故障诊断学习 | 振动基本知识-振动系统
注：本文转自卓微科技公 众号，成都卓微科技有限公司（卓微科技）致力于设备健康管理系统的关键器件和核心软件研发。卓微科技的核心团队在传感器领域、设备状态监测软件开发和应用方面具有丰富经验。
上一节介绍了故障诊断学习 | 振动信号，为何如此的“与众不同”？本节将从三个方面介绍振动的基本知识：振动系统进行介绍。
1 振动系统
1.1最简振动模型
图1
当我们考虑振动的问题的时候，会发现振动和声音一样，是一种复杂的物理现象，而不是和温度一样，仅仅是一个数量值+温度单位（摄氏度、华氏度或绝对温度）。因此，像研究其它很多物理现象一样（比如研究物体从空中落下），我们需要建立模型来抽象问题，以了解事物的本质。通常我们是建立一个最简单的模型，然后再增加各种因素以研究更复杂的物理现象。
振动力学中对振动的研究有很多种模型，其中最简单的就是用弹簧质量块模型。如上图1右侧图所示，用一个弹簧吊着一个质量块，当质量块在自然位置（也就是在重力作用下保持不动的位置，也叫做平衡点或平衡位置）时，用手向下拉质量块，然后松手，我们会发现质量块将沿着垂直方向以自然位置为中心上下运动，在经过自然位置时速度最快，在最高点和最低点时速度最慢。从经典力学我们知道，如果没有阻力，这个质量块会一直按照这个规律循环运行下去。在现实环境中，通常都会有阻力（比如空气阻力），质量块会慢慢的运动越来越慢，最后停回到自然位置。
图2
观察整个运动过程，我们会发现质量块的运动方式就是振动，而我们在旋转机械中用传感器测量振动其实在单方向上可以简化为这个弹簧质量块系统（如图1）。
那么是哪些因素会影响振动的形式（比如振动的大小，振动的快慢等）呢？通过研究，现在已经得出了结论：
振动幅值响应=动态力/振动力学三要素（质量、阻尼、刚度）
我们这里不从理论上进行表述（实际上弹簧质量系统通常认为是一个二次微分方程）。我们可以通过不同弹性系数的弹簧+不同质量的质量块+不同阻尼环境（比如在空气中、水中、油中等）做这个弹簧质量块实验，就可以发现这个关系。比如，我们用更大的力拉弹簧（也就是增加上面公式中的动态力），这个时候振动力学三要素可以认为是不变，我们可以发现振动的幅度增大了；而我们用同样的力量拉更软的弹簧（也就是刚度变小）时，会发现振动幅度变的更大了；同样，在阻尼更大的水中比空气中振动的幅值减小的更快，幅值也更小。
1.2 最原始的振动传感器和振动表述
图3
最初的记录振动的方式如上图3，其实这就是最原始的振动传感器。在振动物体上面（上图用弹簧质量块系统来表示）固定一支笔，让笔和物体一起振动，同时用一张纸按照一定速度垂直于振动方向运动，笔将在纸上画出图形，这个图形表述了振动信息。
现代的振动测量会用到专用的传感器，主要会用到的是压电式振动加速度传感器，用于测量振动的加速度值。也有测量振动速度和振动位移的振动传感器。我们在后面的资料中会介绍振动传感器。
1.3 振动的测量（测点）位置
在前面的弹簧质量块模型中，测量的是沿一个方向（也就是垂直方向）上的振动，对于一个确定的弹簧质量块，其振动力学三要素（质量、阻尼、刚度）在实验过程中是固定不变的，这样振动的大小就和动态力（也就是垂直方向上的初始拉力）成正比。
实际的工程测量中，振动不会是一个方向，而是各个方向。我们在经典力学中，研究力的问题经常进行力的分解和合成（通常分解成90度互相垂直的力）。而振动其实质是力的表达，因此也可以同样进行分解和合成来研究和测量。对一个位置进行测量时，完整的振动测量通常要进行三个方向的测量，如下图。水平方向（H），垂直方向（V），轴向（A）
图4
水平和垂直方向也合称为径向（也就是沿转子的直径方向）。我们要在这三个方向上都装上传感器进行测量，这样才能对此位置的整体振动有正确的认识。（未完待续......）来源：故障诊断与python学习
