典型测试系统设计案例

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,测试技术,典型测试系统设计实例,测试系统的设计涉及,明确测试任务,制定测试方案,选择传感器,设计后续测试系统,测试系统效能分析,测试对象,1,、,塔式起重机结构强度测试,测试任务,对新设计的某型号塔式起重机样机进行,强度检测,测试目的,通过测试来,验证理论计算,，为产品的进一步改进提供依据,对样机,提出评价意见,，作为新产品鉴定的依据,测试参考,根据原始设计资料，选择在应力应变最大处粘贴应变片进行测量,根据两种不同破坏情况，按照,JJ30-85,塔式起重机结构试验方法,测试静态、动态应力应变,1,、,塔式起重机结构强度测试,强度检测,正、切应力测量,判断最大应力是否大于许用应力,测试方案,问题最终归结于,测量,最危险截面,的静态与动态应力应变,测量方法：应变片,+,电桥,静态测量,时由于有多个测点，通常配用预调平衡箱，利用外加电阻对电桥调平衡，以便于与应变仪连接,动态测量,由于测点少不需要配用预调平衡箱，直接调应变仪即可，使用光线示波器作为动态应变记录装置,1,、,塔式起重机结构强度测试,静态应力测试系统框图,动态应力测试系统框图,测试方案,测点布置：测点位置和测点方向是影响结构强度试验是否可靠的两个 重要因素,测点方向：,找出最大应变方向,测点位置：,断面正应力布点：采用,角点法,，在角点处沿棱线方向布置应变片,平面应力布点：一般应用,应变花,测量主应力,1,、,塔式起重机结构强度测试,测量型材断面正应力布点 平面应力测量应变花布点,测试方案,1,、,塔式起重机结构强度测试,测量系统共布置了,20,个测点,测试条件,假设条件：,载荷不包括吊钩重量，载荷误差应小于,1%,；各工况皆是处于空钩离地状态时进行仪器调零；测试数据均为吊重引起的应力，不应包括自重和风阻应力,环境条件：,测试温度,10,25,，湿度,50%,70%,，风力,1,级,测试工况：,测试中选取了五种不同起重重量、三种变幅幅度、两种方位角进行组合变化，分别测试各种工况下最大应力,Q,起重量,R,幅度,吊点到塔机回转中心的距离,起重臂与塔身之间的方位角,1,、,塔式起重机结构强度测试,测试步骤,检查和调整试验样机,粘贴应变片并干燥、密封、检查绝缘,接好应变测试系统，调试仪器，合理选择灵敏度，消除不正常现象,取空载状态作为初始状态，将应变仪调零,按照测试工况，分别测试各种情况下的最大应力,1,、,塔式起重机结构强度测试,工况序号,R,距离,Q,吊重,测试点,备注,1,10m,29.4kN,0,1,20,额定载荷,2,10m,29.4kN,45,1,20,额定载荷,3,10m,36.75kN,0,1,20,超载,25%,4,10m,36.75kN,45,1,20,超载,25%,5,18m,17.15kN,0,1,20,额定载荷,6,18m,17.15kN,45,1,20,额定载荷,7,18m,21.4kN,0,1,20,超载,25%,8,18m,21.4kN,45,1,20,超载,25%,数据处理与结果分析,静态：相同试验条件下多次测量取平均值,动态：用光线示波器记录下动态应变曲线,单向应力状态的应力计算,其中：,E,为结构材料的弹性模量，均取,E=0.210,6,MPa,；,为测得的应力和应变,平面应力状态应力计算,式中,为构件材料的泊松比,=0.3,1,、,塔式起重机结构强度测试,数据处理与结果分析,计算最大应力,与设计比较,与国标比较,结论,1,、,塔式起重机结构强度测试,测试任务：,重要性,在高速、重载、高温条件下工作的机器，摩擦、磨损又是其发生故障的最主要原因,润滑是减少摩擦与磨损的简便而有效的方法,轴承的润滑状态检测,满足,最小油膜厚度处轴承两表面不直 接接触,任务,对摩擦副间微小区域内的油膜厚度进行直接测量,监测油膜的工作状态,2,、润滑油膜厚度检测,测试方案,传感器选择,电阻法,定性测量,通过测量油膜的电阻大小来判断其厚度,油膜的电学性能极不稳定,标定困难，难以定量,放电电压法,根据电压与电流的关系来推算出代表油膜厚度的放电电压,润滑膜的性质和纯洁程度对放电电压的影响,难以定量测定,电容法,当润滑油的,介电常数,已知后，根据电容值随油膜的厚度增大而降低的变化关系测得油膜厚度,困难在于油膜间隙形状不明确,X,光透射法,金属能够吸收,X,光而不能使,X,光穿过，而润滑油却允许,X,光穿过,光强度与油膜厚度成正比，,困难是光束位置精确的调整,2,、润滑油膜厚度检测,测试方案,光纤检测法,光纤位移传感器,输入光纤、输出光纤、反光物体、光敏二极管组成,反光物体,平面反射镜：垂直于输入和输出光纤而移动，光源发出的光经输入光纤，在反光面的形成反射锥体,输出光纤,光敏二极管,耦合原理,耦合到输出光纤的光通量取决于输入光纤的像发出的光锥底面与输出光纤相重叠部分的面积,距离有关,2,、润滑油膜厚度检测,最佳位置,距离变小,距离变大,传感器选择,光源,激光光源为氦氖激光灯,光电检测元件,光电二极管,(PIN,管,),运算放大器,芯片,直接输出电压，输出电压与芯片接受到的光功率成正比,后续测量系统,系统分析,解决了其他方法无法消除的,电磁干扰、使用寿命短、不耐高温、不 