畢業(yè)設(shè)計(jì)
機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 概述
工程振動(dòng)問(wèn)題是近代物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)眾多領(lǐng)域中的重要課題。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力結(jié)構(gòu)又向大型化， 高速化，復(fù)雜化和輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，由此而帶來(lái)的工程震動(dòng)問(wèn)題更為突出。工程震動(dòng)在當(dāng)今不僅作為基礎(chǔ)科學(xué)的一個(gè)重要分支，而且正走向工程科學(xué)發(fā)展的道路，他在機(jī)械，航空，航天，船舶，車(chē)輛，建筑和水利等工業(yè)技術(shù)部門(mén) 中占有越來(lái)越重要的地位。因此，掌握工程測(cè)試震動(dòng)技術(shù)的基本概念，原理和方法，從而解決現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)際問(wèn)題中的振動(dòng)和動(dòng)態(tài) 問(wèn)題是十分重要的。
解決工程振動(dòng)問(wèn)題一般是2種方法。一種是解析的方法，即計(jì)算方法。他主要是通過(guò)建立理論模型的運(yùn)動(dòng)微分方程組，通過(guò)理論求解得到動(dòng)力系統(tǒng)的響應(yīng)，從而達(dá)到解決振動(dòng)問(wèn)題的目的。另一種方法是工程測(cè)試的方法。它某種激勵(lì)的方法使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用有關(guān)儀器。設(shè)備直接得到系統(tǒng)的響應(yīng)，從而達(dá)到解決振動(dòng)問(wèn)題的 目的或者利用所得到的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，從而驗(yàn)證第一種方法的正確性，推動(dòng)理論分析的發(fā)展。
機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究是國(guó)家重點(diǎn)的攻關(guān)項(xiàng)目，目的是提高大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的 產(chǎn)品質(zhì)量，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。50年代，各種類型和性能的傳感器和測(cè)振 儀相繼研制成功，并開(kāi)始應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)際。六七十年代，數(shù)字電路、電子計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展、“信號(hào)數(shù)字分析處理技術(shù)”的形成，推動(dòng) 了振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。70年代至80年代，機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、信號(hào) 識(shí)別技術(shù)與故障診斷技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)研究跨入系統(tǒng)化的階段，并 把實(shí)驗(yàn)室的研究成果逐步推廣到核能設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備以及其它各種大型的成套機(jī)械設(shè)備中去， 進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本三菱公司的“旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康管理系統(tǒng)”（machinery health monitoring，簡(jiǎn)稱MHM），美國(guó)西屋公司的“可移動(dòng)診斷中心”（mobile diagnosi s center，簡(jiǎn)稱MDC），丹麥B＆K公司的2500型振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，都具備了機(jī)組 信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項(xiàng)診斷軟件。先進(jìn)的狀 態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)把體現(xiàn)機(jī)械動(dòng)態(tài)特性的振動(dòng)、噪聲作為主要監(jiān)測(cè)和分析的內(nèi)容。由 于振動(dòng)、噪聲是快速的隨機(jī)性信號(hào), 不僅對(duì)測(cè)試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進(jìn)行大量的數(shù) 據(jù)處理， 國(guó)內(nèi)外在80年代用小型計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理機(jī)作為主機(jī)完成機(jī)械動(dòng)態(tài)特性 的數(shù)據(jù)處理（如:HP5451C）, 該類主機(jī)不僅價(jià)格昂貴（一般價(jià)格為數(shù)十萬(wàn)元）而且對(duì)工作環(huán) 境要求苛刻（需要專用機(jī)房），因而通常采用離線監(jiān)測(cè)與分析的方式。
90年代以來(lái)，高檔微機(jī)不斷更新且價(jià)格迅速下降，適合數(shù)字信號(hào)處理的計(jì)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(chǎng)直接應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)造了條件。丹麥、美國(guó)、 德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的專家學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、美國(guó)BENTLY 公司的3300 系列振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、美國(guó)亞特蘭大公司的M6000系統(tǒng)為代表已經(jīng)達(dá)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自動(dòng)譜比較并進(jìn)行故障預(yù)警報(bào)警；對(duì)6％和23％恒百 分比帶寬譜進(jìn)行速度補(bǔ)償；幅值增長(zhǎng)趨勢(shì)圖顯示； 三維譜圖顯示；振動(dòng)總均方根值（振動(dòng) 烈度）計(jì)算；支持局域網(wǎng)。美國(guó)IRD公司的IQ2000系統(tǒng)可認(rèn)為是至今為止有報(bào)道的功能最齊 全的監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。
我國(guó)在工業(yè)部門(mén)中開(kāi)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的工作起步于1986年，在此之前從國(guó)外引進(jìn)的大型 機(jī)組，一般都購(gòu)置了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而在自行研制的國(guó)產(chǎn)設(shè)備上，若選用國(guó)外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于 價(jià)格異常昂貴而難以接受。80年代中后期以來(lái)，我國(guó)有關(guān)研究院所、高等院校和企業(yè)開(kāi)始自 行或合作研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)論在理論研究、測(cè)試技術(shù)和儀器研制方面，都取得 了成果，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如：西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工 大學(xué)、北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院等。
國(guó)內(nèi)主要有幾種類型：a.哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)機(jī)械監(jiān)測(cè)與診斷研究室的RMMDS系統(tǒng)；c.西安交通大學(xué)潤(rùn)滑理論及軸承研 究室的RB20-1系統(tǒng)；d.鄭州工學(xué)院的RMMDS系統(tǒng)；e.重慶太笛公司的CDMS系統(tǒng)；f.浙江大學(xué) 的CMD-I型及II型系統(tǒng)；g.西北工業(yè)大學(xué)的MD3905系統(tǒng)；h.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)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(guò)鑒定的由哈爾濱工業(yè)大學(xué)等 單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ微機(jī)化“汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來(lái)進(jìn)一 步開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ；1987年通過(guò)鑒定的由西安交通大學(xué)機(jī)械 故障診斷研究室研制的RMMD-S化肥五大機(jī)組“微機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”等。這些系統(tǒng) 的主要功能有：軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)，包括軸心軌跡分析、軸向串動(dòng)、軸振動(dòng)位移峰-峰值計(jì)算；殼 體振動(dòng)監(jiān)測(cè)；頻譜分析，包括頻率細(xì)化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動(dòng)預(yù) 、報(bào)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(jìn)，但基本上仍處于研究發(fā)展階段，且價(jià) 格依然昂貴，這些系統(tǒng)主要應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)企業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測(cè)或特定設(shè)備的監(jiān)測(cè)，如大 型汽輪機(jī)組、大型水輪機(jī)組等。
從技術(shù)發(fā)展過(guò)程看，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段。
