設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷-振動監(jiān)測系統(tǒng)的組成

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設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷condition detection and fault diagnosis for equipment,第4講 振動監(jiān)測系統(tǒng)的組成,測振傳感器的作用是將機械振動量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參量，俗稱拾振器； 信號調(diào)理器則起協(xié)調(diào)作用，使傳感器和記錄儀能配合起來協(xié)同工作，其主要功能包括信號放大、阻抗變換。 信號記錄儀的功能是存儲所測振動信號； 分析與處理設(shè)備則負責分析處理各種所記錄的信號；,振動監(jiān)測系統(tǒng)的組成,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,根據(jù)所測振動參量和頻響范圍的不同，習慣上將測振傳感器分為振動加速度傳感器、振動位移傳感器和振動速度傳感器三大類。 各自典型的頻響范圍大致如下： 振動加速度傳感器為0～50kHz 振動位移傳感器為0～10kHz 振動速度傳感器為10～2kHz,測振傳感器的分類,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,自然界中某些電介質(zhì)，如石英、鈦酸鋇等，當沿著一定的方向?qū)ζ涫┝Χ怪冃螘r，其內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，電介質(zhì)又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，介質(zhì)的這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象即為壓電效應。 介質(zhì)的壓電效應是可逆的，即在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種由電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,1.壓電效應,電介質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生壓電效應時，其表面上的電荷量與壓電材料的種類及其所受的壓強的大小和表面積有關(guān)，即： q—壓電元件表面的電荷量，C； F—壓電元件表面上所受的壓力，N； σ—壓電元件表面的壓強，N/m2 A—壓電元件的工作表面積，m2 α—壓電材料的壓電系數(shù)，C/N,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,1.壓電效應,具有壓電效應的材料稱為壓電材料。 壓電材料主要有兩大類，即壓電晶體（如石英）和壓電陶瓷（如鈦酸鋇）。 其中石英晶體的應用較早，因其穩(wěn)定性最好、但壓電系數(shù)最小且價格昂貴，通常用作標準加速度傳感器的敏感材料。 鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛，特別是后者則是目前應用最廣泛的壓電陶瓷。,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,2.壓電材料,壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)一般有縱效應型、橫效應型和剪切效應型三種，其中縱效應型是最常見的一種，其結(jié)構(gòu)原理和力學模型如下圖所示：,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,3.工作原理,縱效應型壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理及其力學模型 1—螺母；2—質(zhì)量塊；3—壓電元件；4—基座,設(shè)質(zhì)量塊的上下運動軌跡為坐標x的方向，靜平衡位置為坐標原點，殼體運動為xs，并取質(zhì)量塊相對于傳感器殼體的運動為xr。,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,3.工作原理,可求得 ，則壓電元件表面上的電荷量為,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,3.工作原理,式中：ωn—系統(tǒng)固有頻率，rad/s; λ—頻率比； ζ—阻尼比； Ky—壓電元件的彈性系數(shù)； a—傳感器殼體運動的加速度幅值，mm/s2,此即為壓電加速度傳感器的動態(tài)響應，其中 為其電荷靈敏度，只取決于傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,3.工作原理,當 ，即 時， ，此時有,即當被測振動體的運動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，壓電元件表面的電荷量與傳感器殼體（被測物體）的振動加速度幅值成正比，這即是壓電加速度傳感器的工作原理。,振動位移傳感器,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,電渦流傳感器是20世紀中期研制成功的振動位移傳感器，它利用導體在交變磁場作用下的電渦流效應，將變形、位移與壓力等物理量的改變轉(zhuǎn)化為阻抗、電感等電磁參量的變化。 