第三節(jié) 設(shè)備故障診斷常用方法
這節(jié)是本章的重點和核心。，振動、噪聲和溫度的測量又是這節(jié)的重點。
一、振動測量法
（一）振動的分類
根據(jù)能否用確定的時間關(guān)系函數(shù)來描述，振動分為確定性振動和隨機振動。
1、隨機振動不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，例如地震。
2、 確定性振動又分為周期振動和非周期振動，周期振動又進一步分為簡諧周期振動和復(fù)雜周期振動。圖9-2是振動分類的圖。
確定性振動就是振動和時間的關(guān)系如果能用確定的函數(shù)來描述，如果振動和時間的關(guān)系如果不能用一個確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，那就是叫隨機振動。如汽車在一條凹凸不平的道路上行駛，它的振動就是隨機的。
簡諧周期振動，就是振動只含有一種頻率。而復(fù)雜周期振動是這種振動中，含有多種頻率的振動，其中任意兩個振動頻率之比都是有理數(shù)。有理數(shù)，就是說任意兩個振動的周期，都有一個最小公倍數(shù)。比如第一個是3π為周期，另一個是4π為周期，那么最小公倍數(shù)就是12π，因此每經(jīng)過12π，兩個振動都又回到原來的起點。那就是有一個公共的周期，這就是復(fù)雜周期振動。
非周期振動，包括準(zhǔn)周期振動和瞬態(tài)振動。準(zhǔn)周期振動是包含多種頻率的振動，其中至少兩個的振動頻率之比為無理數(shù)，除不盡，找不到公共周期。
瞬態(tài)振動，是可用脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動。如爆炸產(chǎn)生的沖擊振動就是瞬態(tài)振動。
（二）振動的基本參數(shù)
振幅、頻率和相位是振動的基本參數(shù)。振動可以通過這三個參數(shù)加以描述。
式中：
x（t）— 振動位移；
t—時間
A—振幅
T—振動周期
f—振動頻率；
ω—角頻率
φ—初始相位角
1.振幅。表示振動體（或質(zhì)點）離開其平均中心的幅度。它是振動強度的標(biāo)志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。
2.頻率。每秒振動的次數(shù)稱為頻率f，其單位為次/秒，用Hz表示。振動體每振動一次所需要的時間稱為周期（T），單位為秒（s）。振動頻率與振動周期互為倒數(shù)。只要確定出振動所包含的主要頻率成分及其幅值的大小，就可以找出振源?？梢娫摿繉Σ檎耶a(chǎn)生振動的原因具有重要意義。
3.相位。表示振動的部分相對于其他振動的部分或其他固定部分處于什么位置關(guān)系的一個量。相同相位的振動可能引起合拍共振，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。如果相位相反，則可能引起振動抵消，起到減振作用。因此，相位也是振動特征的重要信息，在查找發(fā)生異常的位置方面具有重要意義。
振動的運動規(guī)律除了可以用位移的時間歷程描述外，還可以用速度和加速度的時間歷程來描述。振動位移對時間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)是加速度。加速度對時間積分得速度、速度對時間積分得位移。
因此，位移、速度、加速度這三者，只要測出其中的一個參數(shù)，就可以通過微分、積分電路得到其他兩個參數(shù)。
而且，由三者之間的微分關(guān)系可以得知：
速度的值超前位移值90°
加速度值位移值180°。
（三）常用的測振傳感器
振動測量有機械方法、光學(xué)方法和電測方法，其中，電測方法應(yīng)用最廣泛。采用電測法測量振動，傳感器的作用是感受被測振動參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為電量。主要有三種測振傳感器，分別為壓電式加速度計、磁電式速度傳感器和電渦流位移傳感器。
1.壓電式加速度計。
（1）工作原理：有些晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)就是說這種晶體在一定方向上受力，產(chǎn)生變形時候，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除以后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。壓電式加速度計是基于壓電效應(yīng)工作的。
（2）壓電晶體輸出的電荷與振動的加速度成正比。壓電式加速度計常見的結(jié)構(gòu)形式為中心壓縮式，分為正置壓縮型、倒置壓縮型、環(huán)形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一種，都包括壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座等基本部分。其中，壓電晶片是加速度計的核心。
（3）壓電式加速度計屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。電荷產(chǎn)生不需要外接電源，靈敏度高而且穩(wěn)定，有比較理想的線性。
突出的優(yōu)點：因為沒有移動元件，所以不會因為磨損而造成壽命降低的現(xiàn)象。
