船舶振动测量方法综述

作者一姓名 曹乐乐；性别 男；出生年月 1996；籍贯（具体到市） 河南省商丘市；民族 汉；最高学历 硕士；目前职称 助理工程师；研究方向：振动分析

2作任新；性别 男；出生年月 1979；籍贯（具体到市） 江苏无锡市；民族 汉；最高学历 硕士；目前职称 高级工程师；研究方向：振动分析

3作 李年仔；性别 男；出生年月 1989；籍贯（具体到市） 江苏无锡市；民族 汉；最高学历 硕士；目前职称 高级工程师；研究方向：振动分析

摘  要：船舶振动信号可有效反映出系统整体运行的稳定性，具有独立的表现特征，振动信号的测量与分析对于船舶系统及设备状态的监控与判断具有重要意义。本综述从船舶设备振动产生原因入手，综合性论述了当前测量方法的研究现状，简述了各类方法传感器的适用环境及不足之处，进一步为船舶振动信号的监测与研究奠定基础。

关键词：船舶振动；振动分类；振动测量；

中图分类号：U661.44     文献标志码：A

0  引  言

在众多船舶监控数据中，振动信号可有效反映系统整体运行的稳定性，具有独立的表现特征，对振动数据的处理与分析可有效帮助工作人员提前发现系统装置所存在的机械或结构问题，对于船舶结构安全和航行状态及性能的研究具有重要意义[1]。船舶振动信号的动态监测与处理分析可有助于进一步提高船舶智能化的程度，对于保障船舶系统整体的安全性、运行经济性和安全性等方面具有重要意义。

1  船舶振动分类及产生原因

在船舶运行过程中，系统设备的振动是由不同因素之间相互作用而产生的一种复杂多变运动现象[2]，部分振动因素还会随着环境变化而发生改变。船舶振动产生的原因：动力装置系统在运转过程中所产生的激励力；螺旋桨在船艉部的伴流场中产生的脉动力；船舶设备出现如轴承受损或间隙变化、齿轮磨损、润滑效果降低等现象；船体结构布置或选材不当会造成船体固有频率过低或应力集中现象，产生振动；船舶货物及压载物的布置、船舶工作环境的变化、运行工况突变、轴系对中状态等因素也会对振动产生影响[3]。

主机和轴系等旋转部件作为船舶最重要的核心组件，振动情况会直接影响船舶整体性能和船员的舒适度，需要时刻监测其运行状态，获取实时振动信号，以实现长期有效的船舶系统状态感知。

2  船舶振动测量发展现状

船舶振动的测量对目标机械运动状态的监测、过程控制、信号采集与传输具有重要的研究意义。根据振动测量方法的不同将其分为传统测量方法和机器视觉测量方法。

2.1  传统振动测量方法

2.1.1  机械式测量方式

大部分振动测量方法在船舶振动监测方面都有所应用，德国人盖格尔基于机械振动杠杆原理搭建出盖格尔测振仪，此类传感器将扭簧与监测目标部件相连接，通过测振仪内部的角形杠杆及划笔等部件记录目标运动状态，应用相对位移体方法将设备的振动状况转化为划笔的运动幅度大小，此装置常被用来监测轴系低频范围的振动变化。此类装置与监测目标直接接触进行测量，可靠性高、性能稳定且不易受电磁脉冲的影响。但此方法对动态线性振动信号的测量范围较为狭窄，记录信号较小，存在误差且数据传输受限[4]。

2.1.2  电测量方式

电测量方式主要包括压电、涡流、电磁、电阻及近年的摩擦电等种类。压电式传感器是基于压电传感原理所构建的船舶常用振动传感器。此类传感器通常将监测点位固定在机器设备的轴承座或基座上，当测量目标发生振动时，传感器内部的质量块位置发生变化，压电材料表面会产生电荷信号，不断变化的电信号通过放大器处理后传输到接收设备，通过设备转换最终可得到目标设备的振动状态。此类传感器实惠且结构轻巧，对测量目标结构造成的影响可忽略，但受环境的湿度和温度的影响较大[5]。电涡流测振仪器具有结构简单、频率范围宽、抗干扰能力强等优点，可以实现非接触地测量物体表面进而获取金属导体的多种相关量，常用来测量船舶推进轴系的圆心轨迹及振动信号，多固定于轴承座处，但被测设备上得表面裂纹和材料导电性和磁导率会对传感器的灵敏度造成影响[3]。