電渦流傳感器的優(yōu)點是靈敏度高、頻響范圍寬、測量范圍大、抗干擾能力強、不受介質(zhì)影響、結(jié)構(gòu)簡單以及非接觸測量等，當今在各工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。,振動位移傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,把一塊金屬導體放置在一個通有高頻電流的線圈所產(chǎn)生的交變磁場中，由于電磁感應的作用，導體內(nèi)將產(chǎn)生一個閉合的電流環(huán)（電渦流）。電渦流將產(chǎn)生一個與交變磁場相反的渦流磁場來阻礙原交變磁場的變化，從而使原線圈的阻抗、電感因素都發(fā)生變化，且它們的變化量與線圈到金屬導體之間的距離x的變化有關(guān)，于是就把位移量轉(zhuǎn)化成了電量。,電渦流傳感器的工作原理,振動位移傳感器的系統(tǒng)組成,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,典型的電渦流傳感器系統(tǒng)主要包括傳感器（探頭）、延伸電纜和前置放大器三部分。 （1）探頭 通常由線圈、頭部、殼體、高頻電纜、高頻接頭組成。線圈是探頭的核心，是整個傳感器中最敏感的元件，線圈的物理尺寸和電氣參數(shù)決定傳感器系統(tǒng)的線性量程以及探頭的電氣參數(shù)穩(wěn)定性。,振動位移傳感器的系統(tǒng)組成,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（2）前置放大器 一方面前置器為探頭線圈提供高頻交流電源；另一方面前置器感受探頭前端由于金屬導體靠近引起的探頭參數(shù)變化，經(jīng)過處理，產(chǎn)生隨探頭端面與被測金屬導體間隙線性變化的輸出電壓或電流信號。 （3）延伸電纜 用聚氟塑料絕緣的射頻同軸電纜，用于連接探頭和前置放大器，長度需要根據(jù)傳感器的總長度配置以保證系統(tǒng)總的長度為5m或9m。,振動速度傳感器,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在機械故障的振動診斷方法中，振動速度也是一個經(jīng)常需要觀測的物理量，因為振動速度與振動能量直接對應，而振動能量常常是造成振動體破壞的根本原因。 磁電式速度傳感器是典型的振動速度傳感器，但由于該類型的傳感器在結(jié)構(gòu)上一般都大而笨重，給使用帶來了許多不便；其頻響范圍又很有限，加之振動速度可由振動位移微分或由振動加速度積分而得到，因此，用磁電式速度傳感器進行振動速度的直接測量在實際工作中并不多見。,振動傳感器的使用原則,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在實際測試工作中，可用和優(yōu)化是選用振動傳感器應遵循的基本原則。 可用 要使所選的傳感器滿足最基本的測試要求。 優(yōu)化 在滿足基本測試要求的前提下，盡量降低傳感器的費用，即取得最佳的性能價格比。 選用時，需要考慮的問題如下：,信號記錄儀,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,用于記錄振動信號的儀器有很多，如光線示波器、電子示波器、筆式記錄儀、磁帶機以及數(shù)據(jù)采集器等。 目前，在機械故障診斷領(lǐng)域獲得廣泛應用的主要是磁帶機和數(shù)據(jù)采集器。,數(shù)據(jù)采集器的基本原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,數(shù)據(jù)采集包括信號預處理和信號采集兩個過程，它將監(jiān)測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并送入分析儀器中，其核心是A/D轉(zhuǎn)換器。 信號預處理 是將模擬信號中有用的、能反映設(shè)備故障部位的癥狀信號留下，而將不是診斷所需信號濾掉。 信號采集是將預處理后的模擬信號變換為數(shù)字信號，并存入到指定位置。 信號采集包括采樣、量化與編碼三個過程。,數(shù)據(jù)采集器的基本原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,采樣過程是將模擬信號分為一系列間隔為Δt的時間離散信號并加以采集。 量化過程是將這些離散信號的幅值修約為某些規(guī)定的量級。 編碼過程是將這些時間和幅值均不連續(xù)的離散信號編成一定長度的二進制數(shù)字。 這樣，就將原模擬信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，即所謂的A/D轉(zhuǎn)換過程，也稱信號采集。,,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,采樣示意圖,信號的采樣、量化與編碼,數(shù)據(jù)采集器的基本原理,信號分析與處理設(shè)備,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,一般可將信號分析與處理設(shè)備分為通用型和專用型兩大類。 通用型信號分析與處理設(shè)備是指由通用計算機硬件和基于其上的信號分析與處理軟件組成的系統(tǒng)。 專用型信號分析與處理設(shè)備是指通用型之外的其他各種信號分析與處理設(shè)備。 