7模块振动检测下.ppt

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 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。,内容简介,今天是：2019年6月6日星期四,模块七、振动检测（下） 目录,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加速度传感器,現在時間是：03:04,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。,图7-17 涡流效应,1涡流线圈 2导电工件 3涡流,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。,趋肤效应,工件表面产生的涡流在金属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,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,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,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。,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输出屏蔽电缆 9电缆插头,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,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,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,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,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？,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。,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,例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？,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,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）,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。,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,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。,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。,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)=Fsint。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有脉冲锤击等。可以用敲击锤对试件直接施加脉冲力。,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:结构 左图:外形,右图:结构 左图:外形,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34倍； 激振工作频率5Hzf100Hz时，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34倍；,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。,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,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,半导体激光器（LD） 半导体激光器的发光波长随温度变化为0.20.3nm/。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,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。,图7-28 力锤,a）结构 b）外形 c）激振的时域波形 1锤头垫 2测力传感器 3锤柄 4配重,图7-29 力锤法激振系统示意图,1力锤 2压电式加速度计,项目二 振动的频谱分析与故障诊断,【项目教学目标】 知识目标 1）了解时域图及频域图。 2）了解谐波分析原理。 技能目标 1）掌握识读谱图的方法。 2）掌握齿轮箱的故障诊断。,現在時間是：03:04,任务一 时域图与频域图的识别,一、时域图形 示波器可以观察到振动加速度的波形图，其横轴是时间，纵轴是信号的变化。,时域内的玻璃破碎信号,时域图形,二、频域图形,横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内对应于每一个频率的振动分量的大小，也称“谱图”。专门用于测量和显示频谱图的仪器称为频谱仪。,图7-31 空调压缩机在720r/min带负载时的谱图,频谱仪外形,频域图形 （频谱图）,三、谐波的合成和分析举例,柴油机机活塞振动时域图不是简谐振动，包括了其他的振动分量。从频谱仪得到的谱图中可以看到，活塞的振动是由5Hz和10Hz等多个振动分量合成的，10Hz的幅值比5Hz幅值低，20Hz的幅值更低。,同一台空压机的时域图形和频域图形比较,从时域和频域观察复杂波形中的多个正弦信号,标准方波可分分解成同频率的基波及3、5、7等奇次谐波，但不存在偶次谐波。 方波也可以由基波及3、5、7奇次谐波合成的波形如红色失真的方波，与真正的方波相比，有一些误差。,基波与3次谐波合成的波形. 与真正的方波相比，误差较大。,振动时域/频域图形（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,振动时域/频域图形（续） （参考东方振动和噪声技术研究所资料）,包含高次谐波的频谱,掌上频谱分析仪,虚仪掌上频谱分析仪由声卡实时双踪频谱分析仪组成。能连续监视输入信号。 提供了一套完整的信号测试与分析功能，包括：双踪波形、波形相加、波形相减、李莎育图、电压表、瞬态信号捕捉、RMS绝对幅度谱、相对幅度谱、相位谱、自相关函数、互相关函数等。 采集到的数据和分析后的数据保存为标准的WAV波形文件或TXT文本文件。,基于声卡的频谱分析仪,任务二 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 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）或设备的系统共振点与转速的基波重合； 流体动力激振； 旋转零部件飞脱、跑偏或与静止部位碰撞等； 旋转轴两端轴承或联轴器高度、平行度不一致（称为“不对中”）； 旋转轴热弯曲； 滑动轴承油膜振荡； 滚动轴承磨损； 电动机与设备之间的齿轮箱磨损； 设备框架或基础松动等。