2、振动监测基础：振动定义、振动参数（位移、速度、加速度）、振动单位与量程

振动是旋转机械最普遍、最直接的物理现象。在工业现场，电机及其负载的异常——无论是转子不平衡、轴承磨损、齿轮断齿还是基础松动——几乎都会以振动特征的变化率先表现出来。理解振动的本质、掌握振动参数的物理意义与工程换算，是后续进行状态识别和异常检测的基石。本章将系统梳理振动的基本定义、三大核心参数（位移、速度、加速度）的适用场景、单位体系与量程选择原则，并结合GD32 MCU的ADC采样与信号链设计，说明如何在嵌入式系统中正确配置振动采集前端。

2.1 振动的物理定义与工程表征

从力学角度，振动是物体围绕其平衡位置所做的往复运动。在旋转机械中，振动通常由周期性的激振力引起，例如转子质量偏心产生的离心力、滚动轴承滚道缺陷产生的冲击脉冲、齿轮啮合时的刚度周期性变化等。振动可以用三个基本要素完整描述：幅值（振动的强烈程度）、频率（振动的快慢，单位Hz）和相位（振动相对于参考点的时序关系）。在工业监测中，幅值和频率是状态识别的主要依据，相位则用于动平衡和故障定位。

振动信号在数学上可视为多个简谐分量的叠加。对于周期性振动，其位移表达式为：

x(t) = A₁·sin(2πf₁t + φ₁) + A₂·sin(2πf₂t + φ₂) + ... + Aₙ·sin(2πfₙt + φₙ)

其中A为各频率分量的幅值，f为频率，φ为初相位。工程上通过FFT（快速傅里叶变换）将时域信号转换为频谱，从而识别各频率分量对应的故障源。例如，电机转子不平衡时，振动能量主要集中在1×转频（即转速频率）处；轴承外圈故障时，会在特征频率（BPFO）处出现冲击能量。

2.2 三大振动参数：位移、速度、加速度

振动参数的选择取决于被测对象的频率范围和故障特征。位移、速度、加速度三者之间存在微分/积分关系：速度是位移的一阶导数，加速度是速度的一阶导数。在正弦振动下，三者的幅值关系为：

• 位移（Displacement）：单位μm或mm。反映物体偏离平衡位置的距离，适合测量低频振动（通常<10Hz），如轴心轨迹、机床导轨运动、建筑结构振动。在旋转机械中，位移常用于监测转轴相对于轴承座的相对振动（轴振）。
• 速度（Velocity）：单位mm/s。反映振动的能量大小，是工业旋转机械最常用的参数。ISO 10816标准以振动速度的有效值（RMS）作为机器状态评价依据。速度参数在10Hz~1kHz范围内具有较好的频率平坦度，适合大多数电机、泵、风机、压缩机。
• 加速度（Acceleration）：单位m/s²或g。反映振动力的作用强度，对高频振动敏感，适合检测轴承早期缺陷、齿轮点蚀、气蚀等高频冲击故障。加速度传感器体积小、频响宽（可达10kHz以上），是工业物联网监测的首选。

在实际工程中，加速度传感器应用最广，因为其频响范围宽，且可以通过硬件积分或软件积分获得速度和位移。但积分过程会引入低频噪声放大，因此若主要关注低频振动，建议直接使用位移传感器或速度传感器。

2.3 振动单位体系与量程选择

振动单位的选择直接影响监测系统的灵敏度和量程设计。工业现场常见的单位体系包括：

• 国际单位制（SI）：位移用米（m）或微米（μm），速度用米/秒（m/s）或毫米/秒（mm/s），加速度用米/秒²（m/s²）。
• 重力加速度单位：加速度常用g表示，1g = 9.80665 m/s²。在轴承故障诊断中，加速度峰值常以g为单位，例如正常轴承加速度<0.5g，早期故障0.5~2g，严重故障>2g。
• 工程常用单位：速度常用mm/s（RMS），位移常用μm（峰峰值）。ISO 10816标准将电机振动速度分为A/B/C/D四个区域，A区（<1.8mm/s）为良好，B区（1.8~4.5mm/s）为合格，C区（4.5~11.2mm/s）为需维修，D区（>11.2mm/s）为危险。

量程选择是传感器选型和ADC配置的关键。量程过小会导致信号削顶失真，量程过大会降低分辨率。以GD32内置12位ADC为例，若参考电压为3.3V，则量化步长为3.3V/4096 ≈ 0.8mV。假设加速度传感器灵敏度为100mV/g，则ADC可分辨的最小加速度为0.8mV / 100mV/g = 0.008g，即约0.078m/s²。若选择±16g量程的传感器，则满量程输出为16g × 100mV/g = 1.6V，ADC动态范围利用率为1.6V/3.3V ≈ 48%，仍有提升空间。

2.4 基于GD32的振动采集参数配置

在GD32微控制器中实现振动监测，需要合理配置ADC采样率、采样时长和触发方式。根据奈奎斯特定理，采样率必须大于信号最高频率的2倍，工程上通常取5~10倍。对于电机振动监测，若关注轴承故障特征频率（通常为2kHz~10kHz），采样率应不低于25.6kHz（对应12800Hz分析带宽）。GD32F4系列ADC最高采样率可达2.4Msps，完全满足需求。

// GD32 ADC 配置示例：定时器触发采样，采样率25.6kHz
// 使用TIMER0的TRGO事件触发ADC规则组转换
timer_parameter_struct timer_initpara;
adc_parameter_struct adc_initpara;

