機械振動測試系統(tǒng)的設計【含CAD圖紙、說明書】

畢業(yè)設計 機械振動測試系統(tǒng)的設計 1 概述 工程振動問題是近代物理學和科學技術眾多領域中的重要課題。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，動力結構又向大型化， 高速化，復雜化和輕量化發(fā)展的趨勢，由此而帶來的工程震動問題更為突出。工程震動在當今不僅作為基礎科學的一個重要分支，而且正走向工程科學發(fā)展的道路，他在機械，航空，航天，船舶，車輛，建筑和水利等工業(yè)技術部門 中占有越來越重要的地位。因此，掌握工程測試震動技術的基本概念，原理和方法，從而解決現(xiàn)代科學技術和工程實際問題中的振動和動態(tài) 問題是十分重要的。 解決工程振動問題一般是2種方法。一種是解析的方法，即計算方法。他主要是通過建立理論模型的運動微分方程組，通過理論求解得到動力系統(tǒng)的響應，從而達到解決振動問題的目的。另一種方法是工程測試的方法。它某種激勵的方法使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的振動響應，或通過現(xiàn)場實測，利用有關儀器。設備直接得到系統(tǒng)的響應，從而達到解決振動問題的 目的或者利用所得到的響應結果，進行參數(shù)識別，從而驗證第一種方法的正確性，推動理論分析的發(fā)展。 機械狀態(tài)監(jiān)測技術研究是國家重點的攻關項目，目的是提高大型旋轉機械的 產(chǎn)品質量，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟損失。50年代，各種類型和性能的傳感器和測振 儀相繼研制成功，并開始應用于科學研究和工程實際。六七十年代，數(shù)字電路、電子計算機 技術的發(fā)展、“信號數(shù)字分析處理技術”的形成，推動 了振動檢測技術在機械設備上的應用。70年代至80年代，機械設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 技術在許多發(fā)達國家開始研究。隨著電子計算機技術、現(xiàn)代測試技術、信號處理技術、信號 識別技術與故障診斷技術等現(xiàn)代科學技術發(fā)展，機械設備的監(jiān)測研究跨入系統(tǒng)化的階段，并 把實驗室的研究成果逐步推廣到核能設備、動力設備以及其它各種大型的成套機械設備中去， 進入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本三菱公司的“旋轉機械健康管理系統(tǒng)”（machinery health monitoring，簡稱MHM），美國西屋公司的“可移動診斷中心”（mobile diagnosi s center，簡稱MDC），丹麥B＆K公司的2500型振動監(jiān)測系統(tǒng)等，都具備了機組 信號數(shù)據(jù)的采集、分析、計算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項診斷軟件。先進的狀 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把體現(xiàn)機械動態(tài)特性的振動、噪聲作為主要監(jiān)測和分析的內(nèi)容。由 于振動、噪聲是快速的隨機性信號, 不僅對測試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進行大量的數(shù) 據(jù)處理， 國內(nèi)外在80年代用小型計算機或專用數(shù)字信號處理機作為主機完成機械動態(tài)特性 的數(shù)據(jù)處理（如:HP5451C）, 該類主機不僅價格昂貴（一般價格為數(shù)十萬元）而且對工作環(huán) 境要求苛刻（需要專用機房），因而通常采用離線監(jiān)測與分析的方式。 90年代以來，高檔微機不斷更新且價格迅速下降，適合數(shù)字信號處理的計算方法不斷優(yōu)化， 使數(shù)據(jù)處理速度大為提高，為在工業(yè)現(xiàn)場直接應用狀態(tài)監(jiān)測技術創(chuàng)造了條件。丹麥、美國、 德國、日本等發(fā)達國家的專家學者對旋轉機械工作狀態(tài)監(jiān)測技術進行了深入研究，研制出不 同系統(tǒng)。該類系統(tǒng)以丹麥 B&K公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國BENTLY 公司的3300 系列振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國亞特蘭大公司的M6000系統(tǒng)為代表已經(jīng)達到較高的水平 。在功能上比較典型的系統(tǒng)之一是丹麥B&K公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自動譜比較并進行故障預警報警；對6％和23％恒百 分比帶寬譜進行速度補償；幅值增長趨勢圖顯示； 三維譜圖顯示；振動總均方根值（振動 烈度）計算；支持局域網(wǎng)。美國IRD公司的IQ2000系統(tǒng)可認為是至今為止有報道的功能最齊 全的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。 我國在工業(yè)部門中開展狀態(tài)監(jiān)測技術研究的工作起步于1986年，在此之前從國外引進的大型 機組，一般都購置了監(jiān)測系統(tǒng)。而在自行研制的國產(chǎn)設備上，若選用國外的監(jiān)測系統(tǒng)，由于 價格異常昂貴而難以接受。80年代中后期以來，我國有關研究院所、高等院校和企業(yè)開始自 行或合作研究旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術，無論在理論研究、測試技術和儀器研制方面，都取得 了成果，并開發(fā)出相應的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。如：西安交通大學、浙江大學、北京理工 大學、北京機械工業(yè)學院等。 國內(nèi)主要有幾種類型：a.哈爾濱工業(yè)大學等單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ、3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ系統(tǒng) ；b.西安交通大學機械監(jiān)測與診斷研究室的RMMDS系統(tǒng)；c.西安交通大學潤滑理論及軸承研 究室的RB20-1系統(tǒng)；d.鄭州工學院的RMMDS系統(tǒng)；e.重慶太笛公司的CDMS系統(tǒng)；f.浙江大學 的CMD-I型及II型系統(tǒng)；g.西北工業(yè)大學的MD3905系統(tǒng)；h.北京機械工業(yè)學院的BJD-ZⅠ、BJ D-ZⅡ、BJD-ZⅢ系統(tǒng)。