中國目前研制開發(fā)的機械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)多為基于通用計算機的通用型信號分析與處理系統(tǒng)。,,,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,傳感器的動態(tài)響應特性曲線 (a)幅頻特性 (b)相頻特性,振動加速度傳感器的工作原理,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,從壓電傳感器的動態(tài)響應特性曲線上可以看到，當阻尼比ζ=0.6～0.7時，在λ= 0～0.4的范圍內(nèi)，加速度傳感器的相對靈敏度為1，其相頻特性近似一直線，從而保證了測試結(jié)果不發(fā)生波形畸變，因此，ζ=0.6～0.7是加速度傳感器所要求的理想阻尼系數(shù) 。 壓電加速度傳感器的固有頻率很大，理論上其幅頻特性沒有下限，但實際上，由于受前置放大電路以及后續(xù)測試儀表的限制，其低頻響應極限不能為0Hz,而一般為2~10Hz。,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,壓電傳感器的測量電路（即前置放大器）有兩個作用：一是把壓電式傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，即進行阻抗變換；二是把壓電式傳感器輸出的微弱信號放大。 目前，用于壓電式傳感器的測量電路有兩種形式，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電壓成正比。另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,把壓電傳感器看成一個靜電荷發(fā)生器，當傳感器中的壓電晶體因受力而變形時，在它的兩個極面上就會產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。也可把它看成是兩極板上聚集異性電荷、中間為絕緣體的電容器。,1.傳感器的等效電路,壓電式傳感器的等效原理 (a)等效靜電荷發(fā)生器 (b)等效電容器,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,電容器的電容可表示為：,1.傳感器的等效電路,式中：Ca—傳感器的等效電容，F(xiàn)； εr—壓電材料的相對介電常數(shù)； ε0—空氣的介電常數(shù)， ε0 =8.85×10-12F/m; A—電極板面積，m2 δ—壓電材料的厚度，m,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,一旦壓電元件兩極板上存在異性電荷時，兩極板上就呈現(xiàn)出一定的電壓，可表示為：,1.傳感器的等效電路,式中：q—極板上存在的電荷量，C； Ua—兩極板間的電壓，V。,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,壓電傳感器可以等效地看成一個電壓源Ua和一個電容Ca串聯(lián)的電壓等效電路，電壓放大器以此等效電路為基礎(chǔ)；壓電傳感器也可以等效為一個電荷源q和一個電容器Ca并聯(lián)的電荷等效電路，電荷放大器以此等效電路為基礎(chǔ)。,1.傳感器的等效電路,壓電式傳感器的等效電路 (a)電壓等效電路 (b)電荷等效電路,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,由等效電路可知，壓電式傳感器不適合于靜態(tài)量測量，因為只有當傳感器內(nèi)部信號電荷沒有泄漏，且外電路負載非常大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存下來。否則，電路將以其時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電，這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量必然產(chǎn)生誤差。,1.傳感器的等效電路,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,當壓電加速度傳感器等效為一個電壓源Ua與電容器Ca串聯(lián)的電路時，傳感器與后續(xù)記錄設(shè)備的前置放大器電路稱為電壓放大電路。,2.電壓放大器（阻抗變換器）,壓電式傳感器連接電壓放大器的完整等效電路 (a)實際等效電路 (b)簡化等效電路,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,電壓放大器的輸入電壓為,2.電壓放大器（阻抗變換器）,A0—放大器的開環(huán)增益系數(shù)； Sq—傳感器的電荷靈敏度，只取決于傳感器本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)； SV—傳感器的電壓靈敏度,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,電荷放大器實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益放大器，它將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，輸出電壓與輸入電荷成正比，其輸入阻抗很高，而輸出阻抗很低，一般小于100Ω。,3.