近些年，随着摩擦电效应理论的逐渐完善，基于摩擦纳米自供能方式的传感器在船舶振动信号测量方面也进行了一定的应用[6]，传感器结构如图1所示：

振动体与被测目标紧密连接，当振动体的状态也发生变化，薄铝膜电极与聚四氟乙烯薄膜发生接触和分离，产生变化的电流信号，此信号与振动幅度线性相关[6]，通过对信号的处理，可得到目标的振动状态。此类方法将船用设备的机械振动转换为可靠、明显的电信号，以表征船用设备的工作状态，具有小巧灵活、自供能及模块化等优点。但是，此类传感器易受到船舶温度、湿度和盐度的影响，对封装要求较高。

电测量方式测量范围和动态特性都比较大，可监测设备静态及瞬态过程中的振动信号，也可实现振动信号的远距离监控与传输。但此类传感器通常安装于系统设备的固定位置，无法做到多点位监控目标设备运行状态，安装线路繁琐耗时、维修成本较高。

2.2  机器视觉测量方法

随着现代化与智能化的进一步发展，人们对船舶振动测量的需求变得更加多样化，为了解决电测量方法存在的部分局限性，提出了机器视觉测量方法。

2.2.1  激光测量方式

激光多普勒测振仪是现在一种常用的激光测振方式。从激光器中发出频率为的激光光源，照射到目标结构上反射回来，通过反光镜反射后被光电探测器捕捉到的信号，参考光束产生了拍频信号，通过计算进而得到频率为的电信号，其中的是已知的，通过对输出的电信号进行处理，可得目标的振动频率。通过相关公式进行计算便可得到目标的振动速度与位移[7]。Abbas[7]等人则就采用跟踪激光多普勒测振仪方法，有效解决了船舶水下螺旋桨叶片振动分析困难的问题。光纤光栅类的激光测振原理是通过外界应变而对发射光束的干涉，并对干涉信号进行检测与分析，进而获得振动信号。俞晓丰[8]等人利用封装好的光纤光栅传感器对船舶水润滑轴承进行监测，获得轴承受力振动信号，实现对轴承运动状态的在线监测。

激光式监测方式具有抗电磁干扰能力强、非接触性、灵敏度高且装置结构紧凑等优点，可应用于距离过远而传感器与测量目标无法直接接触的场合。但此类测量方式的传感器造价较为昂贵，需要固定平台作为参考平面，且容易受到其他散杂光的影响。

2.2.2  计算机视觉测量方式

随着数字成像技术与图像处理方法的快速发展，基于摄像机和图像处理算法的测量方式现已逐渐成为传统振动测量的有效替代品，中长距离或多点位结构的运动状况监控是当前视觉监控的主要应用领域之一[15]。计算机视觉测量方式通常由传感器、传输设备、储存设备及分析设备组成。首先，以工业相机作为测量元件来获取被测目标的运动图像；之后，利用无线或有线方法将捕获的视频输入到电脑内部的储存空间；最后，应用合适的图像处理方法对传输视频进行处理与分析，以获取到监测目标的振动状态。根据计算机视觉结构位移识别方法的差异性，可将其大概分为光流估计法、特征点匹配、模板匹配算法及几何特征分析[9]。

视觉分析方法的输入为连续的监控视频，分析对象为图片目标像素点信息，由于每张图像由数百万具有嵌入信息的像素点构成，因此，视觉识别对被测目标整体运行状态具有更强大的表征能力，单个监测视频中可以提取目标结构上任意点位的振动信息，实现单传感器多点测量，为系统设备的结构健康状况分析提供更加全面的监测数据。Hussein等人[9]使用应变片和基于视觉传感器的测量方式实现了对弹性船载起重机的振动状态进行测量。计算机视觉测量方式具有远程监控与传输能力，方便远端控制中心的监测与分析。但视频存储、传输及图像信息处理等过程对设备性能具有较高的要求，受限于图像处理算法的局限性，振动信号传输存在一定的延迟性。

