机械故障诊断故障诊断系统和传感器原理ppt课件

Ch3 故障诊断系统与传感器原理,机械故障诊断Ch3 故障诊断系统与传感器原理,3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,3-2 故障诊断系统的类型及组成,3-3 故障诊断系统的常用传感器,1,机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,3-1 故障诊断系统的作用与实施过程 一 监测与诊断系统的目标 1 能了解被监测系统的运行状态，保证其运行状态在设计约束之内； 2 能提供机器状态的准确描述； 3 能预报机器故障，防止大型事故产生，保证人民生命的安全。,2,机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,二 监测与诊断系统的实施过程 虽然根据诊断的目的要求、诊断的物理参数以及诊断的直接对象不同，可将故障诊断技术分为多种类型，但在实施各种类型的故障诊断技术时，其基本的过程是相同的。 根据故障诊断技术的逻辑思想的总结，可以认为故障诊断技术的实施过程主要包括诊断文档建立和故障诊断实施两大部分。,3,机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,1 建立诊断文档库 1 诊断文档库是一种事先编制好的表征各种有关诊断对象不同性质的故障、不同故障部位以及不同故障程度的各种征兆的标准谱数据库。 2 诊断文档库是通过模拟典型故障，并提取其特征信息、确立各类故障的样板模式，从而建立起来的。 3 建立诊断用标准谱数据库的方法是：根据现场在线监测数据的长期积累、实验室实验研究和分析、计算机辅助实验等。由于用现场监测数据的长期积累方法来建立数据库的周期太长而用实验室实验研究和分析方法来建立数据库又需花费很大的人力、物力和资源，因此计算机辅助实验方法建立标准谱数据库的技术在故障诊断中将有特殊的意义。 4 建立诊断文档库是实施故障诊断所不可缺少的重要环节之一。如果没有诊断文档，诊断工作将无法进行。,4,机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,2 实施故障诊断 故障诊断技术在实施过程中包括以下几个关键的内容： 1 状态信号采集 2 故障特征提取 3 技术状态识别 4 维修决策形成,状态信号是机械设备异常或故障信息的载体。选用一定的检测方法和检调系统采集最能表征诊断对象工作状态的信号是故障诊断技术实施过程中不可缺少的环节，能够真实、充分地采集到足够数量、客观反映诊断对象状况的状态信号是故障诊断得以成功的关键。否则，其后的各个环节功能再完善也将是无效的。,对于所采集到的表征诊断对象运行中的原始状态信号称为初始模式。因初始模式中的故障信息混杂在大量的背景噪声中，为提高诊断的灵敏度和可靠性，必须采用信号处理技术在状态信号中排除噪声、干扰的影响，提取有用的故障信息，以突出故障特征。因此，故障特征提取就是对初始模式进行维数压缩、形式变换、排除或削弱噪声干扰、保留或增强有用信号、精化故障特征信息的过程，由此而形成待检模式。,故障诊断是一个典型的模式识别过程，而诊断文档库中的各种故障样板模式就是进行技术状态识别的基础。所谓技术状态识别系指将待检模式与诊断文档库中的样板模式进行对比，并将待检模式归属到某一已知的样板模式中去的过程。由此使可判定诊断对象所处的状态模式是否正常，并预测其可靠性和状态的发展趋势。,当识别出异常或故障状态后，必须进一步对异常或故障的原因、部位和危险程度进行评价以便据此研究和确定维修决策的具体形式，如临时维护方案、加强监视方案以及停机大修而彻底治理的措施等。,5,机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程,监测与诊断系统的实施过程框图,6,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,3-2 故障诊断系统的类型及组成 一 简易诊断系统 简易诊断系统即使用各种便携式诊断仪器和工况监测仪表（如振动分析仪、温度计、声级计等），仅对设备有无故障及故障严重程度作出判断和区分。它可以宏观地、高效地诊断出众多设备有无异常，因而费用较低。 2 简易诊断技术是诊断设备“健康”状况的初级技术，主要由现场作业人员实施。,7,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,3 为了能够对设备的状态迅速有效地作出概括的评价，简易诊断技术应具有以下的功能： 1 设备所受应力的趋向控制和异常应力的检测； 2 设备的劣化、故障的趋向控制和早期发现； 3 设备的性能、效率的趋向控制和异常诊断； 4 设备的监测与保护； 5 指出有问题的设备。,8,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,4 简易诊断系统常用仪器 1 便携式振动分析仪，它们一般具有以下特点： 1 使用专用的速度或加速度传感器，连接方便、工作可靠，由于传感器的原因，频率及动态范围有限，一般只按特定目的进行测试，如进行振动烈度的测试。 2 一般仪器上均有指针或液晶或发光二极管显示，能直观读出振动有效值、均方根值、峰值或振动烈度值等。