振動測試技術(shù)基礎(chǔ)培訓(xùn)

1、測試技術(shù)基礎(chǔ) 目錄 主要介紹工業(yè)中常見物理量主要介紹工業(yè)中常見物理量(振動、噪聲、振動、噪聲、壓力、壓力、應(yīng)變、溫度等應(yīng)變、溫度等）的傳感器測量原理、測試系統(tǒng)原理）的傳感器測量原理、測試系統(tǒng)原理和基本信號分析方法和基本信號分析方法。測試技術(shù)基本概念試驗：對未知事物探索性的認識過程試驗：對未知事物探索性的認識過程測量：為確定量值而進行的試驗過程測量：為確定量值而進行的試驗過程測試：具有試驗性的測量測試：具有試驗性的測量測試技術(shù)基本概念 測試技術(shù)是實驗科學(xué)的一部分，主要研究各種測試技術(shù)是實驗科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測物理量的測量原理量原理以及以及信號分析處理信號分析處理方法。方法。 測試

2、技術(shù)是進行各種科學(xué)實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必測試技術(shù)是進行各種科學(xué)實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段，起著人的感官的作用。不可少的手段，起著人的感官的作用。簡單的測試系統(tǒng)可以簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個模塊，如玻只有一個模塊，如玻璃管溫度計。它直接璃管溫度計。它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化液將被溫度變化轉(zhuǎn)化液面示值。面示值。 沒有電量轉(zhuǎn)換和分沒有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡單，但析電路，很簡單，但精度底，無法實現(xiàn)測精度底，無法實現(xiàn)測量自動化。量自動化。 為提高測量精度和自為提高測量精度和自動化程度，以便于和動化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動化裝置，通常先將動化裝置，通常先將被測

3、物理量轉(zhuǎn)換為電被測物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對電信號進行量，再對電信號進行處理和輸出。如圖所處理和輸出。如圖所示的測振儀。示的測振儀。 測試技術(shù)工程應(yīng)用 在工程領(lǐng)域，科學(xué)實在工程領(lǐng)域，科學(xué)實驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)驗、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。都離不開測試技術(shù)。 測試技術(shù)應(yīng)用涉及到測試技術(shù)應(yīng)用涉及到土木建筑、航空航天、土木建筑、航空航天、汽車、機械、電力、汽車、機械、電力、石化和海洋運輸?shù)让渴秃Ｑ筮\輸?shù)让恳粋€工程領(lǐng)域。一個工程領(lǐng)域。土木工程中的應(yīng)用橋梁房屋建筑等土木工程中，涉及使用者的安全性，因此經(jīng)常需要檢測結(jié)構(gòu)的強度（承載力）、抗振性能等試驗。航空航天工程應(yīng)

4、用神州飛船飛機整機強度試驗、模態(tài)試驗飛機發(fā)動機試驗、整機測試、動部件測試等火箭發(fā)動機點火試驗衛(wèi)星地面試驗航天航天旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測 在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立狀態(tài)（定期或在線）監(jiān)測系統(tǒng)。系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立狀態(tài)（定期或在線）監(jiān)測系統(tǒng)。石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測。和泄露檢測。產(chǎn)品質(zhì)量控制 在汽車、機床等設(shè)備，電機、發(fā)動機等零部件的加工出廠在汽車、機床等設(shè)備，電機、發(fā)動機等零部件的加工出廠質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗。

5、 為了保證加工精度，需要監(jiān)測機床的振動等。為了保證加工精度，需要監(jiān)測機床的振動等。 機床加工精度測量機床加工精度測量圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量汽車扭距測量測試系統(tǒng)基本概念 測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。和設(shè)備的總稱。 簡單測試系統(tǒng)簡單測試系統(tǒng)(光電池光電池)V復(fù)雜測試系統(tǒng)復(fù)雜測試系統(tǒng)( (

6、軸承缺陷檢測軸承缺陷檢測) ) 加速度計加速度計 帶通濾波器帶通濾波器 包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器測試系統(tǒng)分類 靜態(tài)測試系統(tǒng) 顧名思義，被測物理量在測試過程中，量值基本不發(fā)生變化，在任何時候采集一組數(shù)據(jù)得到的數(shù)值都是相同的。例如1節(jié)電池的電壓為1.5V，在測試過程中始終是1.5V. 如DH3818 DH3815N 橋梁荷載試驗 動態(tài)測試系統(tǒng) 當(dāng)被測物理量的幅值變化很大，很快時，必須采用與之相對應(yīng)的動態(tài)測試系統(tǒng)，方能得到真實有效的信號。 測試系統(tǒng)組成 一般說來，測試系一般說來，測試系統(tǒng)由傳感器、中間統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。錄裝置三部分組成。傳感器傳感器（耳朵、