其中比較典型的系統(tǒng)有：1985年10月通過鑒定的由哈爾濱工業(yè)大學等 單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ微機化“汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來進一 步開發(fā)的汽輪機故障診斷專家系統(tǒng)3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ；1987年通過鑒定的由西安交通大學機械 故障診斷研究室研制的RMMD-S化肥五大機組“微機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”等。這些系統(tǒng) 的主要功能有：軸振動監(jiān)測，包括軸心軌跡分析、軸向串動、軸振動位移峰-峰值計算；殼 體振動監(jiān)測；頻譜分析，包括頻率細化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動預 、報警；故障特征提取及診斷。 以上系統(tǒng)的軟件功能比較豐富，硬件性能也不斷改進，但基本上仍處于研究發(fā)展階段，且價 格依然昂貴，這些系統(tǒng)主要應用于國家重點企業(yè)中關鍵設備的監(jiān)測或特定設備的監(jiān)測，如大 型汽輪機組、大型水輪機組等。 從技術發(fā)展過程看，現(xiàn)代監(jiān)測技術大致經(jīng)歷了兩個階段。 第一階段是以傳感器技術和動態(tài)測試技術為基礎，以信號處理技術為手段的常規(guī)技術發(fā) 展階段，這一階段的技術已在工程中得到了應用，它吸收了大量的現(xiàn)代科技成果，傳感器技 術的飛躍發(fā)展，使之可以利用振動、噪聲、力、溫度、電、磁、光、射線等多種信息。由此 產(chǎn)生了設備的振動、噪聲、光譜、鐵譜、無損檢測、熱成像等監(jiān)測和故障分析技術。信號分 析與數(shù)值處理技術的發(fā)展，結合微計算機技術的發(fā)展，使各種方法應運而生，如：狀態(tài)空間 分析、對比分析、函數(shù)分析、邏輯分析、統(tǒng)計和模糊分析方法。近年來，各種數(shù)據(jù)處理軟、 硬件的出現(xiàn)使實時在線監(jiān)測及故障分析技術成為可能。 人工智能技術為設備監(jiān)測和故障分析的智能化發(fā)展提供了可能，使得現(xiàn)代監(jiān)測技術發(fā)展 步入第二階段。這一階段的研究內(nèi)容與實現(xiàn)方法已開始并正在繼續(xù)發(fā)生著重大變化，以 數(shù)據(jù)處理為核心的過程將被以知識處理為核心的過程所替代，開展了專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡和 模糊分析等理論、方法和應用技術的研究。這階段起主導作用的將是人類 專家的知識，包括人類專家所擁有的領域知識、求解問題的方法等。由于實現(xiàn)信號檢測、數(shù) 據(jù)處理與知識處理的統(tǒng)一，使得先進技術不再是少數(shù)專業(yè)人員才能掌握的技術，而是一般操 作人員所能使用的工具。 2 系統(tǒng)方案的設計 2.1 振動測試的概念 狹義的說是通過傳感器、放大器以及顯示或記錄儀表，測量運動機械或工程結構在外界激勵或運行工況中其重要部位的位移、速度、加速度等運動量，從而了解機械結構的工作狀態(tài)。 廣義上說通過運動量的測量了解機械結構的動特性(頻率、振型、阻尼及動剛度)為工程結構的動力設計服務。 機械振動是指物體在其穩(wěn)定的平衡位置附近所作的往復運動。這是物體的一種特殊形式的運動。運動物體的位移、速度和加速度等物理量都是隨時間住復變化的： 　　 機械振動是一種常見的物理現(xiàn)象，如橋梁、機床的振動．鐘鎂的擺動，飛機機翼的顫動，汽車運行時發(fā)動機和車體的振動等等。振動的存在會影響機器的正常運轉，使機床的加工精度、精密儀器的靈敏度下降，嚴重的還會引發(fā)機器或建筑結構的毀壞：此外，還會引發(fā)噪音、污染環(huán)境，這是不利的一面。另一方面，人們利用機械振動現(xiàn)象的特征，設計制造了眾多的機械設備和儀器儀表，如振動篩選機、振動研磨機、振動輸送饑、振動打樁機、混凝土振搗器以及測量傳感器、鐘表計時儀器、振子示波器等等。隨著機器設備向著大型、高速高效和自動化諸方面發(fā)展，需要分析處理的振動問題愈來愈重要。因此，掌握機械振動的基本理論，正確地運用它，對于設計制造安全可靠和性能優(yōu)良的機器、儀器儀表、建筑結構以及各種交通運輸工具，并有效地抑制、防止振動帶來的危害是十分必要的；、 　　 為了便于研究振動現(xiàn)象的基本特征，需要將研究對象進行適當?shù)睾喕统橄螅纬梢环N分析研究振動現(xiàn)象的理想化模型，即所謂振動系統(tǒng)。振動系統(tǒng)可以分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)。實際工程結構的物理參數(shù)(例如板殼、梁、軸等的質量及彈性) ·般是連續(xù)分布的，具有這種特點的模型系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)或分布參數(shù)系統(tǒng)。絕大多數(shù)場合中，為／能夠分析或者便于分析，需要通過適當?shù)臏蕜t將分布參數(shù)“凝縮”成有限個離散的參數(shù)，這樣便得到離散系統(tǒng)。 　　 由于所具有的自由度數(shù)目上的區(qū)別，連續(xù)系統(tǒng)又稱為無限自由度系統(tǒng)，離散系統(tǒng)則稱為多自由度系統(tǒng)，它的最簡單情況是單自由度系統(tǒng)。 　　 分析連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)的振動的數(shù)學工具有所不同，前者借助于偏微分方程，后者借助于常微分方程。 　　 離散系統(tǒng)中的一種典型是由有限個慣性元件、彈性了亡件及阻尼元件等組成的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)。其中，慣性元件是對系統(tǒng)的慣性的抽象，表現(xiàn)為僅計及質量的質點或者僅計及轉動慣量和質量的剛體；彈性元件是對系統(tǒng)的彈性的抽象，表現(xiàn)為不計質量的彈簧、扭轉彈簧或者僅具有某種剛度(如抗彎剛度、抗扭剛度等)但不具有質量的梁段、軸段等；阻尼元件既不具有慣性，也不具有彈性，它是對系統(tǒng)中的阻尼因素或有意識施加的阻尼器件的抽象，通常表示為阻尼緩沖器。阻尼元件是一種耗能元件，主要以熱能形式消耗過程中的機械能，這與慣性元件能曠存動能、彈性元件能貯存彈性勢能在性質上完全不同。 2.2 旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術 旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術，是近年來研究的熱門課題，這里著重考慮的是避免設備的隨機性故 障。