有的仪器还可读出斜度或峭度值等。 3 有的仪器可分几个频率档分别读值，高档仪器可同时进行若干个频率档(如倍频程)分析，由于具有频率分析功能，故称为振动分析仪。 便携式振动分析仪价格低廉，使用方便，所测值目前仍为大多数机械的振动标准，故在中小企业中得到广泛应用。但便携式振动分析仪一般不能回答故障的原因及部位等问题。,9,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,2 声级计 机械运转时会产生振动，同时也产生噪声。测量噪声的专用仪器就是声级计。一般声级计均使用电容式传声器(话筒)，经放大及计权后可读出声压级的大小。有的声级计还配有倍频程或13倍频程滤波器，可作简单的频率分析。 现场用声级计进行噪声监测存在的主要问题是： 1 存在背景噪声的干扰。 2 难以确定产生故障的零部件的部位。也就是说，声级计监测还不能达到有经验的检修工人耳朵的水平。,10,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,3 温度计 早期的检修工人也利用手指来判断轴承座处温度是否过高。 现在则有各种点温度计能更准确地测出实际温度。 常用的有半导体点温度计，将测头与轴承座处或其他感兴趣的部位接触，仪器指针可指示温度高低，更方便的是红外点温度计，外形像把手枪，操作者只要对准需要测量的部位，不需接触，因此被测物体可以作直线运动、往复运动或转动，液晶屏上立刻就能显示被测点的温度。 这种方式的缺点是过分依赖操作者的巡检，万一巡检周期不适当或操作者的责任心不强，仍容易出事故。,11,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,精密诊断系统 1 即使用较为复杂的诊断设备和分析仪器，除了能对设备有无故障和故障的严重程度作出判断和区分外，在有经验的工程技术人员的参与下，还能对某些特殊类型的典型故障的性质、类别、部位、原因及发展趋势作出判断及预报。 2 费用较高，由专业技术人员实施。,12,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,4 精密诊断系统的组成 精密监测诊断系统主要有三大部分，即： 1 数据采集系统 2 状态识别系统 3 诊断输出系统,数据采集系统又称数据采集器。它能定时周期地在被监测系统的那些选定的测点上测量振动、温度、噪声等信号。,状态识别系统主要是由计算机和谱分析仪组成的数字信号处理系统。其主要作用是把采集的信号输入计算机和谱分析仪，通过信号分析，对多种运行特征量进行监视；提供特征量包括频谱分析的幅值、频率和时序模型参数、特征函数及统计特征量等；并通过特征分析，选择对工况状态反映最敏感的特征量，显示和贮存。特征量是从不同方面凝集了动态过程的主要信息，用以分析和推断故障原因并预报工况发展趋势。,诊断输出系统的作用是把状态识别的诊断结论予以输出。它包括两部分：一是出现故障后对设备干预信号的输出，由D/A输出接口板、开关量板及其他执行电器组成。其作用是将计算机输出的干预数字信号变成模拟信号或直接输出，使执行电器机构动作，对被监测设备进行干预。二是将机器状态分析结果由计算机输出时间历程曲线及频谱图等。 根据这些图表可全面掌握被测系统当前运行状态，早期发现机械的某些故障，并对故障性质、所发生的部位和故障程度作出诊断，有用的结果可以存入数据库。并且可对一段时间内存入数据库中的数据可以随时查阅和调用，绘出趋势图，趋势谱图或打印趋势表，由此可以了解系统状态的历史情况，了解某些故障的发生和发展情况，并可估推寿命。,13,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,三 多微机在线监测与诊断系统简介 1 结构特点,远程设备状态监测与故障诊断系统框图,14,机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成,2 性能特点 1 信息采集全息化：信息种类齐全（振动量、开关量、工艺量）；任一参量的采集通道数齐全；不仅有稳态信息，还有非稳态信息。 2 状态监测连续化。 3 数据处理实时化。 4 故障诊断精密化。,15,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3-3故障诊断系统的常用传感器 一 压电式加速度传感器 压电式传感器的工作原理基于某些物质的压电效应，是有源传感器。 1 压电效应 1 正压电效应 物质在一定方向受到外力作用时，在某两个对应的表面上产生符号相反的电荷集中，形成电场；当外力消失时，则电荷消失；力方向改变，对应表面的电荷符号也改变。这种现象称之为（正）压电效应。 2 逆压电效应 物质在一定方向受到电场作用时，在某确定的方向上产生机械变形；电场消失，变形也随着消失。也称为电致伸缩效应。,16,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 石英晶体的压电效应 1石英晶体的理想外形 SiO2单晶体，属六角晶系。一块完整的单晶体，构成一个凸多面体（六角形晶柱），共30个晶面。 2石英晶体的物理性能与右旋直角坐标系 石英晶体同其它单晶体一样，其物理性能呈各向异性。