耐腐蚀,等问题,实现了油膜厚度的精密检测,2,、润滑油膜厚度检测,测试对象,3,、缝纫机噪声源测试分析,测试任务,噪声测量基础,噪声,物理定义,大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声,生理感受,一种与人体有害的声音，它已成为主要公害之一,声压级,Lp,：衡量声音的强弱,p,：声压,p,0,：基准声压,噪声频率,：噪声主要频率成分,频谱分析仪进行连续谱测量,测量各个频率带宽内的声压级,3,、缝纫机噪声源测试分析,测试方案,测试目的,对某型号缝纫机噪声进行测试，目的是寻找噪声源，从而为降低其噪声水平、提高产品质量提供依据,噪声大小、噪声源,缝纫机噪声主要是由结构振动产生,噪声级测量,+,振动测量,测量内容,不同转速下的噪声水平及振动水平（,了解噪声源大小,）,同时测量噪声与各部件的振动（,判断噪声由那部分振动引起,）,采取分步运转方法测量各部件的振动（,找出振动的主要原因,）,3,、缝纫机噪声源测试分析,测量仪器与方法,噪声,测量仪器与测量方法,声级计,：电容传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波电路、指示电表、电源,测量条件：必须处于,半自由场,，一般在半消声室或开阔空间,关键部位：,缝纫机主轴、,缝纫机,针板孔,振动,测量仪器与测量方法,加速度传感器,部位：,缝纫机针板上送布牙的右侧、垂直于底板,3,、缝纫机噪声源测试分析,声级计（,噪声计,）工作方框图,声压级,计权声压级,（声级）,测量结果及分析,幅值分析,振动有起伏现象,振动随转速升高呈增大趋势,3,、缝纫机噪声源测试分析,缝纫机在不同转速下的振动位移,缝纫机在不同转速下的噪声级,测量结果及分析,频谱分析,振动表现出明显的,谐波特性,，峰值主要出现在主轴回转频率,73.3Hz,及二倍频上（,146.5Hz,）,工频及二倍工频振动实际上就是由缝纫机运动部件的动不平衡引起,设法改进运动部件的动平衡是减小振动噪声的关键,3,、缝纫机噪声源测试分析,73.3Hz,146.5Hz,振动加速度信号幅值谱,声压级信号幅值谱,146.5Hz,517.6Hz,测量结果及分析,相干分析,不同频率下振动与噪声的相关程度,分析结果,噪声与针板的振动有很大的相关程度。针板,机壳底板镶嵌，降噪也应从抑制机壳表面振动入手,分步运转试验,找出哪一个部件是主要激励源,分析结果：,针刺挑线机构是缝纫机运转时最主要的激励源，应对该机构进行动平衡,3,、缝纫机噪声源测试分析,声振相干函数图（,4500rpm,）,测试对象,重大设备,流程工业的核心,发电机,压缩机,风机,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,测试对象,重大设备,事故造成损失惨重,直接经济损失至少在几十万元以上,秦岭,200MW 5,号汽轮发电机组特大事故（,1988,）,轴系的,7,处对轮螺栓、轴体,5,处发生断裂，共断为,13,断，主机基本毁坏,由,油膜失稳,开始的，突发性、综合性,强烈振动,造成的轴系严重破坏,没有监测数据,整个机组解体，损失惨重,发电机,乌石化热电厂,3,号汽轮发电机组特大事故（,1999,）,汽轮机超速飞车至,4500rpm,发电机及机组油系统着火,设备直接经济损失,1916,万元,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,测试对象,重大设备,维修成本高,计划维修,设备不分状态好坏，一律执行计划预修，对设备大面积拆装,使有些还可以使用的零部件被提前更换,有些部件在拆卸过程中被损坏,原来磨合得很好的部件又被重新装配,状态维修,以设备状态作为维修的出发点，有针对性的纠正设备非正常状态,各个部件的使用寿命及运行状态,依靠对设备进行测试、检查和诊断来掌握其运行状态,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,设计目的,保障设备的长周期安全、高效运行,及时、准确地反映设备的运行状态、捕捉设备的运行隐患、确诊设备的故障类型与部位，以消除灾难故障，避免严重故障，减少一般故障,预测设备状态的未来发展变化趋势、指导机组预知维修,建立完整的设备运行状态信息，支持机组的更新换代,测试,内容,信号检测及调理,实时采集机组关键参数：振动、转速、工艺,特征提取、进行机组状态监测,提供分析诊断的各种工具,评估机组运行的性能状态,机组数