電荷放大器,壓電式傳感器與電荷放大器聯(lián)接后的完整等效電路 (a)實際等效電路 (b)簡化等效電路,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,電荷放大器的輸入電壓為：,3.電荷放大器,放大器的輸出電壓與輸入電荷正成比，與反饋電容成反比，而與傳感器的等效電容、電纜電容以及放大器的輸出電容無關(guān)。正是因為這個特點，使電荷放大器獲得了比電壓放大器更為廣泛的應用。,電荷放大器的輸出電壓為：,振動加速度傳感器的測量電路,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,電壓放大器具有電路簡單、元件少、價格便宜、工作可靠等優(yōu)點，但不足之處是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大。 電荷放大器在一定條件下其放大倍數(shù)不受電纜電容的影響，它克服了電壓放大器的缺點，因而當采用電荷放大器進行放大時，連接電纜可達數(shù)百米，甚至更長也不必重新標定。因此大多數(shù)情況下都優(yōu)先選用電荷放大器。但電荷放大器也有它的缺點，比如價格較貴，電路較復雜，調(diào)整也比較困難。,4.兩種前置放大器的比較,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,壓電元件大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形四種，它們受力和變形的方式如下圖所示：,與此四種變形方式相對應，理論上應有四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但實際最常見的是基于厚度變形的壓縮式和基于剪切變形的剪切式兩種，其中壓縮式壓電傳感器最為常用。,壓電元件的受力變形方式示意圖 (a) 厚度變形 (b)長度變形 （c）體積變形 (d)剪切變形,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,1.周邊壓縮式加速度傳感器,通過硬彈簧對壓電元件施加預壓力。這種形式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，而且靈敏度高，但對噪聲、基座應變、瞬時溫度沖擊等的影響比較敏感，這是因為其外殼本身就是彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)中的一個彈簧，它與具有彈性的壓電元件并聯(lián)。由于殼體和壓電元件之間的這種機械上的并聯(lián)連接，殼體內(nèi)的任何變化都將影響到傳感器的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。,周邊壓縮式加速度傳感器 1-基座；2-壓電元件；3-質(zhì)量塊；4-預緊彈簧,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,2.中心壓縮式加速度傳感器,彈簧、質(zhì)量塊和壓電元件用一根中心柱牢固地固定在基座上，而不與外殼直接接觸（此處外殼僅起保護作用），因此它不僅具有周邊壓縮式靈敏度高、頻響寬的優(yōu)點，而且克服了其對環(huán)境敏感的缺點。但它也受安裝表面應變的影響。,中心壓縮式加速度傳感器 1-基座；2-壓電元件；3-質(zhì)量塊；4-預緊彈簧,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,3.倒置中心壓縮式加速度傳感器,避免了基座應變引起的誤差，這是由于中心柱離開了基座。但殼體的諧振會使傳感器的諧振頻率有所下降，從而降低了傳感器的頻響范圍。此外，這種形式的傳感器加工裝配也比較困難。,倒置中心壓縮式加速度傳感器 1-基座；2-壓電元件；3-質(zhì)量塊；4-預緊彈簧,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,4.剪切式加速度傳感器,工作原理：當傳感器受到向上的振動時，由于慣性的作用使質(zhì)量環(huán)保持滯后，這樣會在壓電元件中出現(xiàn)剪應力而發(fā)生剪切變形，從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷，其電場方向垂直于極化方向。如果某瞬時傳感器感受到向下的運動，則壓電元件的內(nèi)外表面上的電荷極性與前次相反。,剪切式加速度傳感器 1-基座；2-壓電元件；3-質(zhì)量塊；4-預緊彈簧；5-輸出引線,振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,4.剪切式加速度傳感器,這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度大、橫向靈敏度小，且能減小基座應變的影響。又由于彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)與其外殼分離，因此，噪聲和溫度沖擊等環(huán)境因素對其影響也較小。此外，剪切式傳感器具有較高的固有頻率，所以其頻響范圍很寬，特別適用于高頻振動的測量。 制造難度大，在高溫環(huán)境中使用有困難。 剪切式加速度傳感器有替代壓縮式加速度傳感器的趨勢。,振動加速度傳感器的性能指標,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（1）頻響范圍 是指傳感器的幅頻特性為水平線的頻率范圍，一般測量的上限頻率取傳感器固有頻率的1/3。頻響范圍越寬越好，它是加速度傳感器的一個最重要的指標。 （2）靈敏度 分電荷靈敏度（Sq輸出電荷與所承受的加速度之比）和電壓靈敏度(Sv輸出電壓與所承受的加速度之比, Sq=Ca Sv)。