信號解讀入門——讓振動數據“開口說話”

大家好，我是力準傳感的張工。傳感器裝好了，信號也接到了采集設備上，屏幕上跳動著各種波形——但，這些“波浪線”到底在說什么？今天，我就帶大家進入信號解讀的世界，讓數據開口說話。

從“天書”到“故事書”

記得我入行第一年，看著頻譜圖上那些尖峰，完全不知所云。導師對我說：“每個峰值都是一個故障在敲門，你要學會聽。”現在，我想把這種“聽”的能力教給大家。

第一步：認識時域波形——最原始的語言

時域波形就是加速度隨時間變化的曲線，最直觀，也最“誠實”。

看懂波形圖的四個特征：

1. 振幅——振動有多大？

• 峰值（Peak）：最大瞬時值
• 峰峰值（Peak-Peak）：正負最大差值
• 有效值（RMS）：等效能量值，最重要！

關鍵點：RMS值最能反映振動能量。比如一個沖擊信號峰值很高但RMS很低，危害可能不如持續的中等振動。

2. 頻率——振動有多快？
直接看不出來？教你個竅門：數一秒內的波峰數。但只適用于簡單周期信號。

3. 波形形狀——隱藏著故障類型

• 正弦波：平衡不良、不對中
• 沖擊波：軸承損壞、齒輪斷齒
• 隨機波：流體湍流、摩擦
• 調制波：松動、調制故障

現場小技巧：打印一段波形，用筆描出包絡線，形狀特征會更明顯。

4. 趨勢——正在變好還是變壞？
連續記錄幾小時、幾天，看振幅是否增長。增長率比絕對值更重要！

第二步：進入頻域——故障的“指紋庫”

如果說時域是“聽聲音”，頻域就是“分聲部”。傅里葉變換是翻譯官。

頻譜圖上的關鍵信息：

1. 特征頻率計算
這是基本功！記下這幾個公式：

• 轉頻（RPM/60）：設備旋轉頻率
• 軸承故障頻率：查軸承型號手冊
• 齒輪嚙合頻率：齒數×轉頻
• 葉片通過頻率：葉片數×轉頻

我的經驗：把常用設備的特征頻率做成表格，手機存一份，現場隨時查。

2. 頻譜峰值的“三層解讀法”

第一層：位置識別

• 1×轉頻：不平衡
• 2×轉頻：不對中
• 高頻寬帶：潤滑不良、摩擦

第二層：幅值評估

• 絕對值：參考ISO振動標準
• 相對值：與歷史數據比較，增長量>20%要預警

第三層：形態分析

• 孤立峰值：單一故障
• 諧波族（1×,2×,3×）：松動
• 邊頻帶：調制故障

案例：某風機頻譜在轉頻處有高峰，二倍頻也很明顯。判斷：不平衡+不對中。檢修后，轉頻峰值下降70%，二倍頻消失。

第三步：特征值提取——數據的“精華版”

實時處理大量數據時，我們需要幾個關鍵數字。

必須監控的四個特征值：

1. 振動烈度（Velocity RMS）

• 國際通用評價指標
• 頻率范圍10-1000Hz
• 對應ISO 10816標準

2. 峰值指標（Crest Factor）

• 峰值/RMS
• 正常：3-5

• 5：可能有沖擊故障

• ??：可能潤滑過度

3. 峭度（Kurtosis）

• 對沖擊特別敏感
• 正態分布時=3

• 3.5：開始有沖擊

• 4：明顯故障

4. 包絡解調值

• 專門檢測軸承、齒輪早期故障
• 能發現微小的沖擊

實用建議：在線監測系統至少要包含烈度和峭度兩個指標。

第四步：多傳感器關聯分析——從點到面

單個傳感器只能講局部故事，多個傳感器才能拼出全景圖。

三種關聯方法：

1. 相位分析
兩個傳感器信號的時間差。用于：

• 確定不平衡位置
• 判斷彎曲方向
• 識別結構模態

2. 相干分析
判斷兩個信號的相關程度。比如：

• 電機振動與風機振動的相干性
• 判斷振動傳遞路徑

3. 傳遞函數分析
輸入與輸出的關系。用于：

• 識別共振頻率
• 評估結構剛度變化

第五步：建立基線——健康的“體檢報告”

沒有基線，所有數據都是孤島。

如何建立有效基線：

1. 時機選擇

• 設備大修后
• 確認健康狀態下
• 涵蓋主要工況（不同負荷、轉速）

2. 內容記錄

• 時域波形（各測點）
• 頻譜圖（全頻段）
• 特征值表格
• 工況參數（負荷、溫度等）

3. 更新機制

• 每次檢修后更新
• 發現漂移時更新（季節變化）
• 至少每年復核

我們的做法：為客戶建立“振動指紋庫”，每次測量自動對比基線。

實戰演練：水泵故障診斷全流程

現場情況：

• 55kW離心水泵，轉速2950rpm
• 操作工反映聲音異常

診斷步驟：

第一步：時域初步分析

• 波形：明顯周期性沖擊，間隔0.02秒（對應50Hz）
• 峰值指標：6.8（偏高）
• 初步判斷：可能有軸承故障

第二步：頻譜精細診斷

• 發現149Hz的明顯峰值（計算為軸承外圈故障頻率）
• 伴有轉頻（49.2Hz）的邊頻帶
• 診斷：軸承外圈損傷+輕微不平衡

第三步：趨勢確認

• 對比上月數據：149Hz幅值增長300%
• 峭度從3.2上升到4.5
• 確認故障在發展

第四步：維修驗證

• 拆檢發現軸承外圈確有點蝕
• 更換后測量：149Hz峰值消失
• 振動總值下降65%

下期預告

今天我們學會了“聽”數據說話，但有時候數據會“撒謊”——各種干擾和假信號。下期我們將揭露常見的測量陷阱與干擾排除，教大家如何識別和消除假信號。

工具推薦：

1. 頻譜分析APP：手機拍頻譜圖，自動識別特征頻率
2. 振動診斷決策樹：按癥狀逐步判斷故障類型
3. 數據記錄模板：標準化的測量記錄表

記住：數據不會說謊，但需要我們正確解讀。我是力準傳感的張工，我們下期一起成為“數據偵探”。

本文為“壓電加速度傳感器從入門到精通”系列第6篇。信號解讀是連接測量與診斷的橋梁，需要理論、經驗和直覺的結合。每一個峰值都是一個故事，等待我們去閱讀。