機械故障診斷學(xué)鐘秉林第2章特征信號檢測

1、第2章 特征信號檢測 l 概述l 振動信號檢測l 特征信號的采集機械故障診斷理論與方法機械故障診斷理論與方法2021-12-2111 概述概述 信號信號是反映設(shè)備運行狀態(tài)的信息載體 采用適當(dāng)?shù)臋z測方法，真實、充分、實時地檢測到足夠數(shù)量并能夠客觀反映設(shè)備運行情況的狀態(tài)信號，是判別工況狀態(tài)的重要條件和診斷成功的前提。 振動信號檢測2021-12-2122 特征信號的選擇特征信號的選擇 特征信號選擇原則 能敏感地反應(yīng)工況狀態(tài)變化（vs醫(yī)學(xué)診斷） 病態(tài)特征獲?。后w溫、心率、血壓、X光片 心臟病心率變化敏感，感冒體溫變化敏感 機器設(shè)備征兆：振動、位移、溫度、壓力 能實時采集 特別如振動、電壓、電流等快變

2、特征信號。2021-12-2132021-12-214傳感器傳感器：是一個完整的測量裝置是一個完整的測量裝置(或系統(tǒng)或系統(tǒng))，能把，能把被測非電被測非電量量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電量有用電量輸出，以滿足輸出，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。3 振動信號的檢測振動信號的檢測 傳感器是人類器官的延伸 傳感器的組成傳感器組成原理框圖敏感元件傳感元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輸出輔助電源被測量輸入信號:位移、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 工作原理：機械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等。 內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)：物性型、結(jié)構(gòu)型能量轉(zhuǎn)換關(guān)

3、系：能量轉(zhuǎn)換型(無源型、 發(fā)電型或主動傳感器)、能量控制型( 有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動傳感器)3 振動信號的檢測振動信號的檢測 傳感器的分類 輸出信號：模擬式、數(shù)字式2021-12-215 對傳感器類型的選擇要求 能反映物理特征 易于安裝及可行性 實驗室:工件表面鉆孔安裝熱電偶，生產(chǎn)時不允許 激光測量法：雖精度高，但工業(yè)現(xiàn)場有油污等，則不適合用它來測振動。2021-12-2163 振動信號的檢測振動信號的檢測f (t) mkcy0(t)y1(t)慣性式拾振器傳感器慣性式拾振器傳感器 )()()()()(1100202tkytydtdctkytydtdctdtydm21201012012)()(

4、)()(tdtydmtkydttdyctdtydm)()()(1001tytyty令l 振動信號檢測：最常見l動態(tài)測量：位移、速度、加速度、頻率、相位l靜態(tài)測量：固有頻率、阻尼、剛度、模態(tài)3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2172222/2/1)/()(nnnA 2/1/2arctgnnmkn/ckm2固有頻率：阻尼比：以y1(t)作為輸入： 3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-218位移輸入：幅-頻曲線3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-21900.511.522.53020406080100120140160180n/01. 00.10.20.50.7

5、10位移輸入：相-頻曲線3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2110當(dāng)n時，A()接近于1，表明質(zhì)塊相對基礎(chǔ)的運動與基礎(chǔ)的運動近乎相等，即質(zhì)塊在慣性座標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。上述原理是研究振動測試的基礎(chǔ)。 3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2111以 作為輸入： )(1ty 2222/2/1)/1 ()(nnnA 2/1/2arctgnn3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-211200.511.522.5300.511.522.533.544.55nA()加速度輸入：幅-頻曲線01. 00.10.20.50.713 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12

6、-2113 渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器 線圈自感量：線圈自感量：LwA202w ： 線圈匝數(shù) ：空氣的磁導(dǎo)率A：導(dǎo)磁截面積 03 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2114特點：特點：渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、線性范圍大、靈敏度高、渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響，非接觸頻率范圍寬、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)影響，非接觸測量測量傳感器的自感量L與距離關(guān)系 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.911.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.600.0250.050.0750.10.1250

7、.150.1750.20.2250.25, mmL3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2115殼體羅紋六角螺母探頭同軸電纜傳感器本體3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-21163 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-21173 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2118 磁電式速度傳感器：磁電式速度傳感器： 當(dāng)穿過某一線圈的當(dāng)穿過某一線圈的磁通發(fā)生磁通發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應(yīng)變化時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比電動勢，其電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比 e=WBlvsin e=WBA3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-1