7、眼睛、皮膚等）將被測（耳朵、眼睛、皮膚等）將被測物理量物理量(如噪聲如噪聲,溫度、振動等溫度、振動等) 檢出并轉(zhuǎn)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進行變換后用軟件進行信號分析信號分析，顯示記錄，顯示記錄裝置則測量結(jié)果分析處理后顯示出來，裝置則測量結(jié)果分析處理后顯示出來，提供給觀察者去做判斷分析提供給觀察者去做判斷分析。傳感器基礎(chǔ)-被測物理量 應(yīng)力應(yīng)變：應(yīng)力應(yīng)變： 材料或構(gòu)件在單位截面上所承受的垂直作用力稱為應(yīng)力。 在外力作用下，單位長度材料的伸長量或縮短量，稱為應(yīng)變量。 在一

8、定的應(yīng)力范圍（彈性形變）內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變量成正比，它們的比例常數(shù)稱為彈性模量或彈性系數(shù) 。 胡克定律（彈性定律）傳感器基礎(chǔ)被測物理量 振動位移：就是質(zhì)量塊運動的總的距離，也就是說當(dāng)質(zhì)量塊振動時，位移就是質(zhì)量塊上、下運動有多遠。 位移的單位可以用m 表示。 進一步可以從振動位移的時間波形推出振動的速度和加速度值。 傳感器被測物量 振動相位：振動相位：是一個振動部件相對于機器的另一個振動部件在某一固定參考點處的相對移動。也就是說振動相位是某一位置處的振動運動相對于另一位置處的振動運動，對所發(fā)生位置變化程度的度量。振動相位是一個很有用的設(shè)備故障診斷工具。如下圖所示，給出了兩個彼此同相位振動的系統(tǒng)

9、，即兩個振動系統(tǒng)以零度相位差運動。傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器技術(shù) 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀器接入。 dV傳感器技術(shù)-傳感器種類 自發(fā)電型:直接由被測對象輸入能量使其工作.磁電速度傳感器、壓電加速度計、熱電偶溫度計. 非自發(fā)電型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例

10、如:電阻應(yīng)變片.橋式傳感器等dV傳感器技術(shù)傳感器分類 傳感器根據(jù)被測物量的不同分為：溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、應(yīng)變計、振動傳感器（位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器）、轉(zhuǎn)速傳感器以及噪聲傳感器等； 常常用磁電式速度傳感器、壓電式加速度傳感器、應(yīng)變式位移傳感器來表示描述傳感器，即說明了傳感器的工作原理，又說明了傳感器測量的物理量類型。 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器- -應(yīng)變計應(yīng)變計電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變

11、化上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化, ,求導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有有金屬絲：金屬絲：2rAdrdrldlRdR2金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：ldlrdr有：有：dRdR2對金屬材料，導(dǎo)電率不變：對金屬材料，導(dǎo)電率不變：)21(RdR金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：應(yīng)變計金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間

12、阻值 相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織。7.應(yīng)變片保護：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。3) 3) 應(yīng)變片測量電路應(yīng)變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142ERRRRRRRRV)(32413142令：令：RR 1dRRR4RRR32ERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金屬絲應(yīng)

13、變片：金屬絲應(yīng)變片：V V與應(yīng)變成線性關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變與應(yīng)變成線性關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變電橋的接法：電橋的接法：單臂單臂 半橋半橋全橋全橋動手做：動手做：1.自己動手在等強度梁上粘自己動手在等強度梁上粘貼應(yīng)變片。貼應(yīng)變片。2.使用應(yīng)變測試系統(tǒng)測試等使用應(yīng)變測試系統(tǒng)測試等強度梁應(yīng)變值。強度梁應(yīng)變值。電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)產(chǎn)品：產(chǎn)品：電渦流轉(zhuǎn)速傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。

