振动计工作原理：从振动感知到数字分析

一、引言

AWA5936型振动计是采用数字信号处理技术的新一代袖珍式振动测量仪器，主要用于测量加速度、速度和位移。它可以用于机器、电机、车辆、建筑等对象的振动测量，也可以作为振动测量的采集系统，将数据采集后保存在仪器中，再带回计算机中进一步分析处理。根据不同配置，它可以作为一般振动计、积分振动计，或者按照GB/T 14790.1-2009要求测量手传振动。AWA6291实时信号分析仪在配置加速度计、电荷放大器和振动测量软件后，则可用于机器振动测量，并支持实时FFT分析和1/3OCT频带分析。

要理解振动计的工作原理，可以从“感知振动、转换信号、数字化处理、显示存储"这条主线来看。

二、振动如何被感知

振动计首先需要把机械振动转换成电信号。AWA5936系列使用加速度传感器，灵敏度约为2.5皮库仑每米每二次方秒，也可选择其它灵敏度，但测量范围会有所不同。AWA6291型机器振动测量配置使用AWA84106型压电加速度计，电荷灵敏度约为2.5皮库仑每米每二次方秒。

压电加速度计的核心原理是利用压电效应。当被测物体发生振动时，传感器内部的质量块会对压电晶体施加交变力，晶体由此产生与振动加速度相关的电荷。这个电荷信号很微弱，需要经过电荷放大器转换成电压信号，再送入后续电路进行处理。这样，机械振动就被转换成了可测量、可分析的电信号。

三、从模拟信号到数字信号

AWA5936型振动计采用数字信号处理技术，因此信号在放大调理之后，会经过模数转换器变成数字信号。仪器的A/D位数为24位，采样频率为48千赫兹。24位模数转换意味着仪器可以对较宽范围的振动信号进行精细量化，从而兼顾微弱振动和较强振动。

数字化之后，仪器内部的数字信号处理单元开始工作。与传统的模拟滤波和模拟积分不同，数字滤波和数字运算可以同时实现多路处理。例如，AWA5936可以并行实现加速度、速度、位移的数字滤波，并同时给出这三种振动量的测量结果。这种“并行处理"是数字振动计的重要特点。

四、加速度、速度和位移的获得

振动测量中，加速度、速度和位移是三个密切相关但又各有用途的量。加速度对高频振动和冲击比较敏感，速度常用于评价机器振动状态，位移则更适合观察低频振动和较大振幅。

在AWA5936中，传感器直接感知的是加速度信号。仪器通过数字积分运算，可以由加速度得到速度，再由速度得到位移。由于采用数字信号处理，这些运算可以与滤波、检波同时进行，因此仪器能够同时测量加速度、速度和位移的有效值、峰值和峰峰值。

以AWA5936-1和AWA5936-2为例，其测量范围包括：加速度从0.01米每二次方秒到300米每二次方秒，速度从0.01毫米每秒到3000毫米每秒，位移从0.01毫米到30毫米。频率范围方面，加速度为10赫兹到8千赫兹，速度为10赫兹到4千赫兹，位移为10赫兹到250赫兹。AWA6291的测量范围更宽，加速度可达0.05到5000米每二次方秒，速度可达0.5到50000毫米每秒，位移可达5微米到500毫米，频率范围覆盖2赫兹到20千赫兹的加速度、2赫兹到1.5千赫兹的速度、2赫兹到200赫兹的位移。

五、检波与时间计权

振动信号经过数字滤波和积分后，还需要进行检波，才能得到人们需要的读数。AWA5936系列采用并行有效值、峰值和峰峰值检波。也就是说，仪器不是一次只测一个值，而是可以同时给出有效值、峰值和峰峰值。

时间计权是振动测量中的另一个重要环节。AWA5936-1采用并行的时间常数1秒和8秒。AWA5936-2在此基础上还增加了积分平均。AWA6291则采用并行指数平均和线性平均，时间常数包括125毫秒、1秒和8秒。时间计权的意义在于，振动信号往往随时间波动，不同的时间常数会影响读数的响应速度和稳定程度。1秒时间计权响应较快，适合观察瞬时变化；8秒时间计权更平稳，适合评价较稳定的振动过程。