第一階段是以傳感器技術(shù)和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)，以信號(hào)處理技術(shù)為手段的常規(guī)技術(shù)發(fā) 展階段，這一階段的技術(shù)已在工程中得到了應(yīng)用，它吸收了大量的現(xiàn)代科技成果，傳感器技 術(shù)的飛躍發(fā)展，使之可以利用振動(dòng)、噪聲、力、溫度、電、磁、光、射線等多種信息。由此 產(chǎn)生了設(shè)備的振動(dòng)、噪聲、光譜、鐵譜、無(wú)損檢測(cè)、熱成像等監(jiān)測(cè)和故障分析技術(shù)。信號(hào)分 析與數(shù)值處理技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使各種方法應(yīng)運(yùn)而生，如：狀態(tài)空間 分析、對(duì)比分析、函數(shù)分析、邏輯分析、統(tǒng)計(jì)和模糊分析方法。近年來(lái)，各種數(shù)據(jù)處理軟、 硬件的出現(xiàn)使實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及故障分析技術(shù)成為可能。
人工智能技術(shù)為設(shè)備監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)發(fā)展 步入第二階段。這一階段的研究?jī)?nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法已開(kāi)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(guò)程將被以知識(shí)處理為核心的過(guò)程所替代，開(kāi)展了專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 模糊分析等理論、方法和應(yīng)用技術(shù)的研究。這階段起主導(dǎo)作用的將是人類 專家的知識(shí)，包括人類專家所擁有的領(lǐng)域知識(shí)、求解問(wèn)題的方法等。由于實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、數(shù) 據(jù)處理與知識(shí)處理的統(tǒng)一，使得先進(jìn)技術(shù)不再是少數(shù)專業(yè)人員才能掌握的技術(shù)，而是一般操 作人員所能使用的工具。
2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)
2.1 振動(dòng)測(cè)試的概念
狹義的說(shuō)是通過(guò)傳感器、放大器以及顯示或記錄儀表，測(cè)量運(yùn)動(dòng)機(jī)械或工程結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)或運(yùn)行工況中其重要部位的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量，從而了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。
廣義上說(shuō)通過(guò)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性(頻率、振型、阻尼及動(dòng)剛度)為工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力設(shè)計(jì)服務(wù)。
機(jī)械振動(dòng)是指物體在其穩(wěn)定的平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這是物體的一種特殊形式的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)物體的位移、速度和加速度等物理量都是隨時(shí)間住復(fù)變化的：
機(jī)械振動(dòng)是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，如橋梁、機(jī)床的振動(dòng)．鐘鎂的擺動(dòng)，飛機(jī)機(jī)翼的顫動(dòng)，汽車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)體的振動(dòng)等等。振動(dòng)的存在會(huì)影響機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使機(jī)床的加工精度、精密儀器的靈敏度下降，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)機(jī)器或建筑結(jié)構(gòu)的毀壞：此外，還會(huì)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(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象的特征，設(shè)計(jì)制造了眾多的機(jī)械設(shè)備和儀器儀表，如振動(dòng)篩選機(jī)、振動(dòng)研磨機(jī)、振動(dòng)輸送饑、振動(dòng)打樁機(jī)、混凝土振搗器以及測(cè)量傳感器、鐘表計(jì)時(shí)儀器、振子示波器等等。隨著機(jī)器設(shè)備向著大型、高速高效和自動(dòng)化諸方面發(fā)展，需要分析處理的振動(dòng)問(wèn)題愈來(lái)愈重要。因此，掌握機(jī)械振動(dòng)的基本理論，正確地運(yùn)用它，對(duì)于設(shè)計(jì)制造安全可靠和性能優(yōu)良的機(jī)器、儀器儀表、建筑結(jié)構(gòu)以及各種交通運(yùn)輸工具，并有效地抑制、防止振動(dòng)帶來(lái)的危害是十分必要的；、
為了便于研究振動(dòng)現(xiàn)象的基本特征，需要將研究對(duì)象進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化和抽象，形成一種分析研究振動(dòng)現(xiàn)象的理想化模型，即所謂振動(dòng)系統(tǒng)。振動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)(例如板殼、梁、軸等的質(zhì)量及彈性) ·般是連續(xù)分布的，具有這種特點(diǎn)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(chǎng)合中，為／能夠分析或者便于分析，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則將分布參數(shù)“凝縮”成有限個(gè)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(wú)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(jiǎn)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(dòng)的數(shù)學(xué)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(gè)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(duì)系統(tǒng)的慣性的抽象，表現(xiàn)為僅計(jì)及質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)或者僅計(jì)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量的剛體；彈性元件是對(duì)系統(tǒng)的彈性的抽象，表現(xiàn)為不計(jì)質(zhì)量的彈簧、扭轉(zhuǎn)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(zhì)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(duì)系統(tǒng)中的阻尼因素或有意識(shí)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(guò)程中的機(jī)械能，這與慣性元件能曠存動(dòng)能、彈性元件能貯存彈性勢(shì)能在性質(zhì)上完全不同。
2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)
旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，是近年來(lái)研究的熱門(mén)課題，這里著重考慮的是避免設(shè)備的隨機(jī)性故 障。自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式與定期監(jiān)測(cè)方式、在線檢測(cè)離線分析監(jiān)測(cè)方式相比技術(shù)水平先進(jìn)，既 避免設(shè)備突發(fā)性故障又無(wú)需專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作。旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)在線預(yù)測(cè)技術(shù)，是研究的新 興課題之一，這里著重考慮的是預(yù)測(cè)設(shè)備的時(shí)間依存性故障和改變?cè)O(shè)備的維護(hù)方式。該技術(shù) 是在狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是實(shí)現(xiàn)以先進(jìn)的預(yù)知維護(hù)取代以時(shí)間為基礎(chǔ)的 預(yù)防性維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。本課題著重研究的是設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)的方法。
2.2.1旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展
旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械。許多大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如：離心泵、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、 發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、軋鋼機(jī)等，還是石化、電力、冶金、煤炭、核能等行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。 本世紀(jì)以來(lái)，隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械工程中的機(jī)械設(shè)備朝著輕型化、大型化、 重載化和高度自動(dòng)化等方向發(fā)展。出現(xiàn)了大量的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲、可靠性，以及材 料與工藝等問(wèn)題，設(shè)備損壞事件時(shí)有發(fā)生，國(guó)內(nèi)外大型汽輪機(jī)嚴(yán)重事故是其典型實(shí)例。
機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，已經(jīng)從單憑直覺(jué)的耳聽(tīng)、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代 測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)分析技術(shù)的先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，諸如超聲、聲發(fā)射、紅外測(cè)溫等 ，層出不窮。人工智能、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)等新興學(xué)科在機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中也找到用武 之地。