14、dtdWe感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e e為為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。 cosSB),(mdtdRB磁電式速度傳感器DH610傳感器線速度型線速度型角速度型角速度型測速電機測速電機磁電速度傳感器應(yīng)用橋梁等大型結(jié)構(gòu)的動特性測試，模態(tài)試驗；旋轉(zhuǎn)機械低轉(zhuǎn)速設(shè)備的振動測試。加速度計加速度計力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 加速度傳感器安裝方式模態(tài)試驗?zāi)B(tài)試驗壓電式傳感器壓電式傳感器 應(yīng)用應(yīng)用旋轉(zhuǎn)機械故障診斷DH186 DH187等光電轉(zhuǎn)

15、速傳感器光電轉(zhuǎn)速傳感器 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子- -空穴對空穴對, ,使其使其導(dǎo)電性能增強導(dǎo)電性能增強, ,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象率發(fā)生變化的現(xiàn)象, ,稱為稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 。傳感器指標與選用原則傳感器指標與選用原則 選擇傳感器

16、主要考慮的幾個指標：靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式、安裝方式等方面的問題。1、靈敏度、靈敏度 傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成電量后，我們測到的是電壓，如何知道真實物理量變化了多少呢？這就是傳感器的靈敏度指標要告訴我們的。靈敏度就是單位物理量變化產(chǎn)生的電量大小。如位移傳感器靈敏度指標：7.87mv/um。 單位：V/EU 一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。 靈敏度過高引起的干擾問題； 量程范圍。、 交叉靈敏度問題。2 2 響應(yīng)特性響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。 實際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希

17、望延遲的時間越短越好。 3 3 線性范圍線性范圍 任何傳感器都有一定線性工作范圍。在任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件?；緱l件。 4 4 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。是時間與環(huán)境。5 5 精

18、確度精確度 傳感器的精確度是表示傳感器傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。的輸出與被測量的對應(yīng)程度。 6 6 測量方式測量方式 傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。7 7 現(xiàn)場安裝現(xiàn)場安裝 在一些特殊場合，傳感器的安裝收到限在一些特殊場合，傳感器的安裝收到限制，必須考慮實際情況選擇合適的安裝制，必須考慮實際情況選擇合適的安裝方式。方式。數(shù)據(jù)采集分析儀數(shù)據(jù)采集分析儀 熟悉動態(tài)信號的基本概念 了解數(shù)據(jù)采集分析儀構(gòu)成 了解各部分作用 熟悉儀器的技術(shù)指標測試信號數(shù)字化處理的基本步驟測試信號數(shù)字化處理的基本步驟

19、物理信號物理信號對象對象傳傳感感器器電信號電信號信信號號調(diào)調(diào)理理電信號電信號A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字信號計計算算機機顯顯示示數(shù)采儀器組成 靜態(tài)測試儀組成：信號調(diào)理器靜態(tài)測試儀組成：信號調(diào)理器+電壓放大器電壓放大器+低通濾波濾波器器+A/D采樣采樣+數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊+計算機（采樣控制軟件）計算機（采樣控制軟件） 動態(tài)測試分析儀組成：信號調(diào)理器信號調(diào)理器+電壓放大器電壓放大器+抗混濾波器濾波器+A/D采樣采樣+ +DSP處理器處理器+數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊+計算機（采計算機（采樣控制樣控制+信號分析軟件）信號分析軟件）DH動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)便攜式動態(tài)信號分析儀：將信號適調(diào)器信號適調(diào)器+電壓放大器電壓

20、放大器+抗混濾波器抗混濾波器+A/D采樣采樣+DSP處理器處理器集中在一個采集系統(tǒng)中，外接計算機進行數(shù)據(jù)存儲、處理和顯示。例如DH5920等便攜式動態(tài)信號分析儀；手持式儀器：還有一些系統(tǒng)將信號適調(diào)器信號適調(diào)器+電壓放大器電壓放大器+抗混濾波抗混濾波器器+A/D采樣采樣+DSP處理器處理器+數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊+計算顯示計算顯示+應(yīng)用分析軟件應(yīng)用分析軟件集中在一個系統(tǒng)中，無需外接計算機。如手持式儀器DH5901DH5903DH5904DH5925等；集成度更高的動態(tài)測試系統(tǒng)：傳感器傳感器+信號適調(diào)器信號適調(diào)器+電壓放大器電壓放大器+抗抗混濾波器混濾波器+A/D采樣采樣+DSP處理器處理器+計算機 D

