设备状态监测技术

1、机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术-设备状态监测技术设备状态监测技术设备故障诊断技术设备故障诊断技术l三个阶段三个阶段n状态监测n分析诊断n决策处理信号采集、数据显示信号采集、数据显示设设 备备传感器传感器分析处理、状态识别分析处理、状态识别故障诊断、决策故障诊断、决策治治 理理 防防 治治监护运行监护运行停机检修停机检修状态监测状态监测分析诊断分析诊断决策处理决策处理巡回监测巡回监测设备状态监测技术设备状态监测技术l传感器的分类传感器的分类l传感器的选用原则传感器的选用原则l传感器的安装传感器的安装l传感器的标定传感器的标定l测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计工业传感器工业传感器

2、l传感器的定义传感器的定义n传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。n目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信把外界输入的非电信号转换成电信号的装置号的装置。物理量物理量电量电量工业传感器工业传感器l传感器的构成传感器的构成n传感器由敏感器件与辅助器件组成。n敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。n辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV传感器的分类传感器的分类(1)l按被测物理量分类按被测物理量分类 n机械量： 长度,厚度 位移,速度,加速度 旋转角,转速,质量,重量

3、,力 压力,扭矩,风速,流速,流量;n声音: 声压,噪声n温度: 温度,热量,比热n光谱：亮度，色彩传感器的分类传感器的分类(1)l按被测物理量分类按被测物理量分类 n机械量： 长度,厚度 位移,速度,加速度 旋转角,转速,质量,重量,力 压力,扭矩,风速,流速,流量;n声音: 声压,噪声n温度: 温度,热量,比热n光谱：亮度，色彩安放在机场跑道上的麦克风阵列安放在机场跑道上的麦克风阵列麦克风阵列麦克风阵列传感器的分类传感器的分类(1)l按被测物理量分类按被测物理量分类 n机械量： 长度,厚度 位移,速度,加速度 旋转角,转速,质量,重量,力 压力,扭矩,风速,流速,流量;n声音: 声压,噪声

4、n温度: 温度,热量,比热n光谱：亮度，色彩等离子体等离子体激光器激光器光导纤维光导纤维样样品品光谱仪光谱仪410415420425430435440 波长波长(nm)(nm)发射强度发射强度传感器的分类传感器的分类(2)l按信号变换特征分类按信号变换特征分类n能量转换型 直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计.n能量控制型 从外部供给能量，并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片、ICP型加速度传感器l按信号的输出方式分类按信号的输出方式分类n模拟型传感器n数字型传感器传感器的分类传感器的分类(3)l按敏感元件与被测对象的关系分类按敏感元件与被测对象的关系分类n物性

5、型 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 如:水银温度计.n结构型 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器听筒的工作原理图工业传感器工业传感器l传感器的分类传感器的分类l传感器的选用原则传感器的选用原则l传感器的安装传感器的安装l传感器的标定传感器的标定l测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计工业传感器工业传感器l传感器的静态特性传感器的静态特性l传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的静态特性传感器的静态特性l静态测量：静态测量：如果测量时，测试装置的输入、输出如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化。信号不随时间而变化。l静态响应特性：

6、静态响应特性：静态测量时，测试装置表现出的静态测量时，测试装置表现出的响应特性，主要指标：响应特性，主要指标：n灵敏度n非线性度n回程误差n测量范围n稳定性n可靠性传感器的静态特性传感器的静态特性l灵敏度灵敏度n当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y时,定义: S=y/xy yx xx xy y传感器的静态特性传感器的静态特性l非线性度非线性度n实际曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。n非线性度=B/A100%y yx xB B实际的拟合的拟合的A A传感器的静态特性传感器的静态特性l回程误差回程误差n在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，测量得到的两条输出曲线之间差值最大

7、的地方则为hmax，则定义回程误差为: (hmax/A)100%y yx xhmaxhmaxA A传感器的静态特性传感器的静态特性l精度精度n用于评价测试装置产生的测量误差大小l分辨力分辨力n指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力分辨输入量微小变化的能力l测量范围测量范围n指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。工业传感器工业传感器l传感器的静态特性传感器的静态特性n灵 敏 度n精 度n非线性度n回程误差n分 辩 力n测量范围x xx xy yx xB BA Ay yx xhmaxhmaxA Ay yy yx y y y*工业传感器工业传

8、感器l传感器的静态特性传感器的静态特性l传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性n频率响应特性：频率响应通过输入信号与测量所得信号之间的关系 对于一个已知的包含所有频率的输入信号，在理想情况下，其曲线应该是平直的 实际上存在一个低频限制，在某个频率范围内响应曲线为平滑曲线，而在高频区域，响应线会出现下滑传感器的动态特性传感器的动态特性n频率响应特性 如果分析数据的频率不在“线性区域”内，就可能会遇到一些不该出现的重复性、精确度和相位漂移方面的问题 备注：测量冲击脉冲（测量冲击脉冲（SPM）、共振解调等方法时，应使）、共振解调等方法时，应使用在传感器线性范围外的高频数据用