在機(jī)械動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法和應(yīng)用技術(shù)上，新近的發(fā)展有：采用空間域?yàn)V波的預(yù)處理、采用Vo ld－Kalman濾波的多軸階比信號(hào)分析技術(shù)、適于非平穩(wěn)信號(hào)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(cè)技術(shù)、以及與VXI總線儀器平臺(tái)相關(guān)的技術(shù)等。
現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外較典型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式主要有3種。
(1) 離線定期監(jiān)測(cè)方式。測(cè)試人員定期到現(xiàn)場(chǎng)用一個(gè)傳感器依次對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并用磁帶機(jī)記錄信號(hào)，數(shù)據(jù)處理 在專用計(jì)算機(jī)上完成，或是直接在便攜式內(nèi)置微機(jī)的儀器上完成；這是當(dāng)前利用進(jìn)口監(jiān) 測(cè)儀器普遍采用的方式。采用該方式，測(cè)試系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，但是測(cè)試工作較煩鎖，需要專門(mén)的 測(cè)試人員；由于是離線定期監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)避免突發(fā)性故障。
(2) 在線檢測(cè)離線分析的監(jiān)測(cè)方式。亦稱主從機(jī)監(jiān)測(cè)方式，在設(shè)備上的多個(gè)測(cè)點(diǎn)均安裝傳 感器，由現(xiàn)場(chǎng)微處理器從機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和處理，在主機(jī)系統(tǒng)上由專業(yè)人員進(jìn) 行分析和判斷。這種方式是近年在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械上采用的方式。相對(duì)第一種方式，該方式免 去了更換測(cè)點(diǎn)的麻煩，并能在線進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警；但是該方式需要離線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷 ，而且分析和判斷需要專業(yè)技術(shù)人員參與。
(3) 自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式。該方式不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障 預(yù)報(bào)，而且能實(shí)現(xiàn)在線地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析判斷；由于能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)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(guò)短期培訓(xùn)后就能使用。該方式技術(shù)最 先進(jìn)，不需要人為更換測(cè)點(diǎn)，不僅不需要專門(mén)的測(cè)試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)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(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)趨向由離線定期監(jiān)測(cè)方式、在線檢測(cè)離線分析監(jiān)測(cè)方式，發(fā)展 為自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式。隨著人工智能理論的發(fā)展及其在實(shí)際中的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理軟件的大量 開(kāi)發(fā)，今后旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)正向多目標(biāo)、多層次監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 。
2.2.2旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展
當(dāng)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時(shí),不僅物質(zhì)財(cái)富遭到破壞，服務(wù)逼迫中斷，甚至連人員的生存也會(huì)受 到威脅。在工業(yè)史上，由于機(jī)械設(shè)備故障造成的災(zāi)難和環(huán)境事故頻頻發(fā)生。例如，美國(guó)阿莫 科.卡迪斯號(hào)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(guò)程以及如何加以防范，成為要考慮的重要問(wèn)題。尤其這些故障大都是由于人為干預(yù)和不 當(dāng)措施所造成的，因而減少維護(hù)次數(shù)和提高維護(hù)的科學(xué)性是預(yù)防惡性事故發(fā)生的重要方面 。
傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備維護(hù)方式概括為：運(yùn)轉(zhuǎn)至損壞再維護(hù)和以時(shí)間為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護(hù)；前者一 般用于廉價(jià)的小型機(jī)器，采用后備設(shè)備來(lái)保證生產(chǎn)；后者也稱定期維護(hù)，一般用于大中型設(shè) 備，不論設(shè)備是否有故障都按人為計(jì)劃的時(shí)間定期檢修80年代以來(lái)，以建立新 的維修體制為目標(biāo)形成了綜合工程學(xué)科，這一工程學(xué)科在歐美、日本以不同的形式獲得了推 廣。近年來(lái)丹麥、美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的專家學(xué)者進(jìn)一步提出了預(yù)知維護(hù)的基本概 念。90年代以來(lái)，開(kāi)始研究新型旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作狀態(tài)分析和狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，研究采用專家系統(tǒng) 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的應(yīng)用技術(shù)。但是，人工智能狀態(tài)在線預(yù)測(cè)和預(yù)知維護(hù)的研究尚處于研究發(fā) 展的起步階段。
設(shè)備預(yù)知維護(hù)是通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)來(lái)取代定期檢修方式，其原則是：只 有當(dāng)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)測(cè)結(jié)果表明有必要維修時(shí)才進(jìn)行維修。這種現(xiàn)代化維護(hù)方式能監(jiān)測(cè)和預(yù) 報(bào)設(shè)備的故障，在發(fā)現(xiàn)故障前兆時(shí)能及時(shí)停機(jī)，甚至能按判別出的故障的性質(zhì)和部位，有目 的地進(jìn)行檢修。其檢測(cè)方式通常是定期檢測(cè)，但理想的方式是在線實(shí)時(shí)檢測(cè)；其分析預(yù)測(cè)方 式通常是在計(jì)算機(jī)上由專業(yè)人員評(píng)定完成，但理想的方式是由人工智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線判斷完 成。
因此，若能在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和以人工智能分析機(jī)械設(shè)備經(jīng)歷的和當(dāng)前的狀態(tài)，并預(yù)測(cè)隨后的發(fā) 展，則可以隨時(shí)、科學(xué)、有效地揭示機(jī)械設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)，并預(yù)測(cè)今后多長(zhǎng)時(shí)間設(shè)備狀 態(tài)將達(dá)到不可接受的程度而應(yīng)當(dāng)停機(jī)維修，從傳統(tǒng)的預(yù)防維護(hù)上升到預(yù)知維護(hù)。若對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī) 械設(shè)備實(shí)行預(yù)知維護(hù)，需要在旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)設(shè)備狀 態(tài)進(jìn)行頻域、時(shí)域的綜合分析判斷以及狀態(tài)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
國(guó)際上有代表性的預(yù)測(cè)系統(tǒng)是美國(guó)Entek Scientific Corporation的預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)(pre ventive maintenance system)，其主要功能有：幅值趨勢(shì)圖顯示；時(shí)域波形顯示，頻譜顯 示；六段頻率頻譜自動(dòng)報(bào)警，窄帶頻譜自動(dòng)報(bào)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(zhuǎn)機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行離線故障診斷；支持鐵譜分析；支持局域 網(wǎng)。該預(yù)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)頻譜進(jìn)行自動(dòng)比較，能識(shí)別由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化所引起的頻率漂移 ，并提供報(bào)警信號(hào)。
