监测技术‖使用加速度计测量振动

本文提供的信息有助于您了解基本振动概念、加速度计的工作原理以及不同的传感器规格参数如何影响应用中加速度计的性能。在确定要使用的传感器之后，还必须考虑所需的硬件和软件，以适当地调理、采集和可视化麦克风测量数据。您还可以考虑传感器可能需要的任何其他信号调理。

什么是振动？

图1：如果结构的固有频率与环境振动相匹配，结构就可能失效

振动是关于机器或组件偏离平衡位置的运动或机械振荡。它可以是周期性的，比如钟摆的运动，也可以是随机的，例如轮胎在砾石路面上的运动。振动可以用公制单位(m/s²)或重力常数单位“g”来表示，其中1 g= 9.81 m/s²。物体的振动方式有两种：自由振动和受迫振动。

 当物体或结构发生移位或受到冲击，会自然地振荡，这就是自由振动。例如，当我们敲打一个音叉时，音叉会响起来，但声音会渐渐减弱直至消失。固有频率经常是指结构在受到冲击或发生移位时“希望”振荡的频率。共振是指系统在特定频率下的振荡比其他频率更剧烈。在物体的固有频率或接近物体的固有频率下发生受迫振动会使物体内部积累能量。即使一开始的受迫振动幅度非常小，随着时间的推移，振动也可能相当剧烈。如果物体的固有频率与正常环境振动频率相等，那么物体的振动会更剧烈，但也更快停止。

受迫振动是指结构由于施加变化的力而发生振动的情况。旋转或交替运动可以强迫物体以非固有频率振动。一个例子是洗衣机的失衡，在该情况下，洗衣机甩动的频率等于旋转栅门的旋转频率。在状态监测中，振动测量用于指示压缩机、涡轮机或泵等旋转机械的运行状况。这些机器包含各种部件，并且每个部件都有各自独特的振动模式或特征。通过在一段时间内记录不同振动特征的趋势，您将可以预测机器何时会发生故障，并妥善安排维护作业，从而提高安全性，并降低维护成本。

振动测量

振动通常使用陶瓷压电传感器或加速度计进行测量。大多数加速度计通常基于压电效应，即某些类型的晶体在受到压力时会产生电压。测试结构的加速度传输到加速度计内的质量块，然后在压电晶体上生成相应的力。这个来自外部的压力会使晶体产生高阻抗电荷，电荷量与所施加的力成正比，因而也与加速度成正比。 

图2：加速度计是用于高频或低频振动以及冲击测量的通用传感器

加速度计有两种常见类型：压电（充电式）加速度计和集成电子压电(IEPE)加速度计。

加速度计属于全面接触式换能器，通常直接安装在高频元件上，例如滚动轴承、变速箱或旋转叶片。这些多功能传感器也可在冲击测量（爆炸和故障测试）以及较慢的低频振动测量中使用。加速度计的优点包括在很宽的频率范围和较大的动态范围内具有线性度。

充电式加速度计需要一个外部放大器或内嵌充电用转换器来放大所产生的电荷，降低输出阻抗以便与测量设备兼容，以及充分降低对外部噪声源和串扰的敏感性。

IEPE加速度计具有内置的电荷灵敏放大器。该放大器需使用稳定的电流源，阻抗随压电晶体电荷的变化而变化。这些类型的加速度计的测量硬件为放大器提供了内置电流激励。当加速度计的输入电压发生变化时，可以测量阻抗的变化。

另一种可以用于测量振动的传感器是趋近式探头。加速度计是通过测量加速度来确定振动大小，而接近式探头则属于非接触式换能器，测量的是与目标的距离。这些传感器几乎专门用于测量旋转机械的轴振动。一个常见的应用是机械系统（如涡轮机）的机器监测和保护测量。由于这类机械系统采用柔性流体薄膜轴承和重壳体，振动无法很好地传送到外壳，因此通常使用接近式探头代替加速度计来直接测量轴的运动。

