如何改善機器振動的分析方法

工廠的機器都有正常的換班時間。由于停機換班會導致生產停頓，因此停機造成的損失可能會很大，但其實這些損失是可以避免的。目前很多工廠、發電廠、礦地及其他操作流程都加裝了具有預防作用的維護系統，以改善機器的操作效率。

新一代具有預防作用的維護系統都采用電子診斷技術以監視可以顯示機器操作狀況的參數。以滾軋機為例來說，這類機器可能設有多個大型的電動馬達及軸承，而每一馬達及軸承都各有滾軸、液壓泵以及多種不同液壓傳動裝置。保護這類設備的預防性維護系統可能需要配備電子監控電路，才可測量滾軸的振動程度和溫度、液壓系統的液壓、液體溫度以及馬達溫度。

機器的轉動部分會不時產生頻率介于 50Hz 至 10kHz 之間的振動，我們可以測量機件的振動幅度，以便從中了解滾軸及其他轉動部分的物理狀態，這個監控過程一般稱為振動分析。超聲波分析可說是另一種的振動分析，但超聲波分析涉及的頻率范圍則介于 15kHz 至 40kHz 之間，而這一頻率范圍屬于高頻區。由于機器的轉動部分會出現磨損或損壞，以致所產生的頻率與原先的不同，顯示機件的物理狀態與以前有異，因此我們只要通過頻譜分析便可檢測機件的轉變情況。機件出現磨損，其振幅會擴大，而超聲波噪音也會增加。只要有 12dB 左右的增幅，便表示有關機器可能會隨時出現故障。 

  
圖 1：振動分析的信號鏈


這種監控方法的好處是，機件還未出現故障便可先行搶修。振動分析及超聲波分析所需的設備很多時完全不同。最理想當然是有一套現成而又極具成本效益的儀器可以在整個頻率范圍內作出監控。圖 1 所示的是振動及超聲波分析的信號路徑電路圖。

壓電傳感器可以感測滾軸所產生的振動頻率及超聲波噪音。壓電傳感電路由 MOSFET 晶體管為其提供內部緩沖，而驅動 MOSFET 晶體管的電流則來自 A4 的恒流源，通過交流耦合在內部連接到濾波器。A1、A2 及 A3 放大器組成一 6極點低通濾波器并提供41.9dB 的增益。取樣率為 200kHz 的 ADC121S021 模擬/數字轉換器負責將已放大及濾波的信號轉為數字信號。微處理器的軟件可以通過快速傅立葉變換 (FFT) 取得有關信號頻率及振幅的數據。圖中所示電路的通帶約為 40kHz。圖 2 則顯示典型寬頻帶振動傳感器的傳遞函數。 

  
圖 2：傳感器的傳遞函數

傳感器在 30Hz 左右會開始滾降，其頻率響應幅度相對較為平坦，直到升至 65kHz 這個諧振頻率，這時平坦響應才改變過來，在此之后頻率響應便急速下跌。這一平坦頻帶的峰峰值振幅約為 32mVp-p，然后振幅會放大至 4Vp-p。以下是增益數字：

        4.096V
               ---------- = 128
         0.032

我們最好采用 125 倍的增益，以便多留一點余量。以 40kHz 這個最高信號頻率為例來說，取樣率便成為一個令人擔憂的問題。為免高于尼斯奎特頻率的混疊信號頻率，我們必須將取樣頻率的一半加以濾波，然后將振幅抑制至模擬/數字轉換器的 1 LSB 以下。以這個例子來說，我們所采用的是 12 位的模擬/數字轉換器，其參考電壓為 4.096V，將得到1mV 解析度，計算方法如下：

        4.096V
               ---------- = 0.001V
          4096

我們若要為取樣資料系統提供一個切實可行的濾波器，便必須在某一程度上將要量度的最高頻率與模擬/數字轉換器的尼奎斯特頻率加以分開。雖然這樣做可能會令信號出現過取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號。圖 1 采用的 ADC121S021 是一款 12 位、200kSPS 取樣率的模擬/數字轉換器 。若這款模擬/數字轉換器以 200kSPS 的取樣率進行信號轉換，尼奎斯特頻率會固定于 100kHz。若頻率為 100kHz，傳感器的輸出信號振幅大約為 8mVp-p，將這個信號抑制至 1mVp-p 以下所需的增益可以根據以下公式計算出來：