機械故障診斷-Ch03故障診斷系統(tǒng)與傳感器原理課件

Ch3故障診斷系統(tǒng)與傳感器原理機械故障診斷—Ch3故障診斷系統(tǒng)與傳感器原理§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器機械故障診斷—§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程一監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的目標(biāo)1能了解被監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證其運行狀態(tài)在設(shè)計約束之內(nèi)；2能提供機器狀態(tài)的準(zhǔn)確描述；3能預(yù)報機器故障，防止大型事故產(chǎn)生，保證人民生命的安全。

機械故障診斷—§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程二監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的實施過程雖然根據(jù)診斷的目的要求、診斷的物理參數(shù)以及診斷的直接對象不同，可將故障診斷技術(shù)分為多種類型，但在實施各種類型的故障診斷技術(shù)時，其基本的過程是相同的。根據(jù)故障診斷技術(shù)的邏輯思想的總結(jié)，可以認為故障診斷技術(shù)的實施過程主要包括診斷文檔建立和故障診斷實施兩大部分。

機械故障診斷—§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程2實施故障診斷故障診斷技術(shù)在實施過程中包括以下幾個關(guān)鍵的內(nèi)容：1o狀態(tài)信號采集2o故障特征提取3o技術(shù)狀態(tài)識別4o維修決策形成

狀態(tài)信號是機械設(shè)備異?；蚬收闲畔⒌妮d體。選用一定的檢測方法和檢調(diào)系統(tǒng)采集最能表征診斷對象工作狀態(tài)的信號是故障診斷技術(shù)實施過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，能夠真實、充分地采集到足夠數(shù)量、客觀反映診斷對象狀況的狀態(tài)信號是故障診斷得以成功的關(guān)鍵。否則，其后的各個環(huán)節(jié)功能再完善也將是無效的。

對于所采集到的表征診斷對象運行中的原始狀態(tài)信號稱為初始模式。因初始模式中的故障信息混雜在大量的背景噪聲中，為提高診斷的靈敏度和可靠性，必須采用信號處理技術(shù)在狀態(tài)信號中排除噪聲、干擾的影響，提取有用的故障信息，以突出故障特征。因此，故障特征提取就是對初始模式進行維數(shù)壓縮、形式變換、排除或削弱噪聲干擾、保留或增強有用信號、精化故障特征信息的過程，由此而形成待檢模式。

故障診斷是一個典型的模式識別過程，而診斷文檔庫中的各種故障樣板模式就是進行技術(shù)狀態(tài)識別的基礎(chǔ)。所謂技術(shù)狀態(tài)識別系指將待檢模式與診斷文檔庫中的樣板模式進行對比，并將待檢模式歸屬到某一已知的樣板模式中去的過程。由此使可判定診斷對象所處的狀態(tài)模式是否正常，并預(yù)測其可靠性和狀態(tài)的發(fā)展趨勢。

當(dāng)識別出異常或故障狀態(tài)后，必須進一步對異?；蚬收系脑?、部位和危險程度進行評價以便據(jù)此研究和確定維修決策的具體形式，如臨時維護方案、加強監(jiān)視方案以及停機大修而徹底治理的措施等。