坐标系为 z轴：通过两端顶点的轴线，与纵轴重合，又称对称轴、光轴、中性轴； x轴：通过任意两条棱线的轴线，称电轴，垂直于x轴的晶面上压电效应显著； y轴：垂直于z轴、x轴并垂直穿过两个棱面的轴线，称为机械轴，沿该轴的机械变形最显著。,17,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3纵向压电效应与横向压电效应 纵向压电效应：沿x轴施力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷集中； 横向压电效应：沿y轴施力时，仍在垂直于x轴的表面上产生电荷集中。,18,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,4石英晶体的优点 转换效率高，精度高，重复性好，固有频率高，动态性能好，工作温度可达550C，稳定性好。 4 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷的原始材料各向同性，不具有压电特性。以强电场对其进行极化处理后，在极化方向（z轴）上产生最为显著的压电特性，而垂直于z轴的其它各个方向上压电特性相同，且不论在哪个方向上受力，均在垂直于z轴的表面上产生电荷集中。 压电系数比石英晶体大得多，但不耐高温，易老化，引起压电特性减弱。,19,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,2 结构型式 常用的压电式加速度传感器分为压缩式和剪切式两种，如图所示，压缩式以外缘固定压缩式图(a)、中心固定压缩式图(b)、倒置中心固定压缩式图(c)三种结构较为常用；剪切式以环状剪切型图(d)和三角剪切型图(e)结构较为常用。,20,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,2 结构型式 压电式加速度传感器主要由四部分组成，即由压电元件P、惯性质量块M、弹簧S和附加元件B(基座、外壳等)组成。在压电晶体片两面镀上银层并在银层上引线，压缩式加速度计有两个或多个压电片P放在一个高比重合金块M下面，并通过强弹簧S压紧在一个相当厚的金属基座B上，构成一个振动系统。在一定的频率范围内，压电片所呈现的电荷量和加速度计所承受的加速度成正比。,21,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,剪切型加速度传感器是指传感器和被测物体一起振动时，其内部的压电材料受到剪切变形而呈现电荷。环状剪切形的压电材料P制成圆筒状，并粘结在中心架上，而外圆周再粘结一个圆筒状的质量块M。三角剪切形有一个三角形中心杆，杆的每一边有压电材料P和质量块M，外面再用一个预紧筒以较大的压力将其夹紧，当传感器沿其中线振动时，压电片剪切变形而产生电荷。,剪切型压电加速度传感器可以较好地避免外界条件变化的影响，具有较高的灵敏度和共振频率，并有利于结构的小型化。,22,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 性能指标 1 灵敏度 压电式加速度传感器属于发电型传感器，所以，可以把它看成电压源或电荷源。因此，灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方式。 电压灵敏度定义为传感器输出电压与所承受的加速度之比，即 Su=U/A。常用传感器一般为0.041000mV/(m/s2)； 电荷灵敏度定义为传感器输出电荷与所承受的加速度之比，即Sq= Q/A，常用传感器一般为0.1500pC/(m/s2)。,23,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 性能指标 2 横向灵敏度 对于一个理想的压电加速度传感器来说，只有当传感器沿轴向振动时，压电材料受变形而呈现电荷，才有信号输出。而在其他方向的振动，应该没有信号输出。然而实际的传感器并非如此，因此需要了解其横向灵敏度。 横向灵敏度是与加速度传感器轴向成直角方向的振动所输出的电压或电荷量。 横向灵敏度通常用传感器主轴方向灵敏度的百分数来表示，并且要求尽可能地小。对于一个良好的加速度传感器，它的最大横向灵敏度应小于主轴方向灵敏度的3。,24,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 性能指标 3 幅频特性 图示为压电加速度传感器的幅值灵敏Sq随频率变化的情况，即传感器的幅频特性。由图示可知，曲线的上限受到加速度传感器固有频率的限制。 通常传感器仅使用频响特性的直线部分，因此有效工作频率上限远低于其共振频率n。一般测量的上限频率取传感器固有频率的1/3，这时测得的振动值误差不大于12（约1dB)。,25,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 性能指标 3 幅频特性 对于灵敏度较高的通用型加速度传感器，其固有频率在30kHz左右，故测量上限频率约为10kHz。轻小型加速度传感器的固有频率可高达180kHz，因此频率上限可达60kHz左右。 