与故障诊断振动的频谱分析与故障诊断【项目教学目标项目教学目标】 知识目标知识目标1）了解时域图及频域图。）了解时域图及频域图。2）了解谐波分析原理。）
30、了解谐波分析原理。 技能目标技能目标1）掌握识读谱图的方法。）掌握识读谱图的方法。2）掌握齿轮箱的故障诊断。）掌握齿轮箱的故障诊断。回目录回目录現在時間現在時間是：是：08:2008:207/22/202436任务一任务一 时域图与频域图的识别时域图与频域图的识别一、时域图形一、时域图形示波器可以观察到振动加速度的波形图示波器可以观察到振动加速度的波形图，其，其横轴是时横轴是时间间，纵轴是信号的变化。，纵轴是信号的变化。时域内的玻璃破碎信号时域内的玻璃破碎信号时域图形时域图形 7/22/202437二、频域图形二、频域图形横坐标为频率横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振纵坐标可以是加
31、速度，也可以是振幅或功率等幅或功率等。它反映了在频率范围之内。它反映了在频率范围之内对应于每一个频对应于每一个频率的振动分量的大小，率的振动分量的大小，也称也称“谱图谱图”。专门用于测量和专门用于测量和显示频谱图的仪器称为频谱仪显示频谱图的仪器称为频谱仪。图图7-31 空调压缩机在空调压缩机在720r/min带负载时的谱图带负载时的谱图7/22/202438频谱仪外形频谱仪外形频域图形频域图形（频谱图）（频谱图）7/22/202439三、谐波的合成和分析举例三、谐波的合成和分析举例柴油机机活塞柴油机机活塞振动时域图振动时域图不是不是简谐振动简谐振动，包括包括了其他的振动分了其他的振动分量量。从
32、频谱仪得。从频谱仪得到的谱图中可以到的谱图中可以看到，活塞的看到，活塞的振振动是由动是由5Hz和和10Hz等等多个振动多个振动分量合成的分量合成的，10Hz的幅值比的幅值比5Hz幅值低幅值低，20Hz的幅值更低的幅值更低。7/22/202440同一台空压机的时域图形和频域图形比较同一台空压机的时域图形和频域图形比较7/22/202441从时域和频域观察复杂波形中的多个正弦信号从时域和频域观察复杂波形中的多个正弦信号7/22/202442标准方波可分标准方波可分分解成同频率分解成同频率的基波及的基波及3、5、7等等奇次谐奇次谐波，但波，但不存在不存在偶次谐波偶次谐波。 方波也可以方波也可以由基波
33、及由基波及3、5、7奇次谐波合成奇次谐波合成的波形如的波形如红红色色失真的方波失真的方波，与真正的方波与真正的方波相比，有一些相比，有一些误差误差。7/22/202443基波与基波与3次谐波次谐波合成的合成的波形波形.与真正与真正的方波的方波相比相比，误差较误差较大。大。7/22/202444振动时域振动时域/频域图形频域图形（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）不同频率的正弦波频谱变化不同频率的正弦波频谱变化7/22/202445振动时域振动时域/频域图形（续）频域图形（续）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）包含高次谐波
34、的频谱包含高次谐波的频谱7/22/202446掌上频谱分析仪掌上频谱分析仪虚仪掌上频谱分析仪由虚仪掌上频谱分析仪由声声卡实时双踪频谱分析仪卡实时双踪频谱分析仪组组成。能连续监视输入信号。成。能连续监视输入信号。 提供了一套完整的信号测提供了一套完整的信号测试与分析功能，包括：试与分析功能，包括：双双踪波形踪波形、波形相加波形相加、波形波形相减相减、李莎育图李莎育图、电压表电压表、瞬态信号捕捉瞬态信号捕捉、RMS绝对绝对幅度谱幅度谱、相对幅度谱相对幅度谱、相相位谱位谱、自相关函数自相关函数、互相互相关函数关函数等。等。采集到的数据和分析后的采集到的数据和分析后的数据保存为标准的数据保存为标准的W
