振动测量方法（精选8篇）
振动测量方法 篇1
1 引言
壳体振动测量广泛应用于石化行业各类机组和机泵的状态监测。不同类型的振动传感器测量原理不同,适用的振动类型也不同;同时,振动测量的结果既可用于机组的报警联锁保护,也可用于运行状态的监测和分析,测量的侧重点不同,测量方法也有所区别。理解壳体振动的测量原理对我们合理选用振动测量元件、正确分析设备的运行状态都有现实指导意义。本文介绍了壳振的测量原理和振动峰值测量理论,并结合具体振动问题进行实例分析。
2 振动基础
机械振动是指物体围绕其平衡位置作往复交替的运动。
2.1 振动类型
机器产生振动的根本原因,在于存在一个或几个力的激励,按照力的性质的不同,可将机器振动分为三种类型:
第一类是自由振动,是指给系统一定的能量后,系统所产生的振动。第二类是受迫振动,是指由外来确定的扰动力引起的振动,如质量不平衡、不对中所引起的振动。受迫振动的特点在于振动的频率总是等于扰动力的频率,由质量不平衡力引起的受迫振动其频率恒等于转速。第三类是自激振动,自激振动的引起归于转子和支撑系统中存在某一机械能量的反馈环节。这一反馈环节使转子从转动中获取能量,并转变为某一特定频率下的横向振动能量(一般不等于转速),而这一横向振动又通过反馈环节进一步从转动中获取能量,从而加剧了横向振动,直至获取的能量等于消耗阻尼的能量,则振动稳定在某一极限环上。
2.2 振动的三要素
振动的三个要素包括幅值、频率(周期)和相位。
幅值一般说来是振动强度的标志,表述了机器的运行是否平稳。通过对机壳振动进行测量,我们可以判断某些机器故障的存在。绝大部分大型旋转机械,都采用非接触式电涡流传感器来直接测量轴相对于轴承的振动幅值。
振动频率通常表示为机器转速的倍数。其原因主要是由于机器的振动频率趋向于机器转速的整数倍或分数倍。
在进行机壳振动测量时,振幅和频率是仅有的可以用来测量和分析的主要参量。相位、相角测量可用来描述某一特定时刻机器转子的位置。在使用键相器作为相角参考标志时,定义相角为键相器脉冲和振动的第一正峰之间的度数。第一正峰相应于机器转子上高点位置。在平衡机器的转子和进行特定故障分析时,相角测量非常重要。
3 振动传感器的类型及工作原理介绍
3.1 趋近式电涡流传感器
非接触式电涡流传感器的测量范围很广,适合于测量转子相对于轴承的相对位移(包括轴心平均位置及振动位移)。当探头顶部的线圈加上高频电流并与一导电表面靠近时,由于线圈磁力线的作用,使导电物体表面产生涡流,从而使线圈的电感量减小。线圈特性的这个变化被转换为直流电压信号输出以实现对位移的测量。
涡流式位移传感器另一特点是具有零频率响应,它不仅可测出转轴轴心振动位移,而且还可测出转轴轴心的静态位置的偏离,这在判断在运转过程中轴心是否处于正常的偏心位置是很有用处的。
3.2 磁电式速度传感器
磁电式速度传感器为惯性式速度传感器,传感器的线圈及线圈支架通过弹簧连接壳体上,构成传感器的可动部分,永久磁铁与外壳构成传感器的磁路部分。可动部分只能轴向平移,线圈与磁体之间的相对运动在线圈内产生感应电流,感应电流的幅值与线圈和磁体之间的相对运动的速度成正比。
3.3 压电式加速度传感器
压电式加速度传感器是利用某些晶体材料(比如压电陶瓷晶体)的正压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。加速度传感器的惯性质量与压电晶体构成一个质量弹簧系统,由于加速度导致的作用在压电晶体上的压力或张力,使得压电晶体产生与加速度成正比的电荷,经积分放大器,将电荷转换成电压振动信号。加速度传感器安装在机壳或轴承壳上,由于惯性质量,压电晶体组成的系统具有极高的频率,一般在20kHz以上,因此当被测频率远低于固有频率时,传感器内部惯性质量的加速度实际上等于被测物体的加速度。
这种传感器具有极宽的频带、本身质量较小,动态范围很大,因此比较适合于轻型高速旋转的轴承座及壳体振动的加速度测量。
3.4 传感器适用类型
在工厂的实际应用中,在通常情况下,大机组转子的振动用振动位移的峰峰值[μm]表示,用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动;大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示,用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量;齿轮的振动用振动加速度的单峰值[g]表示,用加速度传感器来测量。
需要说明的是,三种传感器得到的时域波形的峰值位置是不同的,因为峰值在三种传感器中所表示的物理意义不一样。就电涡流传感器而言,其峰值反映了该点具有最大间隙;就速度传感器而言,其峰值反映了该点具有最大能量;就加速度传感器而言,其峰值反映了该点具有最大的冲击力。
4 壳体振动传感器的信号处理
4.1 振动参数
振动参数包括峰峰值、单峰值、均方根值、平均值等,结合相应的波形图分别进行说明。
4.1.1 峰值与峰-峰值
峰值被定义为信号的振幅相对于零参考值偏移的最大或最小值,有时也被称为“单峰值”。峰-峰值是指振幅信号最大值与最小值之间的差值,对于一个典型的正弦波形,峰-峰值正好是峰值的两倍。在监测转子轴在油膜轴承边界内的实际物理位置时,峰-峰值测量是非常有用的。对于一个完整的正弦波形,如果不存在有直流偏置分量,峰值大小正好是峰-峰值的一半;但对一个实际的振动信号而言,其信号的正值和负值通常是不对称的。对于采集原始信号的峰峰值,再除以2后得到的单峰值,我们将其称为真峰值。对于直接采集零正峰值或者零负峰值的方式,我们将其称为零峰值。目前常用的本特利振动传感器的采集方式为真峰值,该方式能无偏差的真实的表示振动的实际振动量。
4.1.2 均方根值与平均值
均方根值(RMS)也称作为有效值,它的计算方法简单的说是先平方、再平均、然后开方。其计算过程相应的分为三个步骤:首先计算波形函数的平方值,然后对得到的平方值进行积分运算得到信号的平均值(在数学模型中,表示的是波形的峰面积),最后对这个平均值做平方根运算得到信号的均方根值。均方根值的测量在监测安装有滚动轴承的机器的振动信号的整体能量特别有用。一个信号波形有可能会出现又高又窄的尖峰但是其峰面积(振动能量)却很小或者其峰面积很大但是其整体的幅值却很小,所以我们可以测量峰值或峰-峰值来确定其振动的严重性程度,用RMS值表示信号的整个频谱图的波形面积。
4.1.3 单一频率与多频率分量波形比较
传统的模拟电压表测量的是原始信号的平均值,然后再利用一个小的校准因子(0.707/0.637=1.11)将测得的平均值转换为近似的RMS值。这种测量方法对于单一频率的典型正弦振动信号近似有效,但对于多组分的振动信号来讲,因其不具备宽频测量功能,只能利用电压表测量的信号反推出振动的峰峰值,其测
得的振动值与实际的振动值往往会有较大的差异。所以需要注意,只有在振动信号中只有1倍频组分很大,其他组分均不明显的情况下,电压表数据才能作为简单的测量参考。
图(3)振动信号波形中的第一个例子表示的是一个单一频率的正弦波。这个信号的均方根值(RMS值)是该信号峰值的0.707倍。第二个例子则是是一个较为复杂的信号,其中包括多个频率分量,这种复杂的信号更能代表一个现实世界的原始(未滤波)信号。为了准确判断这样一个信号的真正的均方根值(RMS值),振动分析仪不能像计算正弦波的均方根值一样简单将峰值乘以0.707。相反,它需要将该信号的每个瞬时值参与均方根值的求解运算,即将每个频率分量对应均方根值的平方和除以频率分量的个数,然后开平方运算得到多频率分量振动波形的有效值。公式表示如下(Xn为每个频率对应的均方根值):
4.2 振动峰值测量方法
对振动的测量首先要考虑的是频率响应范围,还需要考虑所使用的传感器是否满足现场机组的测量需求。一般来说,在线振动检测系统与便携仪表相比其频率采集响应范围较宽,也就是采集的组分较多,而探针式便携仪表对高频的响应较差,所以在线振动检测系统的测量结果更接近实际的振动值。
