振动传感器
基本原理和技术

基本原理和技术

什么是振动？

振动，或称振荡，指的是物体具有一定重复特征的周期性运动。

简谐振动数学上可以用正弦函数描述。以下是影响振动的一些变量：

周期T是完成一个完整周期所需的时间。周期的倒数称为频率（f = 1/T）。在电机速度为每分钟3000转时，每20毫秒（周期T）旋转一次，这对应于50 Hz的频率。

振幅A是指振动偏离平衡位置的最大位移。可以使用多个与振幅相关的不同概念，除了经典的峰值（= 振幅、峰值）外，均方根（= RMS值）和振动幅度（= 2倍振幅，峰-峰值）是两个常见的指标。

相位是指周期性现象的时间位移，例如正弦曲线与参考点（例如编码器的脉冲）的位移。在我们的案例中，相位是平衡旋转系统的一个重要指标，用以确定平衡块的位置。

在实践中，许多不同的简谐振动会相互叠加，这就是为什么在时间信号中通常无法再识别出单个正弦函数的原因。

时域 vs 频域

时域

在时域中分析振动时，将复杂的叠加振动信号绘制在时间轴上。时间信号中出现的主要瞬态信号或模式可以用来对损伤进行推断。
例如，早期阶段的轴承损坏会在时间信号中产生针状周期性振幅。

RMS（均方根）和峰值是时域中常用的状态参数。
例如，在振动监测中，振动速度的均方根（v-RMS）用于不平衡、不对中和松动检测，而振动加速度的均方根（a-RMS）用于齿轮或轴承的摩擦或润滑不足的检测。
峰值的常用指标是振动加速度的峰值a-peak，它表示瞬态事件，例如由于轴承损坏或机器突然碰撞。

频域

在频域中分析振动时，使用快速傅里叶变换（FFT）将复杂的时间叠加信号分解为不同的频率分量和幅度。这样可以快速、清晰地识别主频率，例如叠加振动中的不平衡频率。

FFT的一种特殊形式是包络曲线频谱（= H-FFT），其中激发系统固有频率的周期性冲击脉冲（例如滚动轴承损坏）被解调并相应地进行预滤波。尤其是对于滚动轴承或复杂的机器运动学（例如齿轮），H-FFT 分析的优势在于可以清楚地识别损伤部件的重复冲击脉冲频率。

宽带 vs 窄带测量

宽带测量

宽带测量记录并分析信号的整个频率范围，包括所有频率分量。在较宽的频率范围内（例如 2...1000 Hz）进行测量，并从中计算出状态参数（例如振动速度的均方根 v-RMS）并实时传输以进行状态监测。

窄带测量

窄带测量在整个频谱中选取狭窄的频率范围或特定频率内进行测量。它们通常用于对特定频率分量（例如滚动轴承的轴承频率）或特定频率范围特别感兴趣的情况。

不同的振动参数及其意义

振动位移d

振动位移是测量点偏离其原始静态位置的实际距离。该参数用于检测应用中的周期运动，例如输送机运动或振动输送机阻尼元件的状态。通常，振动位移应用在低于 500 Hz 的频率范围内。

振动速度v

振动速度，尤其是RMS值，是用于指示作用在机器上的能量的良好指标。尤其是不平衡、松动、不对中或皮带问题会导致v-RMS增加。这些应用的频率范围通常为 2...1000 Hz（根据ISO 10816-3或ISO 20816-3标准）。

振动加速度a

高频宽带特征值（如 a-peak 或 a-RMS）是轴承损坏、刮擦、摩擦或气蚀的既定指标。尤其是在损坏的早期阶段，高频加速度峰值不在ISO 20816频率范围内。因此，振动加速度特别适合作为轴承初期损坏或齿轮轮齿故障引起的瞬态冲击脉冲的预警指标。

峰值因子

测量振动加速度的一个特殊参数是峰值因子。它的计算公式是将峰值除以RMS值：
峰值因子 = a-peak / a-RMS

峰值因子可用于评估轴承的损伤情况，尤其是在轴承损伤的早期阶段。滚动部件周期性地通过损伤点会引起短暂的振动冲击，这些冲击脉冲将导致a-peak增加。同时在此阶段，a-RMS 值仍然相对较小，峰值因子会很高。随着损伤的扩大，冲击脉冲的频率和强度会增加，从而导致a-RMS增加，峰值因子也会随之下降。因此在高a-peak和低 a-RMS 值之间的初始阶段，峰值因子是及早识别轴承损伤的有用附加指标。

BearingScout™ 参数

BearingScout™ 参数可用于分析轴承状态。它是一种特殊形式的包络解调（类似于H-FFT）。与传统的H-FFT相比，计算周期仅为几毫秒。可以配置适合轴承分析的窄带参数或适合齿轮问题的宽带参数。

单轴 vs 多轴测量

在大多数应用中，测量单轴振动就已经足够，因为主要振动发生在轴的径向上。
然而，3轴测量在功能、灵活性和成本方面具有决定性优势。

例如，根据运动学和机器结构的不同，机器在轴向、水平或垂直方向上的刚性强度和特征可能会有所不同。3轴测量提供了安装灵活性，并且有针对性地捕获所有三个方向的数据，可以同时考虑不同的振动激励。
此外，某些机器的几何形状和故障模式会极大地影响损伤发展的方向。例如，轴未对准可能在轴向或径向上占主导地位，或者不平衡/冲击在某些机器几何形状上可能具有不同的主要方向。