35、AV波波形文件或形文件或TXT文本文件。文本文件。7/22/202447基于声卡的频谱分析仪基于声卡的频谱分析仪7/22/202448任务二任务二 机械设备的振动故障频谱分析机械设备的振动故障频谱分析一、机械设备振动的故障原因分析一、机械设备振动的故障原因分析机械设备振动的故障原因有：机械设备振动的故障原因有：转轴或转子质量分布不均匀（称为原始不平衡）或转轴或转子质量分布不均匀（称为原始不平衡）或设备的系统共振点与转速的基波重合设备的系统共振点与转速的基波重合；流体动力激振流体动力激振；旋转零部件飞脱旋转零部件飞脱、跑偏或与静止部位碰撞等跑偏或与静止部位碰撞等；旋转轴两端轴承或联轴器高度、平行
36、度不一致（称旋转轴两端轴承或联轴器高度、平行度不一致（称为为“不对中不对中”）；旋转轴热弯曲旋转轴热弯曲；滑动轴承油膜振荡滑动轴承油膜振荡；滚动轴承磨损滚动轴承磨损；电动机与设备之间的齿轮箱磨损电动机与设备之间的齿轮箱磨损；设备框架或基础松动等设备框架或基础松动等。7/22/202449任务二任务二 机械设备的振动故障频谱分析机械设备的振动故障频谱分析一、机械设备振动的故障原因分析一、机械设备振动的故障原因分析机械设备振动的故障原因有：机械设备振动的故障原因有：转轴或转子质量分布转轴或转子质量分布不均匀（称为原始不平衡）或设备的系统共振点与转速不均匀（称为原始不平衡）或设备的系统共振点与转速的
37、基波重合的基波重合；流体动力激振流体动力激振；旋转零部件飞脱旋转零部件飞脱、跑跑偏或与静止部位摩擦、碰撞等偏或与静止部位摩擦、碰撞等；旋转轴两端轴承或联旋转轴两端轴承或联轴器高度、平行度不一致（称为轴器高度、平行度不一致（称为“不对中不对中”）；旋转旋转轴热弯曲轴热弯曲；滑动轴承油膜振荡滑动轴承油膜振荡；滚动轴承磨损滚动轴承磨损；电动机与设备之间的齿轮箱磨损电动机与设备之间的齿轮箱磨损；设备框架或基础松设备框架或基础松动等动等。振动故障分析的任务是给每条谱线以物理解释：振动故障分析的任务是给每条谱线以物理解释：振动频谱中存在那些频谱分量？振动频谱中存在那些频谱分量？每个频谱分量的每个频谱分量的
38、幅值多大？幅值多大？频谱分量彼此间存在什么关系？频谱分量彼此间存在什么关系？如果存如果存在明显的高幅值频谱分量，它的来源在明显的高幅值频谱分量，它的来源等。等。7/22/202450二、机械设备振动故障分析案例二、机械设备振动故障分析案例图图7-33 减速箱的故障测试减速箱的故障测试a）减速箱结构）减速箱结构 b）减速箱的振动测试）减速箱的振动测试1负载负载 2联轴器联轴器 3减速箱减速箱 4压电式测振传感器压电式测振传感器 5电动机电动机7/22/202451依靠频谱分析法依靠频谱分析法进行故障诊断进行故障诊断 减速箱故障分析减速箱故障分析7/22/202452从从图图7-34a的时域图只能
39、看到杂乱的信号，较难从中的时域图只能看到杂乱的信号，较难从中得到有用的结论。而得到有用的结论。而从图从图7-31b的谱图上可以看到，在的谱图上可以看到，在6.9Hz左右有一根较高的谱线左右有一根较高的谱线。测得测得磨煤机筒体的转速在磨煤机筒体的转速在22r/min附近波动，大约相附近波动，大约相当于当于0.366r/s。查阅该齿轮箱的资料得知：与磨煤机筒。查阅该齿轮箱的资料得知：与磨煤机筒体啮合的大齿轮为体啮合的大齿轮为36齿，与大齿轮啮合的小齿轮为齿，与大齿轮啮合的小齿轮为19齿，齿，将转速（将转速（0.366r/s）乘以小齿轮的齿数（）乘以小齿轮的齿数（19齿），乘积齿），乘积恰好与该谱线
40、（恰好与该谱线（6.9Hz）吻合，故）吻合，故6.9Hz的谱线为齿轮的的谱线为齿轮的“啮合频率啮合频率”。啮合频率两旁还出现许多小谱线（称为。啮合频率两旁还出现许多小谱线（称为边频带），边频带），边频带越高，说明小齿轮磨损越严重边频带越高，说明小齿轮磨损越严重。图图7-347/22/202453某旋转机械的不平衡频谱图某旋转机械的不平衡频谱图(图图7-35)a)严重严重不平衡前不平衡前3个月个月的频谱的频谱 b)严重严重不平衡时的频谱不平衡时的频谱 c）排除故障后的频谱）排除故障后的频谱除尘风机轴承时域图除尘风机轴承时域图与频谱图的比较与频谱图的比较7/22/202454拓展阅读拓展阅读 ME