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些大型企業(yè)正在從單純的振動(dòng)測(cè)量或巡回檢測(cè)、定期檢測(cè)和檢 修，逐漸向長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維修過(guò)渡。有的高等院校和科研院所的研究方向也開(kāi)始相 應(yīng)變化，有代表性的是天津大學(xué)的基于Windows的IDPM智能診斷與預(yù)測(cè)維修軟件系統(tǒng)的研究。但是國(guó)內(nèi)當(dāng)前研究的重點(diǎn)仍集中在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析方面 ，而對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組的以預(yù)知維護(hù)為目標(biāo)的智能狀態(tài)在線預(yù)測(cè)技術(shù)尚待系統(tǒng)地研究。國(guó)內(nèi)許 多廠家和研究單位研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大多數(shù)測(cè)量項(xiàng)目單一，甚至還往往限于對(duì)溫度、壓力、 液位、電量等常規(guī)參數(shù)的檢測(cè)，不具備對(duì)振動(dòng)量為主的機(jī)械動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢測(cè)和分析的功能 ，因而無(wú)從反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備重要的工作狀態(tài)；即便具有檢測(cè)振動(dòng)量的功能，尚限于狀態(tài)的 監(jiān)測(cè)和故障分析，不能對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
2.2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
從機(jī)械設(shè)備的檢修歷史和現(xiàn)狀來(lái)看，設(shè)備檢修方式大致有：發(fā)生事故停機(jī)檢
修，定期停機(jī)檢修亦稱預(yù)防性維修(preventive maintenance)，預(yù)知維修
(predictive maintenance)亦 稱狀態(tài)維修或視情維修(condition maintenance
or condition-based maintenance)。 預(yù)知維修方式可以從根本上改變?cè)械脑O(shè)
備維修制度。在保證設(shè)備安全運(yùn)行、避免人員 傷亡、減少環(huán)境污染和避免巨大
的經(jīng)濟(jì)損失方面將產(chǎn)生巨大的作用。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，在設(shè) 備上應(yīng)用預(yù)測(cè)技術(shù)，
獲利與投資比可達(dá)17:1。因而，以預(yù)知維護(hù)取代以時(shí)間為基礎(chǔ)的預(yù)防性 維修，
成為關(guān)鍵設(shè)備和大中型設(shè)備維護(hù)方式的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外有代表性的采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械
狀態(tài) 預(yù)測(cè)先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)是美國(guó)Entek 公司的IRD－890 PM預(yù)測(cè)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(shè)備
的離線預(yù)測(cè)。
在線的預(yù)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，并成為目前技術(shù)攻關(guān)的課題。在現(xiàn)
有的設(shè)備狀態(tài)在 線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上附加狀態(tài)預(yù)測(cè)功能，由于具有較高的性能價(jià)格比，
而成為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān) 測(cè)及預(yù)測(cè)的優(yōu)選方案，本課題研究的是這種采用在
線方式的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的方案。具 有人工智能的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技
術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究的新課題，也是本課題研究的內(nèi)容。
由于機(jī)組狀態(tài)在線智能化趨勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)是國(guó)際上90年代以來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，國(guó)
家 自然科學(xué)基金工程與材料科學(xué)部確定，國(guó)內(nèi)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)研究課題主要
針對(duì) 大中型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，研究智能化在線的狀態(tài)分析和狀態(tài)預(yù)測(cè)的有關(guān)理論、方法，研究在
線檢測(cè) 、人工智能分析設(shè)備經(jīng)歷的和當(dāng)前的狀態(tài)并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)家機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展
基金委員 會(huì)提出的“九五”期間研究工作目標(biāo)也確定在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析
的基礎(chǔ)上， 研究大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，研究大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)示的技術(shù)，開(kāi)
發(fā)大型旋轉(zhuǎn)機(jī) 械狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的系統(tǒng)。
2.3 問(wèn)題的提出
以往在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常通過(guò)值班人員對(duì)大型機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目除溫度、
壓力 、電機(jī)功率、電流等常規(guī)項(xiàng)目外，按規(guī)定振動(dòng)、噪聲通常也是需監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目，但往往
沒(méi)有檢 測(cè)手段，只能靠值班人員手摸或耳聽(tīng)；由于缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)，對(duì)其狀態(tài)評(píng)價(jià)也
往往是不 準(zhǔn)確的，因而設(shè)備損壞等惡性事故時(shí)有發(fā)生。因停機(jī)維修而造成的經(jīng)濟(jì)損失往往
是很驚人的 。同時(shí)，當(dāng)前大型機(jī)械設(shè)備的維護(hù)方式通常采用的是周期性強(qiáng)制維護(hù)，該維護(hù)
方式到時(shí)即更 換零部件，維護(hù)費(fèi)用巨大，停機(jī)時(shí)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(chǎng)往往裝有若干臺(tái)大型機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)噪聲很高，通常大大超過(guò)國(guó)
家《工業(yè)企業(yè)噪聲 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。
在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面：如我國(guó)大型油田以前建的大型采油注水站沒(méi)有裝備
狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)。有的新建注水站雖裝備了微機(jī)巡檢系統(tǒng)，但該系統(tǒng)通常僅對(duì)壓力、溫
度等常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沒(méi)有包括機(jī)械振動(dòng)特性的檢測(cè)，不能進(jìn)行機(jī)組重要狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分
析。近年來(lái)，有的油田輸油站等大型設(shè)備上，采用了新研制的包括對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行檢測(cè)的系
統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)和分析，但尚沒(méi)有建立機(jī)組機(jī)械動(dòng)特性檔案，因而難以進(jìn)行自動(dòng)在線的
狀態(tài)判斷，而需要專業(yè)人員離線進(jìn)行分析。
在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面：如在我國(guó)大型油田廣泛使用的大型注水機(jī)組的維護(hù)
方式仍采用上述的傳統(tǒng)的預(yù)防性維修。近年來(lái)有的維修部門(mén)進(jìn)口了美國(guó)Entek 公司預(yù)測(cè)維
修 系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)組進(jìn)行定期檢測(cè)和離線分析。但是該儀器內(nèi)置的預(yù)測(cè)對(duì)象是通用電機(jī)，對(duì)
注水 機(jī)組故障率較高的離心泵的預(yù)測(cè)針對(duì)性不強(qiáng)，同時(shí)又是定期離線預(yù)測(cè)方式，不便于進(jìn)
行短期 預(yù)測(cè)，不能防止機(jī)組突發(fā)性事故，并且得由專業(yè)人員進(jìn)行檢測(cè)和分析；因而應(yīng)用受
到限制， 也不能從根本上改變注水機(jī)組的維護(hù)方式。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越注重降低成本 ，
特別是要求在能避免機(jī)械設(shè)備突發(fā)事故的同時(shí)盡量延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期。為此，迫切需要研 究
大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)。
2.4 研究的意義
對(duì)機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)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(hù)費(fèi)用；由于減少維修次數(shù)，從而增加設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，提高設(shè)備利用率，縮減維修 備
件的庫(kù)存及庫(kù)存時(shí)間。
對(duì)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行機(jī)械動(dòng)態(tài)特性以及壓力、溫度、流量、液位、電量、潤(rùn)滑油含水等
常規(guī)項(xiàng)目的綜合自動(dòng)監(jiān)測(cè); 同時(shí)可進(jìn)一步研究增加控制功能，調(diào)整設(shè)備輸出使 設(shè)備在效率