9、在传感器线性范围外的高频数据传感器的选用原则传感器的选用原则l选用原则选用原则n根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 传感器的量程量程：测量范围 传感器的体积体积：被测位置对传感器体积的要求 测 量 方方 式式：接触式、非接触式 工 作 温温 度度：常温、高温 电源供电供电方式：有源、无源 信号引出引出方式：有线、无线 传感器的来源来源：国产、进口（价格因素）工业传感器工业传感器灵灵 敏敏 度度精精 度度非线性度非线性度回程误差回程误差分分 辩辩 力力测量范围测量范围(线性范围线性范围)体积体积测量方式测量方式信号引出方式信号引出方式 工业传感器工业传感器l传感器的分类传感器的分类l传感器的

10、选用原则传感器的选用原则l传感器的安装传感器的安装传感器选择与状态监测的关系传感器选择与状态监测的关系l不同监测方法在设备状态劣化过程中的灵敏度不同监测方法在设备状态劣化过程中的灵敏度工业传感器工业传感器振动监测振动监测n 位移位移是质量块在运动过程中离开平衡位置的距离n 振动速度速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量n 振动加速度加速度是振动速度的变化率n振动位移振动位移 (Displacement)n速度速度 (Velocity)n加速度加速度 (Acceleration) 工业传感器工业传感器振动位移、速度、加速度之间的关系振动位移、速度、加速度之间的关系 )2sin(ddtAtxv)s

11、in(dd222tAtxatAx sin位移、速度、加速度都是同频率的简谐波同频率的简谐波。三者的幅值相应为A、A、A 2。相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。工业传感器工业传感器l位移位移/速度速度/加速度和转速的关系加速度和转速的关系位移转速速度转速加速度位 移：相同能量值情况下，转速越高，故障越严重速 度：相同能量值情况下，不受转速的影响加速度：相同能量值情况下，转速越低，故障越严重工业传感器工业传感器l选择不同监测量的标准是什么？选择不同监测量的标准是什么？工业传感器工业传感器振动相位振动相位压电式加速度传感器压电式加速度传感器l振动加速度的测量振动加速度的测量传感器电信

12、号非电量l压电式加速度传感器压电式加速度传感器加速度加速度a电荷电荷Q、电压、电压V，电流，电流I压电传感器电信号非电量加速度加速度a电荷电荷Q压电效应压电效应非电量力力F=ma线性变换线性变换压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l压电效应压电效应n某些电介质在沿一定方向某些电介质在沿一定方向上上受到外力的作用而变形受到外力的作用而变形n内部会产生极化现象，在内部会产生极化现象，在它的两个相对表面上它的两个相对表面上出现出现正负相反的电荷正负相反的电荷。n外力去掉后，会恢复到不外力去掉后，会恢复到不带电的状态，这种现象称带电的状态，这种现象称为为正压电效应正压电效应。l压电材料压电材料n石

13、英晶体、压电陶瓷压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l石英晶体石英晶体nZ轴：光轴，光线沿z轴通过晶体，不产生折射，沿z轴方向作用力，不产生压电效应nX轴：电轴，nY轴：机械轴，力轴光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l石英晶体的压电效应机理石英晶体的压电效应机理在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。1正电荷等效中心，2负电荷等效中心。压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l石英晶体压电效应的机理石英晶体压电效应的

14、机理n当晶体的机械轴方向受到压力时，产生晶格变形nO2-的负电荷中心上移， 在上表面产生负电荷，nSi+的正电荷中心下移，在下表面产生正电荷。1正电荷等效中心，2负电荷等效中心。压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l石英晶体压电效应的机理石英晶体压电效应的机理1正电荷等效中心，2负电荷等效中心。n当晶体的电轴方向受到压力时，也会产生晶格变形，nSi+的正电荷中心上移，上表面产生正电荷nO2-的负电荷中心下移，下表面产生负电荷。压电加速度传感器原理压电加速度传感器原理l压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器：压电式加速度传感器：以压以压电效应作为机电变换器而制电效应作为机电变

15、换器而制成的加速度传感器。成的加速度传感器。 传感器结构图传感器结构图1基座基座 2引出电极引出电极 3压电晶压电晶片片 4质量块质量块 5弹簧弹簧 6壳体壳体 7固定螺孔固定螺孔设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l压电加速度传感器的结构压电加速度传感器的结构+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - -预紧力可以增大刚度，提高动态响应范围温度的变化会对测量带来影响基座的变形会对测量带来影响设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l压电加速度传感器的结构压电加速度传感器的结构+ + + + + + +- - - - - - - -无预紧力，动

16、态响应范围低环境温度变化主要以幅射方式使晶体产生热变形，变形方向与测量方向垂直基座的变形在支点附近被有效地抵消了设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l压电加速度传感器的结构压电加速度传感器的结构+-+-温度瞬变过程导致的变形方向与测量方向垂直基座的变形被支柱有效地吸收设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l如何提高传感器的灵敏度如何提高传感器的灵敏度F=Ma从原理图可以看出，增加压力就可以增大晶体的电荷量。要增大压力，可以通过增加质量块的质量来实现。增大质量块加大质量块密度设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l如何提高传感器的灵敏度如何提高传感器的灵敏度压电片并联压电片并联 两片压电