3 结论与展望

3.1  结论

不同种类的测量方法都具有各自的优缺点。传统的机械式测量的仪器结构简单且边界、受电磁影响小，但是传输性能易受到限制；电测量方式在准确测量目标振动情况的同时可实现大距离的信号传输，但是布置线路繁琐复杂，且容易受到监测目标自身电磁信号的干扰；而机器视觉类测量方法属于非接触式传感器，安装维修方便，但此方法的监测频率易受到测量仪器本身的限制。船舶设备的复杂特性造就振动信号的多样性，因此，应根据设备的运行方式、监测需求及工作环境等条件综合考虑来挑选合适的振动测量方法，设计合理的安装组合，以实现对设备的持续有效监测。

3.2  展望

振动信号的智能监测是船舶机械装置运行状态测量与诊断中重要的一环，不同种类的传感器适应于不同的检测场景，尽管目前的监测方法已发展到很高的水平，但仍有可研究的方向：

（1） 振动传感器组件的无线供能与传输。自主供能或无线传输式传感器的出现与发展会让船舶狭小或密闭空间内的振动监测与传输不再受限，船舶智能化程度势必得到进一步提升。此外，无线传输方式可有效提高振动监测组件整体的紧凑程度，更快更好地实现对系统整体状态测量与监控，对实现船舶系统及设备数据信息的智能互联与融合具有重要意义。尽管目前有些场合已经在使用自供能传感器，但其智能化程度和传输方式仍受到一定的限制，存在局限性，此类监测方法可能会是将来研究的方向之一。

（2） 多类振动测量方法的综合应用。对于船舶推进轴系这种大范围监测目标，可以将电测量方式所得到的振动信息与计算机视觉类所获得的监测目标振动视频结合起来共同搭建出全方位智能监控平台，实现对船舶系统设备远距离实时状态测量与监控。而且，多种测量方式的结合可以在一定程度上减少单一传感器故障所造成的系统误报警现象的发生，有效确认船舶系统设备的运行状态。此外，船舶监控视频的充分应用可减小资源的浪费，提升视频监控系统的应用效率。

（3） 智能振动监测平台的搭建。智能技术在船舶系统及设备上的熟练应用，未来可能会出现更多基于振动信号的自动化分析装置。以振动信号为基础，结合设备其他信息共同构建振动信息分析模型，进而搭建出智能自动化振动监测平台，实现对设备状态的健康状态监测、管理及预测等，进而有效降低船舶故障的发生，减少因停机检测与维修所耗费的时间，进而保障船舶航行期间的安全性与经济性。

参考文献

[1] 韦俊宏，杨勇，袁昱超，等.船舶全生命周期振动噪声分析综述[J].船舶工程，2023，45（02）：1-20+26.

[2] 朱玥，吴昊龙，吴卫国. 大型邮轮开敞区域振动噪声研究综述[J]. 中国舰船研究， 2023， 18（06）： 11-20.

[3] 陈乐昆.大型LNG船舶振动特性研究[D].华中科技大学，2013.

[4] 张志华，张天元，王芝秋，等.盖格尔机械式测振仪电信号输出[J].工程力学， 1986， 3（1）：93-98.

[5] 宫焕杰.船舶振动智能监测系统关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2023.

[6] [1]杜太利.振动能摩擦纳米发电机的能量捕获机理及性能研究[D].大连海事大学，2023.

[7] Syed Haider Abbas， Jae-Kyeong Jang， Dong-Ho Kim， et al. Underwater vibration analysis method for rotating propeller blades using laser Doppler vibrometer[J]. Optics and Lasers in Engineering， 2020， 132： 106133.

[8] 俞晓丰，帅长庚，杨雪，等. 基于光纤光栅的水润滑轴承磨损监测系统设计及研究[J]. 船舶力学， 2022， 26（04）： 566-573.

[9] Mustafa Turki Hussein， Dirk Soffker. Variable gain control of elastic crane using vision sensor data[C]Guangzhou， China， 12th International Conference on Control Automation Robotics & Vision， 2012.