機械故障診斷—§3-1故障診斷系統(tǒng)的作用與實施過程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的實施過程框圖機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成一簡易診斷系統(tǒng)簡易診斷系統(tǒng)即使用各種便攜式診斷儀器和工況監(jiān)測儀表（如振動分析儀、溫度計、聲級計等），僅對設(shè)備有無故障及故障嚴重程度作出判斷和區(qū)分。它可以宏觀地、高效地診斷出眾多設(shè)備有無異常，因而費用較低。2簡易診斷技術(shù)是診斷設(shè)備“健康”狀況的初級技術(shù)，主要由現(xiàn)場作業(yè)人員實施。機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成4簡易診斷系統(tǒng)常用儀器1o便攜式振動分析儀，它們一般具有以下特點：1’使用專用的速度或加速度傳感器，連接方便、工作可靠，由于傳感器的原因，頻率及動態(tài)范圍有限，一般只按特定目的進行測試，如進行振動烈度的測試。2’一般儀器上均有指針或液晶或發(fā)光二極管顯示，能直觀讀出振動有效值、均方根值、峰值或振動烈度值等。有的儀器還可讀出斜度或峭度值等。3’有的儀器可分幾個頻率檔分別讀值，高檔儀器可同時進行若干個頻率檔(如倍頻程)分析，由于具有頻率分析功能，故稱為振動分析儀。便攜式振動分析儀價格低廉，使用方便，所測值目前仍為大多數(shù)機械的振動標(biāo)準(zhǔn)，故在中小企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但便攜式振動分析儀一般不能回答故障的原因及部位等問題。機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成2o聲級計機械運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動，同時也產(chǎn)生噪聲。測量噪聲的專用儀器就是聲級計。一般聲級計均使用電容式傳聲器(話筒)，經(jīng)放大及計權(quán)后可讀出聲壓級的大小。有的聲級計還配有倍頻程或1／3倍頻程濾波器，可作簡單的頻率分析。現(xiàn)場用聲級計進行噪聲監(jiān)測存在的主要問題是：1’存在背景噪聲的干擾。2’難以確定產(chǎn)生故障的零部件的部位。也就是說，聲級計監(jiān)測還不能達到有經(jīng)驗的檢修工人耳朵的水平。機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成3o溫度計早期的檢修工人也利用手指來判斷軸承座處溫度是否過高?，F(xiàn)在則有各種點溫度計能更準(zhǔn)確地測出實際溫度。常用的有半導(dǎo)體點溫度計，將測頭與軸承座處或其他感興趣的部位接觸，儀器指針可指示溫度高低，更方便的是紅外點溫度計，外形像把手槍，操作者只要對準(zhǔn)需要測量的部位，不需接觸，因此被測物體可以作直線運動、往復(fù)運動或轉(zhuǎn)動，液晶屏上立刻就能顯示被測點的溫度。這種方式的缺點是過分依賴操作者的巡檢，萬一巡檢周期不適當(dāng)或操作者的責(zé)任心不強，仍容易出事故。機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成4精密診斷系統(tǒng)的組成精密監(jiān)測診斷系統(tǒng)主要有三大部分，即：1o數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2o狀態(tài)識別系統(tǒng)3o診斷輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱數(shù)據(jù)采集器。它能定時周期地在被監(jiān)測系統(tǒng)的那些選定的測點上測量振動、溫度、噪聲等信號。狀態(tài)識別系統(tǒng)主要是由計算機和譜分析儀組成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。其主要作用是把采集的信號輸入計算機和譜分析儀，通過信號分析，對多種運行特征量進行監(jiān)視；提供特征量包括頻譜分析的幅值、頻率和時序模型參數(shù)、特征函數(shù)及統(tǒng)計特征量等；并通過特征分析，選擇對工況狀態(tài)反映最敏感的特征量，顯示和貯存。特征量是從不同方面凝集了動態(tài)過程的主要信息，用以分析和推斷故障原因并預(yù)報工況發(fā)展趨勢。