傳感器的靈敏度越高，越便于檢測微小信號。 （3）溫度范圍 傳感器的一個重要指標，要求越寬越好。 （4）最大橫向靈敏度 是指傳感器的最大靈敏度在垂直于主軸的水平面的投影值，越小越好。 （5）測量范圍 指傳感器所能測量的加速度大小，要求越大越好。,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,使用壓電加速度傳感器時，測量結(jié)果的真實性會受到很多因素的影響，產(chǎn)生測量誤差，這些因素有環(huán)境因素、安裝因素及傳感器本身的特性。 （1）濕度的影響 環(huán)境溫度增大，會使傳感器的絕緣電阻（匯漏電阻）減小，從而使傳感器頻響應特性變壞。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,幅頻特性曲線反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計能比較好的復現(xiàn)信號的波形。,幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測得的電信號波形能真實地復現(xiàn)振動波形，就必需使所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。為此，要使安裝后的加速度計特性具有足夠高的共振頻率。,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（2）溫度的影響 周圍環(huán)境溫度的變化將影響壓電材料的壓電系數(shù)、介電常數(shù)，會使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。石英晶體對溫度不敏感，而溫度對壓電陶瓷的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響則大得多，為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性，一般要進行人工老化處理。 溫度還會影響壓電材料的電阻率以及電路元件、連接電纜的耐溫特性的測量結(jié)果等。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（3）電纜噪聲 壓電式傳感器信號電纜一般多采用柔軟的具有良好撓性的小型同軸導線，電纜受到突然的擾動或振動時，自身會產(chǎn)生噪聲。由于壓電式傳感器是電容性的，所以在低頻（小于等于20Hz）時其內(nèi)阻抗極高（上百兆歐），這樣，電纜里產(chǎn)生的噪聲不會很快消失，以致進入前置放大器，成為一種干擾信號。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,電纜噪聲是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電纜是由多股絞線組成的，聚乙烯或聚四氟乙烯材料作絕緣保護層，由一個紡織編織的多股鍍銀金屬套套在絕緣材料上形成外部屏蔽。當機器擾動電纜使其彎曲振動時，電纜芯線和絕緣體之間以及絕緣體和金屬屏蔽套之間就可能發(fā)生相對移動，以致它們彼此之間形成了空隙。由于相對移動，空隙中將因摩擦而產(chǎn)生靜電感應，靜電荷放電時將直接送到放大器中，形成電纜噪聲。,,同軸電纜結(jié)構(gòu)及電纜噪聲的產(chǎn)生機理,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,為減小電纜噪聲常采用下述方法：一是選用特制的低噪聲電纜，二是在測量過程中將電纜固定以避免相對運動。,,傳感器連接電纜的正確固定,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,(4)接地回路噪聲 在振動測試中，往往同時使用幾臺測量儀器，各儀器和傳感器都應有接地線，如果接地點不同，如圖 (a)所示，不同接地點之間易存在電位差ΔU，該電位差會在接地回路中形成回路電流，這樣在測量系統(tǒng)中就產(chǎn)生了噪聲信號。,,同軸電纜結(jié)構(gòu)及電纜噪聲的產(chǎn)生機理,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,防止接地回路中產(chǎn)生噪聲信號的辦法是整個測量系統(tǒng)在一點接地，見圖 (b)。此時由于沒有接地回路，也就消除了回路電流和噪聲信號． 接地點最好選在記錄設(shè)備的輸入端。安裝時要將傳感器和放大器對地隔離，電氣絕緣是傳感器的簡單隔離方法，應用絕緣螺栓和云母墊片將傳感器與它所安裝的構(gòu)件絕緣。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,(5)傳感器橫向靈敏度的影響 橫向靈敏度是指傳感器受到垂直于主軸方向的橫向加速度作用時的靈敏度。 加速度傳感器只有當振動沿其主軸方向發(fā)生時才會有信號輸出，這是最理想的工作狀態(tài)。也就是說，傳感器最大靈敏度的方向應該與傳感器的主軸重合，而垂直于主軸方向的振動不應使傳感器產(chǎn)生信號輸出。但是，任何加速度傳感器都做不到這一點，這主要有以下幾個方面的原因： ①壓電材料性能的非均勻性； ②壓電片表面粗糙或兩個表面不平行； ③壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,④傳感器安裝不對稱或安裝基礎(chǔ)不平。因此，傳感器的最大靈敏度方向就不可能與主軸線完全重合。