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橋梁振動監測

衝擊記錄數據分析時域頻域分析加速度-衝擊記錄儀

2015/2/11

  九、 衝擊記錄數據分析

  衝擊記錄儀數據分析包括時域分析和頻域分析。

  1.時域分析

  以圖 4 的《用電子衝擊記錄儀記錄的衝擊記錄》來對時域分析做舉例說明。

  1.1 分析衝擊振幅和持續時間/頻率

  衝擊或振動記錄儀

  Web:http://www.zkck.com

  極衷

  圖 4 用電子衝擊記錄儀記錄的衝擊記錄

  圖 4 所示,

  振幅(a)=8g,

  持續時間(t)=18ms 或 0.018s,

  頻率(1/2t)= 1/ (2×0.018) = 28 Hz

  則衝擊為:8g@18ms 或 8g@28Hz

  衝擊損害變壓器時,需要同時發生“峰值加速度要超過關鍵加速度”和“峰值一半正弦

  曲線的持續時間要超過關鍵衝擊持續時間,或者頻率要低於關鍵頻率”。

  例如,假設一台變壓器的損害限度或 NOSS(非操作性衝擊說明)預計是 7g@50ms 或

  7g@10Hz。如圖 4 所示,一台連接在該變壓器的記錄儀記錄了一次衝擊。如7M视频之前在分析

  中所知道的,衝擊的峰值加速度為 8g,對應的持續時間為 18ms 或頻率為 28Hz。8g 的峰值

  加速度已經超過了變壓器 7g 的關鍵加速度,峰值加速的持續時間少於 50ms 的關鍵持續時間。

  如果按照頻率來分析, 28Hz 的衝擊頻率已經超過 10Hz 的關鍵頻率了。則因為關鍵加速度和

  持續時間/頻率這連個條件沒有同時被違反,因此衝擊就不會損害變壓器,即使峰值加速度

  已經超過了關鍵加速度。

  1.2 分析衝擊振幅和速度變化

  也可以按照峰值加速度和關鍵速度變化來分析數據。這種方法也是最精確的,但比之前

  的方法略有難度,並且需要軟件來精確分析原始數據。衝擊損害變壓器時,需要同時發生“峰

  值加速度需要超過關鍵加速度” “與峰值加速度對應的速度變化需要超過關鍵速度變化”和。

  在圖 4 中,按照時間順序表述了一係列的機械衝擊。可以用下述公式來計算在衝擊過程中轉

  移到變壓器的能量:

  其中:m:變壓器質量

  ΔV:速度變化(峰值加速度半正弦曲線的下方區域)

  變壓器所含有的能量轉化為延展性和熱量。在實際中,會出現混合有彈性或非彈性形式

  的衝擊。在這些情況下,可以大概用第一個正弦振蕩曲線的半循環周期來描述按照時間順序

  的一係列加速度。因此

  其中:T:衝擊波的持續時間

  a:峰值加速度

  這適用於衝擊速度,也就是說破壞所需要的衝擊決定能量與物體最大加速度“a”的平

  方和衝擊時間“t”成正比。物體的“ta”和“速度”也被 稱之為衝擊力量。

  另外,按照牛頓定理,最大作用力等於物體的最大加速度和重量的乘積。

  其中:m :變壓器的重量

  a :峰值加速度

  該力可用於在設計階段計算不同部件上的動力負荷。

  1.3 時域分析的局限性

  1.3.1 不能很容易地將噪音數據與實際數據區分

  1.3.2 由於能產生持續無法識別的信號,因此衝擊波不能被識別。這也與采集信號

  時由於失真而重新形成一個原始信號有關。因此在這種情況下,當使用記錄儀所記錄的失真

  數據進行分析時,就可能導致對潛損害的錯誤估計。

  2.頻域分析

  衝擊記錄儀所記錄的原始振動數據也可以用於從頻率範圍來評估潛在的損害性。兩種使

  用的方法為快速傅裏葉變換(FFT)和功率譜密度(PSD)。

  2.1 快速傅裏葉變換(FFT)分析

  這種數學方法用於分析原始數據,如給出了頻率組成的頻率範圍。該變換假設出了隨時

  間變化過程中加速度的發生頻率。本質上來講,這也意味著數據從時間空間轉化為頻率空間。

  在相應的頻率空間中的加速度“g”可以和變壓器的 NOSS(非操作性衝擊說明)相比。例如,

  變壓器的 NOSS 是 5g@20Hz,7M视频應該將其與 FFT 曲線(曲線:振幅對應頻率)中 0-20Hz

  頻率範圍內的衝擊振幅做對比。

  2快速傅裏葉變換(FFT)是連續的傅裏葉變換法則,它把需要的計算次數 N 從 2N 減少

  到了 2N lgN,此處“lg”是以 2 為底的對數。如果變換函數沒有與采樣頻率相一致,FFT

  的反應就像三角函數 asinc(盡管整體功率或能量是正確的)。混疊(泄露)能通過使用逐

  漸減小函數來減少。然而,混疊減少是需要擴大功率譜向應的。

  圖 5 記錄的原始時域數據

  圖 5 顯示了變壓器在搬運過程中衝擊記錄儀所采集的原始數據。它表明了加速度振幅隨

  時間的變化。

  圖 6 FFT 快速傅裏葉變換

  圖 6 振幅與頻率曲線圖是圖 5 振幅和時間曲線圖用 FFT 變換後得出的,可使用記錄儀軟

  件能很好地進行頻率分析。

  2.2 功率譜密度(PSD)

  描述時間序列的功率(變化)是如何按照頻率來分布的。精確來講,它被定義為按照時

  間序列自相關的傅裏葉變換。PSD 的等同定義為時間序列的傅裏葉變換的平方係數,乘以一

  個恰當的常數。

  單位頻率的功率,就等於功率除以赫茲。

  成都7M视频測控有限公司

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  圖 7 PSD 功率譜密度

  圖 6 設想了用 FFT 從數據獲得頻率譜。為了能很好地將這些數據用於潛在損害性,需要

  用 FFT 數據生成如圖 7 所示的 PSD 譜。可以明顯的看出,振動分析由 10-20Hz 的頻率組成,

  這些頻率有很高的功率密度,因此有產生損害的巨大潛在性。

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