图3：IEPEl加速度计输出的电压信号与压电晶体上的振动力成正比

选择合适的加速度计

由于加速度计具有多种用途，因而市面上提供了各种设计、尺寸和量程的加速度计。要理清加速度计的所有不同电气和物理规格，需要先了解要测量的信号的特性以及各种环境约束。

振幅

图4：加速度计具有广泛的可用频率范围，灵敏度相对平坦

灵敏度是加速度计的最重要参数之一。它描述的是在参考频率下（如160 Hz）振动和电压之间的转换。灵敏度的单位是mV/G。典型的加速度计灵敏度为100 mV/G，这意味着如果测量的是10 G信号，输出将为1,000 mV或1 V。确切的灵敏度由校准决定，这个参数通常在传感器随附的校准证书中列出。灵敏度也依赖于频率。如果要确定灵敏度如何随频率变化，就需要在整个可用频率范围内进行全面校准。图4显示了加速度计的典型频率响应特性。一般情况下，我们使用低灵敏度加速度计来测量高振幅信号，使用高灵敏度加速度计来测量低振幅信号。

轴数量

加速度计有两种轴类型。最常见的加速度计仅测量沿单轴的加速度。通常，此类加速度计用于测量机械振动的幅度。另一类加速度计为三轴加速度计。此类加速度计可通过正交组件创建加速度的三维向量。此类加速度计通常用于确定振动的类型，如侧向、横向或是旋转振动。

重量

加速度计的重量应该比所监测的结构小许多。在结构上增加质量块会改变结构的振动特性，并可能导致数据和分析不准确。加速度计的重量通常应不超过测试结构重量的10％。

安装方法

振动测量系统的另一个考量因素是如何将加速度计安装到目标表面。有四种典型的安装方式可供选择：

1）手持式或探头尖端

2）磁式

3）粘接式

4）螺柱安装式

螺柱安装是迄今为止最好的安装技术，但需要在目标材料上钻孔，通常适用于永久性传感器安装。其他方法主要用于临时安装。每种安装方法都会影响加速度计的可测量频率。一般而言，连接越松，可测量频率范围越小。在加速度计中添加任何质量块，如粘接式或磁式安装基座，都会降低谐振频率，这可能会影响精度和加速度计可用频率范围。查看加速度计规格，以确定不同安装方法如何影响频率测量范围。表1显示了100 mV/G加速度计的典型频率范围。

表1：安装100 mV/G加速度计的频率范围

图5显示了不同安装技术的大致频率范围，包括螺柱安装、粘接式安装、磁式安装和三轴块安装。

图5：不同安装技术的不同频率范围

环境约束

选择加速度计时，需要注意重要的环境参数，如最高工作温度、有害化学物质接触和湿度。得益于坚固、可靠的结构，大多数加速度计可适用于危险的环境。如需额外的保护，不锈钢制成的工业加速度计可以防止传感器生锈和受到化学腐蚀。

如果系统必须在极端温度下工作，则需要使用充电式加速度计。由于这些加速度计不包含内置电子器件，工作温度仅取决于结构所使用的感测元件和材料。然而，由于它们不具有内置的调理和电荷放大功能，充电式加速度计对环境干扰非常敏感，需要低噪声线缆。如果环境非常嘈杂，则应使用具有内置电荷放大器的内嵌充电转换器或IEPE传感器。

湿度规格由加速度计的密封类型决定。常见的密封包括密封胶密封、环氧树脂密封和环境密封。这些密封大多数可以承受高湿度的环境，但是密封胶密封建议用于液体浸泡和长时间暴露在过度潮湿环境的情况。

成本

虽然充电式和IEPE加速度计的成本差不多，但是对于大型多通道系统，IEPE加速度计的成本要低得多，因为它们不要求专用的低噪线缆和电荷放大器。此外，由于IEPE加速度计的操作和维护要简单得多，因而更易于使用。