21、H5907A 橋梁模態(tài)測試系統(tǒng)。 在線監(jiān)測系統(tǒng)：傳感器傳感器+信號適調(diào)器信號適調(diào)器+電壓放大器電壓放大器+抗混濾波器抗混濾波器+A/D采樣采樣+DSP處理器處理器+工控機工控機+服務(wù)器。DH5971 DH5926傳感器與測試系統(tǒng)之間的連接方式傳感器與測試系統(tǒng)之間的連接方式不同類型的傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間的連接方式不同：發(fā)電型傳感器，發(fā)電型傳感器，如壓電傳感器、磁電式傳感器由于其原理是自發(fā)電型傳感器，因此不需要外供電，傳感器輸出經(jīng)過放大器后直接輸入采集系統(tǒng)；非自發(fā)電型傳感器，非自發(fā)電型傳感器，例如：應(yīng)變計、電阻或電容式傳感器，以及各種橋式傳感器、電渦流傳感器、ICP加速度傳感器等，這種傳感器在接

22、入采集系統(tǒng)之前需要采集系統(tǒng)的信號適調(diào)器提供電源（電壓或電流）。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。 信號調(diào)理器的作用信號調(diào)理器的作用 1.1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。 2.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3、為傳感器提供符合要求的供電電源、為傳感器提供

23、符合要求的供電電源：電荷調(diào)理：電荷調(diào)理器、應(yīng)變調(diào)理器等器、應(yīng)變調(diào)理器等電荷調(diào)理器電荷調(diào)理器ffyKCCCKqe)(F+將壓電傳感器輸出的電荷量轉(zhuǎn)換成電將壓電傳感器輸出的電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量。壓量。數(shù)字信號處理技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)1.1.了解信號模數(shù)轉(zhuǎn)換（了解信號模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/DA/D） 2.2.掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率 3.3.了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露等現(xiàn)象等現(xiàn)象 4.4.掌握常用的數(shù)字信號處理方法掌握常用的數(shù)字信號處理方法模數(shù)模數(shù)(A/D)(A/D) 采樣采樣利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列利用

24、采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列 離散值，使之成為采樣信號離散值，使之成為采樣信號x(nTs)x(nTs)的過程的過程 編碼編碼將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M制數(shù)字的過程將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。 量化量化把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有 效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 6.3 6.3 采樣定理采樣定理 采樣是將采樣脈沖序列采樣是將采樣脈沖序列p(t)p(t)與信號與信號x(t)x(t)相相乘，取離散點乘，取離散點x(nt)x(nt)的值的過程。的值的過程。X(0), X(1), X(2), , X(n) 每周

25、期應(yīng)該有多少采樣點每周期應(yīng)該有多少采樣點 ？最少最少2 2點點: :采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的頻率成分的2 2倍。這是采樣的基本法則，稱為采倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。樣定理。Fs 2 Fmax 需注意，滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率需注意，滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號原信號x(t)x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號。工程實際中

26、采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的中最高頻率成分的3 3到到5 5倍。倍。頻混現(xiàn)象實驗：頻混現(xiàn)象實驗： A/DA/D采樣前的抗混迭濾波：采樣前的抗混迭濾波： 物理信號物理信號對象對象傳傳感感器器電信號電信號調(diào)調(diào)理理放放大大電信號電信號A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字信號展開展開抗混濾波抗混濾波(0-Fs/2)(0-Fs/2)放大放大動手做：動手做：測量測量1kHz的動態(tài)信號，的動態(tài)信號，采樣率設(shè)置為采樣率設(shè)置為1kHz，觀，觀察測到的信號是否失真。察測到的信號是否失真。思考題：思考題：1.A/D1.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有那些轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有那些 ？2.2.信號量化誤差與信號量化誤差與A

27、/DA/D，D/AD/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的關(guān)系轉(zhuǎn)換器位數(shù)的關(guān)系 ？3.3.采樣定理的含義，當(dāng)不滿足采樣定理時如何計算采樣定理的含義，當(dāng)不滿足采樣定理時如何計算 混迭頻率混迭頻率 ？4.A/D4.A/D采樣為何要加抗混迭濾波器，其作用是什麼？采樣為何要加抗混迭濾波器，其作用是什麼？ 5.5.數(shù)字信號處理中采樣信號的頻譜為何一定會產(chǎn)生數(shù)字信號處理中采樣信號的頻譜為何一定會產(chǎn)生 能量泄漏，如何解決能量泄漏，如何解決 ？6.6.用用FFTFFT計算的頻譜為何一定會存在柵欄效應(yīng)誤差計算的頻譜為何一定會存在柵欄效應(yīng)誤差 ？ 7.7.窗函數(shù)的作用是什麼窗函數(shù)的作用是什麼 ？ 信號分析基礎(chǔ)信號分析基礎(chǔ)1.1.了解信