較佳、能耗較低的狀態(tài)下運(yùn)行。利用主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和打印日常 報(bào)表以及故障報(bào)表, 能
為生產(chǎn)部門(mén)提供現(xiàn)代化的科學(xué)管理手段，通過(guò)微機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，還可以 使設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)
測(cè)系統(tǒng)成為企業(yè)先進(jìn)的管理系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。此外，由于大大減少 值班人員在強(qiáng)噪聲
環(huán)境下工作的時(shí)間，即改善了工作條件, 又使企業(yè)達(dá)到國(guó)家有關(guān)噪聲衛(wèi)生 標(biāo)準(zhǔn)。
隨著人們對(duì)設(shè)備保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)和設(shè)備維護(hù)認(rèn)識(shí)的深入、監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
成本 的降低，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的需求也將日益增加。隨著該技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益日
益明顯 ，旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)會(huì)進(jìn)一步受到青睞。若進(jìn)口國(guó)外通用監(jiān)測(cè)及預(yù)
測(cè)系統(tǒng)， 不僅價(jià)格昂貴，且針對(duì)性不強(qiáng)。本課題涉及的研究?jī)?nèi)容是根據(jù)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)狀況，
針對(duì)實(shí)際 需求而提出來(lái)的。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)研究的技術(shù)原理與技術(shù)方案適用于普通機(jī)械設(shè)備，尤其適
于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的大中型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如：機(jī)械、車(chē)輛、電力、石化、冶金、煤炭、核能等許多行
業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，從而推廣應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，經(jīng)濟(jì)效益潛力巨大。
2.5 研究的主要內(nèi)容
振動(dòng)測(cè)試綜合了傳感器、電子學(xué)、信號(hào)分析以及現(xiàn)代結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論等多方面學(xué)術(shù)成果，形成了自己的理論方法實(shí)踐技術(shù)和學(xué)科體系，在機(jī)械工程和工程結(jié)構(gòu)部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用。
隨著近、現(xiàn)代付利葉變換（FFT）的應(yīng)用及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展起到了極大推動(dòng)作用。
本課題著重針對(duì)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試方案和結(jié)果的研究，以揭示機(jī)械設(shè)備的機(jī)械動(dòng)態(tài)特性為
手段，研究了機(jī) 械設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的方法，以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。
通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備 運(yùn)行和發(fā)展?fàn)顟B(tài)的在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)分析和判斷，對(duì)
機(jī)械設(shè)備狀態(tài)發(fā)展 進(jìn)行在線趨勢(shì)預(yù)測(cè)，具體完成的主要內(nèi)容如下：
(1)提出了機(jī)械設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的總體方案和技術(shù)路線，開(kāi)發(fā)了傳感器、數(shù)據(jù)
采集、現(xiàn)代信號(hào)處理、人工智能以及硬件、軟件的有關(guān)技術(shù)。狀態(tài)監(jiān) 測(cè)研究主要考慮的是針對(duì)隨機(jī)性故障，狀態(tài)預(yù)測(cè)研究主要考慮的是針對(duì)趨勢(shì)性故障、可預(yù)知 故障。
(2)提出了機(jī)械設(shè)備狀態(tài)正常與否的準(zhǔn)則，選擇了安全評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，確定了對(duì)機(jī)械設(shè)備 整體狀態(tài)及主要零部件狀態(tài)分別評(píng)價(jià)的判據(jù)；提供能對(duì)異常情況做出判斷的方法。
(3)為對(duì)機(jī)械設(shè)備實(shí)行現(xiàn)代預(yù)知維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和手段，研究了趨勢(shì)預(yù)測(cè)的方法。除對(duì)機(jī) 械設(shè)備整體進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)外，探討了對(duì)機(jī)械設(shè)備零部件進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)的方法。
(4)為進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，研制完成具有典型機(jī)械結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代測(cè)試分析功能的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能模擬典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，能再現(xiàn)故障發(fā)展過(guò)程和預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。
(5) 以機(jī)械設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐驗(yàn)證，并對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了分析。
2.6 方案1的設(shè)計(jì)
根據(jù)課題的需要，以及對(duì)實(shí)際情況的考察和比較，我們?cè)O(shè)計(jì)出系統(tǒng)的方案，如下圖所示：
9
10
7
3
掃頻信號(hào)源
數(shù)采分析儀
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及分析軟件
打印機(jī)或
繪圖儀
電機(jī)調(diào)壓器
1
2
4
5
6
8
11
12
13
14
15
16
系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖
振動(dòng)測(cè)試與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)由彈性體系統(tǒng)（包括簡(jiǎn)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(dòng)隔振、被動(dòng)隔振用的空氣阻尼減震器、單式動(dòng)力吸振器、復(fù)式動(dòng)力吸振器等組成。是完成振動(dòng)與振動(dòng)控制等近30個(gè)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)
1、激振系統(tǒng)
激振系統(tǒng)包括：
DH1301正弦掃頻信號(hào)源
JZ-1型接觸式激振器
JZF-1型非接觸式激振器
偏心電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓器
力錘（包括測(cè)力傳感器）
2、測(cè)振系統(tǒng)
DH5922動(dòng)態(tài)采集分析儀
MT-3T型磁電式振動(dòng)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(cè)力傳感器
3、動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)
信號(hào)調(diào)理器
數(shù)據(jù)采集儀
計(jì)算機(jī)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(dòng)相關(guān)的試驗(yàn)，可完?成各種模態(tài)試驗(yàn)（小到梁、板、構(gòu)件，大到房屋、橋梁等），可完成頻率耦合、結(jié)構(gòu)修?改、靈敏度分析等動(dòng)力學(xué)試驗(yàn);
2.7 方案2的設(shè)計(jì)
振動(dòng)量的測(cè)量? 測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)某些選定點(diǎn)上的振幅(位移、速度和加速度)、頻率、相位、振動(dòng)的時(shí)間歷程和頻譜等。這種測(cè)量通常在機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)下進(jìn)行，以了解其實(shí)際振動(dòng)狀況。也可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后分析處理。對(duì)某些精密和大型機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)控和診斷所作的測(cè)量也屬這種性質(zhì)。
對(duì)模擬量可直接分析處理，振動(dòng)量測(cè)量按振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換方式可分為電測(cè)法、光測(cè)法和機(jī)械測(cè)振法，其中以電測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。圖1為一個(gè)較完整的振動(dòng)量電測(cè)系統(tǒng)。測(cè)振傳感器（拾振器）將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為與它成比例的電量。