診斷輸出系統(tǒng)的作用是把狀態(tài)識別的診斷結(jié)論予以輸出。它包括兩部分：一是出現(xiàn)故障后對設(shè)備干預(yù)信號的輸出，由D/A輸出接口板、開關(guān)量板及其他執(zhí)行電器組成。其作用是將計算機輸出的干預(yù)數(shù)字信號變成模擬信號或直接輸出，使執(zhí)行電器機構(gòu)動作，對被監(jiān)測設(shè)備進行干預(yù)。二是將機器狀態(tài)分析結(jié)果由計算機輸出時間歷程曲線及頻譜圖等。根據(jù)這些圖表可全面掌握被測系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)機械的某些故障，并對故障性質(zhì)、所發(fā)生的部位和故障程度作出診斷，有用的結(jié)果可以存入數(shù)據(jù)庫。并且可對一段時間內(nèi)存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以隨時查閱和調(diào)用，繪出趨勢圖，趨勢譜圖或打印趨勢表，由此可以了解系統(tǒng)狀態(tài)的歷史情況，了解某些故障的發(fā)生和發(fā)展情況，并可估推壽命。機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成三多微機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)簡介1結(jié)構(gòu)特點遠程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)框圖機械故障診斷—§3-2故障診斷系統(tǒng)的類型及組成2性能特點1o信息采集全息化：信息種類齊全（振動量、開關(guān)量、工藝量）；任一參量的采集通道數(shù)齊全；不僅有穩(wěn)態(tài)信息，還有非穩(wěn)態(tài)信息。2o狀態(tài)監(jiān)測連續(xù)化。3o數(shù)據(jù)處理實時化。4o故障診斷精密化。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3o石英晶體的壓電效應(yīng)1′石英晶體的理想外形 SiO2單晶體，屬六角晶系。一塊完整的單晶體，構(gòu)成一個凸多面體（六角形晶柱），共30個晶面。2′石英晶體的物理性能與右旋直角坐標(biāo)系 石英晶體同其它單晶體一樣，其物理性能呈各向異性。坐標(biāo)系為z軸：通過兩端頂點的軸線，與縱軸重合，又稱對稱軸、光軸、中性軸；x軸：通過任意兩條棱線的軸線，稱電軸，垂直于x軸的晶面上壓電效應(yīng)顯著；y軸：垂直于z軸、x軸并垂直穿過兩個棱面的軸線，稱為機械軸，沿該軸的機械變形最顯著。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3′縱向壓電效應(yīng)與橫向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿x軸施力時，在垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷集中；橫向壓電效應(yīng)：沿y軸施力時，仍在垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷集中。

機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器4′石英晶體的優(yōu)點轉(zhuǎn)換效率高，精度高，重復(fù)性好，固有頻率高，動態(tài)性能好，工作溫度可達550oC，穩(wěn)定性好。4o壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷的原始材料各向同性，不具有壓電特性。以強電場對其進行極化處理后，在極化方向（z軸）上產(chǎn)生最為顯著的壓電特性，而垂直于z軸的其它各個方向上壓電特性相同，且不論在哪個方向上受力，均在垂直于z軸的表面上產(chǎn)生電荷集中。壓電系數(shù)比石英晶體大得多，但不耐高溫，易老化，引起壓電特性減弱。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器2結(jié)構(gòu)型式壓電式加速度傳感器主要由四部分組成，即由壓電元件P、慣性質(zhì)量塊M、彈簧S和附加元件B(基座、外殼等)組成。在壓電晶體片兩面鍍上銀層并在銀層上引線，壓縮式加速度計有兩個或多個壓電片P放在一個高比重合金塊M下面，并通過強彈簧S壓緊在一個相當(dāng)厚的金屬基座B上，構(gòu)成一個振動系統(tǒng)。在一定的頻率范圍內(nèi)，壓電片所呈現(xiàn)的電荷量和加速度計所承受的加速度成正比。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器剪切型加速度傳感器是指傳感器和被測物體一起振動時，其內(nèi)部的壓電材料受到剪切變形而呈現(xiàn)電荷。環(huán)狀剪切形的壓電材料P制成圓筒狀，并粘結(jié)在中心架上，而外圓周再粘結(jié)一個圓筒狀的質(zhì)量塊M。三角剪切形有一個三角形中心桿，桿的每一邊有壓電材料P和質(zhì)量塊M，外面再用一個預(yù)緊筒以較大的壓力將其夾緊，當(dāng)傳感器沿其中線振動時，壓電片剪切變形而產(chǎn)生電荷。剪切型壓電加速度傳感器可以較好地避免外界條件變化的影響，具有較高的靈敏度和共振頻率，并有利于結(jié)構(gòu)的小型化。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3性能指標(biāo)1o靈敏度壓電式加速度傳感器屬于發(fā)電型傳感器，所以，可以把它看成電壓源或電荷源。因此，靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方式。電壓靈敏度定義為傳感器輸出電壓與所承受的加速度之比，即Su=U/A。常用傳感器一般為0.04—1000mV/(m/s2)；電荷靈敏度定義為傳感器輸出電荷與所承受的加速度之比，即Sq=Q/A，常用傳感器一般為0.1～500pC/(m/s2)。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3性能指標(biāo)3o幅頻特性圖示為壓電加速度傳感器的幅值靈敏Sq隨頻率變化的情況，即傳感器的幅頻特性。由圖示可知，曲線的上限受到加速度傳感器固有頻率的限制。通常傳感器僅使用頻響特性的直線部分，因此有效工作頻率上限遠低于其共振頻率ωn。一般測量的上限頻率取傳感器固有頻率的1/3，這時測得的振動值誤差不大于12％（約1dB)。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3性能指標(biāo)3o幅頻特性對于靈敏度較高的通用型加速度傳感器，其固有頻率在30kHz左右，故測量上限頻率約為10kHz。輕小型加速度傳感器的固有頻率可高達180kHz，因此頻率上限可達60kHz左右。當(dāng)然，對于某些著重考慮重復(fù)性而對線性度要求不高的場合，例如振動測量用于機器設(shè)備監(jiān)測時，所采用的頻率范圍可適當(dāng)放寬一些。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器4傳感器的使用與安裝一般來講，為保證測量精度，加速度傳感器的使用上限頻率應(yīng)小于傳感器的一階共振頻率的1/3。而實際使用時，傳感器的一階共振頻率取決于在被測物體上的固定方式，因此，固定方式?jīng)Q定了一階共振頻率，直接影響到測量的結(jié)果。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器5生產(chǎn)廠商目前壓電加速度傳感器生產(chǎn)廠商較多，國外品牌以丹麥B&K公司最為著名，美國PCB公司因其率先制成世界上第一支內(nèi)置ICP電路壓電加速度傳感器而迅速發(fā)展。近年來，隨著技術(shù)的引進和科研開發(fā)力量的投入，國產(chǎn)傳感器的質(zhì)量和穩(wěn)定性逐步提高，江蘇聯(lián)能(原揚州無線電廠等廠家)、北京測振儀器廠的產(chǎn)品因其價格低廉、服務(wù)周到的優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域逐步替代了進口傳感器，并出口國外。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器二磁電式速度傳感器磁電式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測物理量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢輸出的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動力式傳感器。由電工學(xué)可知，對于一個匝數(shù)為W的線圈作切割磁力線運動時，或者當(dāng)穿過該線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