41、MSMEMS加速度传感器加速度传感器MEMS是是微机电系统微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本是美国的叫法，在日本被称为被称为微机械微机械，在欧洲被称为，在欧洲被称为微系统微系统，它是指，它是指可批量制可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密
42、机械加工技术的发展而发展起来的，目前技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而实现生物化学等实验室技术流程的芯片学等领域，从而实现生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。集成化。回目录回目录7/22/202455拓展阅读拓展阅读 MEMSMEMS加速度传感器加速度传感器MEMS的发展趋势有：的发展趋势有：研究体积小（外形尺寸为研究体积小（外形尺寸为毫米量级，构成单元尺寸为纳米量级）、毫米量级，构成单元尺寸为纳米量级）、重量轻（小于重量轻（小于0.1g）、耗能低（微安量级）耗能低（微安量
43、级）、惯性小惯性小、谐振频率高谐振频率高、响应时间短（微秒量级）响应时间短（微秒量级）、分辨力高（微米量级）、量、分辨力高（微米量级）、量程大（程大（03000g）、）、温漂小的温漂小的MEMS；提高提高MEMS的的测量准确度测量准确度；选择更合理的工艺手段，批量化生产，选择更合理的工艺手段，批量化生产，以提高性价比以提高性价比。7/22/202456一、一、MEMSMEMS加速度传感器分类加速度传感器分类1）压电式压电式MEMS加速度传感器：质量块会对压电元加速度传感器：质量块会对压电元件产生动态压力，转变为交变电信号件产生动态压力，转变为交变电信号。2）压阻式压阻式MEMS加速度传感器：质
44、量块会对悬臂梁加速度传感器：质量块会对悬臂梁端部上下表面的压阻应变计产生拉应力或压应力，转变端部上下表面的压阻应变计产生拉应力或压应力，转变为单向或交变电压输出信号为单向或交变电压输出信号。3）热感式热感式MEMS加速度传感器：密封的加速度传感器：密封的MEMS中央中央有一个微型加热体，周边多角度设置多个温度传感器。有一个微型加热体，周边多角度设置多个温度传感器。热感式热感式MEMS加速度传感器工作时，通过惯性加速度传感器工作时，通过惯性“热气团热气团”的移动引起热场变化，温度传感器感应到加速度值的移动引起热场变化，温度传感器感应到加速度值。7/22/202457MEMSMEMS加速度传感器分
45、类（续）加速度传感器分类（续）4）电容式电容式MEMS加速度传感器：硅悬臂梁末端（或加速度传感器：硅悬臂梁末端（或双端固定梁的中央部位）有一个相对较重的硅片。，从双端固定梁的中央部位）有一个相对较重的硅片。，从而改变差动平板电容两极的极距或有效面积而改变差动平板电容两极的极距或有效面积。MEMS加速度传感器按运动位移的方向，可分为：加速度传感器按运动位移的方向，可分为：单轴式单轴式、双轴式双轴式、三轴式三轴式等。等。7/22/202458二、变间隙电容式二、变间隙电容式MEMSMEMS加速度传感器加速度传感器1“三明治式三明治式”单轴加速度传感器结构单轴加速度传感器结构图图7-38 “三明治三
46、明治”电容式微加速度传感器的结构示意电容式微加速度传感器的结构示意图图利用硅微加工技术，加工出一个利用硅微加工技术，加工出一个硅微质量块，位于两硅微质量块，位于两片固定的硅极板之间片固定的硅极板之间，构成差动电容构成差动电容C1、C2。质量块的质量块的上下两面为动极板，接地电位上下两面为动极板，接地电位。当有当有向上的加速度作用，质量块向下发生摆动向上的加速度作用，质量块向下发生摆动时，时，上上表面电容表面电容C1极板的极距变大，电容量变小极板的极距变大，电容量变小；下表面电容下表面电容C2极板的极距变小，电容量变大极板的极距变小，电容量变大，从而形成差动电容。，从而形成差动电容。7/22/2
