設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷-振動(dòng)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的組成,測振傳感器的作用是將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于電測的電參量，俗稱拾振器； 信號(hào)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(hào)放大、阻抗變換。 信號(hào)記錄儀的功能是存儲(chǔ)所測振動(dòng)信號(hào)； 分析與處理設(shè)備則負(fù)責(zé)分析處理各種所記錄的信號(hào)；,振動(dòng)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(dòng)參量和頻響范圍的不同，習(xí)慣上將測振傳感器分為振動(dòng)加速度傳感器、振動(dòng)位移傳感器和振動(dòng)速度傳感器三大類。 各自典型的頻響范圍大致如下： 振動(dòng)加速度傳感器為0～50kHz 振動(dòng)位移傳感器為0～10kHz 振動(dòng)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(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┝Χ怪冃螘r(shí)，其內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，介質(zhì)的這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象即為壓電效應(yīng)。 介質(zhì)的壓電效應(yīng)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(huì)產(chǎn)生變形，這種由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。,振動(dòng)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(yīng),電介質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí)，其表面上的電荷量與壓電材料的種類及其所受的壓強(qiáng)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(qiáng)，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(dòng)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(yīng),具有壓電效應(yīng)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(yīng)用較早，因其穩(wěn)定性最好、但壓電系數(shù)最小且價(jià)格昂貴，通常用作標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷。,振動(dòng)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(yīng)型、橫效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，其中縱效應(yīng)型是最常見的一種，其結(jié)構(gòu)原理和力學(xué)模型如下圖所示：,振動(dòng)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(yīng)型壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理及其力學(xué)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(yùn)動(dòng)軌跡為坐標(biāo)x的方向，靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，殼體運(yùn)動(dòng)為xs，并取質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的運(yùn)動(dòng)為xr。,振動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的加速度幅值，mm/s2,此即為壓電加速度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(dòng)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(dāng) ，即 時(shí)， ，此時(shí)有,即當(dāng)被測振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，壓電元件表面的電荷量與傳感器殼體（被測物體）的振動(dòng)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(dòng)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(jì)中期研制成功的振動(dòng)位移傳感器，它利用導(dǎo)體在交變磁場作用下的電渦流效應(yīng)，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(diǎn)是靈敏度高、頻響范圍寬、測量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、不受介質(zhì)影響、結(jié)構(gòu)簡單以及非接觸測量等，當(dāng)今在各工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。,振動(dòng)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(dǎo)體放置在一個(gè)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(yīng)的作用，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)閉合的電流環(huán)（電渦流）。電渦流將產(chǎn)生一個(gè)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(dǎo)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dǎo)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(dǎo)體間隙線性變化的輸出電壓或電流信號(hào)。 （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(dòng)速度傳感器,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在機(jī)械故障的振動(dòng)診斷方法中，振動(dòng)速度也是一個(gè)經(jīng)常需要觀測的物理量，因?yàn)檎駝?dòng)速度與振動(dòng)能量直接對(duì)應(yīng)，而振動(dòng)能量常常是造成振動(dòng)體破壞的根本原因。 磁電式速度傳感器是典型的振動(dòng)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(dòng)速度可由振動(dòng)位移微分或由振動(dòng)加速度積分而得到，因此，用磁電式速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)速度的直接測量在實(shí)際工作中并不多見。,振動(dòng)傳感器的使用原則,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,在實(shí)際測試工作中，可用和優(yōu)化是選用振動(dòng)傳感器應(yīng)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(fèi)用，即取得最佳的性能價(jià)格比。 選用時(shí)，需要考慮的問題如下：,信號(hào)記錄儀,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,用于記錄振動(dòng)信號(hào)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(jī)以及數(shù)據(jù)采集器等。 目前，在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的主要是磁帶機(jī)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(hào)預(yù)處理和信號(hào)采集兩個(gè)過程，它將監(jiān)測模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并送入分析儀器中，其核心是A/D轉(zhuǎn)換器。 信號(hào)預(yù)處理 是將模擬信號(hào)中有用的、能反映設(shè)備故障部位的癥狀信號(hào)留下，而將不是診斷所需信號(hào)濾掉。 