測(cè)試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理 測(cè)試結(jié)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(cè)振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動(dòng)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(hào)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(cè)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(guān)系，中間測(cè)量變換裝置對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行前置變換(電阻抗變換)、微積分運(yùn)算、放大、調(diào)制和解調(diào)等，以便驅(qū)動(dòng)后接的分析或顯示、記錄設(shè)備。分析設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的頻率分析。顯示、記錄設(shè)備給出振動(dòng)信號(hào)（經(jīng)過(guò)分析的或未經(jīng)過(guò)分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測(cè)量結(jié)果，應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。以便于儲(chǔ)存、分析信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
?
系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)定? 主要是應(yīng)用機(jī)械阻抗測(cè)試技術(shù)，以獲得機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)（有時(shí)亦稱頻率響應(yīng)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(zhì)量和振型等；還可通過(guò)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(cè)試過(guò)程稱為模態(tài)參數(shù)識(shí)別。這種測(cè)定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，以求全面了解其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。尤其是測(cè)振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。若在工作狀態(tài)下進(jìn)行，則常稱為在線識(shí)別。在機(jī)械阻抗測(cè)試技術(shù)中，施加的激勵(lì)有簡(jiǎn)諧、瞬態(tài)和隨機(jī)3種類型，試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對(duì)象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，故機(jī)械阻抗測(cè)試也相應(yīng)地分3類。
振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)? 研究或考核試驗(yàn)對(duì)象在強(qiáng)度、壽命和功能方面的抗振性。簡(jiǎn)諧激勵(lì)又有單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)兩種形式。這種模擬試驗(yàn)分為周期性振動(dòng)試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn) 3種。周期性振動(dòng)試驗(yàn)一般采用耐共振、耐掃頻和耐預(yù)定頻率試驗(yàn) 3種形式。在進(jìn)行振動(dòng)壽命試驗(yàn)時(shí)，為了縮短試驗(yàn)時(shí)間常采用提高振動(dòng)量級(jí)的辦法，即幅頻特性;測(cè)定振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)間的相位差隨激勵(lì)頻率變化的關(guān)系，即強(qiáng)化試驗(yàn)。提高的程度，即強(qiáng)化系數(shù)，
簡(jiǎn)諧激勵(lì)機(jī)械阻抗的測(cè)試 以簡(jiǎn)諧力作為激勵(lì)并保持其幅值恒定，應(yīng)根據(jù)試件的振動(dòng)響應(yīng)特性和疲勞強(qiáng)度分析來(lái)考慮。試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對(duì)象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，并用模擬振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)和定度? 為了保證測(cè)試結(jié)果的可靠性和測(cè)試精度，對(duì)所使用的儀器，尤其是測(cè)振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。以求全面了解其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在進(jìn)行重要的或特殊的試驗(yàn)前，這種測(cè)定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，常直接對(duì)整套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和定度。測(cè)試系統(tǒng)最基本的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括靈敏度、頻率響應(yīng)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(zhì)量和振型等；還可通過(guò)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(jìn)行某些特殊的校準(zhǔn)，如所測(cè)振級(jí)變化范圍大時(shí)，應(yīng)校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)線性范圍；高溫下測(cè)試時(shí)，以便于儲(chǔ)存、分析信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。測(cè)振傳感器的校準(zhǔn)在測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)中具有特別重要的意義。校準(zhǔn)方法主要有兩種：一是絕對(duì)校準(zhǔn)法，分析設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的頻率分析。二是比較校準(zhǔn)法。無(wú)論是對(duì)測(cè)振傳感器或?qū)M成測(cè)試系統(tǒng)的儀器和對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)，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(guān)系，不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測(cè)量變換裝置（圖2）。以保證輸出電信號(hào)的幅值和相位均不失真。
測(cè)試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理? 測(cè)試結(jié)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(duì)不同的數(shù)據(jù)形式，其中以電測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。分析處理方法也不相同。
對(duì)模擬量可直接分析處理，也可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后分析處理。前者設(shè)備較簡(jiǎn)單，后者精度和速度較高。
當(dāng)模擬量是振動(dòng)的時(shí)間歷程，即用時(shí)域描述的振動(dòng)量時(shí)，即環(huán)境預(yù)測(cè)，分析處理的主要內(nèi)容就是進(jìn)行各種頻譜分析，以了解測(cè)試對(duì)象在頻率域內(nèi)的振動(dòng)特性。即系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)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(shí)間歷程的實(shí)時(shí)分析儀和具有并聯(lián)濾波器的實(shí)時(shí)分析儀等。當(dāng)模擬量是頻率響應(yīng)時(shí)，可歸結(jié)為對(duì)機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)的分析處理。測(cè)得的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實(shí)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(dá)，統(tǒng)稱為機(jī)械阻抗曲線。因此分析處理的主要內(nèi)容是：根據(jù)機(jī)械阻抗曲線，通過(guò)模態(tài)分析，系統(tǒng)的振動(dòng)特性也可以應(yīng)用激光全息照相法拍下實(shí)物或模型在振動(dòng)時(shí)的全息照片，識(shí)別測(cè)試對(duì)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(cè)得的振動(dòng)模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量，并與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，然后輸入數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)行各種必要的分析。當(dāng)測(cè)試結(jié)果直接以數(shù)字量表示時(shí)，則可利用軟件在電子計(jì)算機(jī)上分析處理。20世紀(jì)80年代以來(lái)，
3 機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
任何一個(gè)可以用時(shí)間的周期函數(shù)來(lái)描述的物理量，都稱之為振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是最常見(jiàn)的一種振動(dòng)形式，在振動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械系統(tǒng)總是圍繞著平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本章將主要介紹振動(dòng)測(cè)試參數(shù)的基本概念。
工程振動(dòng)測(cè)試的主要參數(shù)有：位移、速度、加速度、激振力、振動(dòng)頻率和振幅等。按照描述振動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)，可將振動(dòng)分為確定性振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩大類，其中確定性振動(dòng)又分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)、復(fù)雜周期振動(dòng)和準(zhǔn)周期振動(dòng)?！ ?