目前使用較多的磁電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式為線圈-磁鐵活動型。它可以構(gòu)成絕對式和相對式速度傳感器。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器1絕對式速度傳感器CD-1型磁電式絕對速度傳感器（速度拾振器）的結(jié)構(gòu)，它的殼體與磁鋼構(gòu)成一體，并在它們之間的氣隙形成強磁場。芯軸、線圈和阻尼環(huán)構(gòu)成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊，并用兩彈簧片支持在殼體中。沿徑向彈簧片有很大的剛度，能可靠地保持線圈的徑向位置；沿軸向彈簧片的剛度很小，以保證慣性系統(tǒng)具有較低的固有頻率。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器當(dāng)速度拾振器承受沿其軸向的振動時，包括線圈在內(nèi)的“質(zhì)量塊”與殼體發(fā)生相對運動，線圈在殼體和磁鋼之間的氣隙中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，感應(yīng)電動勢e的大小與相對速度成正比。如前所述，當(dāng)ω》ωn時，相對速度可以看成殼體的絕對速度，所以，輸出電壓實際上與殼體的絕對速度成正比。阻尼環(huán)一方面可以增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，另一方面利用這樣的閉合銅環(huán)在磁場中運動將產(chǎn)生一定的阻尼作用，使振動系統(tǒng)有較大的阻尼率，以減小共振對測量精度的影響，并能擴大速度拾振器的頻率范圍，同時有助于衰減意外引起的自由振動和沖擊。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器2相對式速度傳感器磁電式傳感器也常用來將兩被測物體之間的相對速度變換成電壓信號，這種相對速度拾振器的結(jié)構(gòu)如圖所示。使用時，殼體固定在一個被測件上，而頂桿壓在另一個被測件上，兩被測件之間的相對速度就被變換成線圈與殼體和磁鋼之間的相對速度，而最終在線圈中產(chǎn)生與相對速度成正比的電動勢。由于頂桿是靠預(yù)加的彈簧力頂在被測件上的，因此拾振器正常工作時頂桿不能與被測件脫開，這就要求預(yù)加彈簧力必須大于線圈-頂桿組件的慣性力?？紤]到慣性力與ω2X（ω為振動角頻率；X為振幅）成正比，因此，這種拾振器能夠測量的最大振幅將隨振動頻率的增加而急劇減小。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3性能特點及應(yīng)用領(lǐng)域磁電式速度傳感器的性能特點如下：(1)輸出信號與振動速度成正比，因此較好地兼顧了高頻和低頻振動，符合目前ISO標(biāo)準(zhǔn)對旋轉(zhuǎn)機械的振動評判標(biāo)準(zhǔn)；(2)由永久磁鐵感應(yīng)出電動勢，傳感器本身不需要電源，使用方便；(3)磁鋼-線圈型結(jié)構(gòu)，容易獲得高靈敏度，可測量微小振動；(4)輸出信號大，輸出阻抗低，電氣穩(wěn)定性好，不受外部噪聲干擾，有較高的信噪比，對后接電路無特殊要求。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3由于本身結(jié)構(gòu)特點所限，磁電式速度傳感器也有其相應(yīng)的缺點：(1)體積大，重量大，不適用于狹小空間的振動測量和輕小型設(shè)備；(2)動態(tài)范圍有限，低頻線性差，彈簧件容易失效；(3)對安裝角度要求較高，使用時應(yīng)注意有些型號僅適用于垂直安裝，麗有些型號只適用于水平安裝。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器