AWA5936-1的主要测量指标包括1秒时间计权瞬时值、8秒时间计权瞬时值，以及加速度、速度、位移的有效值、峰值和峰峰值。AWA5936-2还增加了1秒等效值、等效连续值和测量经历时间。AWA5936-3则进一步增加了Wh计权加速度的有效值、峰值、峰峰值，以及A（8）或A（4）等手传振动评价指标。

六、积分测量与等效值

配置2的AWA5936-2可以作为积分振动计使用。积分测量的核心思想，是在一段时间内对振动信号进行累积，然后给出该时间段内的等效值。这样，即使振动大小随时间变化，也可以用一个等效值来代表这段时间的总体振动水平。

AWA5936-2和AWA5936-3的积分测量时间可以从1秒到24小时分档设定或任意设定。仪器可以显示等效连续值，并记录测量经历时间。数据存储方面，AWA5936-2可存储128组等效连续值及1秒等效值。AWA6291则最多可存储12288组，也可将测量结果转存到U盘。这些功能使振动计不仅能现场读数，还能作为数据采集系统使用。

七、频率计权与手传振动测量

人耳和人体对不同频率振动的敏感程度不同，因此振动测量中常需要进行频率计权。AWA5936-3型手传振动计按照GB/T 14790.1-2009要求，采用Wh计权，并通过数字滤波实现。它可以测量手传振动中的Wh计权加速度，以及A（8）或A（4）等暴露评价量。

手传振动测量通常关注5赫兹到1600赫兹的频率范围，测量范围可达87分贝到177分贝。与普通机器振动测量相比，手传振动测量更强调按照标准进行频率计权和暴露时间计算，以评价工具或设备对手臂系统的振动影响。

八、频谱分析工作原理

对于机器振动测量，仅仅给出总振动值往往不够，还需要知道振动能量在不同频率上的分布。AWA6291实时信号分析仪配置加速度计、电荷放大器和振动测量软件后，可以对机器振动信号进行实时FFT分析，并给出1/3OCT频带加速度、速度和位移值。

FFT分析的基本思路，是把随时间变化的振动信号分解成不同频率成分。AWA6291的FFT采样频率包括48千赫兹、24千赫兹、12千赫兹、6千赫兹、3千赫兹、1.5千赫兹和750赫兹等档位。通过FFT和1/3OCT分析，可以发现机器振动中的特征频率，帮助判断不平衡、不对中、轴承故障等问题。1/3OCT分析则按照三分之一倍频程划分频带，更适合评价噪声和振动在不同频带中的分布。

九、显示、存储与输出

测量结果最终需要通过显示器呈现给用户。AWA5936采用128×128点阵液晶显示，对比度16级可调，带LED背光。AWA6291采用240×160点阵LCD，带LED背光。仪器还可以通过AC和DC输出接口输出信号。AWA5936-2可选配SD卡大容量存储模块，实现USB接口、录音、U盘、读卡器等功能。AWA6291提供RS232接口，可接微型打印机或PC机，也提供mini B型USB接口，可接PC机或U盘。

此外，仪器内部带有日历时钟，误差小于1分钟每月。AWA5936使用4节LR6碱性电池或5伏外接电源，工作电流约120毫安；AWA6291使用6节LR6碱性电池，可连续使用12小时，也可外接5伏电源，电流不大于150毫安。工作温度范围为零下10摄氏度到50摄氏度，适合现场使用。

十、总结

振动计的工作原理可以概括为：压电加速度计感知振动并产生电荷，电荷放大器把电荷转换成电压，24位模数转换器把模拟信号数字化，数字信号处理单元并行完成滤波、积分、检波和时间计权，最终得到加速度、速度、位移的有效值、峰值、峰峰值，或者积分等效值、Wh计权手传振动值和频谱分析结果。

AWA5936型振动计通过不同配置，实现了从一般振动测量、积分测量到手传振动测量的覆盖；AWA6291则通过加速度计、电荷放大器和振动测量软件，实现了机器振动的实时FFT分析和1/3OCT分析。它们共同体现了现代振动计的核心方向：以数字信号处理为基础，同时测量多种振动量，兼顾现场读数、数据存储和计算机进一步分析。