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机械故障诊断学习 | 振动传感器如何选择？又该如何安装呢？

故障诊断与python学习

1年前浏览819

背景及摘要

很多初学者刚接触故障诊断可能觉得很简单，套用深度学习模型进行训练，分类准确率达到99%即可。

在写论文时，这样的确没问题。但是在工作或者在解决实际问题时，几乎是用不上。

最近在读时献江老师等人的《机械故障诊断及典型案例解析》这本书时，发现其内容真的很丰富，故障诊断方法讲解的详细全面，且有实际丰富的案例，更加容易消化理解各方法特点及其应用场景。

参考资料：

书籍：机械故障诊断及典型案例解析（第2版，时献江）

1. 振动传感器的选择原则

2. 振动传感器的安装方式

3. 总结

摘要

在机械设备故障与诊断技术中，除了分析与判断故障的类型、性质和严重性外，还必须研究被测参量的响应、传感器特性及其对应频率范围。

对于振动诊断，机械设备的结构、测量目的和频率范围将决定传感器的类型，机械设备的结构及其动力特性将决定传感器的配置点，而机械设备的结构尺寸、临界转速、运行经历和预先估计故障的类型和内容，将确定安装多少个传感器。

传感器如何选择呢？何时选择位移传感器？何时选择速度传感器？何时选择加速度传感器？

选择好传感器后，传感器又如何安装呢？安装在哪呢？

本文将为您介绍一些选择原则及安装式。

1、振动传感器的选择原则

确定测量参数很大程度取决于机器设备本身。例如像汽轮机、旋转压缩等柔性转子，转子产生的力大部分消耗在转轴和轴承之间的相对运动上，用非接触式传感器测量轴与轴承之间的相对位移是最好的测量方式。相反，对于像电动机等刚性转子，转子产生的力大部分消耗在结构运动上，最好采用速度传感器或加速度传感器测量壳体振动。

第一、当旋转部件处于不易接触到的设备内部时，一般只能采用速度或加速度传感器，需要时可采用积分方式得到位移信号。

第二、需要考虑机械设备状态的响应，即被测参量在机械设备状态变化时应能显示或响应最大变化量。

第三、需考虑机械设备的频率范围。如果频率范围包括例如齿轮啮合频率高频成分，最好选择加速度传感器测量；如果测量仅限于运转频率，则视具体情况选择位移或速度传感器测量。

振动传感器的工作频率，应涵盖被测量的最高频率或最高有效频率。那不同传感器的工作频率是多少呢？

一般情况下，非接触式位移传感器的限用上限频率约为2kHz; 速度传感器受结构限制其频率范围约为10~1500 Hz; 而加速度传感器是所有振动传感器中频率范围最宽的，它能测量振动频率从低于0.1Hz到超过20kHz。因此，应根据具体工况，合理选择振动参量和传感器，以满足测量要求。

振动传感器的使用场景有哪些呢？

下列情况常用位移传感器：

①柔性转子；

②位移幅值参数特别重要时；

③低频振动，此时速度或加速度数值太小，不便于采用速度或加速度传感器测量。

下列情况可采用速度传感器：

①振动频率低时；

②移动方式检测时，速度传感器的使用方法多为手持式接触测量，而非固定方式；

③采用振动烈度评价机械故障程度时。（振动烈度：一般指速度有效值）

下列情况可采用加速度传感器：

①滚动轴承或齿轮振动检测，或分析高频域的叶片故障时；

②高频振动，如果所测量的振动频率高于1kHz, 就需采用加速度传感器；

③测量空间受限制，不允许传感器体积、重量大的场合，易采用压电加速度传感器；

④传感器寿命要求长时。

2、振动传感器的安装方式

传感器选型一经确定，就需采取最合理的安装方式，确保测量过程的可靠性和安全性。这里仅介绍加速度传感器和电涡流位移传感器的安装方式。

（1）加速度传感器安装方式

除了考虑振动加速度传感器与被测构件的固定方法以外，还要考虑被检测与诊断部件的位置和故障类型，确定加速度传感器在设备上的合适安装位置。下面以滚动轴承为例介绍。

滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递一次，其能量损失约为80%。因此，测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽减少中间环节，放置点离轴承外圈的距离越短、越直接越好。

图1(a)表示了传感器位置对故障检测灵敏度的影响。如传感器放在承载方向时灵敏为100%，则在承载方向±45°方向降为 95%(-5 dB) ，在轴向则降为 22 ~ 25 % (-12~-13dB)。

在图中1(b)中，当止推轴承有故障产生冲击向外散发球面波时，如轴承盖正对故障处的读数为100%时，在轴承座轴向的读数降为 5%(-19 dB)。

在图1(c)(d) 中给出了传感器安放的正确位置和错误位置，较粗的弧线表示振动较强烈的部位，较细的弧线表示因振动波通过界面衰减导致振动减弱的情况。

图1 加速度传感器位置对故障检测灵敏度的影响

(2) 电涡流位移传感器安装方式

当采用电涡流位移传感器测量轴的径向振动时，要求轴的直径

大于探头直径

的三倍以上，安装使用这类传感器时要注意在传感器端部附近除了被测物体表面外，不得有其他导体与之靠近，避免传感器端部线圈磁通有一部分从其他导体穿过，从而改变线圈与被测物的耦合状态。如图 2(a)、(b)所示。对于图2(a)、(b)所示的支架安装方式，传感器的伸出距离为1.5

时最佳。

图2 电涡流位移传感器的固定方式

1—传感器；2—支架，3—转轴

当需要测量轴心位置或轴心轨迹时，每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头安装在轴承两边的同一平面上相隔90°±5°。由于轴承盖一般是水平剖分的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧 45°处，如图3所示。

在表1总结性地介绍了传感器安装和使用方法。但这只能为一般的指导性使用，有些关键设备对传感器的合理安装要求十分严格，特别是对位移和加速度传感器的安装，应参照厂家介绍的安装方法。

图3.1 位移传感器的径向布置

图3.2 传感器的安装位置示意图

表1 几种通用机器及安装的方法

3、总结

所测机械振动频率低时，选择用位移传感器。
所测机械振动频率较高时，选用速度或加速度传感器。
位移传感器多为非接触式，速度和加速度传感器多为接触式。
当不能安装位移传感器时，位移可通过速度和加速度进行积分求得。
传感器应离被测物体越近越好，每通过一次刚性界面振动传递，能量约损失80%。

注明：

本文内容摘抄自《机械故障诊断及典型案例解析》，仅供学习交流，若有侵权，烦请联系处理！

参考文献
[1] 《机械故障诊断及典型案例解析，第2版，时献江等，2020年第一次印刷》

编辑：李正平

审核、校对：张勇，张泽明，王畅

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来源：故障诊断与python学习

振动通用 python 理论

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首次发布时间：2023-06-22