当然，对于某些着重考虑重复性而对线性度要求不高的场合，例如振动测量用于机器设备监测时，所采用的频率范围可适当放宽一些。,26,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,4 传感器的使用与安装 一般来讲，为保证测量精度，加速度传感器的使用上限频率应小于传感器的一阶共振频率的1/3。而实际使用时，传感器的一阶共振频率取决于在被测物体上的固定方式，因此，固定方式决定了一阶共振频率，直接影响到测量的结果。,27,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,4 传感器的使用与安装,28,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,5 生产厂商 目前压电加速度传感器生产厂商较多，国外品牌以丹麦B&K公司最为著名，美国PCB公司因其率先制成世界上第一支内置ICP电路压电加速度传感器而迅速发展。近年来，随着技术的引进和科研开发力量的投入，国产传感器的质量和稳定性逐步提高，江苏联能(原扬州无线电厂等厂家)、北京测振仪器厂的产品因其价格低廉、服务周到的优势，在许多领域逐步替代了进口传感器，并出口国外。,29,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,二 磁电式速度传感器 磁电式传感器是基于电磁感应原理，把被测物理量转换成感应电动势输出的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。 由电工学可知，对于一个匝数为W的线圈作切割磁力线运动时，或者当穿过该线圈的磁通发生变化时，线圈中产生的感应电动势 目前使用较多的磁电式速度传感器的结构形式为线圈-磁铁活动型。它可以构成绝对式和相对式速度传感器。,30,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,1 绝对式速度传感器 CD-1型磁电式绝对速度传感器（速度拾振器）的结构，它的壳体与磁钢构成一体，并在它们之间的气隙形成强磁场。芯轴、线圈和阻尼环构成惯性系统的质量块，并用两弹簧片支持在壳体中。沿径向弹簧片有很大的刚度，能可靠地保持线圈的径向位置；沿轴向弹簧片的刚度很小，以保证惯性系统具有较低的固有频率。,31,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,当速度拾振器承受沿其轴向的振动时，包括线圈在内的“质量块”与壳体发生相对运动，线圈在壳体和磁钢之间的气隙中切割磁力线，产生感应电动势e，感应电动势e的大小与相对速度成正比。如前所述，当n时，相对速度可以看成壳体的绝对速度，所以，输出电压实际上与壳体的绝对速度成正比。 阻尼环一方面可以增加质量块的质量，另一方面利用这样的闭合铜环在磁场中运动将产生一定的阻尼作用，使振动系统有较大的阻尼率，以减小共振对测量精度的影响，并能扩大速度拾振器的频率范围，同时有助于衰减意外引起的自由振动和冲击。,32,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,2 相对式速度传感器 磁电式传感器也常用来将两被测物体之间的相对速度变换成电压信号，这种相对速度拾振器的结构如图所示。使用时，壳体固定在一个被测件上，而顶杆压在另一个被测件上，两被测件之间的相对速度就被变换成线圈与壳体和磁钢之间的相对速度，而最终在线圈中产生与相对速度成正比的电动势。,由于顶杆是靠预加的弹簧力顶在被测件上的，因此拾振器正常工作时顶杆不能与被测件脱开，这就要求预加弹簧力必须大于线圈-顶杆组件的惯性力。考虑到惯性力与2X（为振动角频率；X为振幅）成正比，因此，这种拾振器能够测量的最大振幅将随振动频率的增加而急剧减小。,33,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 性能特点及应用领域 磁电式速度传感器的性能特点如下： (1)输出信号与振动速度成正比，因此较好地兼顾了高频和低频振动，符合目前ISO标准对旋转机械的振动评判标准； (2)由永久磁铁感应出电动势，传感器本身不需要电源，使用方便； (3)磁钢-线圈型结构，容易获得高灵敏度，可测量微小振动； (4)输出信号大，输出阻抗低，电气稳定性好，不受外部噪声干扰，有较高的信噪比，对后接电路无特殊要求。,34,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,3 由于本身结构特点所限，磁电式速度传感器也有其相应的缺点： (1)体积大，重量大，不适用于狭小空间的振动测量和轻小型设备； (2)动态范围有限，低频线性差，弹簧件容易失效； (3)对安装角度要求较高，使用时应注意有些型号仅适用于垂直安装，丽有些型号只适用于水平安装。,35,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,由速度传感器输出的电压信号除了可以直接用于测量、显示、记录被测物体的振动速度外，还可以经积分电路转换成位移振幅或经微分转换成加速度振幅，再经过放大后，送至检波指示，也可经功率放大后送至记录仪表。 因此速度传感器可以固定安装在机器上，长期监测其振动速度，也可以临时安装在机器的相应测点上巡检其振动速度。