47、024592 2“三明治式三明治式”三轴电容加速度传感器结三轴电容加速度传感器结构构质量块处于微结质量块处于微结构的中心位置。共构的中心位置。共用用质量块的表面与质量块的表面与外围的外围的6个面构成个面构成3组差动电容组差动电容。如果。如果没有感受到振动，没有感受到振动，质量块就处于质量块就处于6个面个面的中间对称位置，的中间对称位置，则则C11=C12，C21=C22，C31=C32，C41=C42。 如果有振动或倾斜，差动电容就产生变化如果有振动或倾斜，差动电容就产生变化。如果在三个如果在三个相互垂直的方向上有不一样的振动或倾斜相互垂直的方向上有不一样的振动或倾斜，微处理器根据，微处理器根
48、据三组差动电容的输出信号计算出三维加速度或倾斜度。三组差动电容的输出信号计算出三维加速度或倾斜度。图图7-397/22/2024603 3“跷跷板扭摆式跷跷板扭摆式”单轴电容加速度传感器结构单轴电容加速度传感器结构两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧面两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧面。弹性弹性梁与下面两个固定极板构成差动电容梁与下面两个固定极板构成差动电容C1、C2。由于弹性。由于弹性梁左右两边的质量不相等，梁左右两边的质量不相等，当有垂直于基片的外界加速当有垂直于基片的外界加速度作用时，弹性粱将围绕支承弹性轴扭转度作用时，弹性粱将围绕支承弹性轴扭转。例如，。例如，当传当传感器向上运
49、动时，感器向上运动时，C1的极距变小，电容增大的极距变小，电容增大；C2的极距的极距变大，电容减小变大，电容减小。测量此差动电容值即可得到外界输入。测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度大小。扭摆式单轴加速度计的结构比较简单，的加速度大小。扭摆式单轴加速度计的结构比较简单，不需要双面光刻，成品率高。不需要双面光刻，成品率高。图图7-407/22/2024614 4“梳齿式梳齿式”单轴电容加速度传感器结构单轴电容加速度传感器结构定齿固定在基片上定齿固定在基片上，动齿附着在质量块上动齿附着在质量块上。质量块由。质量块由“硅弹簧硅弹簧”支撑在基片上。支撑在基片上。当有外部加速度输入时，动当有外部加
50、速度输入时，动齿随质量块运动，产生微位移齿随质量块运动，产生微位移，引起动齿与定齿之间电，引起动齿与定齿之间电容的变化。容的变化。图图7-417/22/202462表表7-107-10 三种电容式微加速度传感器的特性比较三种电容式微加速度传感器的特性比较类型类型结构结构特特 性性三明治式三明治式 硅微质量块处于两片硅微质量块处于两片固定的硅极板之间，构固定的硅极板之间，构成差动电容成差动电容 结构对称，灵敏度高；结构对称，灵敏度高；需要双面光刻需要双面光刻，过载能过载能力稍弱力稍弱跷跷板扭摆跷跷板扭摆式式 两个固定电容极板设两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧计在活动极板的同一侧面，构成差动
51、电容面，构成差动电容 结构简单，结构简单，不需要双面不需要双面光刻光刻,一致性好；一致性好；灵敏度灵敏度稍低稍低梳齿式梳齿式 定齿固定在基片上，定齿固定在基片上，动齿附着在质量块上，动齿附着在质量块上，梳齿式定齿与动齿构成梳齿式定齿与动齿构成差动电容差动电容 不需要双面光刻，灵敏不需要双面光刻，灵敏度及分辨力随梳齿数的度及分辨力随梳齿数的增加而提高，键合强度增加而提高，键合强度高高；一致性稍差一致性稍差7/22/202463三、三、MEMSMEMS加速度传感器的应用加速度传感器的应用1MEMS加速度传感器用途及分类加速度传感器用途及分类通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备通过测量由于重
