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加速度传感器和位移
2010-12-23 14:05
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**加速度传感器采集的加速度值有没有必要转换为位移量**
加速度信号转换为位移量可以通过两种方法：时域积分和频域积分。在时域中积分，方法简单，但由于测试上原因，所测得的加速度信号均值不为零，经二次积分后，位移振幅值将产生严重偏移趋势项，极大影响测量的准确程度。理论上加速度在时域上进行两次积分可以得到位移，但实际的结果却不一定如想象中的那么理想。我曾经将测得的加速度经过两次积分后想获得速度，但积分的结果却与现实有很大的偏差(如图1)。经分析并请教高手后个人认为用加速度在时域上进行积分获得位移存在以下问题：
1、测试获得的加速度中存在很多成分，在进行积分前必须对信号进行处理，否则积分的结果肯定会出现问题；
2、无论是硬件积分还是软件积分均存在低频放大高频截止的特性。在用加速度进行二次积分得到位移的过程中因存在误差放大，积分结果误差较大。建议不进行二次积分。
3、如果真的可以用加速度进行积分可以获得速度和加速度的话，那厂家也就不需要再花昂贵的代价去生产速度及位移传感器。
从现场采集的信号，比如加速度信号，实质上是连续信号，是不定积分的范畴。而目前很多积分算法，都是定积分的算法，当然积分出来的结果不理想了！积分中，特别对于信号中的低频，是很难积分的，因为积分一下，就要出现一个转频，还是在分母上，频率很低时，其倒数接近无穷大。如何很好处理低频，是积分的关键。有人会想到滤波，那就要涉及滤波器的设计了，选择什么样的滤波器，把那些频率滤掉，是一个很关键的问题，只要有滤波，就预示着原信号的能量被滤掉一部分，直接影响到积分后的振动幅值的大小，如果再滤波滤的不太合理的话，那误差就更大，失去了积分的意义了！
积分低频问题有两种，一种是所谓的零位，这一般是由仪器或传感器产生的，真实振动不会有直流成分，所以积分前可以将直流成分去掉（去均值），还有一种我称为趋势项，这个也不是振动信号，主要是由传感器或仪器的温漂或零漂引起的，用一般方法很难去掉，当然也不是完全没办法，可用EMD分解求得趋势项然后去掉，这个又比较麻烦，所以最快捷有效的方法还是高通滤波，设计尽可能好的滤波器，截止频率尽可能低以减少能量损失，衰减尽可能陡，一般能满足工程要求，当然如果考虑相位的话，就要选择零相位或线性相位滤波了。至于频域积分，主要是丢失了相位信息，其实对于旋转机械信号来说，两者差别并不是很大，都可以接受，相位除外。
第二，频域积分。频域积分据说相对稳定一些，不过存在相位误差的问题。

图1：某加速度传感器采集到得数据及经过1次积分和2次积分后得到的波形图
**位移传感器、速度传感器和加速度传感器的区别**
1，按频率范围分，可以分为低频振动：f<10Hz   中频振动：f=10~1000Hz   高频振动：f>1000Hz
2，振动位移具体地反映了间隙的大小，振动速度反映了能量的大小，振动加速度反映了冲击力的大小。也可以认为，在低频范围内，振动强度与位移成正比；在中频范围内，振动强度与速度成正比；在高频范围内，振动强度与加速度成正比。正是由于上述原因，在工厂的实际应用中，在通常情况下，大机组转子的振动用振动位移的峰峰值[μm]表示，用装在轴承上的非接触式电涡流位移传感器来测量转子轴颈的振动；大机组轴承箱及缸体、中小型机泵的振动用振动速度的有效值[mm/s]表示，用装在机器壳体上的磁电式速度传感器或压电式加速度传感器来测量；齿轮的振动用振动加速度的单峰值[g]表示，用加速度传感器来测量。
需要说明的是，三种传感器得到的时域波形的峰值位置是不同的，因为峰值在三种传感器中所表示的物理意义不一样。就加速度传感器而言，其峰值反映了该点具有最大间隙；就速度传感器而言，其峰值反映了该点具有最大能量；就加速度传感器而言，其峰值反映了该点具有最大的冲击力。