28、號分類方法了解信號分類方法 2.2.掌握信號時域波形分析方法掌握信號時域波形分析方法3.3.掌握信號時差域相關(guān)分析方法掌握信號時差域相關(guān)分析方法4.4.掌握信號頻域頻譜分析方法掌握信號頻域頻譜分析方法5.5.了解其它信號分析方法了解其它信號分析方法信號的分類與描述信號的分類與描述 信號的分類主要是依據(jù)信號波形特征來劃分的，在信號的分類主要是依據(jù)信號波形特征來劃分的，在介紹信號分類前，先建立信號波形的概念。介紹信號分類前，先建立信號波形的概念。信號波形：信號波形：被測信號信號幅度隨時間的變化歷程稱為信號被測信號信號幅度隨時間的變化歷程稱為信號的波形。的波形。0At信號波形圖：信號波形圖：用被測物

29、理量的強度作為縱坐標，用被測物理量的強度作為縱坐標，用時間做橫坐標，記錄被測物理量隨時間的變用時間做橫坐標，記錄被測物理量隨時間的變化情況?；闆r。信號的時域波形分析信號的時域波形分析 信號的時域波形分析是最常用的信號分析手段，用測試系統(tǒng)可以直信號的時域波形分析是最常用的信號分析手段，用測試系統(tǒng)可以直接顯示信號波形，讀取特征參數(shù)（統(tǒng)計信息）。接顯示信號波形，讀取特征參數(shù)（統(tǒng)計信息）。1 1、信號波形圖、信號波形圖 周期周期T T，頻率，頻率f=1/Tf=1/T峰值峰值PAtT PPp-p峰峰值峰峰值Pp-p4 4、均值、均值TTTxdttxtxE01)(lim)( 均值均值Ex(t)Ex(t)

30、表示集合平均值或數(shù)學(xué)期望值。表示集合平均值或數(shù)學(xué)期望值。均值：反映了信號變化的中心趨勢，也稱之均值：反映了信號變化的中心趨勢，也稱之為直流分量。為直流分量。x5 5、均方值（標準差）、均方值（標準差） 信號的均方值信號的均方值Ex2(t)Ex2(t)，表達了信號的強度；，表達了信號的強度；其正平方根值，又稱為其正平方根值，又稱為有效值有效值(RMS)(RMS)，也是信號，也是信號平均能量的一種表達。平均能量的一種表達。 22120 xTTTE xtxt dt ( )lim( )波形分析的應(yīng)用波形分析的應(yīng)用超標報警超標報警 信號類型識別信號類型識別 基本參數(shù)識別基本參數(shù)識別 Pp-p案例：案例：

31、汽車速度測量汽車速度測量:波形分析應(yīng)用超標報警： 在線監(jiān)測和離線巡檢系統(tǒng)中，用于判斷設(shè)備振動是否超標的振動值，就是從波形分析中計算出來的特征參數(shù)。 位移：峰峰值 等效峰峰值 振動速度：有效值 加速度：峰值 等效峰值 通過積分得到的位移的峰峰值都是計算峰峰值，不能和電渦流傳感器測得峰峰值進行比較。信號的幅值域分析信號的幅值域分析 p xxp xx txxx( )lim( ) 1 1 概率密度函數(shù)概率密度函數(shù) 以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內(nèi)出現(xiàn)以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內(nèi)出現(xiàn)的概率為縱坐標進行統(tǒng)計分析的方法。它反映了信的概率為縱坐標進行統(tǒng)計分析的方法。它反映了信號落在不同幅值強度區(qū)域

32、內(nèi)的概率情況。號落在不同幅值強度區(qū)域內(nèi)的概率情況。 p xxxTTTx( )lim lim 01p(x)p(x)的計算方法：的計算方法：2 2 直方圖直方圖 以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內(nèi)以幅值大小為橫坐標，以每個幅值間隔內(nèi)出現(xiàn)的頻次為縱坐標進行統(tǒng)計分析的一種方法。出現(xiàn)的頻次為縱坐標進行統(tǒng)計分析的一種方法。0 0101020203030404050506060707080809090-1-1-0.5-0.50.50.51 1直方圖直方圖概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)歸一化歸一化3 3、概率分布函數(shù)、概率分布函數(shù) 概率分布函數(shù)是信號幅值小于或等于某值概率分布函數(shù)是信號幅值小于或等于某值R R的的