一、簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)
位移、速度和加速度為時(shí)間諧和函數(shù)的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這是一種最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)。其函數(shù)表達(dá)式為：
位移、速度和加速度為時(shí)間諧和函數(shù)的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這是一種最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)。其函數(shù)表達(dá)式為：
由此可見(jiàn)，位移幅值A(chǔ)和頻率O(或f)是兩個(gè)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(chǔ)和頻率／導(dǎo)出。在測(cè)量 中，振動(dòng)測(cè)試參數(shù)的大小常用其峰值、絕對(duì)平均值和有效值來(lái)表示。所謂峰值是指振動(dòng)量在給定區(qū)間內(nèi)的最大值，均值是振動(dòng)量在——個(gè)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(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和能量。在測(cè)量?jī)x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(dòng)的分類：（1）從產(chǎn)生振動(dòng)的原因來(lái)分：
系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的激勵(lì)而引起的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)，系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵(lì)下的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)．自由振動(dòng)問(wèn)題雖然比強(qiáng)迫振動(dòng)問(wèn)題單純但自由振動(dòng)反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有信息，是研究強(qiáng)迫振動(dòng)的基礎(chǔ)．
（2) 從振動(dòng)的規(guī)律來(lái)分：
簡(jiǎn)諧振動(dòng)
復(fù)合周期振動(dòng)
瞬態(tài)振動(dòng)
隨機(jī)振動(dòng)
通過(guò)數(shù)學(xué)分析，求出在自由振動(dòng)情況下的模態(tài)特性(固有頻率、模態(tài)質(zhì)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(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)特性。因此，它也被稱為解決振動(dòng)問(wèn)題的正過(guò)程，如圖引1所示。但對(duì)于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(duì)于在實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題建立一個(gè)
符合實(shí)際的力學(xué)模型。
解決振動(dòng)的另一種方法是實(shí)驗(yàn)方法，它是第一種方法的逆過(guò)程，如圖引所示。它主要是通過(guò)某種激勵(lì)方法，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，繼而通過(guò)測(cè)振儀器直接測(cè)量出激勵(lì)力與系統(tǒng)振動(dòng)的響應(yīng)特性，例如：位移、速度、加速度等函數(shù)的時(shí)間歷程，，然后通過(guò)模擬信號(hào)分析或數(shù)字信號(hào)分析得到系統(tǒng)的模態(tài)特性。若利用模態(tài)坐標(biāo)的逆變換，便可獲得系統(tǒng)的物理特性。
用實(shí)驗(yàn)方法解決振動(dòng)問(wèn)題經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程，直到70年代以后，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)才進(jìn)入一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期。在這一時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展以及快速傅里葉變換的普遍應(yīng)用，各種基于數(shù)字信號(hào)處理原理的頻率分析儀以及以計(jì)算機(jī)為核心的多功能信號(hào)分析軟件大量涌現(xiàn)，從而大大加強(qiáng)／對(duì)工程振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域及頻域分析功能。由于有關(guān)軟件功能的不斷完善，在測(cè)試過(guò)程中只要掌握振動(dòng)理論，并熟悉有關(guān)儀器、設(shè)備的工作原理以及操作步驟和要求，根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系，就能很容易地通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模態(tài)分析而得到各階振動(dòng)模態(tài)特性。因此它是—種解決工程振動(dòng)問(wèn)題的好方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它已成為一門(mén)多科性學(xué)科，并深入到科技和生產(chǎn)領(lǐng)域成為解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行和產(chǎn)品試制中有關(guān)振動(dòng)問(wèn)題的必不可少的手段。因此，掌握工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)是十分必要的。
3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)所涉及的要求，我們做出機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。振動(dòng)測(cè)試與控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)由彈性體系統(tǒng)（包括簡(jiǎn)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(dòng)隔振、被動(dòng)隔振用的空氣阻尼減震器、單式動(dòng)力吸振器、復(fù)式動(dòng)力吸振器等組成。是完成振動(dòng)與振動(dòng)控制等近30個(gè)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái) 。
3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的選型
3.2.1傳感器選用
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)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(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型
要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)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?yàn)?，即使是測(cè)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(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。
在考慮上述問(wèn)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(biāo)。
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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。
傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)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(yīng)特性
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。
傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，固有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。
在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)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(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)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(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，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(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。
5、穩(wěn)定性
傳感器使用一段時(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)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(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。
傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)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(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。
6、精度
