故障诊断—工业传感器原理与应用模板

1、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

2、(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： 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 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 可获得准确的声源 位置和声压大小 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： 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(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

3、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 系统连续稳定运行，投入率100% （合同要求 99%） 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

4、 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：

5、 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/A100% 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

6、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 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 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

7、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 灵 敏 度 精 确 度 非线性度 回程误差 分 辩 力 测量范围 频响范围 体积 供电方式 信号引出方式 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

8、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 位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 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

9、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，

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