信號(hào)采集是將預(yù)處理后的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，并存入到指定位置。 信號(hào)采集包括采樣、量化與編碼三個(gè)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(hào)分為一系列間隔為Δt的時(shí)間離散信號(hào)并加以采集。 量化過程是將這些離散信號(hào)的幅值修約為某些規(guī)定的量級(jí)。 編碼過程是將這些時(shí)間和幅值均不連續(xù)的離散信號(hào)編成一定長度的二進(jìn)制數(shù)字。 這樣，就將原模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，即所謂的A/D轉(zhuǎn)換過程，也稱信號(hào)采集。,,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,采樣示意圖,信號(hào)的采樣、量化與編碼,數(shù)據(jù)采集器的基本原理,信號(hào)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(hào)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(hào)分析與處理設(shè)備是指由通用計(jì)算機(jī)硬件和基于其上的信號(hào)分析與處理軟件組成的系統(tǒng)。 專用型信號(hào)分析與處理設(shè)備是指通用型之外的其他各種信號(hào)分析與處理設(shè)備。 中國目前研制開發(fā)的機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)多為基于通用計(jì)算機(jī)的通用型信號(hào)分析與處理系統(tǒng)。,,,振動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線 (a)幅頻特性 (b)相頻特性,振動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線上可以看到，當(dāng)阻尼比ζ=0.6～0.7時(shí)，在λ= 0～0.4的范圍內(nèi)，加速度傳感器的相對(duì)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(shí)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(yīng)極限不能為0Hz,而一般為2~10Hz。,振動(dòng)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(gè)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(jìn)行阻抗變換；二是把壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)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(dòng)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(gè)靜電荷發(fā)生器，當(dāng)傳感器中的壓電晶體因受力而變形時(shí)，在它的兩個(gè)極面上就會(huì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(gè)電壓源Ua和一個(gè)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(gè)電荷源q和一個(gè)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(dòng)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?yàn)橹挥挟?dāng)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷沒有泄漏，且外電路負(fù)載非常大時(shí)，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(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電，這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量必然產(chǎn)生誤差。,1.傳感器的等效電路,振動(dòng)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(dāng)壓電加速度傳感器等效為一個(gè)電壓源Ua與電容器Ca串聯(lián)的電路時(shí)，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(shí)際等效電路 (b)簡化等效電路,振動(dòng)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(dòng)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(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)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(shí)際等效電路 (b)簡化等效電路,振動(dòng)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?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，使電荷放大器獲得了比電壓放大器更為廣泛的應(yīng)用。,電荷放大器的輸出電壓為：,振動(dòng)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(jià)格便宜、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是電纜長度對(duì)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(diǎn)，因而當(dāng)采用電荷放大器進(jìn)行放大時(shí)，連接電纜可達(dá)數(shù)百米，甚至更長也不必重新標(biāo)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(diǎn)，比如價(jià)格較貴，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。,4.兩種前置放大器的比較,振動(dòng)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(duì)應(yīng)，理論上應(yīng)有四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但實(shí)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(dòng)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(duì)壓電元件施加預(yù)壓力。這種形式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，而且靈敏度高，但對(duì)噪聲、基座應(yīng)變、瞬時(shí)溫度沖擊等的影響比較敏感，這是因?yàn)槠渫鈿け旧砭褪菑椈?質(zhì)量系統(tǒng)中的一個(gè)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(jī)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(yù)緊彈簧,振動(dòng)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(hù)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(diǎn)，而且克服了其對(duì)環(huán)境敏感的缺點(diǎn)。但它也受安裝表面應(yīng)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(yù)緊彈簧,振動(dòng)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(yīng)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(huì)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(yù)緊彈簧,振動(dòng)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(dāng)傳感器受到向上的振動(dòng)時(shí)，由于慣性的作用使質(zhì)量環(huán)保持滯后，這樣會(huì)在壓電元件中出現(xiàn)剪應(yīng)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(shí)傳感器感受到向下的運(yùn)動(dòng)，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(yù)緊彈簧；5-輸出引線,振動(dòng)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(yīng)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(duì)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(dòng)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(shì)。