自動在線監(jiān)測方式與定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析監(jiān)測方式相比技術水平先進，既 避免設備突發(fā)性故障又無需專業(yè)人員現(xiàn)場操作。旋轉機械狀態(tài)在線預測技術，是研究的新 興課題之一，這里著重考慮的是預測設備的時間依存性故障和改變設備的維護方式。該技術 是在狀態(tài)監(jiān)測及故障分析基礎上發(fā)展起來的，是實現(xiàn)以先進的預知維護取代以時間為基礎的 預防性維護的關鍵技術。本課題著重研究的是設備狀態(tài)在線監(jiān)測及趨勢預測的方法。 2.2.1旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展 旋轉機械是工業(yè)上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動機、發(fā)動機、 發(fā)電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關鍵設備。 本世紀以來，隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機械工程中的機械設備朝著輕型化、大型化、 重載化和高度自動化等方向發(fā)展。出現(xiàn)了大量的強度、結構、振動、噪聲、可靠性，以及材 料與工藝等問題，設備損壞事件時有發(fā)生，國內(nèi)外大型汽輪機嚴重事故是其典型實例。 機械設備運行狀態(tài)的監(jiān)測技術，已經(jīng)從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代 測量技術、計算機技術和信號分析技術的先進的監(jiān)測技術，諸如超聲、聲發(fā)射、紅外測溫等 ，層出不窮。人工智能、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學等新興學科在機械狀態(tài)監(jiān)測技術中也找到用武 之地。 在機械動態(tài)信號分析方法和應用技術上，新近的發(fā)展有：采用空間域濾波的預處理、采用Vo ld－Kalman濾波的多軸階比信號分析技術、適于非平穩(wěn)信號的基于Wigner－Ville分布分析、小波(wavelet)變換方法、混沌分析方法、智能 傳感與檢測技術、以及與VXI總線儀器平臺相關的技術等。 現(xiàn)今，國內(nèi)外較典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有3種。 (1)　離線定期監(jiān)測方式。測試人員定期到現(xiàn)場用一個傳感器依次對各測點進行測試，并用磁帶機記錄信號，數(shù)據(jù)處理 在專用計算機上完成，或是直接在便攜式內(nèi)置微機的儀器上完成；這是當前利用進口監(jiān) 測儀器普遍采用的方式。采用該方式，測試系統(tǒng)較簡單，但是測試工作較煩鎖，需要專門的 測試人員；由于是離線定期監(jiān)測，不能及時避免突發(fā)性故障。 (2)　在線檢測離線分析的監(jiān)測方式。亦稱主從機監(jiān)測方式，在設備上的多個測點均安裝傳 感器，由現(xiàn)場微處理器從機系統(tǒng)進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，在主機系統(tǒng)上由專業(yè)人員進 行分析和判斷。這種方式是近年在大型旋轉機械上采用的方式。相對第一種方式，該方式免 去了更換測點的麻煩，并能在線進行檢測和報警；但是該方式需要離線進行數(shù)據(jù)分析和判斷 ，而且分析和判斷需要專業(yè)技術人員參與。 (3)　自動在線監(jiān)測方式。該方式不僅能實現(xiàn)自動在線監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，及時進行故障 預報，而且能實現(xiàn)在線地進行數(shù)據(jù)處理和分析判斷；由于能根據(jù)專家經(jīng)驗和有關準則進行智 能化的比較和判斷，中等文化水平的值班工作人員經(jīng)過短期培訓后就能使用。該方式技術最 先進，不需要人為更換測點，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術人員參與分析 和判斷；但是軟硬件的研制工作量很大。本課題研究的是這種方式。 今后，旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術趨向由離線定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析監(jiān)測方式，發(fā)展 為自動在線監(jiān)測方式。隨著人工智能理論的發(fā)展及其在實際中的應用、數(shù)據(jù)處理軟件的大量 開發(fā)，今后旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術正向多目標、多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡化方向發(fā)展 。 2.2.2旋轉機械狀態(tài)預測技術的發(fā)展 當機械設備發(fā)生故障時,不僅物質財富遭到破壞，服務逼迫中斷，甚至連人員的生存也會受 到威脅。在工業(yè)史上，由于機械設備故障造成的災難和環(huán)境事故頻頻發(fā)生。例如，美國阿莫 科.卡迪斯號油輪原油泄漏事故，前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故等等，了解這些事故發(fā)生 的過程以及如何加以防范，成為要考慮的重要問題。尤其這些故障大都是由于人為干預和不 當措施所造成的，因而減少維護次數(shù)和提高維護的科學性是預防惡性事故發(fā)生的重要方面 。 傳統(tǒng)的機械設備維護方式概括為：運轉至損壞再維護和以時間為基礎的預防性維護；前者一 般用于廉價的小型機器，采用后備設備來保證生產(chǎn)；后者也稱定期維護，一般用于大中型設 備，不論設備是否有故障都按人為計劃的時間定期檢修80年代以來，以建立新 的維修體制為目標形成了綜合工程學科，這一工程學科在歐美、日本以不同的形式獲得了推 廣。近年來丹麥、美國、德國、日本等發(fā)達國家的專家學者進一步提出了預知維護的基本概 念。90年代以來，開始研究新型旋轉機械工作狀態(tài)分析和狀態(tài)預測技術，研究采用專家系統(tǒng) 、神經(jīng)網(wǎng)絡等新的應用技術。但是，人工智能狀態(tài)在線預測和預知維護的研究尚處于研究發(fā) 展的起步階段。 設備預知維護是通過對機械設備運行狀態(tài)做監(jiān)測及預測來取代定期檢修方式，其原則是：只 有當監(jiān)測、分析和預測結果表明有必要維修時才進行維修。這種現(xiàn)代化維護方式能監(jiān)測和預 報設備的故障，在發(fā)現(xiàn)故障前兆時能及時停機，甚至能按判別出的故障的性質和部位，有目 的地進行檢修。