圖1：如果結(jié)構(gòu)的固有頻率與環(huán)境振動(dòng)相匹配，結(jié)構(gòu)就可能失效

振動(dòng)是關(guān)于機(jī)器或組件偏離平衡位置的運(yùn)動(dòng)或機(jī)械振蕩。它可以是周期性的，比如鐘擺的運(yùn)動(dòng)，也可以是隨機(jī)的，例如輪胎在礫石路面上的運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)可以用公制單位(m/s²)或重力常數(shù)單位“g”來表示，其中1 g= 9.81 m/s²。物體的振動(dòng)方式有兩種：自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。

 當(dāng)物體或結(jié)構(gòu)發(fā)生移位或受到?jīng)_擊，會自然地振蕩，這就是自由振動(dòng)。例如，當(dāng)我們敲打一個(gè)音叉時(shí)，音叉會響起來，但聲音會漸漸減弱直至消失。固有頻率經(jīng)常是指結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊或發(fā)生移位時(shí)“希望”振蕩的頻率。共振是指系統(tǒng)在特定頻率下的振蕩比其他頻率更劇烈。在物體的固有頻率或接近物體的固有頻率下發(fā)生受迫振動(dòng)會使物體內(nèi)部積累能量。即使一開始的受迫振動(dòng)幅度非常小，隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)也可能相當(dāng)劇烈。如果物體的固有頻率與正常環(huán)境振動(dòng)頻率相等，那么物體的振動(dòng)會更劇烈，但也更快停止。

受迫振動(dòng)是指結(jié)構(gòu)由于施加變化的力而發(fā)生振動(dòng)的情況。旋轉(zhuǎn)或交替運(yùn)動(dòng)可以強(qiáng)迫物體以非固有頻率振動(dòng)。一個(gè)例子是洗衣機(jī)的失衡，在該情況下，洗衣機(jī)甩動(dòng)的頻率等于旋轉(zhuǎn)柵門的旋轉(zhuǎn)頻率。在狀態(tài)監(jiān)測中，振動(dòng)測量用于指示壓縮機(jī)、渦輪機(jī)或泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀況。這些機(jī)器包含各種部件，并且每個(gè)部件都有各自獨(dú)特的振動(dòng)模式或特征。通過在一段時(shí)間內(nèi)記錄不同振動(dòng)特征的趨勢，您將可以預(yù)測機(jī)器何時(shí)會發(fā)生故障，并妥善安排維護(hù)作業(yè)，從而提高安全性，并降低維護(hù)成本。

圖2：加速度計(jì)是用于高頻或低頻振動(dòng)以及沖擊測量的通用傳感器

加速度計(jì)有兩種常見類型：壓電（充電式）加速度計(jì)和集成電子壓電(IEPE)加速度計(jì)。

加速度計(jì)屬于全面接觸式換能器，通常直接安裝在高頻元件上，例如滾動(dòng)軸承、變速箱或旋轉(zhuǎn)葉片。這些多功能傳感器也可在沖擊測量（爆炸和故障測試）以及較慢的低頻振動(dòng)測量中使用。加速度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括在很寬的頻率范圍和較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有線性度。

充電式加速度計(jì)需要一個(gè)外部放大器或內(nèi)嵌充電用轉(zhuǎn)換器來放大所產(chǎn)生的電荷，降低輸出阻抗以便與測量設(shè)備兼容，以及充分降低對外部噪聲源和串?dāng)_的敏感性。

IEPE加速度計(jì)具有內(nèi)置的電荷靈敏放大器。該放大器需使用穩(wěn)定的電流源，阻抗隨壓電晶體電荷的變化而變化。這些類型的加速度計(jì)的測量硬件為放大器提供了內(nèi)置電流激勵(lì)。當(dāng)加速度計(jì)的輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，可以測量阻抗的變化。

另一種可以用于測量振動(dòng)的傳感器是趨近式探頭。加速度計(jì)是通過測量加速度來確定振動(dòng)大小，而接近式探頭則屬于非接觸式換能器，測量的是與目標(biāo)的距離。這些傳感器幾乎專門用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸振動(dòng)。一個(gè)常見的應(yīng)用是機(jī)械系統(tǒng)（如渦輪機(jī)）的機(jī)器監(jiān)測和保護(hù)測量。由于這類機(jī)械系統(tǒng)采用柔性流體薄膜軸承和重殼體，振動(dòng)無法很好地傳送到外殼，因此通常使用接近式探頭代替加速度計(jì)來直接測量軸的運(yùn)動(dòng)。

