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桥梁振动监测

冲击记录数据分析时域频域分析加速度-冲击记录仪

2015/2/11

  九、 冲击记录数据分析

  冲击记录仪数据分析包括时域分析和频域分析。

  1.时域分析

  以图 4 的《用电子冲击记录仪记录的冲击记录》来对时域分析做举例说明。

  1.1 分析冲击振幅和持续时间/频率

  冲击或振动记录仪

  Web:http://www.zkck.com

  极衷

  图 4 用电子冲击记录仪记录的冲击记录

  图 4 所示,

  振幅(a)=8g,

  持续时间(t)=18ms 或 0.018s,

  频率(1/2t)= 1/ (2×0.018) = 28 Hz

  则冲击为:8g@18ms 或 8g@28Hz

  冲击损害变压器时,需要同时发生“峰值加速度要超过关键加速度”和“峰值一半正弦

  曲线的持续时间要超过关键冲击持续时间,或者频率要低于关键频率”。

  例如,假设一台变压器的损害限度或 NOSS(非操作性冲击说明)预计是 7g@50ms 或

  7g@10Hz。如图 4 所示,一台连接在该变压器的记录仪记录了一次冲击。如我们之前在分析

  中所知道的,冲击的峰值加速度为 8g,对应的持续时间为 18ms 或频率为 28Hz。8g 的峰值

  加速度已经超过了变压器 7g 的关键加速度,峰值加速的持续时间少于 50ms 的关键持续时间。

  如果按照频率来分析, 28Hz 的冲击频率已经超过 10Hz 的关键频率了。则因为关键加速度和

  持续时间/频率这连个条件没有同时被违反,因此冲击就不会损害变压器,即使峰值加速度

  已经超过了关键加速度。

  1.2 分析冲击振幅和速度变化

  也可以按照峰值加速度和关键速度变化来分析数据。这种方法也是的,但比之前

  的方法略有难度,并且需要软件来分析原始数据。冲击损害变压器时,需要同时发生“峰

  值加速度需要超过关键加速度” “与峰值加速度对应的速度变化需要超过关键速度变化”和。

  在图 4 中,按照时间顺序表述了一系列的机械冲击。可以用下述公式来计算在冲击过程中转

  移到变压器的能量:

  其中:m:变压器质量

  ΔV:速度变化(峰值加速度半正弦曲线的下方区域)

  变压器所含有的能量转化为延展性和热量。在实际中,会出现混合有弹性或非弹性形式

  的冲击。在这些情况下,可以大概用个正弦振荡曲线的半循环周期来描述按照时间顺序

  的一系列加速度。因此

  其中:T:冲击波的持续时间

  a:峰值加速度

  这适用于冲击速度,也就是说破坏所需要的冲击决定能量与物体加速度“a”的平

  方和冲击时间“t”成正比。物体的“ta”和“速度”也被 称之为冲击力量。

  另外,按照牛顿定理,作用力等于物体的加速度和重量的乘积。

  其中:m :变压器的重量

  a :峰值加速度

  该力可用于在设计阶段计算不同部件上的动力负荷。

  1.3 时域分析的局限性

  1.3.1 不能很容易地将噪音数据与实际数据区分

  1.3.2 由于能产生持续无法识别的信号,因此冲击波不能被识别。这也与采集信号

  时由于失真而重新形成一个原始信号有关。因此在这种情况下,当使用记录仪所记录的失真

  数据进行分析时,就可能导致对潜损害的错误估计。

  2.频域分析

  冲击记录仪所记录的原始振动数据也可以用于从频率范围来评估潜在的损害性。两种使

  用的方法为快速傅里叶变换(FFT)和功率谱密度(PSD)。

  2.1 快速傅里叶变换(FFT)分析

  这种数学方法用于分析原始数据,如给出了频率组成的频率范围。该变换假设出了随时

  间变化过程中加速度的发生频率。本质上来讲,这也意味着数据从时间空间转化为频率空间。

  在相应的频率空间中的加速度“g”可以和变压器的 NOSS(非操作性冲击说明)相比。例如,

  变压器的 NOSS 是 5g@20Hz,我们应该将其与 FFT 曲线(曲线:振幅对应频率)中 0-20Hz

  频率范围内的冲击振幅做对比。

  2快速傅里叶变换(FFT)是连续的傅里叶变换法则,它把需要的计算次数 N 从 2N 减少

  到了 2N lgN,此处“lg”是以 2 为底的对数。如果变换函数没有与采样频率相一致,FFT

  的反应就像三角函数 asinc(尽管整体功率或能量是正确的)。混叠(泄露)能通过使用逐

  渐减小函数来减少。然而,混叠减少是需要扩大功率谱向应的。

  图 5 记录的原始时域数据

  图 5 显示了变压器在搬运过程中冲击记录仪所采集的原始数据。它表明了加速度振幅随

  时间的变化。

  图 6 FFT 快速傅里叶变换

  图 6 振幅与频率曲线图是图 5 振幅和时间曲线图用 FFT 变换后得出的,可使用记录仪软

  件能很好地进行频率分析。

  2.2 功率谱密度(PSD)

  描述时间序列的功率(变化)是如何按照频率来分布的。来讲,它被定义为按照时

  间序列自相关的傅里叶变换。PSD 的等同定义为时间序列的傅里叶变换的平方系数,乘以一

  个恰当的常数。

  单位频率的功率,就等于功率除以赫兹。

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  图 7 PSD 功率谱密度

  图 6 设想了用 FFT 从数据获得频率谱。为了能很好地将这些数据用于潜在损害性,需要

  用 FFT 数据生成如图 7 所示的 PSD 谱。可以明显的看出,振动分析由 10-20Hz 的频率组成,

  这些频率有很高的功率密度,因此有产生损害的巨大潜在性。

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