其檢測方式通常是定期檢測，但理想的方式是在線實時檢測；其分析預測方 式通常是在計算機上由專業(yè)人員評定完成，但理想的方式是由人工智能系統(tǒng)實時在線判斷完 成。 因此，若能在線實時檢測和以人工智能分析機械設備經(jīng)歷的和當前的狀態(tài)，并預測隨后的發(fā) 展，則可以隨時、科學、有效地揭示機械設備當前的工作狀態(tài)，并預測今后多長時間設備狀 態(tài)將達到不可接受的程度而應當停機維修，從傳統(tǒng)的預防維護上升到預知維護。若對旋轉機 械設備實行預知維護，需要在旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測和故障分析的基礎上，進一步通過對設備狀 態(tài)進行頻域、時域的綜合分析判斷以及狀態(tài)的趨勢預測來實現(xiàn)。 國際上有代表性的預測系統(tǒng)是美國Entek Scientific Corporation的預測維修系統(tǒng)(pre ventive maintenance system)，其主要功能有：幅值趨勢圖顯示；時域波形顯示，頻譜顯 示；六段頻率頻譜自動報警，窄帶頻譜自動報警；兩頻譜幅值比顯示，兩頻譜幅值差顯示； 三維譜圖顯示；用旋轉機械故障診斷專家系統(tǒng)進行離線故障診斷；支持鐵譜分析；支持局域 網(wǎng)。該預測系統(tǒng)，能對頻譜進行自動比較，能識別由于旋轉機械轉速變化所引起的頻率漂移 ，并提供報警信號。 隨著我國科學技術的發(fā)展，一些大型企業(yè)正在從單純的振動測量或巡回檢測、定期檢測和檢 修，逐漸向長期連續(xù)監(jiān)測和預測性維修過渡。有的高等院校和科研院所的研究方向也開始相 應變化，有代表性的是天津大學的基于Windows的IDPM智能診斷與預測維修軟件系統(tǒng)的研究。但是國內(nèi)當前研究的重點仍集中在旋轉機械設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障分析方面 ，而對大型旋轉機組的以預知維護為目標的智能狀態(tài)在線預測技術尚待系統(tǒng)地研究。國內(nèi)許 多廠家和研究單位研制的監(jiān)測系統(tǒng)，大多數(shù)測量項目單一，甚至還往往限于對溫度、壓力、 液位、電量等常規(guī)參數(shù)的檢測，不具備對振動量為主的機械動態(tài)特性進行檢測和分析的功能 ，因而無從反映旋轉機械設備重要的工作狀態(tài)；即便具有檢測振動量的功能，尚限于狀態(tài)的 監(jiān)測和故障分析，不能對旋轉機械設備工作狀態(tài)發(fā)展趨勢進行預測。 2.2.3 旋轉機械狀態(tài)預測技術的發(fā)展趨勢 從機械設備的檢修歷史和現(xiàn)狀來看，設備檢修方式大致有：發(fā)生事故停機檢 修，定期停機檢修亦稱預防性維修(preventive maintenance)，預知維修 (predictive maintenance)亦 稱狀態(tài)維修或視情維修(condition maintenance or condition-based maintenance)。 預知維修方式可以從根本上改變原有的設 備維修制度。在保證設備安全運行、避免人員 傷亡、減少環(huán)境污染和避免巨大 的經(jīng)濟損失方面將產(chǎn)生巨大的作用。據(jù)有關文獻介紹，在設 備上應用預測技術， 獲利與投資比可達17:1。因而，以預知維護取代以時間為基礎的預防性 維修， 成為關鍵設備和大中型設備維護方式的發(fā)展趨勢。國外有代表性的采用旋轉機械 狀態(tài) 預測先進技術的系統(tǒng)是美國Entek 公司的IRD－890 PM預測維修系統(tǒng)、丹 B&K公司的COMPAS S TYPE 3540系統(tǒng)、TYPE3560系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般用于設備 的離線預測。 在線的預測技術越來越受到人們的重視，并成為目前技術攻關的課題。在現(xiàn) 有的設備狀態(tài)在 線監(jiān)測系統(tǒng)上附加狀態(tài)預測功能，由于具有較高的性能價格比， 而成為實現(xiàn)設備狀態(tài)在線監(jiān) 測及預測的優(yōu)選方案，本課題研究的是這種采用在 線方式的同時進行監(jiān)測及預測的方案。具 有人工智能的狀態(tài)在線監(jiān)測和預測技 術是國內(nèi)外研究的新課題，也是本課題研究的內(nèi)容。 由于機組狀態(tài)在線智能化趨勢預測技術是國際上90年代以來發(fā)展的一項先進技術，國 家 自然科學基金工程與材料科學部確定，國內(nèi)大型旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測及預報研究課題主要 針對 大中型旋轉機械，研究智能化在線的狀態(tài)分析和狀態(tài)預測的有關理論、方法，研究在 線檢測 、人工智能分析設備經(jīng)歷的和當前的狀態(tài)并預測發(fā)展趨勢。國家機械工業(yè)技術發(fā)展 基金委員 會提出的“九五”期間研究工作目標也確定在大型旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測和故障分析 的基礎上， 研究大型旋轉機械狀態(tài)預測系統(tǒng)，研究大型旋轉機械狀態(tài)趨勢預示的技術，開 發(fā)大型旋轉機 械狀態(tài)趨勢預測的系統(tǒng)。 2.3 　問題的提出 以往在工業(yè)現(xiàn)場通常通過值班人員對大型機械設備的狀態(tài)進行監(jiān)測，監(jiān)測項目除溫度、 壓力 、電機功率、電流等常規(guī)項目外，按規(guī)定振動、噪聲通常也是需監(jiān)測的項目，但往往 沒有檢 測手段，只能靠值班人員手摸或耳聽；由于缺乏可靠的科學依據(jù)，對其狀態(tài)評價也 往往是不 準確的，因而設備損壞等惡性事故時有發(fā)生。因停機維修而造成的經(jīng)濟損失往往 是很驚人的 。同時，當前大型機械設備的維護方式通常采用的是周期性強制維護，該維護 方式到時即更 換零部件，維護費用巨大，停機時影響正常生產(chǎn)，并且仍避免不了惡性事故 的發(fā)生。此外， 工業(yè)現(xiàn)場往往裝有若干臺大型機械設備，現(xiàn)場噪聲很高，通常大大超過國 家《工業(yè)企業(yè)噪聲 衛(wèi)生標準》。 在機械設備狀態(tài)監(jiān)測技術應用方面：如我國大型油田以前建的大型采油注水站沒有裝備 狀態(tài)監(jiān)測及預測系統(tǒng)。有的新建注水站雖裝備了微機巡檢系統(tǒng)，但該系統(tǒng)通常僅對壓力、溫 度等常規(guī)項目進行監(jiān)測，沒有包括機械振動特性的檢測，不能進行機組重要狀態(tài)的監(jiān)測和分 析。近年來，有的油田輸油站等大型設備上，采用了新研制的包括對振動特性進行檢測的系 統(tǒng)，實現(xiàn)了在線監(jiān)測和分析，但尚沒有建立機組機械動特性檔案，因而難以進行自動在線的 狀態(tài)判斷，而需要專業(yè)人員離線進行分析。 