解密关于振动测量的基本概念

什么是振动？

当物体描述关于参考位置的振荡运动时，物体被称为振动。一个完整的运动周期在一秒内发生的次数称为频率，以赫兹（Hz）为单位。

该运动可以由以单个频率出现的单个分量组成，例如与音叉一样，或者由以不同频率同时出现的多个分量组成，例如与内燃机的活塞运动一起。

在实践中，振动信号通常由许多同时发生的频率组成，因此我们不能仅通过观察时间模式立即看出有多少分量以及它们发生在什么频率。

这些分量可以通过绘制振动幅度与频率的关系来显示。将振动信号分解成各个频率分量称为频率分析，这种技术可被视为诊断振动测量的基石。将振动水平表示为频率的函数的曲线图称为频谱图。

当对机器振动做频率分析时，我们通常会发现几个显著的周期频率分量，这些频率分量与机器各个部件的基本运动直接相关。因此，通过频率分析，我们能够追踪到不希望的振动源。



振动从何而来？

在实际操作中，避免振动是非常困难的。这通常是由于制造公差、间隙、机器部件之间的滚动和摩擦接触以及旋转和往复构件中的不平衡力的动态效应而发生的。通常，微小的不重要的振动可以激发一些其他结构部件的共振频率，并被放大成主要的振动和噪声源。

不过，有些工作又需要利用机械振动。例如，我们在部件给料机、混凝土压实机、超声波清洁槽、凿岩机和打桩机中故意产生振动。振动试验机广泛用于向产品和子组件施加受控水平的振动能量，其中需要检查它们的物理或功能响应并确定它们对振动环境的耐受性。

在所有振动工作中，无论是在利用其能量的机器的设计中，还是在平稳运行的机械产品的制造和维护中，一个基本要求是通过测量和分析获得振动的准确描述的能力。

量化振动水平

振动幅度是描述振动严重程度的特征，可以以几种方式量化。图中显示了正弦波的峰峰值、峰值、平均值和RMS值之间的关系。

峰-峰值的价值在于它指示了波的最大偏移，这个量在例如评价机器部件的振动位移对于最大应力或机械间隙时非常关键。

峰值对于指示短持续时间冲击等的水平特别有用。但是，从图中可以看出，峰值仅表示出现的最大水平，没有考虑波的时间历程。

另一方面，整流平均值确实考虑了波的时间历程，但只有有限的实际意义，因为它与任何有用的物理量没有直接关系。

RMS值是最有用的振幅度量，因为它既考虑了波的时间历程，又给出了与能量含量直接相关的振幅值，从而与振动的破坏能力直接相关。



振动参数：加速度、速度和位移


测量单位

当我们观察振动音叉时，我们认为波的振幅是音叉末端向静止位置两侧的物理位移。除了位移外，我们还可以用它的速度和它的加速度来描述音叉的运动。无论考虑的是位移、速度还是加速度，振动的形式和周期都保持不变。主要区别在于如图所示的三个参数的幅度-时间曲线之间存在相位差。

对于正弦信号，位移、速度和加速度幅度通过频率和时间的函数在数学上相关，如图所示。如果忽略相位，如在进行时间平均测量时总是这样，则可以通过将加速度信号除以与频率成比例的因子来获得速度水平，也可以通过将加速度信号除以与频率的平方成比例的因子来获得位移。这种除法计算在测量仪器中以数字方式执行。

振动参数几乎都是按照ISO要求以公制单位测量的，这些参数如表所示。然而，重力常数“g”或更准确地说“gn”仍然广泛用于加速度水平，尽管它不属于国际标准单位制。幸运的是，该常数数值上接近10（9.80665）可将两个单位联系起来，如果2%的偏差可接受可以快速心算。



选择加速度、速度或位移参数

通过检测振动加速度，我们不会单独依赖于该参数。我们可以将加速度信号转换为速度和位移。大多数现代振动计都配备了测量所有三个参数的设备。

在进行单个宽频带振动测量的情况下，如果信号具有许多频率的分量，则参数的选择是重要的。位移测量将给予低频分量较大的权重，相反，加速度测量给予高频分量较大权重。

经验表明，在10至1000Hz范围内测量的振动速度的总RMS值给出了旋转机器上振动严重程度的最佳指示。一个可能的解释是给定的速度水平对应于给定的能量水平；从振动能量的观点来看，低频和高频的振动同等地加权。实际上，许多机器的速度谱相当平坦。

进行窄带频率分析时，参数的选择将仅反映在显示屏或报告上。因此我们需要考虑影响参数选择的实际考虑。选用频谱最平坦的参数可以最好地利用仪器的动态范围（可测量的最小值和最大值之间的差）。因此，通常选择速度或加速度参数进行频率分析。

因为加速度测量是可以充分显示高频振动分量，所以加速度倾向于用在需覆盖高频的情况下。

但要注意机械系统的可感知的位移通常只发生在低频。因此，如果关注低频，位移测量很重要。在考虑机器元件之间的小间隙时，振动位移也是一个重要的考虑参数。位移也常用作旋转机器部件中不平衡的指标，因为相对大的位移通常发生在轴旋转频率处，该频率也是平衡目的最感兴趣的频率。