,任务二 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 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）或设备的系统共振点与转速的基波重合；流体动力激振；旋转零部件飞脱、跑偏或与静止部位摩擦、碰撞等；旋转轴两端轴承或联轴器高度、平行度不一致（称为“不对中”）；旋转轴热弯曲；滑动轴承油膜振荡；滚动轴承磨损；电动机与设备之间的齿轮箱磨损；设备框架或基础松动等。 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？每个频谱分量的幅值多大？频谱分量彼此间存在什么关系？如果存在明显的高幅值频谱分量，它的来源等。,二、机械设备振动故障分析案例,图7-33 减速箱的故障测试 a）减速箱结构 b）减速箱的振动测试 1负载 2联轴器 3减速箱 4压电式测振传感器 5电动机,依靠频谱分析法进行故障诊断,减速箱故障分析,从图7-34a的时域图只能看到杂乱的信号，较难从中得到有用的结论。而从图7-31b的谱图上可以看到，在6.9Hz左右有一根较高的谱线。 测得磨煤机筒体的转速在22r/min附近波动，大约相当于0.366r/s。查阅该齿轮箱的资料得知：与磨煤机筒体啮合的大齿轮为36齿，与大齿轮啮合的小齿轮为19齿，将转速（0.366r/s）乘以小齿轮的齿数（19齿），乘积恰好与该谱线（6.9Hz）吻合，故6.9Hz的谱线为齿轮的“啮合频率”。啮合频率两旁还出现许多小谱线（称为边频带），边频带越高，说明小齿轮磨损越严重。,图7-34,某旋转机械的不平衡频谱图(图7-35),a)严重不平衡前3个月的频谱 b)严重不平衡时的频谱 c）排除故障后的频谱,除尘风机轴承时域图与频谱图的比较,拓展阅读 MEMS加速度传感器,MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，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。MEMS是随着半导体集成电路微细加工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。,拓展阅读 MEMS加速度传感器,MEMS的发展趋势有：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）、重量轻（小于0.1g）、耗能低（微安量级）、惯性小、谐振频率高、响应时间短（微秒量级）、分辨力高（微米量级）、量程大（03000g）、温漂小的MEMS；提高MEMS的测量准确度；选择更合理的工艺手段，批量化生产，以提高性价比。,一、MEMS加速度传感器分类,1）压电式MEMS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。 2）压阻式MEMS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，转变为单向或交变电压输出信号。 3）热感式MEMS加速度传感器：密封的MEMS中央有一个微型加热体，周边多角度设置多个温度传感器。热感式MEMS加速度传感器工作时，通过惯性“热气团”的移动引起热场变化，温度传感器感应到加速度值。,MEMS加速度传感器分类（续）,4）电容式MEMS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：单轴式、双轴式、三轴式等。,二、变间隙电容式MEMS加速度传感器,1“三明治式”单轴加速度传感器结构,图7-38 “三明治”电容式微加速度传感器的结构示意图 利用硅微加工技术，加工出一个硅微质量块，位于两片固定的硅极板之间，构成差动电容C1、C2。质量块的上下两面为动极板，接地电位。 当有向上的加速度作用，质量块向下发生摆动时，上表面电容C1极板的极距变大，电容量变小；下表面电容C2极板的极距变小，电容量变大，从而形成差动电容。,2“三明治式”三轴电容加速度传感器结构,质量块处于微结构的中心位置。共用质量块的表面与外围的6个面构成3组差动电容。如果没有感受到振动，质量块就处于6个面的中间对称位置，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。如果在三个相互垂直的方向上有不一样的振动或倾斜，微处理器根据三组差动电容的输出信号计算出三维加速度或倾斜度。,图7-39,3“跷跷板扭摆式”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。弹性梁与下面两个固定极板构成差动电容C1、C2。由于弹性梁左右两边的质量不相等，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。例如，当传感器向上运动时，C1的极距变小，电容增大；C2的极距变大，电容减小。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，不需要双面光刻，成品率高。,图7-40,4“梳齿式”单轴电容加速度传感器结构,定齿固定在基片上，动齿附着在质量块上。质量块由“硅弹簧”支撑在基片上。当有外部加速度输入时，动齿随质量块运动，产生微位移，引起动齿与定齿之间电容的变化。,图7-41,表7-10 三种电容式微加速度传感器的特性比较,三、MEMS加速度传感器的应用,1MEMS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，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，可以得到设备移动的方式；可以帮助机器人了解它现在身处的环境；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；通过分析汽车的撞击加速度，控制安全气囊；,MEMS加速度传感器用途及分类（续）,平板电脑及智能手机内置的MEMS加速度传感器能够动态监测出设备在使用中的振动，保护硬盘不受损害；数码相机和摄像机内置的MEMS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，自动调节相机的CCD位置，以提高拍摄清晰度；用于可移动游戏机，提供更有趣味的游戏体验；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；用于家居防盗系统等。,MEMS陀螺仪用于两轮、单轮电动车,2MEMS加速度传感器用于汽车安全气囊控制,当汽车速度在30km/h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MEMS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ECU。如果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。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，使气囊在极短的时间内迅速膨胀展开成扁球状。,图7-42,气囊,当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有多种碰撞参数测量传感器的假人,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，侧面气囊膨胀。,汽车安全气囊对驾驶员的保护作用,测试假人,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/www.liangsen.net,2019年6月6日星期四,現在時間是： 03:04 休息一下！,