振动峰值的测量有三种方式。第一种是真峰值测量,先测量正向的最大值然后将数据在电路中保持,再测量负向的最大值,然后再用峰峰值测量数据除以2得到真峰值。第二种是单一的零峰值测量,在一个测量周期内(通常为1秒),测量正向的零峰值或者负向的零峰值。这种方法对于振动波形中存在直流分量时失真会较大。第三种是有效值测量,再用有效值测量的数据计算峰值。对于单一频率的振动波形来说,该方法测量数据接近实时数据,但对于多种频率组分的振动波形来讲偏差很大,严重时会得到错误的机组信息。
通过对三种方式的比较,在对振动峰值进行测量时,真峰值测量方法最好,该测量方法通常用于对速度和加速度的测量。
5 实例分析
独山子石化公司乙烯厂碳四K-301压缩机使用本特利3500系统测量齿轮箱加速度振动值,工艺人员反映使用便携式仪表现场测得的振动值与本特利3 5 0 0系统测量值偏差较大,怀疑本特利3500系统测量值偏高。结合壳体振动测量原理我们对产生偏差的原因进行了分析。
首先需要说明的是对于典型的冲击型振动易发部件,冲击振动都是在极短的时间周期内发生并完成的,测量加速度的实时峰值是最为科学和有效的,因为未经过任何的平均计算,能够扑捉到瞬时发生的冲击引发的力。为进行数据比较分析,在原有本特利3500测量的基础上,分别使用了GE SCOUT100便携式仪表和SKF公司的便携式仪表进行了加速度值和加速度转速度值的数据采集,采集到的数据包括有效值(均方根值)和峰值(峰峰值)。对SKF便携仪表来说,峰值包括计算型和真峰值两种。整个测量过程持续时间在一小时内,其间机组运行平稳,可以认为机组状态为稳定。同时,虽然机组的状态稳定,但是振动值依然存在波动,即便是相邻两次采样也会存在偏差,所以各次采样的偏差值认为是在允许和合理的范围内。测量的数据如下:
从测量数据我们可以看出,该机组振动是典型的高频冲击型振动。仅针对加速度振动而言,峰峰值与有效值之比达到了3.27,而对于单一频率分量的振动信号而言应为1.41,说明其波形已不再具有单一频率成分的信号特征。对于非单一频率成分的振动信号而言,其速度值与加速度值的比也不再具有1.41倍率的关系。3500系统的工作原理是对真实振动信号进行峰值搜寻而测出峰峰值,然后除以2即得到峰值,即便是积分运算也是在此测量方法的基础上进行的。SCOUT100则是直接进行峰峰值的测量并以此为单位显示。工艺人员用于数据比对的便携仪表测量的数据分高频部分和低频部分,测量的不是全频谱的振动数据,适用于振动信号是单一频率的规则正弦波情况下的测量,而对于多频率组分的振动波形来讲,便携式仪表测量出有效值再反算出的峰值已不能准确表示振动的实际峰值,如前所述这种方法偏差较大,所以现场便携式仪表测量数据与本特利3500系统测量数据偏差较大。
分析认为,通过各种振动分析方法的测量结果的比对,机组在用的3500系统的测量值真实地反映了当前的机组的振动状况,之所以与某公司的便携式仪表测量偏差较大,是由于不同测量设备应用的测量方法不同。对于齿轮箱类型的设备受到的冲击型的力所造成的振动来说,真峰值测量方法是科学和可靠的,其测得的结果也是真实可信的。
6 结束语
一般情况下,便携式振动测量仪表和在线振动测量系统对振动的测量都会存在一定的偏差,这是由测量方法的不同造成的,本文实例中的问题具有一定的普遍性,对我们进行现场振动问题的分析具有一定的借鉴价值。同时,通过具体实例说明了从振动测量原理入手分析现场实际问题的必要性。
参考文献
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电梯运行振动原因及减振方法探讨 篇2
摘要：近年来，电梯被广泛的应用在各个建筑物中。它给人们提供方便服务的同时，也存在着一定的危险性，比如电梯运行时会产生振动，而产生振动的原因是多方面的。因此，我们要加强对电梯运行振动原因及减振方法进行探讨，保证电梯安全、平稳、舒适地运行。
关键词：电梯运行；振动原因；减振方法
1导言
现在高层建筑数量不断增加，使得电梯已经成为了人们日常生活中不可或缺的工具。由于人们每次乘坐电梯的时间并不长，而且多数电梯的振动幅值比较小，对于使用者的健康以及人身安全并没有太大的影响，但是如果当电梯在运行的时候振动达到一定幅值的时候，就会让乘客产生不舒适感。舒适感和安全性一直是人们最为关注的问题，电梯在使用过程中，电梯系统会产生振动，是一个常见的问题，在一定程度上影响到电梯乘坐的舒适和安全性，振动一般有以下三种表现：（1）电梯起动或停止的时候，有不舒适感觉。（2）有上下顿挫感，加减速时不平稳。（3）共振，轿厢内有明显的噪音，甚至脚下能感觉到轿厢振动。
电梯的振动是电梯整机性能质量评价的综合指标。 如果說电梯安全设施的可靠性是电梯质量评价的必要条件的话，那么电梯的振动是评价电梯质量的充分条件。下面就影响电梯振动的因素及减少电梯振动的调整措施作一分析。
2电梯系统的振动特性
从电梯的整个运动系统来看，造成电梯在运行过程中产生异常振动的原因主要来自于电梯的曳引机-轿厢-对重系统，由于其在自身运行振动的作用下而产生了一定的相应受迫振动。通常来说，曳引机系统是电梯运行产生异常振动的主要振动源。在电梯运行的时候，当曳引机工作而产生的激振频率和曳引机其本身所具有的系统频率比较接近或者是相等的时候，就会引起共振现象的发生，从而使电梯在运行的时候其振动的幅度逐渐的变大，这就对电梯在运行时的平稳性和舒适性都产生了很大的影响。从另一方面来说，作为电梯承载运行主体的轿厢，其一般情况下都是由钢丝绳进行牵引从而形成的一个可以上下不断进行运动的弹性系统，当其系统的固有频率与曳引机的激振频率比较接近的时候，也同样会使电梯系统在运行时发生异常振动。
3电梯振动原因分析
3.1轿厢引起的振动
由电梯轿厢引起的振动主要是受到轿厢的平衡性、轿厢安装时的紧固性以及导靴位置调整情况等因素影响的。如果轿厢的平衡性不够好，那么当电梯运行的时候，导靴就会与导轨面发生挤蹭的现象，从而产生明显的振动或抖动，这主要原因是由于轿厢在设计或是安装的时候出现异常情况而导致了轿厢的重量出现不平衡从而造成其运行时向一侧发生倾斜。此外，如果在进行轿厢安装的时候没有保证其紧固性，那么在电梯进行运行的时候，未进行紧固的部件就很容易产生相对的错动，从而使电梯的轿厢发生振动或异常声响，大大的影响了电梯乘运质量。另一方面，由于大多数电梯在上下运行的时候，主要是依靠轿厢上安装的导轨和导靴之间进行相互接触滑动而进行的，因此如果导靴的松紧程度未调整到适宜的状态，电梯轿厢运行时会产生异常振动或晃动，这就会让乘客感到诸多的不舒适。导靴太紧就会让电梯在起动和停止的时候具有明显的阻塞感，而导靴太松又会使电梯的轿厢在运行时产生水平晃动等。
3.2曳引机引起的振动
电梯在运行时产生共振是导致电梯运行时发生异常振动，因而影响了电梯使用舒适度的重要原因之一。电梯整个的机械系统是由许多部件构成的，而每一个部件本身就存在一定的振动频率。当电梯运行的时候，在各种内外因素综合作用下产生的振动频率就很有可能和部件本身的振动频率出现重合从而引起共振，导致电梯运行时产生异常振动。这类型的异常振动最常见的就是由曳引机的机械部分振动所引起的，这部分的机械振动会从曳引机经过曳引钢丝绳传送到轿厢，在此产生一定频率的受迫振动，而当受迫振动频率接近或达到轿厢部件自身的固有频率的时候，就会产生共振。这个时候，在电梯轿厢内就会很明显的感受到电梯产生的周期性振动，并且还会伴随着较大的嗡嗡声。
3.3导轨系统装置引起的振动
电梯在运行的时候，有时候会发生突兀的振动，通常其具体表现为：运行过程中行经到某一个固定点的时候，在轿厢内能够明显的感觉出电梯发生晃动。如果这个时候通过振动仪对电梯的运行振动进行曲线监测，那么不难发现，在某一个提升的高度处所发生的振动曲线明显的超出标准。这些表现一般都是由导轨系统装置引起的，其常见的原因有导轨的表面清洁不到位、导轨接口调整不良、导轨发生损伤变形和导轨支撑架的调整不到位等多方面。导轨接口位置调整不良情况主要是由于轿厢的导轨接头处存在间隙或接头间错位形成台阶从而导致电梯在运行到此处的时候发生水平方向的间隙振动。而导轨支撑架调整不到位通常表现为导轨的轨距偏差大、不良的平行度和导轨支撑架的固定螺栓发生部分的松动而引起电梯的异常振动。