据存储,6,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,测试方案,监测诊断发展趋势,网络化：,远程、分布式监测；异地托管,专业化：,产品厂家参与、专业机构参与,标准化：信息标准化、分析模块标准化,方案,利用信息网络，实现旋转设备状态信息采集、存储、传输、分析和共享等,传感器信号处理测量、分析、传输,指标,振动：快变信号，,0,150,m5,、带宽,0,10kHz,转速：脉冲信号，,0,12000rpm,工艺：慢变信号，,0,5V0.5,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,测试方案,6,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,网络化的,CPCI,设备状态监测单元,网络数据库,基于网络的监测诊断软件平台,传感器选择,振动,转子振动：非接触式、振动,涡流传感器,Bently,激光传感器,米依,机壳振动：接触式、速度,/,加速度,转速：,非接触式：涡流式、光电式,推荐传感器,振动、转速,涡流传感器,精度、成本适中,非接触测试、可靠稳定,安装容易,机壳振动,加速度传感器,使用方便,安装容易,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,灵敏度：,100mV/g,量程：,50g,频率范围：,0.5-8000Hz,（,10%),安装谐振点,:30kHz,分辨率：,0.0002g,重量：,8gm,线性：,1%,输出偏压：,8-12VDC,恒定电流：,2-20mA,输出阻抗：,150,激励电压：,18-30VDC,探头直径（,mm,）,8,量程（,mm,）,2,灵敏度（,v/mm,）,8,频率响应（,KHz,）,0,5,温漂（,/ FS,）,0.1,线性度误差（,FS,）,2.0,传感器选择,工艺,温度：热电偶,/,热电阻,压力：应变式,推荐传感器,输出标准信号,0,5V,、,4,20mA,输出阻抗 ,200 ,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,STWB,系列温度变送器,STP,压力变送器,MHM-04B,信号调理,测试部位,推荐测点位置,振动,每个支承面选择,2,个径向振动测点,每段转子选择,1,个轴向位移点,径向振动传感器互为,90,布置,被测表面材质均匀,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,测试部位,推荐测点位置,加速度,机壳四角选择测点,（靠近支承面）,垂直安装、钢柱螺栓连接,转速,/,鉴相,鉴相槽,槽深,1mm,、宽取,l,决于转速、转子直径、探头直径,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,可选测点,CPCI,在线监测单元,基本任务,机组信号调理,机组完整的状态信息（振动量、工艺量和转速）采集,获取数据的网上发布,事件（升降速过程、报警运行）触发的数据存入企业数据库,基本组成,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,型号：,CPCI-6840V,尺寸：标准,6U,面板,2,个槽位,处理器：,Pentium III/1.6GHz,主存贮器：,512MB,内置硬盘：,40GB,内置接口：,2,个,LAN,、,4,个,USB,操作系统：,Windows XP,CPCI,在线监测单元,基于,DSP,的采集处理模块,信号调理,并行采集,实时处理,专用,DSP,芯片：,TMS320C6711,扩展存储器：,64MB,数据缓存,FIFO,嵌入式系统：微型实时内核,DSP/BIOS,多任务、多进程,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,CPCI,在线监测单元,监测软件,软件环境,Windows2000,MS SQL,三层结构,自适应采集模块,设备数据管理模块,网上组态和维护,多自主数据库,DSP,数据库,CPCI,数据库,企业数据库,多种传输,数据发布,存库,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,数据库设计,存储和共享,MIMOSA,规范,企业库树状结构,数据库定义,企业及数据库定位,节点结构,系统、机组、设备,测点结构,测量位置、类型、传感器等参数,测点监测,报警门限、测量事件、测量数据,监测单元,基本信息、模块配置、关联信息,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,数据库设计,时域波形数据表,Column,Description,Size/Type,meas_loc_site,Measurement