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。
如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。
對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。
3.2.2壓力檢測(cè)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(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，但需說(shuō)明的是，這里所說(shuō)的壓力，實(shí)際上是物理概念中的壓強(qiáng)，即垂直作用在單位面積上的力。
在壓力測(cè)量中，常用絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。所謂絕對(duì)壓力是指被測(cè)介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號(hào)pj表示。用來(lái)測(cè)量絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)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(hào)pq表示。用來(lái)測(cè)量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。稱為表壓力，用符號(hào)pb表示。即pb=pj-pq。當(dāng)絕對(duì)壓力值小于大氣壓力值時(shí)，表壓力為負(fù)值（即負(fù)壓力），此負(fù)壓力值的絕對(duì)值，稱為真空度，用符號(hào)pz表示。用來(lái)測(cè)量真空度的儀表稱為真空表。既能測(cè)量壓力值又能測(cè)量真空度的儀表叫壓力真空表。
二、壓力的測(cè)量與壓力計(jì)的選擇
壓力測(cè)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(jì)測(cè)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(jì)從結(jié)構(gòu)上可分為實(shí)驗(yàn)室型和工業(yè)應(yīng)用型。壓力計(jì)的品種繁多。因此根據(jù)被測(cè)壓力對(duì)象很好地選用壓力計(jì)就顯得十分重要。
1．就地壓力指示
當(dāng)壓力在2.6Kpa時(shí),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(cè)時(shí)，可用膜片式壓力表或波紋管式壓力表。
2．遠(yuǎn)距離壓力顯示
若需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離壓力顯示時(shí)，一般用氣動(dòng)或電動(dòng)壓力變壓器，也可用電氣壓力傳感器。當(dāng)壓力范圍為140~280MPa時(shí)，則應(yīng)采用高壓壓力傳感受器。當(dāng)高真空測(cè)量時(shí)可采用熱電真空計(jì)。
3．多點(diǎn)壓力測(cè)量
進(jìn)行多點(diǎn)壓力測(cè)量時(shí)，可采用巡回壓力檢測(cè)儀。
若被測(cè)壓力達(dá)到極限值需報(bào)警的，則應(yīng)選用附帶報(bào)警裝置的各類壓力計(jì)。
正確選擇壓力計(jì)除上述幾點(diǎn)考慮外，還需考慮以下幾點(diǎn)。
（1）量程的選擇 根據(jù)被測(cè)壓力的大小確定儀表量程。對(duì)于彈性式壓力表，在測(cè)穩(wěn)定壓力時(shí)，最大壓力值應(yīng)不超過(guò)滿量程的3/4；測(cè)波動(dòng)壓力時(shí)，最大壓力值應(yīng)不超過(guò)滿量程的2/3。最低測(cè)量壓力值應(yīng)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(cè)量誤差，以經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠的原則確定儀表的精度級(jí)。一般工業(yè)用壓力表1.5級(jí)或2.5級(jí)已足夠,科研或精密測(cè)量用0.5級(jí)或0.35級(jí)的精密壓力計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)壓力表。
（3）使用環(huán)境及介質(zhì)性能的考慮 環(huán)境條件惡劣，，如高溫、腐蝕、潮濕、振動(dòng)等，被測(cè)介質(zhì)的性能，如溫度的高低、腐蝕性、易結(jié)晶、易燃、易爆等等，以此來(lái)確定壓力表的種類和型號(hào)。
（4）壓力表外形尺寸的選擇 現(xiàn)場(chǎng)就地指示的壓力表一般表面直徑為φ100mm，在標(biāo)準(zhǔn)較高或照明條件關(guān)差的場(chǎng)合用表面直徑為φ200~φ250mm的，盤(pán)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(jiàn)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(duì)于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，常選用氣動(dòng)壓力變送器、防爆型電動(dòng)Ⅱ型或Ⅲ型壓力變送器；對(duì)于微壓力的測(cè)量，可采用微差壓變送器；對(duì)粘稠、易堵、易結(jié)晶和腐蝕強(qiáng)的介質(zhì)，宜選用帶法蘭的膜片式壓力變送器；在大氣腐蝕場(chǎng)所及強(qiáng)腐蝕性等介質(zhì)測(cè)量中，還可選用1151系列或820系列壓力變送器。
壓力變送器測(cè)量部分的測(cè)壓敏感元件所產(chǎn)生的測(cè)量力的大小范圍約為50~100，最高不超過(guò)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(jié)構(gòu)原理如圖2-1-12所示。當(dāng)被測(cè)壓力p進(jìn)入測(cè)量室后，經(jīng)測(cè)量波紋管轉(zhuǎn)換成測(cè)量力，通過(guò)推桿用在主杠桿上，傳遞到氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分。測(cè)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(cè)量原理是利用包端管末端產(chǎn)生的徑向分力,通過(guò)推桿2作用在主杠桿3的下端,帶動(dòng)變送器的氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分動(dòng)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(duì)式和絕對(duì)式。
機(jī)械振動(dòng)是一種物理現(xiàn)象，而不是一個(gè)物理參數(shù)，和振動(dòng)相關(guān)的物理量有振
動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等，所以振動(dòng)測(cè)試是對(duì)這些振動(dòng)量的檢測(cè)，它們反映了振動(dòng)的強(qiáng)弱程度
1、慣性式測(cè)振傳感器的力學(xué)模型和特性分析
（一）力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程式
第七章 振動(dòng)測(cè)試的基本知識(shí)．
慣性式測(cè)振傳感器力學(xué)模型
（二）慣性式位移傳感器的響應(yīng)條件
慣性式位移傳感器的輸出位移zm反映被測(cè)振動(dòng)的位移量xm
慣性測(cè)振傳感器幅頻特性曲線
位移傳感器的上限測(cè)量頻率在理論上是無(wú)限的，但實(shí)際上受具體儀器結(jié)構(gòu)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(cè)量頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和質(zhì)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(yīng)條件
慣性式加速度傳感器的質(zhì)量塊相對(duì)位移Zm與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移來(lái)反映被測(cè)振動(dòng)的加速度大小。加速度傳感器的幅頻特性的表達(dá)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(diǎn)是它具有零頻率持性, 即理論上它的下限測(cè)量頻率為零，實(shí)際上是下限測(cè)量頻率極低。
2. 此外，為使wn遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)頻率，加速度傳感器的尺寸、質(zhì)量可作得很小(小于1g)，從而對(duì)被測(cè)對(duì)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(zhì)量塊，當(dāng)殼體連同基座和被測(cè)對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性質(zhì)量塊相對(duì)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(gè)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(wú)阻尼。
壓電式加速度傳感器原理圖
1—彈簧 2—慣性質(zhì)量 3—壓電元件 4—?dú)んw
其中k1為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；其中ms為慣性質(zhì)量，mb為殼體或其座的質(zhì)量。
K為等效剛度，M為折算質(zhì)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(jì)和測(cè)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(shí)驗(yàn)的需要，我們選擇適合的傳感器形式，壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示：
壓電式力傳感器較加速度傳感器簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)如圖所示。要測(cè)量的力通過(guò)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(dǎo)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(zhuǎn)換器（VP-CP01）
VP-CP01單通道電荷轉(zhuǎn)