17、片并联在一起可两片压电片并联在一起可以增大输出电荷以增大输出电荷, ,提高灵提高灵敏度。敏度。Q/ =2Q压电片串联压电片串联 两片压电片串联在一起可两片压电片串联在一起可以增大输出电压以增大输出电压, ,总电荷总电荷量不变。量不变。Q/ =QU/ =2U注：并联连接：适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。 串联连接：适用于要求以电压为输出的场合。 设计和使用的注意事项设计和使用的注意事项l压电式加速度传感器的测量压电式加速度传感器的测量n压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质n若要减少电荷泄露，测

18、量电路需要有很高的输入阻抗n压电式传感器适用于静态测量或准静态测量吗？传感器的安装传感器的安装l概述概述n正确安装传感器，对于获取正确的测量结果是非常重要的 永久式传感器的安装 便携式传感器的安装l振动传感器安装注意事项振动传感器安装注意事项n选择的安装位置必须能够保证使用数据采集器时的工作安全安全n在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，传感器安装时应选择振源和传感器间的最短路径最短路径n确保没有将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等不宜放置传感器的部件工业传感器工业传感器传感器安装位置的选择传感器安装位置的选择1234检测轴承的振动，传感器检测轴

19、承的振动，传感器安装在什么位置合适？安装在什么位置合适？测量径向振测量径向振动，在承载动，在承载区最合适区最合适测量轴向振测量轴向振动，路径最动，路径最短最合适短最合适？传感器的安装传感器的安装l如何正确安装传感器如何正确安装传感器n传感器必须直接与机器的表面相接触，传感器与设备的连接越可靠，测量结果越准确n机器表面必须保持光滑和平坦，不能有油漆、铁锈或粗砂，否则会严重影响传感器的频率响应n常规的便携式安装时，传感器被暂时安装在设备表面；进行连续监控时，传感器则是永久式安装n安装方式 螺栓连接 焊接 磁座 粘接工业传感器工业传感器如何正确安装传感器如何正确安装传感器l暂时安装暂时安装n所使用的

20、方法应具有良好的可重复性 振动探针 磁铁 快速连接装置l振动探针安装振动探针安装n仅用于难以接近的测点和铝制表面，不能测量低于10HZ的振动，共振频率范围800-1500HZ工业传感器工业传感器传感器的安装传感器的安装如何正确安装传感器如何正确安装传感器l磁铁固定磁铁固定n可以在有微小曲面的机器表面安装n机器表面和磁性必须保持清洁和良好的维护，所有沙粒、金属颗粒、毛刺都必须去除n黄油、蜂蜡等耦合剂经常与有平坦底部的磁体一起使用n注意 磁铁安装座具有很强的磁性，当把它安装到机器上时，应先放在设备的边缘上然后慢慢移动到目标位置，否则由于巨大的磁性冲击力作用可能会导致传感器的损坏n分类 两极磁铁：用

21、于不规则表面或曲面 平面磁铁：用于平坦表面工业传感器工业传感器传感器的安装传感器的安装？如何正确安装传感器如何正确安装传感器l永久螺栓固定永久螺栓固定n通过在设备外壳上钻螺纹孔，用双头螺栓与设备直接连接，能获得最高的频率范围n可以用环氧树脂粘合垫子来代替钻孔，将传感器安装到垫子上，如果安装合理的话，也能达到接近双头螺栓安装的效果工业传感器工业传感器传感器的安装传感器的安装双头螺栓固定粘合垫子如何正确安装传感器如何正确安装传感器l安装方式安装方式n目前最好的安装方式采用双头螺栓双头螺栓直接将传感器与机器表面连接起来，其它安装方式会引入安装共振。工业传感器工业传感器传感器的安装传感器的安装测量系统

22、的准备测量系统的准备传感器类型的选择传感器类型的选择传感器安装位置的选择传感器安装位置的选择传感器安装方式的选择传感器安装方式的选择传感器的标定传感器的标定传感器的标定传感器的标定l传感器的标定传感器的标定n用高精度的测量仪器标定低精度的测量仪器 振动：激振器 温度：红外热成像仪n建立电压变化与实际物理量变化的关系 曲线拟合 最小二乘电压电压(V)加速度加速度(mm/s2)测量系统的准备测量系统的准备传感器类型的选择传感器类型的选择传感器安装位置的选择传感器安装位置的选择传感器安装方式的选择传感器安装方式的选择传感器的标定传感器的标定测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计l测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中，这些信号与有用信号叠加信号可能出现在测量系统中，这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。在一起，严重扭曲测量结果。测量系统测量系统电电磁磁干干扰扰信信道道干干扰扰电电源源干干扰扰测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计l电磁干扰电磁干扰 干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统 良好的屏蔽良好的屏蔽及正确的接地正确的接地可去除大部分的电