,36,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,4 生产厂商 磁电式传感器的生产厂商较多，国外产品以美国Bently公司和德国申克公司的产品在我国使用较多。北京测振仪器厂等国内生产厂家的产品因其价格低廉、服务周到，在许多行业也得到了广泛应用。,37,三 电涡流式传感器 电涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的传感器。,根据涡流效应制成的传感器称涡流传感器。,1 涡流效应 块状金属置于变化着的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内产生涡漩状闭合感应电流的现象，称为涡流效应。 感应电流即涡电流，简称涡流。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,38,2 电涡流式传感器的结构 电涡流式传感器的结构如下图所示。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,39,2 电涡流式传感器的结构,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,40,3 涡流式传感器的工作原理 涡流式传感器是建立在涡流效应原理上的传感器。,线圈通以正弦交变电流I1 空间产生交变磁场H1 金属板感应产生涡电流I2 产生新的交变磁场H2 H2反作用于线圈，使其等效阻抗ZL改变。,涡流式传感器工作原理的动画演示。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,41,ZL的改变，完全取决于被测金属板的涡流效应。 ZL F(, , , I1, w) 若只改变，保持其它参数不变，则ZL的变化只与的变化有关，可建立ZL -的关系，通过检测电路的转换可得电路输出电压u与之间的关系 u - 。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,42,4 涡流式传感器的型式 涡流式传感器的型式规格,涡流式传感器及其前置器、配用电缆,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,43,不同规格的涡流式传感器,不同规格的涡流式传感器，其直径不同，例如： 5、 8、 11等，分别用于不同的测量范围。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,44,5 电涡流式传感器的安装 1 各探头间的距离 探头头部线圈中的电流会在头部周围会产生磁场，因此在安装时要注意两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会互相干扰(如图所示)，在输出信号上叠加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相邻干扰。 相邻干扰与被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式等有关。通常情况下探头之间的最小距离见下表。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,45,2探头与安装面之间的距离 探头头部发射的磁场在径向和轴向上都有一定的扩散。因此在安装时，就必须考虑安装面金属导体材料的影响，应保证探头的头部与安装面之间不小于一定的距离，工程塑料头部体要完全露出安装面，否则应将安装面加工成平底孔或倒角，如图所示。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,46,3 探头安装支架选择 实际的测量值是被测体相对于探头的相对值，而需要的测量结果是被测体相对于其基座的，因此探头必须牢固地安装在基座上，通常需要用安装支架来固定探头。对于不同的测量要求和不同的结构，安装支架的形状和尺寸各种各样，常用的有机器内部探头安装支架和机外部探头安装支架。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,47,6 常用传感器与生产厂商 世界上第一支工业用电涡流位移传感器是由美国Bently公司研制开发的，Bently公司在电涡流位移传感器的制造水平上一直处于领先地位。德国申克公司在一体化传感器系统、美国迈确公司在标准信号输出传感器系统方面也有一定优势。国产传感器近年来制造技术水平也迅速提高，广州精信公司、上海瑞视公司、北京测振仪器厂的产品目前也大量投人工程应用，已大批用于替代同类进口产品。,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,48,四 传感器选用 1 传感器及测量参数的频率范围和动态范围 2 主要考虑的因素 1 被测对象的部位及常见故障 2 机械阻抗 3 轴承的类型 4 被测部位的环境 5 被测振动参量相互间的关系,机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器,49,