基于加速度传感器的电机振动测量

苏州科技学院本科生毕业设计（论文）I基于加速度传感器的电机振动测量摘要电机是现代生产中的重要电气设备，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，电机的故障会对生产造成重大影响，因此需要监测电机的运行状态。为监测电机的运行状态，本文通过加速度传感器来测量电机振动的大小，并通过微控制器对电机加速度信号进行采集，并将它传输给电脑；利用电脑软件对采集的加速度信号进行频域积分得到速度信号，再与电机振动判断标准进行对比分析,从而判断电机运行状态,确定修复时机，为电机提供检修依据。关键词：加速度；振动测量；信号处理；故障分析苏州科技学院本科生毕业设计（论文）IIMeasurethevibrationofmotorbasedontheaccelerationsensorAbstractTheelectricmotorisonesortofthemostimportantelectricequipmentsinmodemmanufacturing．Fromlargeindustrialmotorstosmallappliances,electricmotorsareeverywhere.Itsfailurewouldproduceasignificantimpactonthemotor,therefore,weneedtomonitortheoperatingstatusofthemotor.Inthispaper,inordertomonitorthemotorrunning,sizeofthemotorvibrationismeasuredbytheaccelerationsensor,andusesthemicrocontrollertocollectthemotoraccelerationsignalandtransferittothecomputer.Theaccelerationfrequency-domainsignalisintegratedintothespeedsignalinthecomputer,andthenthespeedsignaliscomparedwiththemotorvibrationcriteria,toprovidethebasisforthemaintenanceofmotor.Wecandeterminethetimingofrepair.Keywords:Accelerationsensor,VibrationMeasurement,SignalProcessing,FailureAnalysis苏州科技学院本科生毕业设计（论文）III目录第1章绪论.........................................................................11.1引言...........................................................................11.2电机振动特性..................................................................11.2.1振动参数..................................................................21.2.2振动标准..................................................................3第2章电机振动测量装置设计.........................................................62.1采集模块介绍..................................................................62.1.1MMA8452加速度传感器......................................................72.1.2控制器NXPARMLPC1114....................................................82.1.3电源模块..................................................................82.2接口转换模块设计..............................................................92.2.1TTL信号转485信号........................................................92.2.2RS-485信号转RS-232信号.................................................102.2.3RS-232转USB信号........................................................10第3章振动信号采集...............................................................123.1信号的采集...................................................................123.1.1读取数据模块.............................................................133.1.2信号发送.................................................................18第4章振动信号处理................................................................204.1振动加速度信号与速度信号之间的转换...........................................204.2信号转换的实现...............................................................214.3实际测量结果.................................................................24结论..............................................................................27致谢..............................................................................28参考文献.........................................................................29附录A译文........................................................................30附录B外文原文....................................................................38附录C程序代码....................................................................46苏州科技学院本科生毕业设计（论文）1第1章绪论1.1引言随着科学技术的发展，电机已经成为我们生活中不可缺少的一部分，从大型的工业电机到小型的家用电器，电机都是随处可见的，因此电机是否正常工作对我们日常生活的好坏有很大影响。电机振动主要由电枢不平衡、电磁力、轴承磨损、转轴弯曲和安装不良使电机与负载机械的轴心线不对中或倾斜等原因引起的。电机振动大小必须要满足国家的电机振动标准,否则会造成很严重的后果。现在,电机振动标准主要是用振动速度的有效值来衡量。测试和诊断电机振动好坏的基础是采集和处理电机的振动信号，因此我们在测量时必须要有一个电机振动测量、处理和诊断的系统。电机振动测试通常是用加速度传感器记录加速度信号。然后再用傅里叶变换来进行频谱分析。在过去的几十年里，小波分析、时频联合分析、独立分量分析等信号处理的新方法有了很大的发展，为电机振动的深入研究提供了条件。在故障诊断中取得了出色的效果。1.2电机振动特性电机振动是因为电磁，能量转换，机械振动等物理因素引起的。电机产生振动的原因包括[1]：1．电磁力：电磁力作用在定子和转子之间的空隙中，它的力波在气隙中是旋转的或者是脉动的，力的大小和电磁负荷、电机有效部分的结构和计算参数有关。由电磁力产生的振动大小与作为振荡系统的定子特性有很大的关系，大多数电机的电磁振动都在100—4000Hz频率范围内；2．轴承：轴承产生的振动和轴承本身的制造质量、轴承配合面的加工精度、固定轴承位置的轴承盖相对电机机座的锁紧面加工精度等有关：3．转子的机械不平衡：转子的不平衡能产生显著的振动，特别是3000rpm和更高苏州科技学院本科生毕业设计（论文）2转速的高速电机中非常明显[2]。1.2.1振动参数振动有三个基本参数，分别是振幅、频率和相位。其中振幅可用位移、速度和加速度来表示。在测量过程中我们一般在振动频率小于10Hz时测量位移，当频率在10Hz到1kHz时测量速度，而当振动频率大于1kHz时测量加速度[3]。电机振动一般是中频振动，所以在测量时要得到振动的速度信号。我们也可以用频率分析仪测量振动频率，用示波器显示振动相位。电机振动是运动的一种，所以它的加速度、速度、位移三者之间的关系和运动一样，三者都是微积分的关系：tdtvtadttatvtdtv或(1.2-1)tdtadttvtd2(1.2-2)式中：以d(t)为振动位移，v(t)为振动速度，a(t)为振动加速度。在物理意义上，位移体现了振动质点相对参考点的瞬时位置；速度是单位时间内的位移，反映振动质点运动的快慢程度；加速度是速度的变化率，反映速度变化的快慢。但是它们之间是有着很紧密的联系，例我们假设瞬时位移为：ftDtdM2cos则：22cos22cos22sin2ftVftfDftfDtdtvMMM(1.2-3)ftAftDfftfVtvtaMMM2cos2cos22cos22(1.2-4)苏州科技学院本科生毕业设计（论文）3推导可得：MMAfV21(1.2-5)MMMAfVfD22121(1.2-6)式中MMMAVD分别为振动的位移、速度、加速度。从上面的式子我们可以看出：当振动加速度一定时，速度和振动频率成反比，位移和振动频率的平方成反比；当振动的位移一定时，速度和振动的频率成正比，加速度和振动频率的平方成正比。所以位移对低频振动比较敏感，加速度对高频比较敏感，而速度参量对频率的敏感度在位移和加速度之间。所以我们在对高频故障（如滚动轴承、齿轮箱故障等）或高速设备进行测量时，应选加速度为参考量；在对低频故障（如不平衡、不对中等）或低速设备测量时，应选位移为参考量；而在进行振动的总体状态测量时，都是选速度为参考量。正是由于这样，国际ISO-2372振动烈度标准是以振动的速度为参考量的。我们在测量振动是要将我们测得的物理量变为速度参量。1.2.2振动标准国际上流行的标准很多，但是一般较集中在振幅（位移）、速度和加速度上。其建立的理论依据为美国齿轮制造协会（AGMA）提出的