此外，壓電式加速度計使用的上限頻率隨其固定方式而變。的固定方式是采用鋼螺栓固定，只有這種固定方式能達到出廠標(biāo)示的上限使用頻率。
（4）小結(jié)：
第一，是利用壓電效應(yīng)工作的；
第二，輸出電荷和振動加速度成正比；
第三，組成都包括了壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座，其中壓電晶片是加速度計的核心；
第四，屬于能量轉(zhuǎn)換型，不需要外接電源；
第五，內(nèi)部沒有移動元件，所以不容易發(fā)生磨損；
第六，是上限頻率和固定的方法有關(guān)。
2.磁電式速度傳感器。
（1）原理：利用電磁感應(yīng)原理，把振動速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動勢。
測振時，將傳感器固定或緊壓在被測設(shè)備的指定位置，磁鋼與殼體一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動，線圈和磁場之間產(chǎn)生相對運動，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而輸出與振動速度成正比的電壓。它的工作也不需要外加電源，而是直接從被測對象吸取機械能量，并將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。因此，它也是一種典型的能量轉(zhuǎn)換型傳感器。
（2）特點：輸出功率大，性能比較穩(wěn)定；
不足就是傳感器中存在著機械運動的部件，所以壽命比較短。
3.電渦流位移傳感器。
（1）原理：它基于金屬體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)工作，屬于能量控制型傳感器。測量時， 將傳感器頂端與被測對象表面之間的距離變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號。
電渦流位移傳感器必須借助電源才能將振動位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢儆谀芰靠刂菩蛡鞲衅鳌?BR> （2）特點：渦流位移傳感器屬于非接觸式測量。這種傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點。電渦流位移傳感器被廣泛用來測量汽輪機、壓縮機、電動機等旋轉(zhuǎn)軸系的振動、軸向位移、轉(zhuǎn)速等。
小結(jié)：
三種傳感器的主要特點對比：
1、壓電式加速度傳感器和磁電式的速度傳感器，都是能量轉(zhuǎn)換型，而電渦流位移傳感器，是能量控制型，需要外接電源，這是這三種振動傳感器的不同。
2、就是在磁電式速度傳感器中有運動元件，所以壽命受到影響。
3、電渦流位移傳感器是非接觸式測量，所以它可以適用于高溫或者受污染的對象。
這節(jié)是本章的重點和核心。，振動、噪聲和溫度的測量又是這節(jié)的重點。
一、振動測量法
（一）振動的分類
根據(jù)能否用確定的時間關(guān)系函數(shù)來描述，振動分為確定性振動和隨機振動。
1、隨機振動不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，例如地震。
2、 確定性振動又分為周期振動和非周期振動，周期振動又進一步分為簡諧周期振動和復(fù)雜周期振動。圖9-2是振動分類的圖。
確定性振動就是振動和時間的關(guān)系如果能用確定的函數(shù)來描述，如果振動和時間的關(guān)系如果不能用一個確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，那就是叫隨機振動。如汽車在一條凹凸不平的道路上行駛，它的振動就是隨機的。
簡諧周期振動，就是振動只含有一種頻率。而復(fù)雜周期振動是這種振動中，含有多種頻率的振動，其中任意兩個振動頻率之比都是有理數(shù)。有理數(shù)，就是說任意兩個振動的周期，都有一個最小公倍數(shù)。比如第一個是3π為周期，另一個是4π為周期，那么最小公倍數(shù)就是12π，因此每經(jīng)過12π，兩個振動都又回到原來的起點。那就是有一個公共的周期，這就是復(fù)雜周期振動。
非周期振動，包括準(zhǔn)周期振動和瞬態(tài)振動。準(zhǔn)周期振動是包含多種頻率的振動，其中至少兩個的振動頻率之比為無理數(shù)，除不盡，找不到公共周期。
瞬態(tài)振動，是可用脈沖函數(shù)或衰減函數(shù)描述的振動。如爆炸產(chǎn)生的沖擊振動就是瞬態(tài)振動。
（二）振動的基本參數(shù)
振幅、頻率和相位是振動的基本參數(shù)。振動可以通過這三個參數(shù)加以描述。
式中：
x（t）— 振動位移；
t—時間
A—振幅
T—振動周期
f—振動頻率；
ω—角頻率
φ—初始相位角
1.振幅。表示振動體（或質(zhì)點）離開其平均中心的幅度。它是振動強度的標(biāo)志，可用不同的方法表示，如峰值、有效值、平均值等。
2.頻率。每秒振動的次數(shù)稱為頻率f，其單位為次/秒，用Hz表示。振動體每振動一次所需要的時間稱為周期（T），單位為秒（s）。振動頻率與振動周期互為倒數(shù)。只要確定出振動所包含的主要頻率成分及其幅值的大小，就可以找出振源?？梢娫摿繉Σ檎耶a(chǎn)生振動的原因具有重要意義。