3.4电动机引起的振动
在电梯运行过程中，当电梯电动机的转子与定子之间同轴度的偏差比较大的时候，就会因为偏心作用而出现具有不平衡性的单边磁拉力，从而引起了电梯运行的异常振动。
4电梯运行的减振方法
4.1定期检查电梯部件位置的稳固性
由于电梯的各个组成部件在安装过程中所产生的误差以及在运行过程中产生的变形对电梯运行时发生异常振动都有很大程度的影响，因此，这就要求在电梯的使用过程中，必须对电梯各个设备的安装以及使用时的稳固性定期进行认真详细的检查。比如电动机振动是否满足规定的要求，紧固件的紧固性是否符合要求，对于超出或已经不符合标准要求的设备部件要进行维修或者是更换，通过对电梯进行定期的检查维护，从而使电梯运行系统及各个部件的刚度和强度等都能够得到保持。与此同时，还应对钢丝绳的张力进行检查和调整，保证曳引钢丝绳的张力偏差在允许范围内，这样从一定程度上就能够起到消除振动的作用。
4.2改善电梯轿厢的隔振设施
当电梯停止的时候，轿厢与导轨相互碰撞也会产生一定程度上的振动。因此，如果想要减少或消除电梯的振动，就可以将具有一定软硬度的隔振橡胶增加在电梯的轿厢底部，这样能够缓冲因碰撞引起的振动，从而使轿厢能够实现软着陆、进一步提高电梯使用的舒适性。
4.3改变电梯曳引机的激振频率
在电梯运行过程中发生异常振动最主要的因素就是共振，所以，要想使电梯的振动降低或消除，首先就是要改变运行系统的机振共振频率，让其与曳引机所具有的固有频率拉开差距，尽量远离，降低其产生共振的可能性。实际应用中，根据电梯振动传播规律，还可以将电梯与曳引机的连接部分采取其他的减振和消振方式，使其产生的振动在传播过程中就得到逐渐消除，从而能够从根本上降低电梯运行系统的振动。
5结论
综上所述，在市场经济高速发展的今天，随着高层建筑的增多，电梯作为一种较复杂并有一定科技含量的机电一体化产品，已经成为了人民群众生活中的常用工具，而电梯在运行过程中的安全性对于使用者来说是至关重要的。电梯在运行过程中所产生的异常振动对于电梯运行的质量及安全性具有直接的影响性，只有通过对电梯运行时发生的异常振动进行全面的检测和分析，针对性地采取相适应的预防措施，应用合理科学的手段，尽可能的减少或消除电梯运行产生的异常振动，达到优良的减振效果，才能使电梯的安全性和舒适性得到提高，从而为人民群众日常生活提供优质安全的乘运服务。
参考文献：
[1]宋继光.浅谈电梯系统垂直振动分析与抑制[J].科技与企业，2014，02：281.
[2]陈宏意.电梯运行振动原因及减振方法探讨[J].机械工程师，2014，01：250-252.
周期振动信号测量优化方法的探讨 篇3
在振动测试系统中, 机械设备因制造误差、运动部件之间的间隙、零件间的滚动或摩擦、回转与往复的不平衡力等会引起振动, 这些微小的振动有时能引起其它部件产生共振, 使之被放大成为噪声源, 导致测量信号不准确。为了使获得的数据能够准确的体现被测物体的受力状况, 通常对测得的原始信号进行滤波和傅立叶分析, 使处理后的数据能够减小或消除由机械振动、传感器之间的干扰以及外界环境对传感器的影响所引起的误差, 提高系统的稳定性和测量精度。
1 傅立叶信号分析原理
傅立叶变换是数字信号处理领域的一种重要算法, 其基本原理是:任何连续测量的信号, 都可以表示为不同频率的正弦波或余弦波信号的无限叠加[1]。根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号, 以叠加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。
对于一个周期振动信号f (t) , 它的周期为T, 角频率Ψ=2π/T, 根据傅立叶基本原理它可分解为
即
将 (1) 式同频率项合并, 可写成如下形式
即
其中, Ancos (nΨt+φn) 为n次谐波, An是n次谐波的振幅, φn是初相位。
2 数字滤波方法原理及应用
数字滤波器的种类很多, 主要可分为有限脉冲 (FIR) 和无限脉冲 (IIR) 数字滤波器。由于周期信号测试系统要求系统稳定性高并且易实现线性相位, 这正是FIR滤波器的突出优点。FIR滤波器的设计方法是建立在对理想滤波器频率特性作某种近似的基础上的, 常用的近似方法为窗函数法。在信号测量系统中, 由机械振动、传感器干扰等原因引起的噪声频率分布较大, 因此本文采用数字滤波实现带通滤波器滤除干扰信号。
2.1 有限脉冲滤波器实现带通滤波原理
设理想带通数字滤波器, 其单位抽样响应为
由于这种数字滤波器模型是非因果的, 物理上不可实现。但是, 如果用窗函数将hd (n) 截短并将截短后的hd (n) 移位, 得h (n) =hd (n-M/2) , 其中n=0, 1, 2, …, M, 则h (n) 是因果的, 且为有限长M+1[2]。
2.2 窗函数滤波法
在窗函数滤波法中窗函数的选取影响着信号的滤波效果。要较好的滤除信号中的干扰信号, 要求窗函数频谱主瓣尽量的窄, 边瓣峰值尽量的小, 使频域的能量能够主要集中在主瓣内。布莱克曼窗的主瓣比汉宁窗、哈明窗、矩形窗都宽, 但其具有最小的边瓣和最大的衰减速度, 可有效克服滤波器频谱中的吉布斯现象, 而由主瓣较宽导致的滤波器频谱过渡带较长可以通过增加阶数M来弥补, 因此本设计采用布莱克曼窗, 其窗函数表达式如下:
N为窗函数的长度。
令h (n) =w (n) hd (n) , 截短后并右移, 则
h (n) 是有线性相位, 且频谱逼近理想带通滤波器的频谱, 这样以有限长h (n) 代替无限长hd (n) 即可实现带通数字滤波器。
3 信号处理方法及采集周期的选择
3.1 机械振动系统测量信号特点
以动平衡测试系统为例, 系统通过测量物体旋转时其本身所受的离心力求得物体自身的的不平衡量。图1为测试系统流程图。测力传感器将力信号转换为电信号由数据采集卡进行采样和A/D转换, 转换后的信号经滤波处理后进行数据运算。
测量信号包括有用信号和干扰信号两部分。其中有用信号为物体在旋转过程中其本身不平衡量产生的离心力。干扰信号是由传感器受外界环境干扰和机械振动产生, 其频率分布在有用信号周围。图2[3]中红色曲线为系统采集的原始信号, 可以看出原始信号中含有较多的干扰信号。信号处理的主要作用是滤除信号中包含的各种干扰信号, 使测量信号能够最大限度的反映测试系统中物体的受力情况。
3.3 信号处理方案
针对傅立叶变换和带通数字滤波器, 本文根据不同使用方法提出了三种信号处理方案。通过对比这三种方案的滤波效果确定一种最优的使用方案。
(1) 首先求多个周期的算术平均值, 然后根据被测物体的转速通过傅立叶变换提取有用信号。该方法能够降低信号中的噪声干扰, 提高信号的信噪比。
(2) 对信号直接进行傅立叶变换。由于傅立叶信号能够消除信号中白噪声的干扰, 因此该方案对于滤除信号中均值为零的干扰有较好的效果。
(3) 对信号进行窗函数带通数字滤波, 再对滤波后信号进行傅立叶变换。带通滤波器能够滤除被测信号周围的干扰信号, 提取有用信号频率段, 通过傅立叶变化分析有用信号谐波构成, 通过多次谐波叠加还原有用信号。
3.4 采样周期选择的意义及实验结果分析
在测试系统中, 降低信号的采样数量能够大大提高系统的测量效率。以该系统为例, 测量过程中物体的转速为600r/min, 因此被测信号频率为10Hz。若每减少采集数据10周期, 系统效率将提高1s。实验通过采集十组原始数据, 在选择不同信号处理方案和采样周期的情况下分析这十组数据的稳定性和测量精度, 在保证数据达到准确性要求的前提下, 尽量减少采集圈数, 缩短数据采集周期, 提高系统的测试效率。
实验通过matlab[3]实现上述三种信号处理方案对系统采集的原始值进行处理。表1为原始信号经过处理后不平衡量的标准偏差, 标准偏差越小说明系统的稳定性越好。根据工业需求, 该测试系统要达到稳定性要求其测量数据的不平衡量的标准偏差应小于等于0.02。
