CN108036853A - 一种检测单一方向振动的振动检测方法 - Google Patents
一种检测单一方向振动的振动检测方法 Download PDFInfo
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- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
Abstract
本发明提供一种检测单一方向振动的振动检测方法，具体步骤为：步骤一：检测由振动源振动引起的液位玻璃管中的液位变化并以电容的形式输出；步骤二：由信号转换装置将电容转换成电压信号；步骤三：电压信号接入一个比例放大运算电路；步骤四：放大信号接一个反相器，得到正的较大的易于观察的电压；步骤五：报警模块是从单相桥式整流电路中接出，再与一个电压比较器相连；步骤六：将整流信号输入电压比较器的正相，当该信号大于比较信号时，比较器输出正的饱和电压值，当整流信号小于比较信号时，比较器输出负的饱和电压值；当输出的是正的饱和电压时，报警器报警。本发明实现对机械设备在平面上的振动位移进行实时而准确的监测。
Description
技术领域
本发明所属领域为振动检测领域，涉及一种检测单一方向振动的振动检测方法。
背景技术
振动是工程界中常见的现象，振动不仅影响仪器设备的功能，降低机械设备的工作精度，而且加剧装置的磨损，引起结构疲劳损坏。60％以上的设备都是采用振动检测的方法来进行设备的状态检测及故障诊断等，而机械设备的故障70％以上都可以由振动表现出来，因而对于振动状况监测是很有必要的。目前常用的测振技术主要有光学干涉测振技术，时间计数测振技术，多普勒测振技术等，而以上方法由于客观原因的限制，不能对机架平面进行便利而准确的测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种检测单一方向振动的振动检测方法，利用电容式传感器构成的液位测量传感器系统，实现对振动量的测量，进而实现对机械设备在平面上的振动位移进行实时而准确的监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种检测单一方向振动的振动检测方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一：振动源与振动传递装置相连，振动传递装置将检测到振动经由振动放大装置传递至振动量-电容信号转换装置，振动量-电容信号转换装置检测由振动源振动引起的液位玻璃管中的液位变化，并将该变化量以电容的的形式输出，电容大小为：
将刚开始测量时对应的液位高度H设置为参考位置，式中，ε0为电容内空气的等效介电常数，ε为电容内液体的等效介电常数；L为液位最大高度；R1为不锈钢管半径；R0为绝缘导线半径，Δx为振动量，s为液体包的横截面积，s1为液位玻璃管的横截面积；步骤二：将步骤一中的液位传感器接到电容-电压信号转换装置，该信号转换装置将电容值转换成电压信号，电压信号为：
式中，CX＝C”H，Cx为传感器电容，C0为固定的标准电容，U为第一运算放大器所接收的信号源电压，U0为第一运算放大器输出电压；
步骤三：将步骤二中的电压信号接入一个放大运算电路，该放大运算电路为第二运算放大器，将U0等比例地放大；
步骤四：再将步骤三中的放大信号接一个反相器，得到正的较大的易于观察的电压；
步骤五：振动幅度监测的报警模块是从单相桥式整流电路中接出，再与一个电压比较器相连，将反相过的电信号接入显示屏，显示屏显示振动源的振动情况；同时将反相过的电信号接到单相桥式整流电路中，使该信号全都处于坐标的上半轴；
步骤六：将步骤五中的整流信号输入电压比较器的正相，当该信号大于比较信号时，比较器输出正的饱和电压值，当整流信号小于比较信号时，比较器输出负的饱和电压值；当输出的是正的饱和电压时，报警器报警。
进一步的，所述步骤一中振动传递装置移动时，振动量为Δx，振动传递装置将该形变量传递至振动放大装置的液体包，设该液体包的横截面积为s，液体包的形变导致液柱的升降h，液位玻璃管的横截面积为s1，则可以得到Δx与h的关系式为：
振动传递装置移动压迫液体包内的液体进入液位玻璃管，液位玻璃管内的液面升高，同时也导致设置于液位玻璃管内的振动量-电容信号转换装置电容间隙内的液位变化，当振动测量时，液位玻璃管内的液位为H，不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容CH，其电容量为：
当可振动源振动时，不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容C'H：
对应振动量Δx，电容C”H为：
进一步的，所述步骤三中，所述第二运算放大器为比例运算放大器，放大公式为：
接入第二运算放大器后的放大倍数为倍，式中，Rf和R2均为第二运算放大器的反馈电阻。
进一步的，所述比较信号为电压信号，所述比较信号的大小为许用振动量对应的电压。
进一步的，振动检测方法所用的振动检测系统包括振动传递装置、振动放大装置、振动量-电容信号转换装置、电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块、对振动幅度监测的报警模块和电源模块；