// 配置TIMER0输出频率为25.6kHz
timer_deinit(TIMER0);
timer_struct_para_init(&timer_initpara);
timer_initpara.prescaler = 83;          // 84MHz/84 = 1MHz
timer_initpara.period = 38;             // 1MHz/39 ≈ 25.64kHz
timer_initpara.clock_division = TIMER_CKDIV_DIV1;
timer_initpara.counter_direction = TIMER_COUNTER_UP;
timer_init(TIMER0, &timer_initpara);
timer_trigger_output_config(TIMER0, TIMER_TRIGGER_MODE_UPDATE);

// 配置ADC0通道0，软件触发模式改为外部触发
adc_deinit(ADC0);
adc_struct_para_init(&adc_initpara);
adc_initpara.trigger_mode = ADC_EXTERNAL_TRIGGER_MODE_RISING;
adc_initpara.data_alignment = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
adc_initpara.channel_number = 1;
adc_init(ADC0, &adc_initpara);
adc_external_trigger_source_config(ADC0, ADC_EXT_TRIGGER_SOURCE_TIMER0_TRGO);
adc_channel_length_config(ADC0, ADC_ROUTINE_CHANNEL, 1);
adc_channel_config(ADC0, ADC_ROUTINE_CHANNEL_0, ADC_CHANNEL_0, ADC_SAMPLETIME_15POINT5);
adc_external_trigger_enable(ADC0);
adc_enable(ADC0);

采样时长决定了频率分辨率。FFT的频率分辨率Δf = fs / N，其中fs为采样率，N为采样点数。若要区分相邻1Hz的频率分量（如区分2980rpm和3000rpm的转频），需要Δf ≤ 1Hz，即N ≥ 25600点。工程上常取N = 32768（2^15），对应采样时长1.28秒。GD32的RAM通常足够存储这些数据，但若使用DMA传输，需注意缓冲区大小和传输完成中断的处理。

2.5 案例拆解：电机轴承故障的振动参数选择

背景与约束：某化工厂一台132kW循环水泵电机，额定转速2980rpm（约49.7Hz），通过弹性联轴器驱动水泵。近期发现电机驱动端轴承温度升高，且伴有间歇性异响。工厂计划部署基于GD32的在线振动监测系统，需确定合适的振动参数和量程。

初始现象与目标：手持测振仪测得电机驱动端轴承座振动速度2.8mm/s（RMS），处于ISO 10816的B区（合格但需关注）。目标是通过振动监测区分轴承是否出现早期故障，并评估故障严重程度。

关键输入数据与分析：

1. 电机转速2980rpm，转频f₀ = 49.7Hz。
2. 轴承型号SKF 6319，滚动体数量Z=8，接触角α=0°。计算特征频率：外圈故障频率BPFO = (Z/2)×f₀×(1 - d/D×cosα) ≈ 4.5×49.7 ≈ 224Hz；内圈故障频率BPFI ≈ 5.5×49.7 ≈ 273Hz；滚动体故障频率BSF ≈ 2.1×49.7 ≈ 104Hz。
3. 轴承故障早期信号以高频冲击为主，加速度传感器更合适。选择量程±5g的ICP加速度传感器，灵敏度100mV/g。

实际操作步骤：

• 在电机驱动端轴承座垂直、水平、轴向三个方向安装加速度传感器，磁吸式安装，确保接触面平整。
• 配置GD32采样率25.6kHz，采样点数32768，采集时长1.28秒，每10分钟采集一次。
• 对时域信号进行加窗（汉宁窗）后做FFT，提取频谱特征。
• 重点关注224Hz（BPFO）及其谐波（2×BPFO、3×BPFO）的幅值变化趋势。

结果对比与复盘：连续监测48小时后，BPFO幅值从初始的0.12g上升至0.35g，且出现明显的边带（调制频率为转频49.7Hz），判断为外圈点蚀早期阶段。工厂安排计划停机检修，更换轴承后发现外圈滚道确有直径约1mm的点蚀坑。若仅使用速度参数，在早期阶段速度RMS仅从2.8mm/s升至3.1mm/s，变化不明显，容易漏报。而加速度参数对高频冲击更敏感，提前约3天给出了预警。

2.6 常见误区与总结复盘

在振动监测系统设计中，以下误区需要特别注意：

• 误区一：只测加速度就万事大吉。加速度对高频敏感，但对低频（<10Hz）响应差。若设备存在不对中、基础松动等低频问题，加速度信号可能不明显，需结合速度或位移参数。
• 误区二：量程越大越好。量程大的传感器灵敏度通常较低，会降低小信号的测量精度。应根据实际工况选择合适量程，留出30%~50%的裕量即可。
• 误区三：忽略传感器安装方式。手持探头、磁吸座、螺装三种方式的频响特性差异很大。磁吸座在500Hz以上会显著衰减信号，不适合高频轴承监测。
• 误区四：采样率设置过高或过低。采样率过高导致数据量过大，增加MCU负担；过低则无法覆盖高频故障特征。应根据目标故障频率合理设置，并考虑抗混叠滤波器。

总结复盘：振动参数的选择本质上是“频率范围”与“故障敏感度”的权衡。位移适合低频大位移场景，速度适合整机振动评价，加速度适合高频早期故障。在GD32嵌入式系统中，应优先选择加速度传感器，通过软件积分获得速度和位移，同时保留原始加速度信号用于高频分析。量程设置需结合传感器灵敏度和ADC参考电压，确保信号在满量程的30%~70%范围内。最后，任何振动参数都需结合转速、温度、电流等工况数据综合判断，避免单参数误判。