由表1可见, 无论选取哪种处理方案, 采集圈数越多其标准偏差越小, 系统的稳定性越好。比较这三种方案的实验数据, 方案三处理后的数据明显优于其他两种方案, 其采集上来的信号首先通过FIR带通滤波器滤除由传感器干扰和机械振动产生的各种信号干扰。当物体转速达到600r/min时, 被测物体的信号为10Hz。然而由于电机旋转时不可避免会产生一定的速度波动以及机械本身存在的偏心导致测量信号的频率在10Hz左右变化。因此, 系统通过带通滤波器滤除波动频率范围以外的频率, 保证准确的获得有用信号。根据系统要求, 通过对电机转速的稳定性与机械偏心的分析, 选取带通滤波器上截至频率wh=2πfh/fs, 下截至频率wh=2πfl/fs, 其中fh=12Hz, fl=8Hz, fs=1 024Hz。滤波后的信号根据傅立叶分析原理分解为多次谐波相叠加, 完整的恢复原始信号。如图2中蓝线为滤波后的信号。
从表1可以看出, 尽管方案三中采集40圈时信号不平衡量的标准偏差最小, 系统稳定性高。但采集16圈时数据的标准偏差同样能够达到工业要求, 且其效率比采集40圈提高了2.4s, 大大提高了系统的测试效率。
4 总结
本文通过实验对带通数字滤波器在不同使用方法和采样周期下进行比较, 验证了一种适合于此类周期振动信号的优化方法。从标准偏差可以看出, 随着信号采集圈数的增多, 测试系统越稳定。该方法根据测试系统和被测信号的特点, 成功提取了有用信号, 既保证了测量信号的稳定性又缩短了信号采集的时间, 提高了系统的工作效率。
参考文献
[1]吴大正.信号与线性系统分析.北京:高等教育出版社, 1998
[2]胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现.北京:清华大学出版社, 1997
浅析激光振动测量技术 篇4
目前振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用,所以激光振动测量技术有着广阔的应用与发展前景。
1 激光振动测量技术的测量原理及现状
目前,常用的激光振动测量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电(MEMS)法和干涉法等。由于这些技术的使用,使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分别介绍几种常用的光学振动测量方法:
1.1 激光三角测振法
激光三角法[1,2]是利用几何光学成像原理,将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被测物体表面形成入射光点,该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上,形成像点,使用对位置敏感的传感器就可接收到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时,引起像光点在感光面上发生位移,从而引起光电探测器输出电信号的变化,根据电信号的变化量可求出像点唯一的变化量,通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。
该方法对于振动的测量是非接触形式的。激光三角测振法具有结构简单,发展比较成熟等优点,适用于工业现场安装使用。但是该方法的不利之处一方面是光电探测器的灵敏度和尺寸限制了该方法的分辨率和测量范围,另一方面是发射透镜的焦距限制了该方法的工作距离,不适于远距离处的微小振动测量。
1.2 光强测振法
光强测振法[1,2]是利用被测目标相对投射光束,或反射光束相对探测光路的位置变化导致探测光强的变化来探测振动。
该方法对于振动的测量既可以是接触式的,也可以是非接触式的。光强测振法具有信号处理方便、结构简单、成本较低等优点,可以广泛应用于各种场合。而且光强法与光纤的紧密结合,使得光强测振法的应用领域得到进一步拓展。该方法的不利之处在于光强易受外界环境和光源干扰的影响,使得测量结果精度不高,所以一般采用多波长、多光束等方法来改进光强测振法的不利之处,提高光强测振法的抗干扰能力。
1.3 全息测振法
全息法[1,2]是将相干光束的一部分作为参考光波,其余部分投射到物体上并被其反射作为物光波,两光波相遇产生干涉,所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况,该干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量,通过比较不同时刻的全息干涉图,就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。
该方法对于振动的测量是非接触形式的全场同时测量。全息测振法具有可以进行面测量,同时获得多点数据的优点。该方法的不利之处在于须用银盐干板作记录介质,全息图需要进行照相及冲洗等处理,操作过程复杂,处理条纹图极其费时,无法实现实时测量,实际应用较困难。
1.4 激光多普勒效应测振法
多普勒测量[4,5,6,7]中的多普勒信号通常都是从被测物体的散射光中获得的,信噪比低,且包含有运动速度、光源、接收器之间的角度因素,由于这些因素会引入较大的测量误差。对振动特性的计算方法为信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值,被测振幅的获得是经过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数而得到的。
该方法的测量不需要干涉仪组件,可精密装配。激光多普勒效应测振法具有被测速度矢量与多普勒频移呈线性关系,对于任何复杂的物体运动都适合研究的优点。因此,激光多普勒技术是一种高精度动态测量方法。该方法的不利之处在于得不到小于当量值的位移,测量分辨率很低。激光光栅多普勒效应的微振动测量系统的提出改变了以上不足。
1.5 光纤与MEMS测振法
光纤与MEMS技术相结合的振动传感器[1,2,8]在振动传感领域中一军突起。在微光机电传感器中,光纤可作为传光介质,为传感器提供光连接,传感器内部的电信号经由发光二极管转变为光信号,再输送到外部设备,这样可以使测量结果大大免受外界电磁干扰。光纤也可用来构造光路,成为集成传感器的一部分,作为悬臂梁感受外界振动,通过测量经过光纤的光强变化来实现振动传感。
光纤与MEMS技术相结合的振动传感器的优点是可免疫外界电磁干扰,可应用于避免使用电信号的场合,结构布置灵活,适合应用于复杂结构环境和复杂结构空间下的振动传感测量,适用于微型化和集成化产品。
1.6 干涉测振法
干涉测振法是将光束正入射于物体表面,其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场,此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。
该方法对于振动的测量是非接触精密测量。干涉测振法具有应用范围广、重复性极高、可以对微小振动进行高精度测量的优点。但是该方法的不利之处一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性,环境扰动对其影响非常突出,当光程质量不理想时,测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面,以及目标物体表面的不平整性,使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合,尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉,这将使测量无法进行。因此,人们先后发明了光波频率调制补偿法、机械式位相调制补偿法以及将机械补偿和光调制相结合的方法来解决这一问题。
1.7 激光散斑测振法
激光散斑振动测量技术[1,2,3]是利用激光的高相干性,当激光照射到物体粗糙光学表面时将产生散斑场,该散斑场是被测物体表面信息的载体,记录下该散斑场并利用数字图像处理技术,就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线,通过条纹判断便能得出振动物体的位移。