在機械設備狀態(tài)預測技術應用方面：如在我國大型油田廣泛使用的大型注水機組的維護 方式仍采用上述的傳統(tǒng)的預防性維修。近年來有的維修部門進口了美國Entek 公司預測維 修 系統(tǒng)，可對機組進行定期檢測和離線分析。但是該儀器內(nèi)置的預測對象是通用電機，對 注水 機組故障率較高的離心泵的預測針對性不強，同時又是定期離線預測方式，不便于進 行短期 預測，不能防止機組突發(fā)性事故，并且得由專業(yè)人員進行檢測和分析；因而應用受 到限制， 也不能從根本上改變注水機組的維護方式。當前工業(yè)生產(chǎn)越來越注重降低成本 ， 特別是要求在能避免機械設備突發(fā)事故的同時盡量延長設備運行周期。為此，迫切需要研 究 大型旋轉機械狀態(tài)自動在線監(jiān)測及預測技術。 2.4 研究的意義 對機械狀態(tài)進行在線監(jiān)測及預測可以有效地避免意外事故，消除續(xù)發(fā)損壞，節(jié)約大 量 維護費用；由于減少維修次數(shù)，從而增加設備正常運轉時間，提高設備利用率，縮減維修 備 件的庫存及庫存時間。 對機械設備狀態(tài)進行機械動態(tài)特性以及壓力、溫度、流量、液位、電量、潤滑油含水等 常規(guī)項目的綜合自動監(jiān)測; 同時可進一步研究增加控制功能，調整設備輸出使 設備在效率 較佳、能耗較低的狀態(tài)下運行。利用主機系統(tǒng)進行統(tǒng)計和打印日常 報表以及故障報表, 能 為生產(chǎn)部門提供現(xiàn)代化的科學管理手段，通過微機聯(lián)網(wǎng)通訊，還可以 使設備狀態(tài)監(jiān)測及預 測系統(tǒng)成為企業(yè)先進的管理系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。此外，由于大大減少 值班人員在強噪聲 環(huán)境下工作的時間，即改善了工作條件, 又使企業(yè)達到國家有關噪聲衛(wèi)生 標準。 隨著人們對設備保護意識的加強和設備維護認識的深入、監(jiān)測及預測技術的發(fā)展及應用 成本 的降低，對該項技術的需求也將日益增加。隨著該技術帶來的經(jīng)濟效益和社會效益日 益明顯 ，旋轉機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預測技術會進一步受到青睞。若進口國外通用監(jiān)測及預 測系統(tǒng)， 不僅價格昂貴，且針對性不強。本課題涉及的研究內(nèi)容是根據(jù)我國工業(yè)生產(chǎn)狀況， 針對實際 需求而提出來的。 旋轉機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預測研究的技術原理與技術方案適用于普通機械設備，尤其適 于連續(xù)運轉的大中型旋轉機械，如：機械、車輛、電力、石化、冶金、煤炭、核能等許多行 業(yè)中的關鍵設備，從而推廣應用領域廣泛，經(jīng)濟效益潛力巨大。 2.5 研究的主要內(nèi)容 振動測試綜合了傳感器、電子學、信號分析以及現(xiàn)代結構振動理論等多方面學術成果，形成了自己的理論方法實踐技術和學科體系，在機械工程和工程結構部門有著廣泛的應用。 隨著近、現(xiàn)代付利葉變換（FFT）的應用及計算機技術的發(fā)展對振動測試技術的發(fā)展起到了極大推動作用。 本課題著重針對機械振動測試方案和結果的研究，以揭示機械設備的機械動態(tài)特性為 手段，研究了機 械設備狀態(tài)自動在線監(jiān)測及預測的方法，以及相應的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。 通過對機械設備 運行和發(fā)展狀態(tài)的在線檢測，實現(xiàn)了對機械設備狀態(tài)自動分析和判斷，對 機械設備狀態(tài)發(fā)展 進行在線趨勢預測，具體完成的主要內(nèi)容如下： (1)提出了機械設備狀態(tài)在線監(jiān)測及預測的總體方案和技術路線，開發(fā)了傳感器、數(shù)據(jù) 采集、現(xiàn)代信號處理、人工智能以及硬件、軟件的有關技術。狀態(tài)監(jiān) 測研究主要考慮的是針對隨機性故障，狀態(tài)預測研究主要考慮的是針對趨勢性故障、可預知 故障。 (2)提出了機械設備狀態(tài)正常與否的準則，選擇了安全評定的標準，確定了對機械設備 整體狀態(tài)及主要零部件狀態(tài)分別評價的判據(jù)；提供能對異常情況做出判斷的方法。 (3)為對機械設備實行現(xiàn)代預知維護提供科學依據(jù)和手段，研究了趨勢預測的方法。除對機 械設備整體進行趨勢預測外，探討了對機械設備零部件進行趨勢預測的方法。 (4)為進行機械狀態(tài)在線監(jiān)測及預測技術的實驗研究，研制完成具有典型機械結構和現(xiàn)代測試分析功能的新型實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)應能模擬典型旋轉機械的運行狀態(tài)，能再現(xiàn)故障發(fā)展過程和預測發(fā)展趨勢。 (5) 以機械設備為對象進行了工業(yè)現(xiàn)場的實踐驗證，并對驗證結果進行了分析。 2.6 方案1的設計 根據(jù)課題的需要，以及對實際情況的考察和比較，我們設計出系統(tǒng)的方案，如下圖所示： 9 10 7 3 掃頻信號源 數(shù)采分析儀 計算機系統(tǒng)及分析軟件 打印機或 繪圖儀 電機調壓器 1 2 4 5 6 8 11 12 13 14 15 16 系統(tǒng)方案設計圖 振動測試與控制實驗臺由彈性體系統(tǒng)（包括簡支梁、懸臂梁、薄壁圓板、單自由度系統(tǒng)、二自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)模型）配以主動隔振、被動隔振用的空氣阻尼減震器、單式動力吸振器、復式動力吸振器等組成。是完成振動與振動控制等近30個實驗的試驗平臺 1、激振系統(tǒng) 激振系統(tǒng)包括： DH1301正弦掃頻信號源 JZ-1型接觸式激振器 JZF-1型非接觸式激振器 偏心電動機、調壓器 力錘（包括測力傳感器） 2、測振系統(tǒng) DH5922動態(tài)采集分析儀 MT-3T型磁電式振動速度傳感器 DH103壓電式加速度傳感器 WD302電渦流位移傳感器 測力傳感器 3、動態(tài)采集分析系統(tǒng) 信號調理器 數(shù)據(jù)采集儀 計算機系統(tǒng)（或筆記本電腦） 控制與基本分析軟件 模態(tài)分析軟件 系統(tǒng)軟硬件配置合理、完善，能完成幾乎全部與振動相關的試驗，可完?成各種模態(tài)試驗（小到梁、板、構件，大到房屋、橋梁等），可完成頻率耦合、結構修?改、靈敏度分析等動力學試驗; 2.7 方案2的設計 振動量的測量?　測量機械系統(tǒng)某些選定點上的振幅(位移、速度和加速度)、頻率、相位、振動的時間歷程和頻譜等。這種測量通常在機械系統(tǒng)的工作狀態(tài)下進行，以了解其實際振動狀況。也可將其轉換為數(shù)字量后分析處理。對某些精密和大型機械設備的振動監(jiān)控和診斷所作的測量也屬這種性質。
