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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北京科技大学 机械工程学院机械工程学院阳建宏阳建宏2010.10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
2、感器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,
3、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,
4、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
5、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工业传感器工业传感器振动相位振动相位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
6、(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
7、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发生相应变化y时,定义: S=y/xy yx xx xy y传感器的静态特性
8、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
9、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 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：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
10、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、尖峰能量、HFD、SPM、SEE和频谱解调时应使用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 信号引出方式信号引出方式：有线、无线 传感器的来源来源：国产、进口工业传感器工业传感器传感器的选用原则传感器的选用原则l灵敏度灵敏度n从一定的角度上说，灵敏度越高越好
11、n但灵敏度越高，也容易引入噪声工业传感器工业传感器(a)线性系统的灵敏度(b)非线性系统的灵敏度传感器的选用原则传感器的选用原则l精度 输出与被测物理量的对应程度 精确度并不是越高越好考虑到经济性 例：超精密切削机床运动部件的定位精确度、主轴振动等l线性范围 输出与输入成正比的范围 传感器的线性范围越宽，其量程越大 传感器在线性区内工作，是保证测量精度的基本条件l稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力 变间隙型的电容式传感器，在环境湿度较大的场合工作或油剂浸入间隙时，会改变电容器的介质。 磁电式传感器在磁场中工作时，会带来测量误差 在温度变化大的场合使用应变式传感器，应考虑温度补偿
12、传感器的选用原则传感器的选用原则l动态响应特性动态响应特性 实际传感器的响应总有一定的迟延，要根据被测物理量的变化特点加以选择(稳态、瞬变、随机) 光电效应、压电效应等物性型传感器、响应较快，工作频率范围宽 电感、电容、磁电式等结构型传感器，受机械系统惯性的限制，固有频率低，可工作频率低工业传感器工业传感器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量程量程体积体积测量方式测量方式信号引出方式信号引出方式灵敏度灵敏度精度精度线性范围线性范围动态响应性动态响应性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
13、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
14、，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
15、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
16、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测量系统的抗干
17、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
18、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另一种是采用金属网状编织的屏蔽线屏蔽线，金属网做屏蔽层，芯线用于传输信号。n一般的原则是：抑制电磁感应干扰应采用双绞线，抑制静电感应采用金属网屏蔽线。测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计l接地接地n接地
19、通常有两种含义，一是连接到系统基准地，二是连接到大地。从用途上分：一是抑制干扰接地，二是安全接地 串联接地串联接地：布线简单，电路间会有一定干扰 并联接地并联接地：布线复杂、地电流间不会耦合，但高频信号会产生电感，使地线阻抗加大n大地的电特性与接地位置相关 接大地电位需专门制作，接地电阻4，不是随便的地脚螺栓、暖气管之类的装置n接地必须可靠 为降低阻抗，接地线越短越好 最好采用焊接测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计l隔离隔离n光电隔离、变压器隔离等l电源电源n线性电源与开关电源n稳压电路l软件方法软件方法n滤波n看门狗技术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测量系统的抗干扰设计测量系统的抗干扰设计传感器的标定传感器的标定