该方法一般采用多帧干涉图取平均的方法来减少环境扰动的影响,但并不能从根本上解决扰动问题。散斑干涉法适用于对频率已知的振动信号进行测量,从而实现对物体振动特性的分析,该方法的不利之处是精度和测量应用范围有限。
2 激光振动测量的展望
激光振动测量技术发展前景非常广阔,对于激光振动测量技术的研究工作也是研究人员为之做出不懈努力的工作方向。关于激光振动测量的展望有如下几个方面:
2.1 改善测量环境
随着我国科技水平的不断发展与提高,人类对于振动测量精度的需求已经达到了纳米量级。目前的分辨率已经不能实现人们对于某些研究领域项目的精度要求,对于纳米精度目标的实现是人类在科研领域的新突破。环境是影响系统实现纳米精度的一方面问题,像空气温湿度的变化、环境的振动和声学扰动等都会影响测量精度。因此,可以采用隔离措施和建立确保稳定环境温度的恒温室的方法来实现纳米测量精度。
2.2 结合多技术于测量
现代的激光振动测量系统广泛采用的是光、机、电与计算机技术相结合的方式来进行高精度、实时动态测量,大系统的概念、模糊理论、人机工程学的概念、自适应原则、调频技术、调制技术、反馈原理这一系列相关理论都广泛的应用在现代测量仪器的设计中,促使测量与控制技术成为一个完整的有机整体。鉴于以上广博知识,更需要多知识、高技术人才团结、协作完成由知识理论到仪器设计的实现。
2.3 进行科研创新
新的测量原理和方法是指导创新研究成果的理论依据,传统的振动测量方法已经不适用于纳米级振动测量的研究,要解决纳米级振动测量需要寻求新的测量原理和方法。将微观物理和量子物理的最新研究成果应用于测量系统中以及对现有技术进行创新性应用是可行的。
2.4 多领域应用
随着科技的发展以及性价比高、质量优良的激光振动测量仪问世,激光振动测量技术不仅可以应用于机械制造的检测中,还可以应用于生物医学、材料检测、航空航天等领域。
3 结束语
当今社会激光振动测量技术与人类的生产、生活是息息相关的,此项技术促使人类的生产、生活质量向着更好、更完善的方向发展。随着激光振动测量方法的成熟与完善,高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。
参考文献
[1]张书练,张毅.光电振动传感技术新进展[J].激光技术,2001,25(3):161-165.
[2]王小芳.四波耦合微振动光学测量的研究[D].南京:南京师范大学,2006:1-4.
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[4]李淑清,杜振辉,蒋诚志.激光光栅多普勒效应微小振动测量[J].光学学报,2004,24(6):835-837.
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[6]Jiang Chengzhi,He Shunzhong,Liu Yanyu,et al.Study on signal of Inplane displacement measurement utilizing laser Doppler effect[J].Acta Optica Sinica,2003,23(1):71-74(in Chinese).
硬盘磁片振动测量模型的研究 篇5
1 硬盘磁片振动测量问题分析
可以归结为数据的统计与分析问题, 涉及到空间立体几何、空间解析几何法向量和三点共面证明相关知识。同时, 这又是计算机模拟问题, 将得出的几组数据值通过计算机进行整理、取整、求取精度等, 建立坐标系点光源O为坐标原点, E1和E2是盘片瞬间位置的反射点, 此时盘片局部表面方程为z=ax+by+ (c+D) , 其中a, b, c为未知量。由于硬盘在振动, 平面就偏离了初始位置z=D, D<0;接受屏方程为z=h, 其中h>0为接受屏的高度, B1和B2是其上的照射点, 这样利用它们确定a、b和c获得盘片局部表面方程。由于实际中硬盘的震动十分微小, 因此打在接受屏上的一系列的点会在硬盘静止时打在接受屏上的B1B2的附近。
2 硬盘磁片振动测量模型建立
为有利于建立模型, 我们需要先说明以下两个问题:由反射定律知入射光线和反射光线所在的平面与反射镜面相互垂直。如果平面m1与平面m2相交, 并且二者都和硬盘所在平面m垂直则平面m1和平面m2的交线L垂直于平面m。
由空间解析几何知识得知, 不在同一直线上的三点即可确定一个平面。本题中硬盘是围绕一固定转轴旋转, 不妨设立此转轴为已知点则仅再需两点即可确定此平面。若仅用一束光无法确立具体的平面, 若用两束以上的光线去测量, 一方面对测量技术提出更高的要求, 需要更加先进的测量设备及人力资源, 同时对资金造成不必要的浪费。另一方面, 过多的光线会造成彼此间的干涉, 使其在接收屏上点的坐标不明显, 会造成较大的测量误差, 不利于实验的准确性。两光源发出的光线在P点相遇其相位差恒定意味着光程差恒定, 它的大小决定了两光线之间的相位差。化简后得到:
为了更好的了解接收屏对盘片表面方程的影响, 首先, 我们利用所得到的数据值来进行计算机模拟实验。在这里我们用MATLAB软件分别对X1、X2、Y1、Y2随机抽取36个值, 即随机抽取B136个, B236个。将所得的数据输入计算机, 采用计算机模拟的方法对该数据进行某一精度下的四舍五入取整。
3 硬盘磁片振动测量模型求解
本模型主要是利用显示在接收屏上的两点坐标值反算出硬盘盘片的局部表面方程, 而解题的一个重要环节是必须首先确定盘片局部的表面方程。问题一的提出是围绕为什么要使用两束光线测量而不是一束、三束或是更多。为了能够更加全面的说明使用两束光线测量的理由, 我们做以下的分析证明:点O'的发射的光线E1、E2与磁片中心轴Q'确定的平面存在, 即可以充分说明测量过程中, 两束光即可达到理想效果, 假设不受外界因素 (如空气中灰尘、湿度) 对测量结果造成的影响。为了更加直观的说明问题, 我们建立几何图形解答:首先, 我们考虑使用一束光线进行测量的情况。自光源发射出的一束光线落到硬盘盘片上的点E1与O'在一条直线上, 同时确立一个平面。但是我们通过对平面几何知识的了解依据定理我们得知, 一条直线无法确立唯一一个平面, 这与上文所述矛盾, 我们将其排除。考虑使用三束光线进行测量的情况。自光源发射出的三束光线落到硬盘盘片上, 此时盘片上共有四点, 我们知道三个不在同一直线上的三点可确定唯一一个平面, 而多出的第四点就没有实际的意义 (在这里, 我们不考虑极特殊的四点共线情况) 因此, 使用三束光线进行测量的效果等同于两束光线测量的效果。这样等于把简单的问题复杂化, 因而, 使用三束光线进行测量的方法是不可取的, 予以排除。
设平面OE1B1与平面OE2B2相交于直线OF, 又由预备知识 (2) 知直线OF垂直于硬盘局部表面, 即被测平面的法方向与OF的方向在同一条直线上, 由此知观测到一组B1和B2的坐标值后, 被测物体平面的法方向就确定了。此时, 它的可能位置只能是以OF为法方向的一系列平面。又由于此刻入射光线OE1与反射点B1已经确定了。显然, 在上述的一系列平面中有且只有一个位置, 使得入射光线OE1经其反射照到点B1上, 故这种测量技术采用两束光线就能确定被测平面的方程。
由于硬盘振动的空间局限性, E1和E2始位于其初始位置所在的象限.因此, 在模拟一系列的坐标值时我们将Yi模拟成正值, 即Yi>0。同时为了模拟的准确性, 我们假设h=1, D=-1。另外, 我们假设X1、X2、Y1、Y2的误差服从正态分布。现在我们来确定硬盘静止时B1、B2的坐标值 (x10, y10, 1) 、 (x20, y20, l) 。