,振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo),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(gè)最重要的指標(biāo)。 （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(hào)。 （3）溫度范圍 傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，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(xiàng),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,使用壓電加速度傳感器時(shí)，測量結(jié)果的真實(shí)性會(huì)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(huì)使傳感器的絕緣電阻（匯漏電阻）減小，從而使傳感器頻響應(yīng)特性變壞。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項(xiàng),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,幅頻特性曲線反映信號(hào)的頻率在1Hz到3KHz這一段，加速度計(jì)能比較好的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的波形。,幅頻特性曲線告訴我們，測量裝置對(duì)信號(hào)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(hào)波形能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)振動(dòng)波形，就必需使所測信號(hào)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(jì)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(xiàng),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(huì)使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。石英晶體對(duì)溫度不敏感，而溫度對(duì)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(jìn)行人工老化處理。 溫度還會(huì)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(xiàng),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(hào)電纜一般多采用柔軟的具有良好撓性的小型同軸導(dǎo)線，電纜受到突然的擾動(dòng)或振動(dòng)時(shí)，自身會(huì)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(shí)其內(nèi)阻抗極高（上百兆歐），這樣，電纜里產(chǎn)生的噪聲不會(huì)很快消失，以致進(jìn)入前置放大器，成為一種干擾信號(hào)。,,壓電加速度傳感器的使用注意事項(xiàng),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(hù)層，由一個(gè)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(dāng)機(jī)器擾動(dòng)電纜使其彎曲振動(dòng)時(shí)，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(duì)移動(dòng)，以致它們彼此之間形成了空隙。由于相對(duì)移動(dòng)，空隙中將因摩擦而產(chǎn)生靜電感應(yīng)，靜電荷放電時(shí)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(jī)理,壓電加速度傳感器的使用注意事項(xiàng),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(duì)運(yùn)動(dòng)。,,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(xiàng),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,(4)接地回路噪聲 在振動(dòng)測試中，往往同時(shí)使用幾臺(tái)測量儀器，各儀器和傳感器都應(yīng)有接地線，如果接地點(diǎn)不同，如圖 (a)所示，不同接地點(diǎn)之間易存在電位差ΔU，該電位差會(huì)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(hào)。,,同軸電纜結(jié)構(gòu)及電纜噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,壓電加速度傳感器的使用注意事項(xiàng),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(hào)的辦法是整個(gè)測量系統(tǒng)在一點(diǎn)接地，見圖 (b)。此時(shí)由于沒有接地回路，也就消除了回路電流和噪聲信號(hào)． 接地點(diǎn)最好選在記錄設(shè)備的輸入端。安裝時(shí)要將傳感器和放大器對(duì)地隔離，電氣絕緣是傳感器的簡單隔離方法，應(yīng)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(xiàng),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(shí)的靈敏度。 加速度傳感器只有當(dāng)振動(dòng)沿其主軸方向發(fā)生時(shí)才會(huì)有信號(hào)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(yīng)該與傳感器的主軸重合，而垂直于主軸方向的振動(dòng)不應(yīng)使傳感器產(chǎn)生信號(hào)輸出。但是，任何加速度傳感器都做不到這一點(diǎn)，這主要有以下幾個(gè)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(gè)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(xiàng),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,④傳感器安裝不對(duì)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(xiàng),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(diǎn)，在裝配傳感器時(shí)，只要精細(xì)地調(diào)整兩片壓電片的相互位置，就可以起互相補(bǔ)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(gè)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(gè)實(shí)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(dòng)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(xiàng),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?yàn)椴煌陌惭b方式對(duì)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(diǎn)，以便安裝時(shí)參考。,,壓電加速度傳感器 安裝方式及其特點(diǎn),壓電加速度傳感器的使用注意事項(xiàng),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(xiàng),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(xiàng),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(dǎo)電率及導(dǎo)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(yàn)表明，當(dāng)被測面為平面時(shí)，以正對(duì)探頭中心線的點(diǎn)為中心，被測面直徑應(yīng)當(dāng)大于探頭頭部直徑1.5倍以上；當(dāng)被測體為圓軸而且探頭中心線與軸心線正交時(shí)，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(huì)下降。