所述振动传递装置包括支撑盘、长直连杆、弹簧、导向盘和推盘，所述的支撑盘与振动源连接，所述长直连杆的两端分别连接所述支撑盘和所述推盘，所述长直连杆上还套设导向盘，导向盘与长直连杆、支撑盘、推盘组成一个移动副；所述弹簧套设于所述长直连杆外侧，所述弹簧的两端分别连接所述支撑盘和所述导向盘；
所述振动放大装置包括液体、液体包、液位玻璃管和橡胶软管，所述液体存放于所述液体包的内部，所述液体包安装在振动传递装置中的所述推盘下方，所述液体包与所述液位玻璃管通过所述橡胶软管连接，所述液位玻璃管沿竖直方向设置；
所述振动量-电容信号转换装置包括不锈钢管、绝缘导线和第一运算放大器，所述绝缘导线沿不锈钢管的中轴线设置，所述不锈钢管与所述绝缘导线之间留有电容间隙；所述振动量-电容信号转换装置还依次连接电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块，所述电容-电压信号转换放大装置还连接所述报警模块。
进一步的，所述电容-电压信号转换放大装置包括第二运算放大器和反相器，所述第二运算放大器连接所述第一运算放大器的输出端，所述反相器连接报警模块。
进一步的，所述反相器和所述报警模块之间还连接电压比较器。
进一步的，所述液压包的端面面积与推盘的端面面积大小相等。
进一步的，所述导向盘上预留通孔，长直连杆设置于所述通孔的内部，通孔的孔壁上还设有沿长直连杆中心轴线方向设置的气孔。
本发明的有益效果为：
1、本发明是针对机械或机械零件振动的检测方法，更加精确检测振动对机械设备造成的影响，保证了机械能够更好、更高效的进行工作，即是在机械设备或零件工作时，时刻监测机械振动对其造成的影响，如果产生较大影响，将通过显示屏或者报警系统直观地立即反馈给相关人员；
2、该振动检测方法所使用的振动检测系统的结构简单，携带方便，易于改进和改装，因此可以运用于大多数的机械零件和机械设施；
3、能够更直观地观察数据变化，不需要操作人员后期的数据处理，使整个测量过程更加的高效率，更加的便捷，本发明减少了人力、物力、以及资源的浪费，能够给企业、个人带来巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作原理图；
图3为不锈钢管与液位玻璃管的配合图；
图4为不锈钢管和绝缘导线的配合图。
其中，图中各标号为：1、支撑盘，2、长直连杆，3、导向盘，4、推盘，5、液体包，6、橡胶软管，7、液位玻璃管，8、气孔，9、弹簧，10、不锈钢管。
具体实施方式
为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进项阐述。
本案将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得熟悉本技艺之人士可以据以完成，然本案之实施例并非可由下列而被限制其实施形态。
振动检测方法所用的振动检测系统包括振动传递装置、振动放大装置、振动量-电容信号转换装置、电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块、对振动幅度监测的报警模块和电源模块；该振动检测方法所使用的振动检测系统的结构简单，携带方便，易于改进和改装，因此可以运用于大多数机械零件和机械设施。
电源模块对整个振动检测系统进行供电，振动传递装置包括支撑盘1、长直连杆2、弹簧9、导向盘3和推盘4，支撑盘1与振动源连接，长直连杆2的两端分别连接支撑盘1和推盘4，长直连杆2上还套设导向盘3，导向盘3与长直连杆2、支撑盘1、推盘4组成一个移动副；弹簧9套设于长直连杆2外侧，弹簧9的两端分别连接支撑盘1和导向盘3。
振动放大装置包括液体包5、液位玻璃管7和橡胶软管6，液体包5安装在振动传递装置中的推盘4下方，液体包5与液位玻璃管7通过橡胶软管6连接，液位玻璃管7沿竖直方向设置；通过液位玻璃管7的放大作用使处理器更加容易捕捉到液体包5的内部压强变化。
振动量-电容信号转换装置包括不锈钢管10、绝缘导线和第一运算放大器，绝缘导线沿不锈钢管10的中轴线设置，不锈钢管10与绝缘导线之间留有电容间隙，振动量-电容信号转换装置还依次连接电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块，电容-电压信号转换放大装置包括第二运算放大器和反相器，所述第二运算放大器连接所述第一运算放大器的输出端，所述反相器连接报警模块，反相器和所述报警模块之间还连接电压比较器。
振动量由振动传递装置测量并使振动传递装置产生位移，产生的位移挤压振动放大装置的液体包；振动放大装置内存有惰性电解质溶液，惰性电解质溶液在振动放大装置的压力作用下流入液位玻璃管，使液位玻璃管内的液位发生变化，液位玻璃管内的液位变化由振动量-电容信号转换装置测量；使用LCD显示屏显示数据与图像，能够更直观地观察有振动转换的电压信号数据变化，不需要操作人员后期的数据处理，使整个测量过程更加的高效率，更加的便捷，本发明减少了人力、物力、以及资源的浪费，能够给企业、个人带来巨大的经济效益。
将该振动检测系统安装于待测机械零件或机械设施上，与振动源相连的支撑盘1检测到振动时，支撑盘1通过长直连杆2推动推盘4向下运动，挤压推盘4下方的液体包5，液体包5体积减小，液体包5内的液体在压力作用下经由橡胶软管6进入液位玻璃管7中，使与液体包5连接的液位玻璃管7中的液柱高度也发生变化，而这一变化将被述振动量-电容信号转换装置捕捉到。