　　對模擬量可直接分析處理，振動量測量按振動信號和轉換方式可分為電測法、光測法和機械測振法，其中以電測法應用最為廣泛。圖1為一個較完整的振動量電測系統(tǒng)。測振傳感器（拾振器）將機械振動量轉換為與它成比例的電量。
　　測試結果的分析和數(shù)據(jù)處理 　測試結果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，常用的測振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動式和磁電式等)和電參數(shù)變化型(如電感式、電容式、電阻式和渦流式等)兩類。以保證輸出電信號的幅值和相位均不失真。不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測量變換裝置（圖2）。最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關系，中間測量變換裝置對傳感器輸出的電信號進行前置變換(電阻抗變換)、微積分運算、放大、調制和解調等，以便驅動后接的分析或顯示、記錄設備。分析設備完成對信號的頻率分析。顯示、記錄設備給出振動信號（經(jīng)過分析的或未經(jīng)過分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測量結果，應校準溫度的影響等。以便于儲存、分析信號和進行數(shù)據(jù)處理。 ? 　　系統(tǒng)特征參數(shù)的測定?　主要是應用機械阻抗測試技術，以獲得機械阻抗數(shù)據(jù)（有時亦稱頻率響應數(shù)據(jù)），從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質量和振型等；還可通過模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，既模態(tài)參數(shù)。這一測試過程稱為模態(tài)參數(shù)識別。這種測定通常在機械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗情況下進行，以求全面了解其動態(tài)響應特性。尤其是測振傳感器必須進行定期校準和定度。若在工作狀態(tài)下進行，則常稱為在線識別。在機械阻抗測試技術中，施加的激勵有簡諧、瞬態(tài)和隨機3種類型，試驗根據(jù)不同試驗對象按相應的試驗規(guī)范進行，故機械阻抗測試也相應地分3類。 振動環(huán)境模擬試驗?　研究或考核試驗對象在強度、壽命和功能方面的抗振性。簡諧激勵又有單點激勵和多點激勵兩種形式。這種模擬試驗分為周期性振動試驗、隨機振動試驗和沖擊試驗 3種。周期性振動試驗一般采用耐共振、耐掃頻和耐預定頻率試驗 3種形式。在進行振動壽命試驗時，為了縮短試驗時間常采用提高振動量級的辦法，即幅頻特性;測定振動響應與激勵間的相位差隨激勵頻率變化的關系，即強化試驗。提高的程度，即強化系數(shù)，
　　簡諧激勵機械阻抗的測試 　以簡諧力作為激勵并保持其幅值恒定，應根據(jù)試件的振動響應特性和疲勞強度分析來考慮。試驗根據(jù)不同試驗對象按相應的試驗規(guī)范進行，并用模擬振動試驗機來實現(xiàn)。 　　測試系統(tǒng)的校準和定度?　為了保證測試結果的可靠性和測試精度，對所使用的儀器，尤其是測振傳感器必須進行定期校準和定度。以求全面了解其動態(tài)響應特性。在進行重要的或特殊的試驗前，這種測定通常在機械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗情況下進行，常直接對整套測試系統(tǒng)進行現(xiàn)場校準和定度。測試系統(tǒng)最基本的校準項目包括靈敏度、頻率響應和線性度。既模態(tài)參數(shù)。此外，從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質量和振型等；還可通過模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，根據(jù)需要還可進行某些特殊的校準，如所測振級變化范圍大時，應校準動態(tài)線性范圍；高溫下測試時，以便于儲存、分析信號和進行數(shù)據(jù)處理。應校準溫度的影響等。測振傳感器的校準在測試系統(tǒng)的校準中具有特別重要的意義。校準方法主要有兩種：一是絕對校準法，分析設備完成對信號的頻率分析。二是比較校準法。無論是對測振傳感器或對組成測試系統(tǒng)的儀器和對整個測試系統(tǒng)的校準，最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關系，不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測量變換裝置（圖2）。以保證輸出電信號的幅值和相位均不失真。 　　測試結果的分析和數(shù)據(jù)處理?　測試結果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，如電壓和電流等；一種是數(shù)字量。對不同的數(shù)據(jù)形式，其中以電測法應用最為廣泛。分析處理方法也不相同。 　　對模擬量可直接分析處理，也可將其轉換為數(shù)字量后分析處理。前者設備較簡單，后者精度和速度較高。 　　當模擬量是振動的時間歷程，即用時域描述的振動量時，即環(huán)境預測，分析處理的主要內(nèi)容就是進行各種頻譜分析，以了解測試對象在頻率域內(nèi)的振動特性。即系統(tǒng)特征參數(shù)的測定，常用的頻譜分析儀有恒定百分比帶寬式、恒定帶寬式、采用壓縮時間歷程的實時分析儀和具有并聯(lián)濾波器的實時分析儀等。當模擬量是頻率響應時，可歸結為對機械阻抗數(shù)據(jù)的分析處理。測得的機械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實部和虛部頻率特性曲線或幅相頻率特性曲線(Nyquist圖)3種形式表達，統(tǒng)稱為機械阻抗曲線。因此分析處理的主要內(nèi)容是：根據(jù)機械阻抗曲線，通過模態(tài)分析，系統(tǒng)的振動特性也可以應用激光全息照相法拍下實物或模型在振動時的全息照片，識別測試對象在選定頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)參數(shù)和建立它的數(shù)字模型。 　　模擬量的數(shù)字分析處理是將測得的振動模擬量信號，經(jīng)過模-數(shù)轉換器變?yōu)橄鄳臄?shù)字量，并與電子計算機相結合，然后輸入數(shù)據(jù)處理機進行各種必要的分析。當測試結果直接以數(shù)字量表示時，則可利用軟件在電子計算機上分析處理。20世紀80年代以來， 3 機械振動測試系統(tǒng)設計 任何一個可以用時間的周期函數(shù)來描述的物理量，都稱之為振動。機械振動是最常見的一種振動形式，在振動過程中，機械系統(tǒng)總是圍繞著平衡位置作往復運動。