33、概率，其定義為：概率，其定義為： 概率分布函數(shù)又稱之為累積概率，表示了落在某概率分布函數(shù)又稱之為累積概率，表示了落在某一區(qū)間的概率。一區(qū)間的概率。 RdxxpxF)()(實驗圖譜實驗圖譜 波形波形相關(guān)分析（相關(guān)函數(shù)相關(guān)分析（相關(guān)函數(shù) ） 如果所研究的變量如果所研究的變量x, yx, y是與時間有關(guān)的函是與時間有關(guān)的函數(shù)，即數(shù)，即x(t)x(t)與與y(t)y(t)：x(t)x(t)y(t)y(t) 這時可以引入一個與時間這時可以引入一個與時間有關(guān)的量，稱為有關(guān)的量，稱為函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，簡稱相關(guān)函數(shù)，并有：函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，簡稱相關(guān)函數(shù)，并有：xyx t y tdtxt dtyt dt( )( )

34、 ()( )( )/221 2相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù)反映了二個信號在時移中的相關(guān)性。反映了二個信號在時移中的相關(guān)性。x(t)x(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì) 相關(guān)函數(shù)描述了兩個信號間或信號自身不同時刻的相似程度，通過相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)信號中許多有規(guī)律的東西。 （1 1）自相關(guān)函數(shù)是 的偶函數(shù)，RX()=Rx(- )；（2 2）當(dāng) =0 時，自相關(guān)函數(shù)具有最大值。（3 3）周期信號的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，但不保留原信號的相位信息。（4 4）隨機噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)將隨 的增大快速衰減。（5）兩周期信號的互相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率

35、的周期信號，且保留原了信號的相位信息。（6）兩個非同頻率的周期信號互不相關(guān)。相關(guān)分析相關(guān)分析-工程應(yīng)用工程應(yīng)用 案例案例1 1：機械加工表面粗糙度自相關(guān)分析機械加工表面粗糙度自相關(guān)分析 被測工件被測工件相關(guān)分析相關(guān)分析性質(zhì)性質(zhì)3,3,性質(zhì)性質(zhì)4:4:提取出回轉(zhuǎn)誤差等周期性的故障源。提取出回轉(zhuǎn)誤差等周期性的故障源。相關(guān)分析相關(guān)分析-案例案例2：自相關(guān)測轉(zhuǎn)自相關(guān)測轉(zhuǎn)速速理想信號理想信號干擾信號干擾信號實測信號實測信號自相關(guān)系數(shù)自相關(guān)系數(shù)性質(zhì)性質(zhì)3 3，性質(zhì)，性質(zhì)4 4：提取周期性轉(zhuǎn)速成分。提取周期性轉(zhuǎn)速成分。相關(guān)分析相關(guān)分析-案例案例3：地下輸油管道漏損位置的探測地下輸油管道漏損位置的探測tX1X

36、2相關(guān)分析相關(guān)分析-案例案例4：地震位置測量地震位置測量頻域分析頻域分析 信號頻域分析是采用傅立葉變換FFT將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。 傅里葉傅里葉變換變換X(t)= sin(2nft)0 t0 f信號頻譜信號頻譜X(f)X(f)代表了信號在不代表了信號在不同頻率分量成分的大小，能夠同頻率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。豐富的信息。 時域分析與頻域分析的關(guān)系時域分析與頻域分析的關(guān)系時間時間幅值幅值頻率頻率時域分析時域分析頻域分析頻域分析 時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化時域分析只

37、能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除單頻率分量的簡諧波外，很難明確揭示情況，除單頻率分量的簡諧波外，很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小。信號的頻率組成和各頻率分量大小。 圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號 頻譜分析在頻譜分析模塊中，時域數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換后得到其傅里葉譜的幅值譜。幅值譜也叫做線性譜，分為： 實時譜：實時譜： 每一塊數(shù)據(jù)的傅里葉譜的幅值譜。 平均譜：平均譜： 將所有塊數(shù)據(jù)的實時譜按一定的平均方式平均后得到的幅值譜。大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷1 1 時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系131Hz147Hz1