振动量-电容信号转换装置主要包括绝缘导线和套设在绝缘导线外的不锈钢管10等，振动量-电容信号转换装置主要利用两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量的变化的关系进行液位测量。液柱的高度不断变化引起容器内气体的等效介电常数ε发生变化，从而引起电容变化。而且由于使用环境的复杂性，要保证液位玻璃管一定的密闭性，防止在检测过程中外界的物质进入玻璃管中，污染玻璃管中的液体，产生检测误差。
设置在液位玻璃管7中的振动量-电容信号转换装置检测由振动源振动引起的液位玻璃管中的液位变化，设振动量为Δx，长直连杆2将该形变量传递至液体包5。设该液体包5的横截面积为s，液体包5的形变导致液柱的升降h，液位玻璃管7的横截面积为s1，则可以得到Δx与h的关系式为：
振动量-电容信号转换装置包括测量液位的液位测量传感器，所述的液位测量传感器主要由导线、不锈钢管10等组成，其实质是一个圆柱形的电容传感器，传感器主要利用两电极的覆盖面积随液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量的变化的关系进行液位测量。当振动测量时，液位玻璃管7内的液位为H，不锈钢管10与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容CH，其电容量为：
式中，CH为电容量，单位为F；ε0为电容内空气的等效介电常数，ε为电容内液体的等效介电常数，单位为F/m；L为液位最大高度；R1为不锈钢管10半径；R0为绝缘导线半径，单位为m。
当可振动源振动时，不锈钢管10与同轴绝缘电线之间存在电容C'H：
那么，对应振动量Δx，电容C”H为：
所述的电容-电压信号转换放大装置包括传感器电容Cx和固定的标准电容C0以及运算放大器等装置，虽然平行板电容采用两路输出电容值的形式，但两路电容电压转换形式相同，再经过运算放大器将信号放大，其中信号源电压为U，输出电压为U0，可以得出公式：
上述的将电信号放大的信号放大装置的存在是由于电容值转化为电压值是一个极小的值，太小的情况下不易测量，所以要对转化的电压信号进行放大滤波，而这需要采用最基本的比例运算放大电路，要将极小值的电压进行放大，可根据公式然后在后面再加一个反相器，把第一个运放得到的电压反相成正的，即可得到正的较大的易于观察的电压。
上述的显示电信号的显示器模块采用动态显示控制方式，通过对显示接口电路的综合分析，将振动引起的电压变化以曲线的形式表现在显示屏上。
而所述的对振动幅度监测的报警模块是从单相桥式整流电路中接出，再与一个电压比较器相连。单相桥式镇流电路将显示在显示屏中的处于坐标零线下方的负值电信号翻转为相等的正值电信号。电压比较器的正相接反向器输出的电压，负相接一个比较电压，该比较电压为许用振动量对应的电压，电压比较器的输出端接报警系统。根据电压比较器的特性，当正向电压大于负相电压时输出正的饱和电压值，当正向电压小于负相电压时，输出负的饱和电压值，只有当输出的饱和电压值为正时，才能使报警系统工作。本发明是针对机械或机械零件振动的检测方法，更加精确检测振动对机械设备造成的影响，保证了机械能够更好、更高效的进行工作，即是在机械设备或零件工作时，时刻监测机械振动对其造成的影响，如果产生较大影响，将通过显示屏或者报警系统直观地立即反馈给相关人员。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种检测单一方向振动的振动检测方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一：振动源与振动传递装置相连，振动传递装置将检测到振动经由振动放大装置传递至振动量-电容信号转换装置，振动量-电容信号转换装置检测由振动源振动引起的液位玻璃管中的液位变化，并将该变化量以电容的的形式输出，电容大小为：
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将刚开始测量时对应的液位高度H设置为参考位置，式中，ε0为电容内空气的等效介电常数，ε为电容内液体的等效介电常数；L为液位最大高度；R1为不锈钢管半径；R0为绝缘导线半径，Δx为振动量，s为液体包的横截面积，s1为液位玻璃管的横截面积；
步骤二：将步骤一中的液位传感器接到电容-电压信号转换装置，该信号转换装置将电容值转换成电压信号，电压信号为：
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<mi>U</mi>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，CX＝C”H，Cx为传感器电容，C0为固定的标准电容，U为第一运算放大器所接收的信号源电压，U0为第一运算放大器输出电压；
步骤三：将步骤二中的电压信号接入一个放大运算电路，该放大运算电路为第二运算放大器，将U0等比例地放大；
步骤四：再将步骤三中的放大信号接一个反相器，得到正的较大的易于观察的电压；
步骤五：振动幅度监测的报警模块是从单相桥式整流电路中接出，再与一个电压比较器相连，将反相过的电信号接入显示屏，显示屏显示振动源的振动情况；同时将反相过的电信号接到单相桥式整流电路中，使该信号全都处于坐标的上半轴；
步骤六：将步骤五中的整流信号输入电压比较器的正相，当该信号大于比较信号时，比较器输出正的饱和电压值，当整流信号小于比较信号时，比较器输出负的饱和电压值；当输出的是正的饱和电压时，报警器报警。