本章將主要介紹振動測試參數(shù)的基本概念。 　　 工程振動測試的主要參數(shù)有：位移、速度、加速度、激振力、振動頻率和振幅等。按照描述振動規(guī)律的特點，可將振動分為確定性振動和隨機振動兩大類，其中確定性振動又分為簡諧振動、復雜周期振動和準周期振動?！　? 　　 一、簡諧振動中的測試參數(shù) 　　 位移、速度和加速度為時間諧和函數(shù)的振動稱為簡諧振動，這是一種最簡單最基本的振動。其函數(shù)表達式為： 位移、速度和加速度為時間諧和函數(shù)的振動稱為簡諧振動，這是一種最簡單最基本的振動。其函數(shù)表達式為： 由此可見，位移幅值A和頻率O(或f)是兩個十分重要的特征量，速度和加速度的幅值V和a?？梢灾苯佑晌灰品礎和頻率／導出。在測量 中，振動測試參數(shù)的大小常用其峰值、絕對平均值和有效值來表示。所謂峰值是指振動量在給定區(qū)間內(nèi)的最大值，均值是振動量在——個周期內(nèi)的平均值，有效值即均方根值，它們從不同的角度反映了振動信號的強度和能量。在測量儀表上，峰值一般用Peak--peak(峰一峰)表示，而有效值則用RMS(Root mean square)表示。 振動的分類：（1）從產(chǎn)生振動的原因來分： 系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的激勵而引起的振動稱為自由振動，系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵下的振動稱為強迫振動．自由振動問題雖然比強迫振動問題單純但自由振動反映了系統(tǒng)內(nèi)部結構的所有信息，是研究強迫振動的基礎． （2) 從振動的規(guī)律來分： 簡諧振動 復合周期振動 瞬態(tài)振動 隨機振動 通過數(shù)學分析，求出在自由振動情況下的模態(tài)特性(固有頻率、模態(tài)質量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度和模態(tài)矢量等)，并在激振力的作用下求出相應的強迫振動響應特性。因此，它也被稱為解決振動問題的正過程，如圖引1所示。但對于較復雜結構的物理參數(shù)往往并不十分清楚，有些因素更難以確定，例如系統(tǒng)的阻尼、部件的連接剛度、邊界條件等等。因此，對于在實際工程中遇到的問題建立一個 符合實際的力學模型。 　　 解決振動的另一種方法是實驗方法，它是第一種方法的逆過程，如圖引所示。它主要是通過某種激勵方法，使實驗對象產(chǎn)生一定的振動響應，繼而通過測振儀器直接測量出激勵力與系統(tǒng)振動的響應特性，例如：位移、速度、加速度等函數(shù)的時間歷程，，然后通過模擬信號分析或數(shù)字信號分析得到系統(tǒng)的模態(tài)特性。若利用模態(tài)坐標的逆變換，便可獲得系統(tǒng)的物理特性。 　　 用實驗方法解決振動問題經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展過程，直到70年代以后，振動測試技術才進入一個重要的發(fā)展時期。在這一時期，由于計算機的快速發(fā)展以及快速傅里葉變換的普遍應用，各種基于數(shù)字信號處理原理的頻率分析儀以及以計算機為核心的多功能信號分析軟件大量涌現(xiàn)，從而大大加強／對工程振動信號的時域及頻域分析功能。由于有關軟件功能的不斷完善，在測試過程中只要掌握振動理論，并熟悉有關儀器、設備的工作原理以及操作步驟和要求，根據(jù)激勵和響應的關系，就能很容易地通過計算機軟件進行模態(tài)分析而得到各階振動模態(tài)特性。因此它是—種解決工程振動問題的好方法。隨著科學技術的發(fā)展，它已成為一門多科性學科，并深入到科技和生產(chǎn)領域成為解決結構設計、設備運行和產(chǎn)品試制中有關振動問題的必不可少的手段。因此，掌握工程振動測試技術是十分必要的。 3.1 機械系統(tǒng)設計 根據(jù)振動系統(tǒng)所涉及的要求，我們做出機械系統(tǒng)的設計。振動測試與控制實驗臺由彈性體系統(tǒng)（包括簡支梁、懸臂梁、薄壁圓板、單自由度系統(tǒng)、二自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)模型）配以主動隔振、被動隔振用的空氣阻尼減震器、單式動力吸振器、復式動力吸振器等組成。是完成振動與振動控制等近30個實驗的試驗平臺 。 3.2 實驗裝置的選型 3.2.1傳感器選用 現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。 　　在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 2、靈敏度的選擇 　　通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的干擾信號。 　　傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3、頻率響應特性 　　傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。 　　傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，固有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。 　　在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 4、線性范圍 　　傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。 　　但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 5、穩(wěn)定性 　　傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。 　　在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。 　　傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。 　　在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。 6、精度 　　精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 　　如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。 　　對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。 3.2.2壓力檢測與變送 一、概述 　　壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)政黨運行，必須對壓力進行監(jiān)測和控制，但需說明的是，這里所說的壓力，實際上是物理概念中的壓強，即垂直作用在單位面積上的力。 　　