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故障诊断—工业传感器原理与应用模板

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故障诊断—工业传感器原理与应用模板

机械设备故障诊断技术 -工业传感器原理与应用 北京科技大学 机械工程学院 黎 敏 * 设备故障诊断技术 l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 设 备 传感器 分析处理、状态识别 故障诊断、决策 治 理 防 治 监护运行停机检修 状态监测 分析诊断 决策处理 巡回监测 工业传感器 l传感器的分类 l传感器的选用原则 l传感器的安装 工业传感器 l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 n从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成 电信号的装置。 物理量电量 工业传感器 l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: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。 d V 传感器的分类(1) l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 传感器的分类(1) l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 麦克风阵列 集束射流喷枪 试件 声导管阵列 高温气流 试件 n实验参数: ü阵列规格:3×3网格阵 ü气流速度:1.7Ma ü气流温度:1200 ü流束直径:45mm ü出口压力:10MPa ü试件材料:铝合金 ü试件规格:310×235×2mm 声导管阵列 o开展高热环境下的构件声致疲劳测试 传感器的分类(1) 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 试件 夹具 集束射流 重建面 0.3m ü 可获得准确的声源 位置和声压大小 ü 可为材料声致疲劳 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 试件 l带钢甩尾的危害: ü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 ü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(1) l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(1) l甩尾声音特征值计算: 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: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:能 量密度越大,冲击 效果也越强。系统 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(1) 对采集信号的各个特征进行计算,并且与数据库中的正常 信号特征值进行对比,系统自动判断是否需要甩尾报警 传感器的分类(1) n甩尾声音冲击能量密度趋势分析图 Ø系统连续稳定运行,投入率100% (合同要求 99%) Ø甩尾及轧辊损害识别正确率97.81%(合同要求 95% ) 传感器的分类(1) l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: 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(1) l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 激光器 光导纤维 样 品 光谱仪 410415420425430435440 波长(nm) 发射强度 激光诱导击穿光谱仪 传感器的分类(2) l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 n模拟型传感器 n数字型传感器 传感器的分类(3) l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 l传感器的分类 l传感器的选用原则 l传感器的安装 工业传感器 l传感器的静态特性 l传感器的动态特性 传感器的静态特性 l静态测量:如果测量时,测试装置的输入、输出 信号不随时间而变化。 l静态响应特性:静态测量时,测试装置表现出的 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 l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/x y x x y 灵敏度越高越好吗? 传感器的静态特性 l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/A×100% y x B 实际的 理论值 A 传感器的静态特性 l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 x hmax A 传感器的静态特性 l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%±1um y 传感器的静态特性 l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最小变化的能力,即min(x) l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 l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 x y x B A y x hmax A y y y y* 工业传感器 l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 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 ü 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 ü 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 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:在应用冲击脉冲法(SPM)时,利用的是传感器固 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 l SPM-Shock Pulse Method, 专门针对滚动轴承的检测方法 l 由于滚动轴承在故障早期,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,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 l选用原则 n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:被测位置对传感器体积的要求 测 量 方 式:接触式、非接触式 工 作 温 度:常温、高温 电源供电方式:有源、无源 信号引出方式:有线、无线 传感器的来源:国产、进口(价格因素) 工业传感器 l传感器的分类 l传感器的选用原则 l传感器的安装 ü 灵 敏 度 ü 精 确 度 ü 非线性度 ü 回程误差 ü 分 辩 力 ü 测量范围 ü 频响范围 ü 体积 ü 供电方式 ü 信号引出方式 ü 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 l不同监测方法在设备状态劣化过程中的灵敏度 振动 温度 鉄谱 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 工业传感器振动监测 n 位移是质量块在运动过程中离开平衡位置的距离 n 振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量 n 振动加速度是振动速度的变化率 n振动位移 (Displacement) n速度 (Velocity) n加速度 (Acceleration) 工业传感器 振动位移、速度、加速度之间的关系 ü位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 ü三者的幅值相应为A、A、A 2。 ü相位关系:加速度领先速度90º 速度领先位移90º。 工业传感器振动相位 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 l不同转速下,位移/速度/加速度的灵敏度 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 工业传感器 l转速确定,位移/速度/加速度与设备状态的关系 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 传感器的安装 l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 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 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 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 传感器安装位置的选择 1 2 3 4 检测轴承的振动,传感器 安装在什么位置合适? 测量径向振 动,在承载 区最合适 测量轴向振 动,路径最 短最合适 × × ? 传感器的安装 l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 如何正确安装传感器 l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 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 传感器的安装 如何正确安装传感器 l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:用于不规则表面或曲面 平面磁铁:用于平坦表面 工业传感器 传感器的安装 ? 如何正确安装传感器 l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 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 l安装方式 n目前最好的安装方式采用双头螺栓直接将传感器与机器表面 连接起来,

注意事项

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