因此我们模拟的一系列的 (X1, Y1, h) , (X2, Y2, h) 在 (3, 3, 1) 及 (3, 6, 1) 附近。在这里我们用MATLAB软件分别对X1、X2、Y1、Y2随机抽取36个值, 即随机抽取B136个, B236个。并对这些数据分别进行精度为10-4, 10-5和10-6下的四舍五入取整。通过计算机模拟方法得到数据值。经过详细的分析推出如下结论:两束光线经盘片反射而显示在接收屏上的两点B1, B2的坐标值精度越高, 所得到的数据值的精度也就越精确。而坐标值精度的高与低完全取决于接收屏的分辨率高与低 (测量精度) , 也就是说直接影响所得到的数据值的精度。综上所述, 我们得出:接收屏的分辨率越高, 所求得的盘片局部表面方程的数据值的精度就越高, 描述被测量硬盘盘片振动情况就越准确。
4 硬盘磁片振动测量模型优缺点分析
建立的模型突出了计算机磁盘偏振特点, 通过细致的分析和合理的假设, 同时在不影响解的精确性的情况下, 通过多普勒原理以及空间解析几何运算, 使得到的结果与实际很贴近。而且根据实测数据和模型结果的差异进行比较, 使得模型有规律, 简单易懂, 并且更加能够说明问题。该模型用文中所给的个体特征代表全体, 但实际上个体是有差别的。本模型未考虑个体差别因素, 如将模型进一步深化, 那么应该区分个体的差异。在上述模型进行空间解析运算和三角函数求解时, 是计算机求得的近似值, 没有求得准确的数据。E1、E2、B2、B1越接近真实值, 模型的结果越准确。
该模型是通过合理的假设得到的, 而实际的应用中受到各种因素的影响, 会对模型的预测性有很大的影响。硬盘常见的技术指标是计算机磁盘的振动:这一指标代表了硬盘主轴马达 (带动磁盘) 的转速, 比如5400RPM就代表该硬盘中的主轴转速为每分钟5400转。最合理的硬盘单独测试方法是, 操作系统与测试软件装在另一个硬盘上, 被测硬盘单独接在一个硬盘接口, 接下来就是分区, 此时必须要将全部容量分成一个区才能体现硬盘的综合性能。
5 结束语
现在最常用也是最好用的硬盘测试软件WinBench99就是以分区大小来确定测试区域的, 包括DTR、访问时间、应用模拟测试等, 在DTR测试中以分区的最外圈磁道开始到分区的最内圈磁道终止, 所以如果只用头10GB的容量为一个分区, 那么测出来的就是这10GB之内的DTR而不是整个硬盘的, 这也是为什么有些数据中, 结束端比起始端的数值还要高的原因。另外, 如果测试区域很小, 则磁头寻道的时间也会限制在更低的范围内 (因为寻道的范围也小了) , 同样有利于得高分, 类似的影响也体现在商业与高端测试中。所以, 硬盘单独测试时必须进行全分区!通过本数学模型的建立, 我们可以广泛的应用于计算机磁片的测量的各个领域。
摘要：在此提供一种测量硬盘磁片振动的新技术, 选用同一点光源发出两束光线来测量硬盘磁片振动的情况。问题的关键是如何利用接收屏上的两点反算出磁盘表面的平面方程, 从而通过平面方程的变化得到磁盘振动的情况。
关键词：分辨率,计算机模拟,反射定律
参考文献
[1]严普强, 乔陶鹏.工程中的低频振动测量与其传感器[J].振动、测试与诊断, 2002 (4) .
管道振动的测量评价与故障诊断 篇6
传感器拾取管道振动信号。适用于管道振动测量的传感器类型主要有:位移传感器 (电涡流、差动) 、速度传感器 (磁电、激光) 、加速度传感器, 其中加速度传感器因动态线性范围宽、质量小、抗干扰能力强、耐用可靠等优点在管道振动测量中广泛使用[1]。
管道振动原始信号经信号处理 (信号放大、抗混滤波、模数转换) 后送入振动数据采集系统, 经滤波、积分、快速傅里叶变换 (FFT) 处理, 得到管道振动速度峰值及振动频谱。
2 管道振动评价
管道振动测量结果评价依据ASME OM-S/G-2000第3篇《核电厂管系预运行和初始起动时的振动试验要求》规范中的速度标准[2]。许用速度峰值表达式为:
式中, C1为补偿管道特征跨度上集中质量 (如阀门等) 影响的修正系数;C2、K2为ASME锅炉和压力容器规范规定的二次应力、局部指数, 对于大多数管系C2K2≤4;C3为考虑管内介质和保温层质量的修正系数, W为单位长度内的管道重量, Kg/m、WF为单位长度内管内介质重量, Kg/m、WINS为单位长度内的保温层重量, Kg/m, 对于无保温且空的管道或蒸汽管道, C3=1;C4为考虑管道不同支撑形式的修正系数, 对于直跨两端固定, C4取1.4;对于悬臂和简支梁, C4取1.33;对于等弧Z形弯头, C4取0.74;对于等弧U形弯头, C4取0.83;C5为考虑偏离共振的强迫振动的修正系数, 等于管跨一阶自然频率与主频率之比;SA为ASME锅炉和压力容器规范规定的交变应力, MPa;α为许用应力折减系数。
将实际测得的管道振动速度VP与计算所得Vallow进行比较, 若VP≤Vallow, 则管道振动合格;反之, 管道振动不合格。
3 管道振动故障诊断
管道振动超标后, 结合管道振动频谱, 从振源分析、运行工况分析、支撑分析三个方面进行管道故障诊断, 提出管道振动处理方案, 处理方案现场实施后, 重新进行振动测量验证方案是否有效。
以国内某发电机组辅助汽动给水泵 (下简称汽动泵) 入口管道为例, 该管道布置及振动测点见图1。小流量工况下, 测点1水平方向 (1H) 振动幅值达119.5mm/s, 超过管道振动限值85mm/s, 振动不合格。
3.1 振源分析
引起管道振动的力称之为激振力。综合考虑该泵的情况, 该泵激振力的来源主要有:
a) 汽动泵本体的振动传递至入口管道。
b) 入口管道内流体流场不稳定, 产生激振力。
c) 与入口管道相连的其他旋转机械正常运行产生振动传递至入口管道。
小流量工况下, 汽动泵转速约为8400转/分, 其产生的激振频率主要是8400/60=140Hz;与汽动泵入口管道相连的旋转机械设备为辅助电动给水泵, 电动给水泵额定转速为2980转/分, 其产生的激振频率主要为2980/60=49.7Hz。
经查看振动超标时振动频谱, 频谱主要频率成分为21.36Hz, 未见明显的49.6Hz、140Hz频率及倍频的峰值, 由此可以确定汽动泵入口管道的振动不是汽动泵本体、与进口管道相连的其他旋转机械正常运行引起的。同时, 考虑到汽动泵运行工况为小流量, 小流量工况下的流场一般不稳定, 因此汽动泵入口管道振动激振力最有可能来源于入口管道内流体流场的不稳定。
不稳定流场能产生宽频能量带。当管道的固有频率落在能量带中, 且与能量带中幅值较高的频率成分一致时, 便产生共振。汽动泵入口管道振动超标后, 对未充水情况下的入口管道进行敲击测试, 测得的管道固有频率约为20Hz, 与振动超标频谱中振动主频基本一致, 因此, 我们认为汽动泵入口管道振动超标的主要原因为共振。
3.2 支撑分析
经现场查看管道支撑, 发现W229.306支架与底板存在间隙, 现场安装情况见图2, 不能约束管道-Z向位移, 而该支架设计为滑动支撑, 现场支架状态与设计功能不符合。
3.3 振动处理措施及效果
在无法改变管道中流体状态的前提下, 消除共振故障的方法是提高管道的固有频率, 让管道的固有频率避开不稳定流场产生的能量带中幅值较高的频率成分。管道固有频率的调整主要通过调整管道刚度和质量来实现, 考虑系统的运行工艺要求和现场安装条件, 改变管道固有频率以改变管道支撑形式和位置最为可行、有效。结合汽动泵入口管道现场支架情况, 建议先处理W229.306支架缺陷, 主要处理措施如下:在W229.306底板下垫入UC板, 消除底板与支架之间间隙, 使支架功能满足设计要求, 调整后支架状态见图2。
现场支架调整后, 小流量工况下1H测点的振动幅值降至56.1mm/s, 管道振动合格。振动合格后汽动泵入口管道振动主频增加至31.13Hz, 有效避开了小流量工况下管道激振频率。
4 结论
对管道进行振动测量、分析和评价, 可以检测出系统的薄弱点及预测系统中可能出现的过量振动, 为管道系统的安全、可靠运行奠定良好基础。另外, 根据对振动超标管道的实际处理经验, 管道支架的设计及安装是否符合要求是引起管道振动超标的主要因素, 需要在机组设计和安装阶段引起足够的重视。
参考文献
[1]李德葆, 陆秋海.工程振动试验分析[M].北京:清华大学出版社, 2004:3, 24-33.