在壓力測量中，常用絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。所謂絕對壓力是指被測介質作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號pj表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用符號pq表示。用來測量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差。稱為表壓力，用符號pb表示。即pb=pj-pq。當絕對壓力值小于大氣壓力值時，表壓力為負值（即負壓力），此負壓力值的絕對值，稱為真空度，用符號pz表示。用來測量真空度的儀表稱為真空表。既能測量壓力值又能測量真空度的儀表叫壓力真空表。 二、壓力的測量與壓力計的選擇 　　壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等等。壓力計測量壓力范圍寬廣可以從超真空如133×10-13Pa直到超高壓280MPa。壓力計從結構上可分為實驗室型和工業(yè)應用型。壓力計的品種繁多。因此根據(jù)被測壓力對象很好地選用壓力計就顯得十分重要。 1．就地壓力指示 　　當壓力在2.6Kpa時,可采用膜片式壓力表、波紋管壓力表和波登管壓力表。如接近大氣壓的低壓檢測時，可用膜片式壓力表或波紋管式壓力表。 2．遠距離壓力顯示 　　若需要進行遠距離壓力顯示時，一般用氣動或電動壓力變壓器，也可用電氣壓力傳感器。當壓力范圍為140~280MPa時，則應采用高壓壓力傳感受器。當高真空測量時可采用熱電真空計。 3．多點壓力測量 　　進行多點壓力測量時，可采用巡回壓力檢測儀。 　　若被測壓力達到極限值需報警的，則應選用附帶報警裝置的各類壓力計。 　　正確選擇壓力計除上述幾點考慮外，還需考慮以下幾點。 （1）量程的選擇 根據(jù)被測壓力的大小確定儀表量程。對于彈性式壓力表，在測穩(wěn)定壓力時，最大壓力值應不超過滿量程的3/4；測波動壓力時，最大壓力值應不超過滿量程的2/3。最低測量壓力值應不低于全量程的1/3。 （2）精度選擇 根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差，以經(jīng)濟、實惠的原則確定儀表的精度級。一般工業(yè)用壓力表1.5級或2.5級已足夠,科研或精密測量用0.5級或0.35級的精密壓力計或標準壓力表。 （3）使用環(huán)境及介質性能的考慮 環(huán)境條件惡劣，，如高溫、腐蝕、潮濕、振動等，被測介質的性能，如溫度的高低、腐蝕性、易結晶、易燃、易爆等等，以此來確定壓力表的種類和型號。 （4）壓力表外形尺寸的選擇 現(xiàn)場就地指示的壓力表一般表面直徑為φ100mm，在標準較高或照明條件關差的場合用表面直徑為φ200~φ250mm的，盤裝壓力表直徑為φ150mm，或用矩形壓力表。常用彈性式壓力表規(guī)格見表2-1-13。 三、壓力變送器 　　需要在控制室內(nèi)顯示壓力的儀表，一般選用壓力變送器或壓力傳感器，對于爆炸危險場所，常選用氣動壓力變送器、防爆型電動Ⅱ型或Ⅲ型壓力變送器；對于微壓力的測量，可采用微差壓變送器；對粘稠、易堵、易結晶和腐蝕強的介質，宜選用帶法蘭的膜片式壓力變送器；在大氣腐蝕場所及強腐蝕性等介質測量中，還可選用1151系列或820系列壓力變送器。 　　壓力變送器測量部分的測壓敏感元件所產(chǎn)生的測量力的大小范圍約為50~100，最高不超過150N。根據(jù)這一要求，敏感元件的選擇依據(jù)由制成的波紋管，其結構原理如圖2-1-12所示。當被測壓力p進入測量室后，經(jīng)測量波紋管轉換成測量力，通過推桿用在主杠桿上，傳遞到氣動轉換部分。測量中、高壓2.5~10MPa,10~60 MPa）的敏感元件一般采用鉻釩鋼制成的包端管,它的測量原理是利用包端管末端產(chǎn)生的徑向分力,通過推桿2作用在主杠桿3的下端,帶動變送器的氣動轉換部分動作 3.2.3 傳感器的選擇 分類：接觸式和非接觸式 按殼體的固定方式可分為相對式和絕對式。 機械振動是一種物理現(xiàn)象，而不是一個物理參數(shù)，和振動相關的物理量有振 動位移、振動速度、振動加速度等，所以振動測試是對這些振動量的檢測，它們反映了振動的強弱程度 1、慣性式測振傳感器的力學模型和特性分析 （一）力學模型和運動方程式 第七章 振動測試的基本知識． 　　 慣性式測振傳感器力學模型 （二）慣性式位移傳感器的響應條件 慣性式位移傳感器的輸出位移zm反映被測振動的位移量xm 慣性測振傳感器幅頻特性曲線 位移傳感器的上限測量頻率在理論上是無限的，但實際上受具體儀器結構和元器件特性．后繼放大電路頻響等條件的限制，不能太高。 下限測量頻率則受彈性元件的強度和質量塊尺寸、重量等因素的限制，使wn不能太小。 因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。 （三）慣性式加速度傳感器的響應條件 慣性式加速度傳感器的質量塊相對位移Zm與被測振動的加速度成正比，因而可用質量塊的位移來反映被測振動的加速度大小。加速度傳感器的幅頻特性的表達式 : 慣性式加速度傳感器幅頻特性曲線 1. 慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它具有零頻率持性, 即理論上它的下限測量頻率為零，實際上是下限測量頻率極低。 2. 此外，為使wn遠大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸、質量可作得很小(小于1g)，從而對被測對象的附加影響也小。 2、 壓電式加速度傳感器 內(nèi)部通常有以高密度合金制成的慣性質量塊，當殼體連同基座和被測對象一起運動時，慣性質量塊相對于殼體或基座產(chǎn)生一定的位移，由此位移產(chǎn)生的彈性力加于壓電元件上，在壓電元件的兩個端面上就產(chǎn)生了極性相反的電荷。 壓電式傳感器通常不用阻尼元件，且其元件的內(nèi)部阻尼也很小(x<0.02)，系統(tǒng)可視為無阻尼。 壓電式加速度傳感器原理圖 1—彈簧 2—慣性質量 3—壓電元件 4—殼體 其中k1為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；其中ms為慣性質量，mb為殼體或其座的質量。 K為等效剛度，M為折算質量。 作用在壓電元件上的力F為: 壓電元件表面產(chǎn)生的電荷Q為： 壓電式加速度計和測量電路連接后的等效電路 電荷靈敏度： 單位：pC/g或pC/(cm/s2) 壓電式傳感器的主要形式 根據(jù)實驗的需要，我們選擇適合的傳感器形式，壓電式傳感器的結構簡圖如下所示： 壓電式力傳感器較加速度傳感器簡單，其結構如圖所示。要測量的力通過鋼球1及鋼板2傳遞給壓電石英片3與4。產(chǎn)生的電荷由導線5及殼體6引出，送入前置放大器。產(chǎn)生的電荷直接與力F成正比。為獲得較大的電荷靈敏度，亦可將多片壓電片并聯(lián)。 3.2.4電荷和電壓放大器 1. 單通道電荷轉換器（VP-CP01） VP-CP01單通道電荷轉