38、65Hz175Hz頻域參數(shù)對頻域參數(shù)對應(yīng)于設(shè)備轉(zhuǎn)應(yīng)于設(shè)備轉(zhuǎn)速、固有頻速、固有頻率等參數(shù)，率等參數(shù)，物理意義更物理意義更明確。明確。頻譜圖的概念頻譜圖的概念 工程上習(xí)慣將計算結(jié)果用圖形方式表示，以工程上習(xí)慣將計算結(jié)果用圖形方式表示，以f fn n ( ( 0 0) )為橫坐標，為橫坐標，b bn n 、a an n為縱坐標畫圖，稱為實頻虛頻譜圖。為縱坐標畫圖，稱為實頻虛頻譜圖。圖例圖例 以以f fn n為橫坐標，為橫坐標，A An n、 為縱坐標畫圖，則稱為為縱坐標畫圖，則稱為幅值相位譜；幅值相位譜；n 以以f fn n為橫坐標，為橫坐標， 為縱坐標畫圖，則稱為為縱坐標畫圖，則稱為功率譜。功率譜

39、。 2nA幅值相位譜幅值相位譜實驗：典型信號的頻譜分析實驗：典型信號的頻譜分析頻譜分析頻譜分析工程應(yīng)用工程應(yīng)用 頻譜分析主要用于識別信號中的周期分量，是頻譜分析主要用于識別信號中的周期分量，是信號分析中最常用的一種手段。信號分析中最常用的一種手段。案例：案例：在齒輪箱故障診斷在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動信號頻譜分析，通過齒輪箱振動信號頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)確定最大頻率分量，然后根據(jù)機床轉(zhuǎn)速和傳動鏈，找出故障機床轉(zhuǎn)速和傳動鏈，找出故障齒輪。齒輪。案例：案例：螺旋漿設(shè)計螺旋漿設(shè)計可以通過頻譜分析確定螺旋漿可以通過頻譜分析確定螺旋漿的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，確定的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，確定

40、螺旋漿轉(zhuǎn)速工作范圍。螺旋漿轉(zhuǎn)速工作范圍。 譜陣分析：譜陣分析：設(shè)備啟設(shè)備啟/ /停車變速過程分析停車變速過程分析 思考：從下面的功率譜中讀出信號的主要頻率成分。思考：從下面的功率譜中讀出信號的主要頻率成分。500Hz010V思考思考2：從下面的信號波形圖中讀出其主要參數(shù)。：從下面的信號波形圖中讀出其主要參數(shù)。5V-5V0.1秒秒0模態(tài)試驗與分析 Modal Test &Analyse什么叫“模態(tài)”？“ Modal Test” n利用振動測試、信號處理、參數(shù)識別的方法，確定結(jié)構(gòu)動態(tài)特性一種試驗分析技術(shù)。 結(jié)構(gòu)動特性結(jié)構(gòu)動態(tài)特性是結(jié)構(gòu)固有的特性，包括哪些模態(tài)參數(shù)？n模態(tài)頻率（固有頻模態(tài)頻率

41、（固有頻率）率）n模態(tài)阻尼模態(tài)阻尼n模態(tài)振型模態(tài)振型n模態(tài)剛度n模態(tài)質(zhì)量模態(tài)分析方法如何獲得結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)？如何獲得結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)？n有限元計算法：有限元計算法：通?？梢詮慕Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼計算出結(jié)構(gòu)的動態(tài)參數(shù)，例如固有頻率、阻尼和振型等，這個過程是有限元分析法。這個過程可以在結(jié)構(gòu)加工或建成之前進行計算，但是計算精度受到各種簡化約束的限制，精度不夠。n模態(tài)試驗法：模態(tài)試驗法：通過對已有試件進行激勵，激起結(jié)構(gòu)的共振頻率，從測量結(jié)構(gòu)的輸入激勵信號和響應(yīng)信號計算得到其頻響函數(shù)。然后對從頻響函數(shù)或傳遞率進行模態(tài)識別，識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、阻尼和振型，在已知輸入力的情況下，還可以識別結(jié)構(gòu)的模