圖4：加速度計(jì)具有廣泛的可用頻率范圍，靈敏度相對平坦

靈敏度是加速度計(jì)的最重要參數(shù)之一。它描述的是在參考頻率下（如160 Hz）振動(dòng)和電壓之間的轉(zhuǎn)換。靈敏度的單位是mV/G。典型的加速度計(jì)靈敏度為100 mV/G，這意味著如果測量的是10 G信號，輸出將為1,000 mV或1 V。確切的靈敏度由校準(zhǔn)決定，這個(gè)參數(shù)通常在傳感器隨附的校準(zhǔn)證書中列出。靈敏度也依賴于頻率。如果要確定靈敏度如何隨頻率變化，就需要在整個(gè)可用頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全面校準(zhǔn)。圖4顯示了加速度計(jì)的典型頻率響應(yīng)特性。一般情況下，我們使用低靈敏度加速度計(jì)來測量高振幅信號，使用高靈敏度加速度計(jì)來測量低振幅信號。

軸數(shù)量

加速度計(jì)有兩種軸類型。最常見的加速度計(jì)僅測量沿單軸的加速度。通常，此類加速度計(jì)用于測量機(jī)械振動(dòng)的幅度。另一類加速度計(jì)為三軸加速度計(jì)。此類加速度計(jì)可通過正交組件創(chuàng)建加速度的三維向量。此類加速度計(jì)通常用于確定振動(dòng)的類型，如側(cè)向、橫向或是旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。

重量

加速度計(jì)的重量應(yīng)該比所監(jiān)測的結(jié)構(gòu)小許多。在結(jié)構(gòu)上增加質(zhì)量塊會改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)和分析不準(zhǔn)確。加速度計(jì)的重量通常應(yīng)不超過測試結(jié)構(gòu)重量的10％。

安裝方法

振動(dòng)測量系統(tǒng)的另一個(gè)考量因素是如何將加速度計(jì)安裝到目標(biāo)表面。有四種典型的安裝方式可供選擇：

1）手持式或探頭尖端

2）磁式

3）粘接式

4）螺柱安裝式

螺柱安裝是迄今為止最好的安裝技術(shù)，但需要在目標(biāo)材料上鉆孔，通常適用于永久性傳感器安裝。其他方法主要用于臨時(shí)安裝。每種安裝方法都會影響加速度計(jì)的可測量頻率。一般而言，連接越松，可測量頻率范圍越小。在加速度計(jì)中添加任何質(zhì)量塊，如粘接式或磁式安裝基座，都會降低諧振頻率，這可能會影響精度和加速度計(jì)可用頻率范圍。查看加速度計(jì)規(guī)格，以確定不同安裝方法如何影響頻率測量范圍。表1顯示了100 mV/G加速度計(jì)的典型頻率范圍。

表1：安裝100 mV/G加速度計(jì)的頻率范圍

環(huán)境約束

選擇加速度計(jì)時(shí)，需要注意重要的環(huán)境參數(shù)，如最高工作溫度、有害化學(xué)物質(zhì)接觸和濕度。得益于堅(jiān)固、可靠的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)加速度計(jì)可適用于危險(xiǎn)的環(huán)境。如需額外的保護(hù)，不銹鋼制成的工業(yè)加速度計(jì)可以防止傳感器生銹和受到化學(xué)腐蝕。

如果系統(tǒng)必須在極端溫度下工作，則需要使用充電式加速度計(jì)。由于這些加速度計(jì)不包含內(nèi)置電子器件，工作溫度僅取決于結(jié)構(gòu)所使用的感測元件和材料。然而，由于它們不具有內(nèi)置的調(diào)理和電荷放大功能，充電式加速度計(jì)對環(huán)境干擾非常敏感，需要低噪聲線纜。如果環(huán)境非常嘈雜，則應(yīng)使用具有內(nèi)置電荷放大器的內(nèi)嵌充電轉(zhuǎn)換器或IEPE傳感器。

濕度規(guī)格由加速度計(jì)的密封類型決定。常見的密封包括密封膠密封、環(huán)氧樹脂密封和環(huán)境密封。這些密封大多數(shù)可以承受高濕度的環(huán)境，但是密封膠密封建議用于液體浸泡和長時(shí)間暴露在過度潮濕環(huán)境的情況。

成本

雖然充電式和IEPE加速度計(jì)的成本差不多，但是對于大型多通道系統(tǒng)，IEPE加速度計(jì)的成本要低得多，因?yàn)樗鼈儾灰髮Ｓ玫牡驮刖€纜和電荷放大器。此外，由于IEPE加速度計(jì)的操作和維護(hù)要簡單得多，因而更易于使用。