如何减少环境振动对于振动传感器的影响?

一、 从源头和路径上控制(最有效的方法)

这是最直接且有效的方法,即在干扰振动到达传感器之前就将其消除或减弱。

  1. 远离振源

    • 在安装传感器时,首先进行现场调查,识别主要的环境振源(如交通、机械设备、通风系统、人员走动等)。

    • 尽可能将测量点设置在远离这些振源的位置。距离的增加会显著衰减振动强度。

  2. 选择最佳安装时间

    • 如果条件允许,在环境振动最弱的时候进行测量。例如,在工厂停产期间、夜间交通稀少时进行数据采集。

  3. 使用隔振装置

    • 这是最常用的物理方法。在传感器和安装基础之间加入隔振材料或装置,以阻断环境振动能量的传递。

    • 隔振垫:橡胶、软木、海绵等材料,适用于隔离高频振动。

    • 隔振平台/光学平台:对于实验室或极其精密的测量,使用大型隔振平台,其内部通常包含气垫或高性能隔振材料,能有效隔离地面传来的振动。

    • 惯性块:将传感器安装在一个质量很大的重块上,再利用隔振材料将重块与基础隔离。大的质量惯性有助于保持传感器本身的稳定,对低频隔离尤其有效。

二、 优化传感器安装和方法

正确的安装方式可以最大限度地发挥传感器性能并减少不必要的干扰。

  1. 确保安装刚性

    • 对于高频振动测量,安装的刚性至关重要。使用钢制螺栓、粘合剂或磁力座(安装在钢制表面)等硬性连接方式,确保传感器与被测物紧密连接。松散的安装会形成一个额外的“弹簧-质量”系统,产生共振,严重扭曲测量结果。

    • 注意:刚性安装主要保证测量精度,但本身不隔离环境振动。

  2. 选择合适的传感器

    • 灵敏度:在高振动环境中,选择较低灵敏度的传感器可能更合适,以避免输出信号饱和。

    • 类型

      • ICP/IEPE型加速度传感器:内置放大器,抗干扰能力强,适合长电缆传输,是最通用的选择。

      • 差分输出传感器:对电磁干扰(EMI)有更好的抑制能力,在工业电磁环境复杂的场合表现更好。

    • 频率范围:选择其频率范围能够覆盖您关心的信号频率,但同时又能排除主要环境振动频率的传感器。

  3. 调整传感器取向

    • 环境振动的主要方向可能与您要测量的目标振动方向不同。例如,如果目标振动是垂直方向的,而主要环境振动是水平的,那么将传感器垂直安装可以在一定程度上减少水平干扰。

三、 信号处理和后处理(当物理方法无法完全消除时)

当物理隔离无法完全解决问题时,需要通过电学和数学方法进一步提取有用信号。

  1. 滤波

    • 硬件滤波器:在数据采集器或传感器与采集卡之间使用模拟滤波器(如低通、高通或带通滤波器),直接滤除频带外的噪声。

      • 低通滤波:如果目标信号是低频的,而环境噪声是高频的,设置一个截止频率合适的低通滤波器非常有效。

      • 高通滤波:反之,如果目标信号是高频的(如齿轮啮合冲击),而环境噪声是低频的(如机器整体晃动)。

      • 带通滤波:只保留您关心的特定频率范围。

    • 数字滤波:采集数据后,使用软件(如MATLAB, Python)进行数字滤波处理,灵活性更高。

  2. 频域分析

    • 环境振动通常具有特定的频率成分(如50/60Hz的电源干扰、特定转速的设备基频)。通过傅里叶变换(FFT) 将信号从时域转换到频域,可以清晰地看到哪些频率成分是环境噪声,哪些是目标信号。然后可以通过“频域编辑”或“陷波滤波”来专门消除这些特定的噪声频率线。

  3. 平均技术

    • 时域平均:如果目标信号是周期性的(如旋转机械每转一次的振动),而环境噪声是随机的,可以通过多次采集并对齐周期进行平均。周期性信号会在平均中增强,而随机噪声会相互抵消而减弱。

    • 频域平均:对多次测量的频谱进行平均,可以平滑掉随机的噪声尖峰,使稳定的频率成分更加突出。


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