42、態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度.模態(tài)實驗過程旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測與故障診斷旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測與故障診斷 旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷通常是通過振動來分析其故障，因為旋轉(zhuǎn)機械的振動信號與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。基本概念-通頻值通頻值 通頻振動不同于頻譜圖中特定頻率下的振動，不管頻率是多少，它是所有振動成分的總和通頻值。 通頻值類型：加速度峰值、速度有效值、位移峰峰值等.對于位移峰峰值，有的測試系統(tǒng)采用的是真峰峰值（實際測量對于位移峰峰值，有的測試系統(tǒng)采用的是真峰峰值（實際測量的最大值與最小值之差絕對值），有的測試系統(tǒng)采用的峰的最大值與最小值之差絕對值），有的測試系統(tǒng)采用的峰峰值（通過計算有效值，然后乘上峰值（通過計算有效值，然后乘上2.828

43、的來）。同樣加速的來）。同樣加速度峰值也有真峰值和峰值之分，國外產(chǎn)品除直接測量位移度峰值也有真峰值和峰值之分，國外產(chǎn)品除直接測量位移值外，大都采用計算得到的峰值或峰峰值。值外，大都采用計算得到的峰值或峰峰值。 倍頻倍頻 振動頻率也可以用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來表示。倍頻倍頻就是用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來表示的振動頻率。 一倍頻又稱基頻、工頻，為轉(zhuǎn)子實際工作轉(zhuǎn)速的頻率， f = n /60 Hz 思考：某機器的實際運行轉(zhuǎn)速思考：某機器的實際運行轉(zhuǎn)速n為為1500 r/min，振動的，振動的1倍頻二倍頻和倍頻二倍頻和半頻分別是多少？半頻分別是多少？ 鍵相 在轉(zhuǎn)子上布置鍵相標記K ，在軸承座上布置鍵相傳感器K（光電

44、式或渦流式），其輸出為相位參考脈沖。 參考脈沖是測量相位的基準。參考脈沖也可用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。故障診斷常用圖譜振動趨勢圖振動趨勢圖顯示振幅及相位與時間的關(guān)系。顯示振幅及相位與時間的關(guān)系。從振動趨勢圖可以看到異常振動的起始時間、持續(xù)時間、終止時間， 波形圖波形圖顯示通頻振動位移（總振值）與時間(周期)的關(guān)系，又稱幅值時域圖。頻譜圖頻譜圖顯示了在各振動分量的頻率及其振幅值。 橫坐標可選擇“階比”或“頻率”，一般用階比。軸心軌跡圖軸心軌跡圖顯示轉(zhuǎn)子軸心相對于軸承座渦動運動的軌跡。軸心位置圖軸心位置圖在忽略振動的情況下，顯示軸心相對與軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。故障診斷常見圖譜 啟停機圖譜（啟停機圖譜（又稱

45、瞬態(tài)圖，僅分析啟停機過程中的狀況） 轉(zhuǎn)速時間圖轉(zhuǎn)速時間圖顯示開停機過程中，轉(zhuǎn)速變化與時間的關(guān)系。 極坐標圖極坐標圖把開停機過程中振幅與相位隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系用極坐標的形式表示出來，又稱極坐標圖，或奈奎斯特圖。 波德圖波德圖顯示轉(zhuǎn)子振幅和相位隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。 頻譜瀑布圖頻譜瀑布圖(級聯(lián)圖級聯(lián)圖) 顯示轉(zhuǎn)子在各種轉(zhuǎn)速（或時間）下的頻譜變化。通常表示：X軸頻率；Y軸振幅；Z軸時間或轉(zhuǎn)速間隔。如何獲得有效的振動數(shù)據(jù)如何獲得有效振動數(shù)據(jù) 高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是振動監(jiān)測計劃成功的基礎(chǔ) 檢測 分析 校正 驗證 獲得穩(wěn)定高質(zhì)量數(shù)據(jù)需注意的問題 選擇測量位置 機器和測點識別 測量參數(shù) 儀器選擇、設(shè)置和調(diào)整 測量技巧 傳感器安裝 選擇測量位置1.選擇合適的測量位置盡量靠近軸承三個方向設(shè)測點且必須設(shè)在剛性良好處對低速重負荷軸承，在負載區(qū)域設(shè)測點選擇測量位置（續(xù)）2. 不要為了測量犧牲安全性，必要時安裝固定傳感器3. 水平方向盡量接近水平軸線4. 垂直方向盡量接近垂直軸線5. 軸向與軸平行，每次在相同位置，如3:00, 9:006. 對泵，不要將密封位置誤認為軸承7. 不要在基座或基礎(chǔ)上測取軸承數(shù)據(jù)8. 不要將測量位置放在薄鋼板上，如電機端罩機器和測點識別1.制定機器和測點