故障诊断—工业传感器原理与应用

1、机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术-工业传感器原理与应用工业传感器原理与应用北京科技大学 机械工程学院黎 敏2022-4-11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工业传感器工业传感器l传感器的定义传感器的

2、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n从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号非电信号转换成电信号电信号的装置。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传感器由敏感器件敏感器件与辅助器件辅助器件组成。n敏感器件的作用：感受被测物理量，并对信号进行转换输出。n辅助器件的作用：对敏感器件输出的电信号放大、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 转速、旋转角、质量、力 流速、流量、压力、扭矩n声音: 声

3、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 转速、旋转角、质量、力 流速、流量、压力、扭矩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集束射流喷枪集束射流喷枪试件试件声导管阵列声导管阵列高温气流高温气流试件试件n实验参数：阵列规格：33网格阵气流速度：1.7Ma气流温度：1200流束直径：45mm出口压力：10MPa试件材料：铝合金试件规格：3102352mm声导管阵列声导管阵列o开

4、展高热环境下的构件开展高热环境下的构件声致疲劳声致疲劳测试测试传感器的分类传感器的分类(1)传感器的分类传感器的分类(1)利用采集信号喷射稳定段进行声场重构计算，获得试件表面声载荷分布云图010203040-50005001通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005002通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005003通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005004通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005005通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005006通道测量数据时间/s声压/Pa01020304

5、0-50005007通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005008通道测量数据时间/s声压/Pa010203040-50005009通道测量数据时间/s声压/Pa试件试件夹具夹具集束射流集束射流重建面重建面0.3m 可获得准确的声源可获得准确的声源位置和声压大小位置和声压大小 可为材料声致疲劳可为材料声致疲劳研究提供数据支持研究提供数据支持o开展高热环境下的构件声致疲劳测试开展高热环境下的构件声致疲劳测试x/cmy/cm30-8000Hz, Sound pressure level, L/dB 2040608010020406080100128130132134136试件试

6、件l带钢甩尾的危害：带钢甩尾的危害：连续发生甩尾，造成带钢尾部折叠或破碎，易硌伤辊面，导致产品出现辊印缺陷甩尾严重时，导致轧辊出现表面裂纹甚至剥落传感器的分类传感器的分类(1)l精轧带钢甩尾声音识别系统：精轧带钢甩尾声音识别系统：准确提取甩尾声音信号的特征非线性、非平稳的信号传感器的分类传感器的分类(1)l甩尾声音特征值计算：甩尾声音特征值计算：最大声压最大声压：基于甩尾声音能量大于正常抛钢声音能量的原理，系统会自动捕捉抛钢过程的声压最大值 异响时间异响时间：基于撞击与抽击发声原理的不同，系统会计算声源振动的持续时间来判别撞击还是抽击 冲击能量密度冲击能量密度：能量密度越大，冲击效果也越强。系

7、统通过声音能量与其作用时间计算冲击能量密度 传感器的分类传感器的分类(1)对采集信号的各个对采集信号的各个特征进行计算特征进行计算，并且与数据库中的正常，并且与数据库中的正常信号特征值进行信号特征值进行对比对比，系统自动判断是否需要甩尾报警，系统自动判断是否需要甩尾报警传感器的分类传感器的分类(1)n甩尾声音冲击能量密度趋势分析图甩尾声音冲击能量密度趋势分析图系统连续稳定运行，投入率系统连续稳定运行，投入率100% （合同要求（合同要求 99%）甩尾及轧辊损害识别正确率甩尾及轧辊损害识别正确率97.81%（合同要求（合同要求 95%）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

8、分类 n机械量： 长度、厚度 位移、速度、加速度 转速、旋转角、质量、力 流速、流量、压力、扭矩n声音: 声压,噪声n温度: 热量,比热n光谱：亮度，色彩当轴承受力不均，存在偏载现象时，轴承座径向温度场的分布出现不均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 转速、旋转角、质量、力 流速、流量、压力、扭矩n声音: 声压,噪声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)发射强度发射强度激光诱导击穿光谱

