振动基本知识-振动信号三要素

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一、振动如何来表述

振动信号：

      

工程信号中最重要的信号可能是正弦（或余弦）信号，振动信号中对正弦信号的研究同样十分重要。正弦信号之所以如此重要，是因为根据傅利叶级数的原理，在一定条件下，一个复杂的信号可以分解成一个常量+正弦波及其若干个谐波正弦波，在此我们不进行数学上的表述或推导。结论就是绝大部份工程上遇到的信号都符合傅利叶分解的条件，所以工程上的信号可以分解为由无数个正弦波构成的信号。也就是说我们看到的复杂的根本不像正弦波的信号，实际上是由很多个不同幅值大小，不同频率，不同初始相位的正弦波构成的。

比如：矩形波信号实际上可以分解为1、3、5、7、9、11、13…………无数个奇数倍矩形波频率的正弦波。

上式中：

振动幅值    ----表征了故障严重程度

振动周期    /频率    ----振动的快慢，通常和振动源相关

振动相位角    ----设备振动的方式/形式
这三个参数称为振动信号三要素，因为这三个参量决定了正弦波是什么样子。

二、振动幅值如何应用

在振动三要素中，振动幅值    是最容易理解的，    就代表振动的大小。但振动有三个测量参量，分别是振动加速度、振动速度、振动位移。这三个参数之间是微积分的关系：振动位移在某时间段内的变化就是振动速度，而速度的变化率就是振动加速度。

• 上图可以看到，左侧表内可以看到振动可以测量不同的振动参量：振动的位移值、振动速度值、振动加速度值、振动加速度包络值。
• 其幅值大小也可以测量峰值、峰峰值、有效值。
• 右边图形表示了振动加速度、振动速度、振动位移的波形图，可以看到三者都是正弦波，相互之间相位相差90°。

什么是峰值、峰峰值、有效值呢？如下图：

图中对这个正弦信号，

• PeakTopeak代表峰峰值，也就是最高点和最低点的最大距离；

• Peak代表峰值，也就是中间点到最高点的距离（正峰值）或中间点到最低点的距离（负峰值）；

• AVG表示平均值；

• RMS表示有效值（也就是均方差）；

• 在低频段，小于100Hz以下，选用位移测量能有较大的幅值；
• 在高频段，选用加速度值测量能有较大的幅值；
• 而速度值适应的频率范围较适中，在中间频段有较平均的幅值表现。

幅值的测量是最基本的内容，下图为最基本的振动测量仪器----测振笔

而高级的振动测量仪器会提供更复杂的幅值测量功能，如下图为多通道数据采集仪：

为了便于振动测量的应用，世界上制定了很多的振动标准，振动标准中是以振动速度来设定良好、注意、报警等级别来评价设备的运行状况。如下图的ISO2372标准：

ISO2372标准比较老，较新的标准为：

振动周期/频率反映振动的快慢，指示振动的根源

• 频率      (Hz)=转速RPM(转每分钟)/60

• 频率      (Hz)=1/ 周期      (秒)

• CPM—周期（循环）每分钟 

频率是一个强有力的分析工具，在机械设备故障诊断中，不同的部件或故障源有着不同的振动频率，通过分析频率信号就能够知道是哪个部件或故障源引起了故障，从而定位故障。

振动相位的获得通常如上图，需要一个相位传感器（也叫键相器）来确认振动信号的启始位置。从转子的凹槽位置经过相位传感器开始采集振动信号。

相位的概念不太好理解，影响相位值的因素也比较多。相位通常表示运动的不同位置，如下面三个图表示了三个振幅和频率都完全相同的正弦振动，因为它们之间的相位差不同，而导致的不同的波形。

两个弹簧质量系统无相位差 

两个弹簧质量系统相位相差90°

两个弹簧质量系统相位相差180°

上图为轴在轴承内弯曲故障的诊断，在图上1、2、3、4四个位置测量轴向振动，发现其四个点的振动相位相差90°，正常情况下，轴应该在轴承内同时向前或向后运动，这时候这四个点的相位差应该为0°。出现90°相位差说明轴在轴承内弯曲了，造成一边向前运动，另一边向后运动这样的反相运动。