8、2-2119圖 電磁式絕對速度計1彈簧 2殼體 3阻尼環(huán) 4磁鋼 5線圈 6芯軸3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-21203 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2121 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 金屬膜FF壓電晶片3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2122壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：某些材料某些材料(某些單晶體或多晶體陶瓷介質(zhì)某些單晶體或多晶體陶瓷介質(zhì))，當(dāng)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Φ淖饔枚顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿Φ淖饔枚顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生生極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象，同時在它的兩個對應(yīng)晶面上產(chǎn)生，同時在它的兩個對應(yīng)晶面上產(chǎn)生符號相反符號相反地

9、等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷消失地等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷消失重新恢復(fù)重新恢復(fù)為不帶為不帶電的狀態(tài)，的現(xiàn)象。電的狀態(tài)，的現(xiàn)象。3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2123等效電荷源等效電壓源CaqCaua壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源：ACa0aaCqu 電容兩極板間開路電壓為：3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2124等效電路：若考慮負(fù)載（測量電路），等效電路如下：電荷源等效電路CaRaqCcRiCi電壓源等效電路CaRauaCcRiCiicaaCCCqCqu假設(shè)一恒定力F作用于壓電器件，產(chǎn)生電量q，則輸出電壓：3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12

10、-2125CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo高通濾波其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 1)()(sRCsRCsUsUaai3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2126電荷放大器是一個高增益帶電容負(fù)反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。 電荷放大電路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2127電荷放大等效電壓放大電路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf1)()(sRCsRCsUsUaai其中，R = Ra/Ri C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf (1

11、+A)Cf 3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2128壓電式加速度傳感器3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2129鋼螺栓a)鋼螺栓c)絕緣螺栓b)云母墊圈 薄蠟層探針d )e)粘接劑 粘接螺栓f )粘接劑g )磁 鐵3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2130各種振動傳感器的測量范圍 3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2131測振傳感器的合理選擇 要求: 靈敏度高 動態(tài)特性良好 噪聲小 滯后、漂移誤差小 功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性 防水及抗腐蝕 結(jié)構(gòu)簡單、成本低3 振動信號的檢測振動信號的檢測2021-12-2132計算機輔助信號采集系統(tǒng)被

12、測被測對象對象傳傳感感器器信號信號調(diào)理調(diào)理多路多路模擬模擬開關(guān)開關(guān)采樣采樣保持保持A/D計計算算機機總總線線D/A低通低通濾波濾波激勵激勵裝置裝置功率功率放大放大CPUROMRAM鍵盤顯示顯示控制邏輯控制邏輯4 特征信號的采集特征信號的采集2021-12-2133 信號調(diào)理信號調(diào)理 1、交、直流分離 交流信號用于振動的譜分析、統(tǒng)計分析、轉(zhuǎn)子軸心軌跡分析(瞬變) 直流信號用于轉(zhuǎn)子軸心位置的在線監(jiān)視2、信號濾波 濾波器消除檢測到的特征信號中的噪聲及其對各種后續(xù)分析的負(fù)面 影響。4 特征信號的采集特征信號的采集3、信號放大 目的滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，輸入在5V范圍內(nèi)的電壓信號。4、信號積分 實現(xiàn)位移

13、、速度、加速度等測量參數(shù)的換算。2021-12-2134 A/D A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換( (檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號) )012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2002468101214x( t )x ( t )xt時間 t= kD,D, sD4 特征信號的采集特征信號的采集2021-12-21354 特征信號的采集特征信號的采集2021-12-2136若原始信號是帶限信號， 則采樣后信號不發(fā)生混采樣后信號不發(fā)生混疊的條件為：疊的條件為：fs 2fh（如下圖）。其中fh為信號中的最高頻率。此即為采樣定理采樣定理。 4 特征

14、信號的采集特征信號的采集2021-12-2137q 采樣定理采樣定理 q 消除混疊的措施消除混疊的措施v 提高采樣頻率。但提高采樣頻率將導(dǎo)致在 同樣信號長度下，采樣點數(shù)隨之提高，增 加計算負(fù)擔(dān)。v 應(yīng)用抗混濾波器降低信號中的最高頻率。 從理論上講，由于抗混濾波器的非理想特 性，信號中高頻分量不可能完全衰減，因 此不可能徹底消除混疊。4 特征信號的采集特征信號的采集2021-12-2138 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量4 特征信號的采集特征信號的采集2021-12-2139主要功能：提供一個相位基準(zhǔn)信號；可用于采樣頻率的確定，保證振動信號的整周期采樣；由轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖信號可用于控制同步采樣。測量：采用光電傳感器或位移傳感