人們將傳感器最大靈敏度在主軸線方向的投影稱為主軸靈敏度，或基本靈敏度，簡稱靈敏度，而將最大靈敏度在垂直于主軸線方向的投影稱為橫向靈敏度，見下圖。,,傳感器的橫向靈敏度,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,傳感器的橫向靈敏度是有方向性的，不同的方向，其橫向靈敏度系數(shù)不同。根據(jù)這一特點，在裝配傳感器時，只要精細地調(diào)整兩片壓電片的相互位置，就可以起互相補償?shù)淖饔?，從而使傳感器的橫向靈敏度最小。 橫向靈敏度是測量誤差的一個來源，為了減小橫向靈敏度的影響，除盡量提高壓電元件的加工精度和傳感器的裝配精度以及調(diào)整壓電片的相互位置外，在測量過程中正確選擇傳感器的安裝方位是一個實用措施。如果使傳感器的最小橫向靈敏度方向與被測物體的橫向振動方向一致，則可最大限度地降低橫向靈敏度的影響，使測量誤差減為最小。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,(6)傳感器安裝方式的影響 安裝方式是影響測量結(jié)果的重要因素，因為不同的安裝方式對傳感器頻響特性的影響是不同的。下表給出了加速度傳感器的兒種常見的安裝方式及各自的特點，以便安裝時參考。,,壓電加速度傳感器 安裝方式及其特點,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,壓電加速度傳感器的使用注意事項,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,,被測物體尺寸與材料的影響,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（1）被測物體性能的影響 在被測物體中電渦流場作用的深度由頻率、材料導電率及導磁率決定。 （2）被測物體尺寸的影響 探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，在被測物體表面形成的渦流場也是一定的。試驗表明，當被測面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應當大于探頭頭部直徑1.5倍以上；當被測體為圓軸而且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則靈敏度就會下降。一般當被測面大小與探頭頭部直徑相同時，靈敏度會下降至70％左右。另外，被測物體的厚度也會影響測量結(jié)果。,被測物體尺寸與材料的影響,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（3）被測物體表面加工狀況的影響 不規(guī)則的被測物體表面會給實際的測量值造成附加誤差，特別是對于振動測量，這個附加誤差信號與實際的振動信號疊加在一起，往往很難進行分離，因此被測物體表面應該光潔。通常對于振動測量表面粗糙度Ra要求在0.4～0.8um之間，一般需要對被測面進行珩磨或拋光；對于位移測量，由于指示儀表的濾波效應或平均效應，可稍放寬，一般表面粗糙度Ra不超過0.8 ～ 1.6um 。,被測物體尺寸與材料的影響,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（4）被測物體材料的影響 傳感器特性與被測物體的電導率和磁導率有關(guān)，當被測物體為導磁材料（如普通鋼、結(jié)構(gòu)鋼等）時，由于磁效應和渦流效應同時存在，而且磁效應與渦流效應產(chǎn)生的磁場方向相反，要抵消部分渦流效應，使得傳感器感應靈敏度降低；而當被測物體為非導磁或弱導磁材料（如銅、鋁、合金鋼等）時，由于磁效應弱，相對來說渦流效應要強，因此傳感器感應靈敏度要高。,被測物體尺寸與材料的影響,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（5）被測物體表面鍍層的影響 被測物體表面的鍍層對傳感器測量的影響，相當于改變了被測物體材料，鍍層的材質(zhì)不同，傳感器靈敏度會發(fā)生變化。如果鍍層均勻，且厚度大于渦流滲透深度，則將傳感器按鍍層材料重新校準，不會影響使用，否則應考慮鍍層的影響。,被測物體尺寸與材料的影響,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,(6)被測物體表面殘磁效應的影響 電渦流效應主要集中在被測物體表面，由于加工過程中形成的殘磁效應，以及淬火不均勻、硬度不均勻、結(jié)晶結(jié)構(gòu)不均勻等都舍影響傳感器性能，AP1670標準推薦被測物體表面殘磁不超過。0.5uT,當需要更高的測量精度時，應該用實際被測物體進行校準。,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（1）各探頭間距離 探頭頭部線圈中的電流會在頭部周圍產(chǎn)生磁場，因此在安裝時要注意兩個探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會互相干擾，在輸出信號上疊加兩探頭的差頻信號，造成測量結(jié)果的失真，這種情況稱之為相鄰干擾。,各探頭間的距離,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,相鄰干擾與被測物體的形狀，探頭的頭部直徑以及安裝方式等有關(guān)。通常情況下探頭之間的最小距離見下表 。,各種型號探頭之間最小距離,單位：mm,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（2）探頭與安裝面之間的距離 探頭頭部發(fā)射的磁場在徑向和軸向上都有一定的擴散。