52、力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，可通过分析动态加速度，可以得到设备移动的方式以得到设备移动的方式；可以帮助机器人了解它现在可以帮助机器人了解它现在身处的环境；身处的环境；结合陀螺仪（测角速度），可以对无人结合陀螺仪（测角速度），可以对无人飞机进行精确定位和控制飞行姿态飞机进行精确定位和控制飞行姿态；通过分析汽车的通过分析汽车的撞击加速度，控制安全气囊撞击加速度，控制安全气囊；7/22/202464MEMSMEMS加速度传感器用途及分类（续）加速度传感器用途及分类（续）平板电脑及智能手机内置的平板电脑及智能手机内置的MEMS加速度传
53、感器加速度传感器能够动态监测出设备在使用中的振动，保护硬盘不受损能够动态监测出设备在使用中的振动，保护硬盘不受损害害；数码相机和摄像机内置的数码相机和摄像机内置的MEMS加速度传感器能加速度传感器能够检测拍摄时手部的振动，并根据这些振动，自动调节够检测拍摄时手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的相机的CCD位置，以提高拍摄清晰度位置，以提高拍摄清晰度；用于可移动游用于可移动游戏机，提供更有趣味的游戏体验；戏机，提供更有趣味的游戏体验；用于延时起爆炸弹用于延时起爆炸弹；用于分析发动机的振动，控制发动机的点火提前角用于分析发动机的振动，控制发动机的点火提前角；用于用于家居防盗系统家居防盗系统等
54、。等。7/22/202465MEMSMEMS陀螺仪用于两轮、单轮电动车陀螺仪用于两轮、单轮电动车7/22/2024662 2MEMSMEMS加速度传感器用于汽车安全气囊控制加速度传感器用于汽车安全气囊控制当汽车速度在当汽车速度在30km/h以上受到正面碰撞或侧面碰撞以上受到正面碰撞或侧面碰撞时，安装在汽车前部或侧面的时，安装在汽车前部或侧面的MEMS加速度传感器将检加速度传感器将检测到的碰撞时间、碰撞强度传送给安全气囊测到的碰撞时间、碰撞强度传送给安全气囊ECU。如果。如果碰撞强度超过规定值，则发出指令，接通安全气囊引爆碰撞强度超过规定值，则发出指令，接通安全气囊引爆管的工作电路管的工作电路。
55、引爆管迅速燃烧，瞬间产生并释放出大。引爆管迅速燃烧，瞬间产生并释放出大量气体，经过滤后充入折叠的安全气囊，使气囊在极短量气体，经过滤后充入折叠的安全气囊，使气囊在极短的时间内迅速膨胀展开成扁球状。的时间内迅速膨胀展开成扁球状。图图7-427/22/202467气囊气囊当测得的当测得的负加速度值超过设定值时负加速度值超过设定值时，气囊电控单元，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，就据此判断发生了碰撞，就启动轿车前部的折叠式安全启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。和头部。 装有多种装有多种碰撞参数测碰撞参数测量传感
56、器的量传感器的假假人人7/22/202468汽车气囊的膨胀状态汽车气囊的膨胀状态使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气制系统使气囊迅速充气 。如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气囊膨胀侧面气囊膨胀。 7/22/202469汽车安全气囊对驾驶员的保护作用汽车安全气囊对驾驶员的保护作用测试假人7/22/202470休休 息息 一一 下下拓展阅读网络资料列表网址：拓展阅读网络资料列表网址：http:/回目录回目录7/22/2024717/22/2024現在時間現在時間是：是： 08:2008:20 休息一下休息一下！ 7/22/202472
