3. 振动信号采集基础

轴系振动信号采集是频谱识读的“第一道关口”。如果传感器选错、装错或采样参数设置不当，后续的频谱分析再精细也无法还原真实振动。本节围绕四个关键环节展开：传感器类型选择、安装位置与方向、采样定理与采样频率、数据采集系统组成，并给出可操作的参数示例。

一、三类传感器：测什么、怎么选

船舶轴系振动测量中常用的传感器有三类，它们的物理量、频响特性和适用场景差异明显：

• 加速度计：输出与振动加速度成正比，典型压电式灵敏度约 100 mV/g，频响范围宽（约 0.5 Hz～10 kHz），体积小、动态范围大，适合齿轮啮合、轴承冲击、高频结构共振等中高频测量。缺点是低频段信噪比下降，且需积分才能得到速度或位移。
• 速度计：输出与振动速度成正比，典型灵敏度 20～100 mV/(mm·s⁻¹)，频响约 10 Hz～1 kHz，正好覆盖轴系不平衡、不对中等常见故障频段，可直接与 ISO 10816 等振动烈度标准对照，工程上最常用于轴系常规监测。
• 位移计：多为电涡流式，直接测量转子相对轴承座的间隙变化，典型量程 0.5～2 mm，频响 0～10 kHz，适合低转速轴系的轴心轨迹、油膜涡动、碰摩等低频大位移测量，但安装间隙要求严格，需现场标定。

选择原则可概括为：看频段、看幅值、看标准。若关注 10 Hz～1 kHz 的轴系整体振动并需与烈度标准比较，优先选速度计；若关注高频冲击或结构共振，选加速度计；若关注轴心位置与低频涡动，选电涡流位移计。同一测点若需宽频覆盖，可用加速度计采集后数字积分，但积分会放大低频噪声，须配合高通滤波。

二、安装位置与方向：让传感器“测对地方、测对方向”

安装位置应选在振动传递路径清晰、结构刚度足够的位置，通常为轴承座或轴承座附近的刚性壳体，避免安装在薄壁罩壳、管路或散热片上，以免引入局部共振。测点应尽量靠近轴承载荷区，且同一测点在不同测量轮次中保持位置一致，保证数据可比。

方向约定必须先行明确并全文统一：以船舶艉向为 X 轴、左舷为 Y 轴、垂向为 Z 轴，或按设备坐标系定义。轴系振动通常测量垂向、水平、轴向三个方向，其中垂向和水平反映不平衡与不对中，轴向反映轴向激励与联轴器状态。加速度计安装采用钢制螺栓或粘接底座，接触面涂薄层耦合剂，磁座仅用于临时巡检；电涡流探头需按厂家要求预留约 1 mm 线性中点间隙，并锁紧紧固螺母。

三、采样定理与采样频率选择

采样定理指出：采样频率 f_s 必须大于信号最高频率 f_max 的 2 倍，否则高频成分会折叠到低频段形成混叠，产生虚假谱峰。工程上通常取 f_s ≥ 2.56×f_max，即抗混叠滤波器截止频率以上留出过渡带。

采样频率的选择还需与频率分辨率联动。频率分辨率 Δf = f_s/N，N 为采样点数。例如要分辨 1 Hz 的边频，若 f_s = 2560 Hz，则需 N = 2560 点才能得到 Δf = 1 Hz，对应采样时长 1 s。实际配置时可参考下表：

此外应设置抗混叠低通滤波器，截止频率略低于 f_s/2；对稳态振动采用整周期截断或加汉宁窗减少泄漏；采样前留 1～2 s 稳定段，避免启停瞬态污染数据。

四、数据采集系统组成与信号链

典型采集系统由传感器、信号调理、数据采集卡和上位机软件构成。信号调理完成电荷放大（压电加速度计）、积分变换、抗混叠滤波与量程匹配；采集卡完成 A/D 转换，分辨率一般 16～24 位，需关注其本底噪声是否低于被测信号；上位机完成存储、时域波形显示与 FFT 分析。下图给出从测点到频谱的完整信号链及各环节关键参数：

实际配置时，建议先根据设备转速与故障特征频率估算 f_max，再按 2.56 倍确定 f_s，最后根据所需分辨率反算采样点数与时长。例如某轴系额定转速 600 r/min（10 Hz），关注 10 阶以内谐波，则 f_max 约 100 Hz，取 f_s = 512 Hz、N = 1024，得到 Δf = 0.5 Hz，足以分辨各阶谐波与边频。采集完成后，先检查时域波形是否削顶或过小，再确认频谱中无异常高频折叠峰，才能进入频谱识读环节。