由速度傳感器輸出的電壓信號除了可以直接用于測量、顯示、記錄被測物體的振動速度外，還可以經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換成位移振幅或經(jīng)微分轉(zhuǎn)換成加速度振幅，再經(jīng)過放大后，送至檢波指示，也可經(jīng)功率放大后送至記錄儀表。因此速度傳感器可以固定安裝在機器上，長期監(jiān)測其振動速度，也可以臨時安裝在機器的相應(yīng)測點上巡檢其振動速度。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器4生產(chǎn)廠商磁電式傳感器的生產(chǎn)廠商較多，國外產(chǎn)品以美國Bently公司和德國申克公司的產(chǎn)品在我國使用較多。北京測振儀器廠等國內(nèi)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品因其價格低廉、服務(wù)周到，在許多行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。三電渦流式傳感器 電渦流式傳感器是建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。

根據(jù)渦流效應(yīng)制成的傳感器稱渦流傳感器。1渦流效應(yīng)塊狀金屬置于變化著的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦漩狀閉合感應(yīng)電流的現(xiàn)象，稱為渦流效應(yīng)。感應(yīng)電流即渦電流，簡稱渦流。

機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)

電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)

機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器3渦流式傳感器的工作原理

渦流式傳感器是建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。

線圈通以正弦交變電流I1→空間產(chǎn)生交變磁場H1→金屬板感應(yīng)產(chǎn)生渦電流I2→產(chǎn)生新的交變磁場H2→H2反作用于線圈，使其等效阻抗ZL改變。

渦流式傳感器工作原理的動畫演示。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器

ZL的改變，完全取決于被測金屬板的渦流效應(yīng)。 ZL＝F(δ,ρ,μ,I1,w)若只改變δ，保持其它參數(shù)不變，則ZL的變化只與δ的變化有關(guān)，可建立ZL-δ的關(guān)系，通過檢測電路的轉(zhuǎn)換可得電路輸出電壓u與δ之間的關(guān)系u-δ。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器4渦流式傳感器的型式

渦流式傳感器的型式規(guī)格

渦流式傳感器及其前置器、配用電纜機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器

不同規(guī)格的渦流式傳感器

不同規(guī)格的渦流式傳感器，其直徑不同，例如：Φ

5、Φ

8、Φ11等，分別用于不同的測量范圍。機械故障診斷—§3-3故障診斷系統(tǒng)的常用傳感器5電渦流式傳感器的安裝1°各探頭間的距離探頭頭部線圈中的電流會在頭部周圍會產(chǎn)生磁場，因此在安裝時要注意兩個探頭的安裝距離不能太近，否則兩