2.根据权利要求1所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法，其特征在于：所述步骤一中振动传递装置移动时，振动量为Δx，振动传递装置将该形变量传递至振动放大装置的液体包，设该液体包的横截面积为s，液体包的形变导致液柱的升降h，液位玻璃管的横截面积为s1，则可以得到Δx与h的关系式为：
<mrow>
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<mi>&Delta;</mi>
<mi>x</mi>
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</mrow>
振动传递装置移动压迫液体包内的液体进入液位玻璃管，液位玻璃管内的液面升高，同时也导致设置于液位玻璃管内的振动量-电容信号转换装置电容间隙内的液位变化，当振动测量时，液位玻璃管内的液位为H，不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容CH，其电容量为：
<mrow>
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<mi>C</mi>
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当可振动源振动时，不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容C'H：
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对应振动量Δx，电容C”H为：
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3.根据权利要求1所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法，其特征在于：所述步骤三中，所述第二运算放大器为比例运算放大器，放大公式为：
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<msub>
<mi>U</mi>
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</msub>
<mo>,</mo>
</mrow>
接入第二运算放大器后的放大倍数为倍，式中，Rf和R2均为第二运算放大器的反馈电阻。
4.根据权利要求1所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法，其特征在于：所述比较信号为电压信号，所述比较信号的大小为许用振动量对应的电压。
5.一种根据权利要求1所述的检测单一方向振动的振动检测方法的检测系统，其特征在于：振动检测方法所用的振动检测系统包括振动传递装置、振动放大装置、振动量-电容信号转换装置、电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块、对振动幅度监测的报警模块和电源模块；
所述振动传递装置包括支撑盘、长直连杆、弹簧、导向盘和推盘，所述的支撑盘与振动源连接，所述长直连杆的两端分别连接所述支撑盘和所述推盘，所述长直连杆上还套设导向盘，导向盘与长直连杆、支撑盘、推盘组成一个移动副；所述弹簧套设于所述长直连杆外侧，所述弹簧的两端分别连接所述支撑盘和所述导向盘；
所述振动放大装置包括液体、液体包、液位玻璃管和橡胶软管，所述液体存放于所述液体包的内部，所述液体包安装在振动传递装置中的所述推盘下方，所述液体包与所述液位玻璃管通过所述橡胶软管连接，所述液位玻璃管沿竖直方向设置；
所述振动量-电容信号转换装置包括不锈钢管、绝缘导线和第一运算放大器，所述绝缘导线沿不锈钢管的中轴线设置，所述不锈钢管与所述绝缘导线之间留有电容间隙；所述振动量-电容信号转换装置还依次连接电容-电压信号转换放大装置、显示电信号的显示器模块，所述电容-电压信号转换放大装置还连接所述报警模块。
6.根据权利要求5所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法的检测系统，其特征在于：所述电容-电压信号转换放大装置包括第二运算放大器和反相器，所述第二运算放大器连接所述第一运算放大器的输出端，所述反相器连接报警模块。
7.根据权利要求6所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法的检测系统，其特征在于：所述反相器和所述报警模块之间还连接电压比较器。
8.根据权利要求5所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法的检测系统，其特征在于：所述液压包的端面面积与推盘的端面面积大小相等。
9.根据权利要求5所述的一种检测单一方向振动的振动检测方法的检测系统，其特征在于：所述导向盘上预留通孔，长直连杆设置于所述通孔的内部，通孔的孔壁上还设有沿长直连杆中心轴线方向设置的气孔。
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