一般當(dāng)被測面大小與探頭頭部直徑相同時(shí)，靈敏度會(huì)下降至70％左右。另外，被測物體的厚度也會(huì)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(huì)給實(shí)際的測量值造成附加誤差，特別是對(duì)于振動(dòng)測量，這個(gè)附加誤差信號(hào)與實(shí)際的振動(dòng)信號(hào)疊加在一起，往往很難進(jìn)行分離，因此被測物體表面應(yīng)該光潔。通常對(duì)于振動(dòng)測量表面粗糙度Ra要求在0.4～0.8um之間，一般需要對(duì)被測面進(jìn)行珩磨或拋光；對(duì)于位移測量，由于指示儀表的濾波效應(yīng)或平均效應(yīng)，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(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)被測物體為導(dǎo)磁材料（如普通鋼、結(jié)構(gòu)鋼等）時(shí)，由于磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)同時(shí)存在，而且磁效應(yīng)與渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場方向相反，要抵消部分渦流效應(yīng)，使得傳感器感應(yīng)靈敏度降低；而當(dāng)被測物體為非導(dǎo)磁或弱導(dǎo)磁材料（如銅、鋁、合金鋼等）時(shí)，由于磁效應(yīng)弱，相對(duì)來說渦流效應(yīng)要強(qiáng)，因此傳感器感應(yīng)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(duì)傳感器測量的影響，相當(dāng)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(huì)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(zhǔn)，不會(huì)影響使用，否則應(yīng)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(yīng)的影響 電渦流效應(yīng)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(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)推薦被測物體表面殘磁不超過。0.5uT,當(dāng)需要更高的測量精度時(shí)，應(yīng)該用實(shí)際被測物體進(jìn)行校準(zhǔn)。,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(huì)在頭部周圍產(chǎn)生磁場，因此在安裝時(shí)要注意兩個(gè)探頭的安裝距離不能太近，否則兩探頭之間會(huì)互相干擾，在輸出信號(hào)上疊加兩探頭的差頻信號(hào)，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(hào)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(kuò)散。因此在安裝時(shí)，就必須考慮安裝面金屬導(dǎo)體材料的影響，應(yīng)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(yīng)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(shí)際的測量值是被測物體相對(duì)于探頭的相對(duì)值，而需要的測量結(jié)果是被測體相對(duì)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(duì)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(jī)器內(nèi)部探頭安裝支架 在機(jī)器內(nèi)部安裝探頭，對(duì)規(guī)格要求比較靈活。內(nèi)部安裝探頭時(shí)通常采用角型支架，但在設(shè)計(jì)加工角型支架時(shí)，應(yīng)保證支架的剛度，否則會(huì)由于支架的振動(dòng)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(jī)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(dāng)探頭與被測面間隙調(diào)整到合適位置時(shí)，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(dòng)而造成的探頭松動(dòng)。,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(jī)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(jī)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(jī)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(hù)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(shí)測量，當(dāng)兩探頭并列測量同一軸端面時(shí)，可以采用類似于如圖示的雙探頭安裝支架組件通過機(jī)器的外殼將探頭固定。這種支架組件的結(jié)構(gòu)可以在機(jī)器外面分別調(diào)整每個(gè)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(hù)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(jī)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(shí)間間隔Δt以及采樣長度，以保證采樣所得的數(shù)字信號(hào)能真實(shí)地代表原來的連續(xù)信號(hào)。時(shí)間間隔Δt越小，離散化后的信號(hào)越能代表原模擬信號(hào)，當(dāng)Δt →0時(shí)，時(shí)間離散信號(hào)與原模擬信號(hào)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(shí)間長度段內(nèi)取樣個(gè)數(shù)越多，所需的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量和計(jì)算量就越大，后續(xù)信號(hào)分析工作量相應(yīng)地也越大，即希望Δt越大越好；但反過來若Δt取得過大，會(huì)發(fā)生所謂的“頻率混淆效應(yīng)”。,采樣間隔與頻率混淆,設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,從時(shí)域上看，采樣信號(hào)是由頻率和振幅均不同的兩個(gè)信號(hào)x1(t)和x2(t)組合而成，如果只在t1，t2，t3，t4…點(diǎn)進(jìn)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(yīng)。,Shannon采樣定理給出了信號(hào)采樣時(shí)應(yīng)遵循的原則：,頻率混淆的時(shí)域說明,數(shù)據(jù)采集器的主要性能指標(biāo),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(shí)記錄的信號(hào)路數(shù)，一般為1、2、4、8。 3.信號(hào)輸入 指采集器所能采集的最大信號(hào)幅值，分為電壓和電流兩種。 4.分辨力 指采集器感知信號(hào)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(biāo),設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷,5.信噪比 是決定采集器動(dòng)態(tài)范圍的指標(biāo)，單位為dB 6.存儲(chǔ)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(shí)需要考慮的指標(biāo)，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(shí)刻的多路信號(hào)，如圖所示的t1、t2、t3等時(shí)刻，這樣，多路信號(hào)之間沒有時(shí)間上的超前與滯后，也就不會(huì)產(chǎn)生相位差。在測定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及兩路信號(hào)的互相關(guān)系等應(yīng)用時(shí)，要求進(jìn)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(hào)，各路采集結(jié)果之間因有時(shí)間上的超前與滯后而存在相位差，見圖。大多數(shù)應(yīng)用場合只要求這種形式的采集。在具體實(shí)現(xiàn)上，同步采集比巡回采集更困難，因而成本也相對(duì)較高。,巡回采集示意圖,