[2]ASME BPVC-ⅢASME锅炉和压力容器规范:第Ⅲ卷[S].1998.
自制鱼洗振动频率测量仪 篇7
一、振子的制作
日常生活中,用手摩擦水盆边缘,可引发盆体共振,发出嗡嗡声,盆壁与水面接触处可见到梳齿状的“棱波”,棱波波长短,频率低。因此笔者选用25W8Ω的低音长冲程扬声器作为振源。用车轴将两个车轮连接好后,再用热熔胶将其黏在扬声器的防尘罩上,就使扬声器变成了一个造价低廉的机械振子,如图2所示。之后再利用薄铝片,将喇叭固定在底座上,根据鱼洗的高度,调节扬声器的位置,如图3所示。
二、仪器的连接与调试
将两个扬声器与40W8Ω功率的放大器的输出端连接,再将功率放大器的信号输入端与RIGOL-DG1022型信号源的输出端连接。接通功率放大器电源,打开信号发生器,调节输出频率和振子的位置,当输出频率为122HZ时,可观察到水面形成4个波腹,改变输出功率可形成水花飞溅,如图4所示。
三、鱼洗振动频率的测量
参考徐劳立《鱼洗振动频率的分析和测量》一文中的理论模型和计算方法,利用公式:
可计算出鱼洗盆的固有振动频率,其中铜的密度ρ=8.97×103kg/m3,杨氏模量E=1.24×1011N/m2,喷水处盆半径a=0.13m,盆壁厚h=0.0015 m(测量的是盆壁边缘处),σ为泊松比,常取σ=0.3,得出υ=121Hz,与实验测量结果近似。
摘要：利用生活中常见材料制作出简易机械振子作为鱼洗的振源,测量鱼洗的固有频率。
关键词：机械振子,鱼洗,固有频率
参考文献
[1]吴志贤,高惠滨,张贵清.关于“鱼洗”振动现象的探讨[J].物理实验,1992(6):261-262.
云南电网在运变压器振动测量分析 篇8
运行中监测变压器的运行状态, 在其缺陷还在可控范围内及时消除, 能保证电网的安全稳定。变压器振动特性监测研究, 就是试图通过对变压器振动特性的测量, 分析研究变压器的绕组的变形情况, 评估变压器的健康状态, 制订有针对性的运维措施, 保障电网的安全运行。
其次, 利用振动信号分析法的变压器绕组及铁心监测理论较完善, 但实际运行中变压器的振动情况和理想状况下存在区别, 需要在大量实际测量的基础上再对相应的故障报警值进行进一步的调整, 为积累在运行电力变压器的振动特征数据库, 完成了云南电网部分在运变压器的振动检测及数据分析。
1 检测情况及测试方法
1.2 测试方法
变压器油箱表面振动信号为电气机械振动信号, 测量可供选择的振动传感器包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器。变压器振动测量系统中的振动传感器选用的是压电式加速度传感器。其电压灵敏度为300 m V/g, 分辨率为0.001m/s2, 无阻尼固有频率为25 k Hz, 安装谐振频率为16 k Hz, 对地绝缘电阻>108Ω, 满足变压器绕组及铁心振动测试的要求。
为了全面反映变压器内部振动情况, 选择变压器绕组首、末端对应的外壳处作为振动测点, 同时测量各相绕组首、末端对应外壳的振动。
由于绕组振动信号基本上都是集中在100Hz, 从变压器油箱表面测得的振动信号中的高次谐波分量是由铁心振动引起的, 可以通过这些高次谐波分量的变化来诊断铁心状况。据绕组与铁心振动信号的频谱特征可以看出, 要进行绕组与铁心状况的诊断, 必须要对振动信号进行傅立叶变换, 求取其100 Hz及更高次谐波的幅值, 以此为基础来判断绕组与铁心状况。
2 检测数据汇总分析
云南地区各变电站变压器通频振动测试情况汇总可以看出, 振动幅值的幅值点都出现在变压器绕组顶部的测点, 对于500 k V电压等级的变压器来说, 振动幅值出现在高压套管侧的概率是100%, 对于220 k V电压等级的变压器来说, 有38.46%的概率振动幅值点出现在高压侧, 出现此种现象的原因可能是由于500 k V电压等级的变压器与220 k V结构不同。
为了对同类变压器及不同类型变压器、不同负荷工况下便于作横向数据分析比较, 根据电磁理论作用在电力变压器线圈上的电动力与流过绕组电流的平方成正比, 因此绕组振动幅值情况理论上应与绕组的工作电流的平方存在正比关系, 对数据进行归一化处理, 500 k V变压器的振动归一化结果整体低于220 k V电压等级的变压器, 温泉变2#变压器因为使用年限已经长达40多年因此振动幅值较大, 推测其内部绕组压紧状况不佳, 部件绝缘老化情况已相当严重。
3 电力变压器振动特征频率分析
3.1 单相变压器
某220 k V变电站有1#主变和2#两台变压器, 均为220 k V电压等级的单相变压器, 各由三台单相变压器组成, 振动测试结果从图1可以看出, 1#主变和2#主变各自的三台变压器的振动幅值差别不大, 虽然六台单相变压器结构相同, 但在长年累月的使用后, 老化状况及整体装配状态不尽相同, 总的来说, 在相同工况下其振动幅值大致相同。
1#主变A相振动数据, 由变压器磁致振动产生机理, 变压器主要振动频率是以100 Hz为基频的。主变1#A相的振动频谱图如图2所示, 从图上可以看出, 400 Hz及500 Hz处频谱分量较高, 为该变压器的固有振动频率。
在振动频谱图上的高压侧及低压侧分别指靠近高压套管及低压套管的油箱侧面, 在传感器布置时尽量选择了对称的高度。由图中可以得出高压侧和低压侧对称的点相比, 高压侧的振动幅值要稍大, 是由于高、低压侧绕组铁心的压紧状况以及整体结构所导致的, 因此对不同的电力变压器建立运行特征频谱历史档案是极为重要的。
为了说明传感器安装点对于振动测试结果的影响, 安装传感器的过程中在变压器两侧选择了对称的位置, 图2所示是主变1#A相两侧顶部传感器测试结果的比较。
从图中可直观地发现, 虽然在各频率处的频谱分量不尽相同, 但是两端的主要振动峰值集中在400 Hz及500 Hz频率处, 所测振动幅值不同的原因可能是变压器绕组并不在壳体的完全中心位置, 因此由振动从变压器油传递到壳体过程中产生的衰减不同, 即振动从高、低压侧通过变压器油传递到壳体的途径并不是完全对称的。
3.2 三相式变压器
以下是某220 k V变电站220 k V电压等级的三相式变压器振动检测情况及特征分析。
由于A、B、C三相铁心的振动信号都以变压器油为介质传递到变压器油箱, 引起变压器油箱表面的振动。对于三相三柱结构的电力变压器来说, 当在油箱表面各相正对铁心的位置分别测量其振动信号时, 以高压套管一侧的油箱为例, A、C两相油箱表面的振动, 除了由A、C相铁心振动引起外, 还会受到B相铁心振动的影响 (A、C相距离较远相互间影响不大) ;而B相油箱表面振动, 除了由B相铁心振动引起外, 也会受到A、C两相铁心振动信号的影响, 以下对各相油箱表面在受其它相影响时的振动情况作简单的分析。
设施加于A、B、C三相的空载电压分别为:
铁心振动基频信号同空载电压的平方是呈线性关系的。三相铁心在状况相同的情况下, 只是其空载电压的相位不同而已, 因此各相振动信号的基频幅值与空载电压平方之间的线性系数应该是相等的。设各相的线性系数KA=KB=KC=K。A、B、C三相铁心振动信号分别为ZA, ZB, ZC, 可得:
假定在A、B、C三相油箱表面的同一水平线上测量其振动信号, 各相铁心距各自测点的水平距离为d, 各相铁心距邻相测点的距离为ds, 振动波在变压器油中的传播速度为v, 因此A、B、C三相铁心振动引起各自油箱表面的振动信号基频分量分别为:
A、C两相铁心的振动以变压器油为介质, 会传递到B相油箱表面;B相铁心振动也会分别传递到A、C两相的油箱表面。设A、C两相振动信号传递到B相油箱表面时衰减率分别为kAB、kCB, B相振动信号传递到A相和C相时衰减率分别为kBA、kBC, 且假定kAB=kCB=kBA=kBC=kS, 显然kS<1, 则
A相铁心振动传递到B相油箱表面时振动信号基频为:
B相铁心振动传递到A、C相油箱表面振动信号基频为:
C相铁心振动传递到B相油箱表面时振动信号基频为:
对于变压器铁心振动的基频分量来说, 假定整个振动系统为一线性系统, 则此时A、B、C三相油箱表面测得的振动信号为:
由式 (3) 可以推得A、B、C三相油箱表面测得的振动信号基频分量的幅值分别为:
由式 (4) 可知, A、B、C三相铁心振动引起各自油箱表面的振动信号基频分量的幅值都为。由于振动波在变压器油中传播速度很快, 因此, 则有:
因为ks<1, 由式 (5) 可得:
由式 (6) 可知, B相受到A、C两相的影响, A、C相受到B相的影响, 三相油箱表面的振动信号基频分量与三相铁心振动信号的基频分量相比都有所减小, 且A、C两相油箱表面测得的振动信号基频分量基本是相等的, 而B相受到A、C两相影响后, 其油箱表面振动信号的基频分量幅值减小的要比其它两相更多, 从而在B相油箱表面测得的振动信号基频分量幅值要比其它两相的小。在受到其它相影响的情况下, 各相油箱表面的振动信号基频分量依然是与空载电压的平方成线性关系。
在实际情况中, 变压器的B相绕组受到A、C两相的影响, A、C相受到B相的影响, 三相油箱表面的振动信号基2频分量与三相铁心振动信号的基频分量相比都有所减小, 且A、C相油箱表面测得的振动信号基频分量基本是相等的, 而B相受到A、C两相影响后, 其油箱表面振动信号的基频分量幅值减小的要比其它两相更多, 从而在B相油箱表面测得的振动信号基频分量幅值要比其它两相的小, 而图3所示的1#主变高压套管侧及低压套管侧振动数据的三相比较情况也说明了这一点, 但是对于三相一体变压器, 这是一种理想状态, 在实际工程实践中并不能完全符合这一理想状态, 至少这在表1表云南地区各变电站变压器通频振动测试情况汇总”中数据资料还无法得到有力的支撑。
对图3的数据进行进一步分析, A、C相的振动数据也不是完全对称, 这与变压器三相绕组的具体位置以及与传感器布置位置有关。
另外, 当三相变压器一相绕组发生故障的时候, 故障相引起的振动信号的变化会影响其它相绕组的振动量值, 因此, 对于故障相来说其油箱表面的振动信号变化量要比其它两相大。因此在对变压器进行振动监测时, 应结合三相振动数据及相应历史数据进行综合分析。
风扇及变压器冷却系统也是导致变压器振动的原因之一, 而相关文献曾表明, 由于风扇、油泵振动引起的冷却系统振动的频谱集中在100 Hz以下, 这与本体的振动特性明显不同, 可以比较容易地从变压器振动信号中分辨出来。本站的测试中为了明确风扇对变压器振动测试结果的影响对2#主变启用的风扇的振动进行了测试, 振动频谱如图4所示。可以看到, 该风扇的振动主要集中在200 Hz为主, 且频谱单一分量大, 远超变压器壳体的振动, 可以看出, 风扇的振动频率虽然与变压器的有重叠, 却并没有对本站的变压器振动数据产生实质影响, 各相绕组的振动数据中鲜有200 Hz频谱分量很大的测点, 与现有相关变压器振动理论不符, 这在今后的测试中进一步对比开启不同组风扇情况下的变压器振动数据, 以排除或者考虑引入风扇振动对变压器壳体振动的影响分析。
3.3 220 k V主变振动特征分析
某220 k V变电站有220 k V电压等级的变压器两台, 测试了2#主变振动情况。本次测试过程中, 该变电站2#变压器基本处于空载状态, 但检测数据显示其振动依然很强烈, 远超于其它同电压等级和其它500 k V变电站带负荷情况下的振动水平, 且振动频率集中在100 Hz这个变压器振动的基频上。变压器振动理论告诉我们, 绕组发生松动、压紧力不足时, 其振动信号的基频也是变大的。
而绕组振动加速度信号中的高次谐波成分是由于绝缘垫块、夹板等材料的力学特性非线性引起的, 随着变压器使用寿命的增加, 垫块、夹板等材料开始产生老化, 从而导致绕组松动等现象, 都有可能导致变压器振动加强, 所以对于使用年限长的变压器, 越要频繁监测, 加强与历史数据的比较以决定是否需要停电检修。
该220 k V变电站2#变压器的测试数据中可得高压侧的振动幅值同样大于低压侧, 2#主变高低压侧三相的振动加速度幅值对比如图5所示, 其次实测表明两个边相 (A相和C相) 的幅频特性相似, 与A、C两相相比中间相 (B相) 的基频分量及各次谐波分量的幅度稍低。
由于该220 k V变电站的2#变压器为三相一体式, 因此同时用12路传感器进行振动数据采集, 高压B相测点的振动频谱图如图6所示。
从图上可以看出, 在高压套管侧的测试中, A、B、C三相绕组都存在100 Hz较大的基频振动分量, 铁心振动频率则集中在200 Hz和400 Hz, 在本次测试中, 同一绕组顶端振动幅值大于底端的结论仍然成立。此外, 可以看到高压套管侧的B、C相的振动数据比A相幅值差距略大, 可能的原因一是B、C相绕组铁心老化松动情况较A相更为严重, 低压侧振动数据与高压测情况相似, 从监测数据分析该220 k V变电站2#主变存在相绕组铁心老化松动情况且B、C相较严重。
4 结束语
1) 绕组顶部产生的振动幅度明显比绕组底部产生的要大, 主要是因为在变压器运行过程中, 由于漏磁场而对绕组线饼产生的电磁力对绕组产生一个由两端向中间的挤压力, 而处于绕组底端的线饼因为同时受到线饼自身重力的作用及基座的约束振动幅值相对较小, 因此通过变压器油传递到变压器壳体上的振动幅值较上端部小, 测试结果很好的印证了这一点。
2) 对于三相组合式变压器, 通过观察对于同一台变压器的A、B、C三相的振动情况可以发现, 振动情况基本一致, 得出结论三相组合式变压器各相的振动情况相似。
3) 在各相铁心压紧状况基本相同的情况下, 在同一空载电压下, B相油箱表面的振动信号基频分量幅值要比A、C两相的低, 理论分析及试验结果都证实了这一点。但是在在实际工程实践中并不能完全符合这一理想状态, 至少现有的实测数据资料还无法有力支撑这一理论分析, 需要更多的检测数据资料。
4) 在变压器的在线监测中, 可以在变压器空载运行的条件下取得铁心的振动信号, 判断铁心的状况。如铁心状况良好, 再测取变压器负载运行时的器身振动信号, 与历史数据相比分析在当时负载电流下其频谱100 Hz处的幅值的变化情况, 从而判断绕组的状况。对于实际运行的电力变压器, 绕组允许松动到何种程度, 即:绕组振动加速度值增大多少时, 电力变压器必须退出运行实施吊罩检修, 还必须在振动信号分析法的实践过程中积累大量的数据。
参考文献