location id,INTEGER NOT NULL,meas_loc_id,INTEGER NOT NULL,gmt,Time of measurement (GMT),CHAR(29) NOT NULL,ec_db_site,Eng. change type code,INTEGER NOT NULL,ec_db_id,INTEGER NOT NULL,ec_type_code,INTEGER NOT NULL,sample_rate,Sampling rate (Hz),DOUBLE NOT NULL,min_frequency,Frequency band minimum (Hz),DOUBLE,max_frequency,Frequency band maximum (Hz),DOUBLE,number_of_samples,Number of samples,DOUBLE NOT NULL,assoc_rpm_in_hz,Associated rpm (Hz),DOUBLE,name,Full description,VARCHAR(254),waveform_data,Waveform data,LONG BINARY,gmt_last_updated,Last updated,DATETIME NOT NULL,rstat_type_code,Row status type code,SMALLINT NOT NULL,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,数据包设计,数据包：,构成监测数据流,数据信息包,信息全面,结构紧凑,标识,+,应用,+,数据,控制信息包,系统建立在控制信息包,初始化（单元,/,模块）,配置组态、维护（采集参数、模型参数、门限参数、决策参数、数据库参数）,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,数据库设计,数据信息包设计：,标识信息,站点代码、节点代码、信息类型、事件类型、监测标记、信息包总数、信息包编号,应用信息,采集时间、关联转速、各类测点的样本个数、采样长度、采样频率,测量数据,鉴相、振动、速度、工艺依次排列的实际数据,数据发布,Datasocket,技术,实时、连续发布,远程系统使用,URL,来授权读取,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,CPCI,监测单元,设备监测诊断系统,监测诊断平台,开发平台,LabVIEW,图形化编程工具,监测数据接收,DataSocket,数据库访问,ADO,（,ActiveX,数据对象）,功能,获取数据,监测分析诊断,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,监测诊断平台,远程监测,获取一组监测数据,数据发布,数据库,监测分析,诊断分析,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,监测诊断平台,远程监测,机组状态总览图,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,监测系统总介面,趋势分析图,时间转速图波德图,监测诊断平台,远程诊断,以网络数据库为核心，进行,历史监测数据,的处理分析,基本组成：数据查询、振动信号分析和报告生成,多组数据综合分析,CPCI,设备,监测,单元,企业数据库服务器,网络化,诊断系统,诊断,结论,访问数据库,获取数据,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,监测诊断平台,远程诊断,诊断分析,稳态分析,（正常和报警）,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,监测诊断平台,远程诊断,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,调试仪器,转子试验台,信号发生器,AFG3022,高性能函数发生器,ZT-3,转子振动模拟试验台,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,系统考核,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,系统考核,目的：,功能考核,自适应采集存储,组态,报警,可靠性考核,容错,自动恢复,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,系统应用,4,、旋转机械故障监测诊断网络化系统,