因此在安裝時，就必須考慮安裝面金屬導體材料的影響，應保證探頭的頭部與安裝面之間不小于一定的距離，工程塑料頭部要完全露出安裝面，否則應將安裝面加工成平底孔或倒角，其具體要求見下圖。,探頭頭部與安裝面的距離,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（3）探頭安裝支架選擇 實際的測量值是被測物體相對于探頭的相對值，而需要的測量結(jié)果是被測體相對于其基座的，因此探頭必須牢固地安裝在基座上，通常需要用安裝支架來固定探頭。對于不同的測量要求和不同的結(jié)構(gòu)，安裝支架的形狀和尺寸多種多樣。 ①機器內(nèi)部探頭安裝支架 在機器內(nèi)部安裝探頭，對規(guī)格要求比較靈活。內(nèi)部安裝探頭時通常采用角型支架，但在設(shè)計加工角型支架時，應保證支架的剛度，否則會由于支架的振動造成附加誤差（見下圖）。,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,探頭安裝支架的影響,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,另一種常見的機器內(nèi)部探頭安裝支架見下圖。這種支架的結(jié)構(gòu)便于調(diào)整探頭安裝間隙：當探頭與被測面間隙調(diào)整到合適位置時，擰緊固定螺栓，即可將探頭安裝間隙鎖定。這種安裝支架還可有效地防止由于振動而造成的探頭松動。,內(nèi)部探頭安裝支架,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,②機器外部探頭安裝支架如下圖所示，采用專用的安裝支架組件通過機器的外殼（如軸承蓋）將探頭固定，這種安裝的好處是不必打開機殼就可以調(diào)整探頭安裝間隙、拆卸或者更換探頭，另外這種專用的安裝支架可以起到電纜密封保護作用，不需另外的電纜密封裝置。軸向位移通常采用雙探頭同時測量，當兩探頭并列測量同一軸端面時，可以采用類似于如圖示的雙探頭安裝支架組件通過機器的外殼將探頭固定。這種支架組件的結(jié)構(gòu)可以在機器外面分別調(diào)整每個探頭的安裝間隙、拆卸或者更換探頭，這種裝置同樣也能起到電纜密封保護作用，不需另外的電纜密封裝置。,傳感器探頭的安裝,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,機器外部雙探頭安裝支架,采樣間隔與頻率混淆,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,采樣的基本問題是如何確定合理的采樣時間間隔Δt以及采樣長度，以保證采樣所得的數(shù)字信號能真實地代表原來的連續(xù)信號。時間間隔Δt越小，離散化后的信號越能代表原模擬信號，當Δt →0時，時間離散信號與原模擬信號幾乎沒有差別。因此，從減小采樣誤差的角度出發(fā)，希望Δt越小越好。然而， Δt取得越小，相同時間長度段內(nèi)取樣個數(shù)越多，所需的計算機存儲量和計算量就越大，后續(xù)信號分析工作量相應地也越大，即希望Δt越大越好；但反過來若Δt取得過大，會發(fā)生所謂的“頻率混淆效應”。,采樣間隔與頻率混淆,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,從時域上看，采樣信號是由頻率和振幅均不同的兩個信號x1(t)和x2(t)組合而成，如果只在t1，t2，t3，t4…點進行采樣，就不能把x1(t)和x2(t)區(qū)別開來，這就是頻率混淆效應。,Shannon采樣定理給出了信號采樣時應遵循的原則：,頻率混淆的時域說明,數(shù)據(jù)采集器的主要性能指標,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,1.采樣頻率 指采集器采集數(shù)據(jù)的快慢，單位為Hz，其值越大越好。 2.通道數(shù) 指采集器可同時記錄的信號路數(shù)，一般為1、2、4、8。 3.信號輸入 指采集器所能采集的最大信號幅值，分為電壓和電流兩種。 4.分辨力 指采集器感知信號幅值微小變化的能力，取決于A/D芯片的位長。,數(shù)據(jù)采集器的主要性能指標,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,5.信噪比 是決定采集器動態(tài)范圍的指標，單位為dB 6.存儲容量 采集器所能容納的數(shù)據(jù)多少，一般指采集器的基本內(nèi)存。 7.輸入輸出阻抗 是采集器與其他儀器相聯(lián)時需要考慮的指標，要求輸入阻抗盡量大些，而輸出阻抗盡量小些。,數(shù)據(jù)采集器的主要類型,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（1）同步采集 指采集器所采集的是發(fā)生在同一時刻的多路信號，如圖所示的t1、t2、t3等時刻，這樣，多路信號之間沒有時間上的超前與滯后，也就不會產(chǎn)生相位差。在測定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及兩路信號的互相關(guān)系等應用時，要求進行同步采集。,同步采集示意圖,數(shù)據(jù)采集器的主要類型,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,（2）巡步采集 是采集器依次采集各路信號，各路采集結(jié)果之間因有時間上的超前與滯后而存在相位差，見圖。大多數(shù)應用場合只要求這種形式的采集。在具體實現(xiàn)上，同步采集比巡回采集更困難，因而成本也相對較高。,巡回采集示意圖,