9、仪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

10、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：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

11、应变化y时,定义: S=y/xyxxy灵敏度越高越好吗？灵敏度越高越好吗？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实际的理论值理论值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的地方则为hmax，定义回程误差为: (hmax/A)100%y yx xh hmaxmaxA A传感器的静态特性传感器的静态特性l精确度精确度n传感器输出与被测物理量的一致程度，精确度越高，传感器越能真实反映被测量，即n与精确度想对应的

12、是误差，在工程测量中常用误差指标来代替精确度指标。n精确度分为：相对精确度和绝对精确度 传感器的精确度都是用相对精度 % 来描述的 测试系统的精确度用两者的加和来描述：温度测量误差为0.5%1度；位移测量误差为0.2%1umy传感器的静态特性传感器的静态特性l分辨力分辨力n能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表示测试装置能分辨输入量分辨输入量最小变化最小变化的能力，的能力，即即min(x)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 确 度n分 辩 力n非线性度n回程误差n测量范围x xx

13、 xy yx xB BA Ay yx xh hmaxmaxA Ay yy y y y* 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动态特性传感器的动态特性n频率响应特性：在所测频率范围内，传感器的输出能真正反映被测参数而不失真 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：在

14、应用冲击脉冲法（在应用冲击脉冲法（SPM）时，利用的是传感器固）时，利用的是传感器固有频率附近有频率附近测量的上限频率通常取为传感器固有频率的1/3传感器的动态特性传感器的动态特性l SPM-Shock Pulse Method， 专门针对滚动轴承滚动轴承的检测方法l 由于滚动轴承在故障早期故障早期，冲击信号能量弱，故障特征被淹没在背景噪声中，采用普通振动传感器提取冲击脉冲信号困难l SPM传感器经过特殊机械和电气方面的处理，使系统在40KHz的传感器固有频率处发生共振发生共振，即通过机械及电子调谐的共同作用，将所获得的轴承冲击信号放大57倍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

15、除了前面的技术指标外，还应该考虑如下原则： 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灵灵 敏敏 度度精精 确确 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频响范围频响范围体积体积供电方式供电方式信号引出方式信号引出方式 工业传感器工业传感器静态特性动态特性工程应用传感器选择与状态监测的关系传

16、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振动振动温度温度鉄谱鉄谱设备的磨损曲线设备的磨损曲线时间幅值随设备劣化，不同技术对设备诊断的有效性随设备劣化，不同技术对设备诊断的有效性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

17、移、速度、加速度之间的关系 )2sin(ddtAtxv)sin(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振动相位振动相位电机两侧的传感器同相位松动电机两侧的传感器反相位不对中工业传感器工业传感器l不同转速下，位移不同转速下，位移/速度速度/加速度的加速度的灵敏度灵敏度速度位移 加速度变形量作用力疲劳度需要根据设备工况的不同，选择合适的传感器需要根据设备工况的不同，选择合适的传感器工业传感器工业传感器l转速确定，位移转速确定，位移/速度速度/加速度加

18、速度与设备状态与设备状态的关系的关系位移转速速度转速加速度无论选择何种监测方式，测量值越大，故障就越严重无论选择何种监测方式，测量值越大，故障就越严重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

19、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

20、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

21、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，

22、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 良好的屏蔽屏蔽及正确的接地接地可去除大部分的电磁波干扰l信道干扰信道干扰 测量电路中的信号多用电缆进行传输。当电缆抖动、弯折时，若在介质中产生机械力，就会引起压电效应干扰压电效应干扰 选用铠装电缆铠装电缆，在绝缘层的两侧涂有石墨，去除感应电荷l电源干扰电源干扰 这是由于供电电源波动供电电源波动对测量电路引起的干扰 使用交流稳压器交流稳压器、隔离稳压器隔离稳压器可减小供电电源波动的影响测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计l屏蔽屏蔽n一种是采用双绞线双绞线，其中一根用做作屏蔽，另一根用做信号传输线。n另一种是采用金属