3.相位。表示振動的部分相對于其他振動的部分或其他固定部分處于什么位置關(guān)系的一個量。相同相位的振動可能引起合拍共振，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。如果相位相反，則可能引起振動抵消，起到減振作用。因此，相位也是振動特征的重要信息，在查找發(fā)生異常的位置方面具有重要意義。
振動的運動規(guī)律除了可以用位移的時間歷程描述外，還可以用速度和加速度的時間歷程來描述。振動位移對時間的一階導(dǎo)數(shù)是速度、速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)是加速度。加速度對時間積分得速度、速度對時間積分得位移。
因此，位移、速度、加速度這三者，只要測出其中的一個參數(shù)，就可以通過微分、積分電路得到其他兩個參數(shù)。
而且，由三者之間的微分關(guān)系可以得知：
速度的值超前位移值90°
加速度值位移值180°。
（三）常用的測振傳感器
振動測量有機械方法、光學(xué)方法和電測方法，其中，電測方法應(yīng)用最廣泛。采用電測法測量振動，傳感器的作用是感受被測振動參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為電量。主要有三種測振傳感器，分別為壓電式加速度計、磁電式速度傳感器和電渦流位移傳感器。
1.壓電式加速度計。
（1）工作原理：有些晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)就是說這種晶體在一定方向上受力，產(chǎn)生變形時候，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除以后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。壓電式加速度計是基于壓電效應(yīng)工作的。
（2）壓電晶體輸出的電荷與振動的加速度成正比。壓電式加速度計常見的結(jié)構(gòu)形式為中心壓縮式，分為正置壓縮型、倒置壓縮型、環(huán)形剪切型、三角形剪切型等，不管是哪一種，都包括壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座等基本部分。其中，壓電晶片是加速度計的核心。
（3）壓電式加速度計屬于能量轉(zhuǎn)換型傳感器。電荷產(chǎn)生不需要外接電源，靈敏度高而且穩(wěn)定，有比較理想的線性。
突出的優(yōu)點：因為沒有移動元件，所以不會因為磨損而造成壽命降低的現(xiàn)象。
此外，壓電式加速度計使用的上限頻率隨其固定方式而變。的固定方式是采用鋼螺栓固定，只有這種固定方式能達到出廠標(biāo)示的上限使用頻率。
（4）小結(jié)：
第一，是利用壓電效應(yīng)工作的；
第二，輸出電荷和振動加速度成正比；
第三，組成都包括了壓緊彈簧、質(zhì)量塊、壓電晶片和基座，其中壓電晶片是加速度計的核心；
第四，屬于能量轉(zhuǎn)換型，不需要外接電源；
第五，內(nèi)部沒有移動元件，所以不容易發(fā)生磨損；
第六，是上限頻率和固定的方法有關(guān)。
2.磁電式速度傳感器。
（1）原理：利用電磁感應(yīng)原理，把振動速度轉(zhuǎn)換為線圈中的感應(yīng)電動勢。
測振時，將傳感器固定或緊壓在被測設(shè)備的指定位置，磁鋼與殼體一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動，線圈和磁場之間產(chǎn)生相對運動，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而輸出與振動速度成正比的電壓。它的工作也不需要外加電源，而是直接從被測對象吸取機械能量，并將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。因此，它也是一種典型的能量轉(zhuǎn)換型傳感器。
（2）特點：輸出功率大，性能比較穩(wěn)定；
不足就是傳感器中存在著機械運動的部件，所以壽命比較短。
3.電渦流位移傳感器。
（1）原理：它基于金屬體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)工作，屬于能量控制型傳感器。測量時， 將傳感器頂端與被測對象表面之間的距離變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電信號。
電渦流位移傳感器必須借助電源才能將振動位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢儆谀芰靠刂菩蛡鞲衅鳌?BR> （2）特點：渦流位移傳感器屬于非接觸式測量。這種傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響以及非接觸測量等特點。電渦流位移傳感器被廣泛用來測量汽輪機、壓縮機、電動機等旋轉(zhuǎn)軸系的振動、軸向位移、轉(zhuǎn)速等。
小結(jié)：
三種傳感器的主要特點對比：
1、壓電式加速度傳感器和磁電式的速度傳感器，都是能量轉(zhuǎn)換型，而電渦流位移傳感器，是能量控制型，需要外接電源，這是這三種振動傳感器的不同。
2、就是在磁電式速度傳感器中有運動元件，所以壽命受到影響。
3、電渦流位移傳感器是非接觸式測量，所以它可以適用于高溫或者受污染的對象。