（控制理论与控制工程专业论文）小型变速箱检测与故障诊断系统研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或能人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名： o ；年月p e l 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学使期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为谣安理工大学。 学校有权保偿送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 埠名：揖啪渺日 摘要 小型变速箱检测与故障诊断系统研究 学科：控制理论与控制工程 研究生：马祥 导师：李琦教授 ( 签名 ( 签名 摘要 本文土耍研究j ，小型变速箱检测与故障诊断问题。 本文以某厂家生产的乘式割草机变速箱为对象，研究了小型变速箱检测 诊断系统殴计的一般原理手| i 方法。本文提山了一套变速箱试验检测及故障诊断 系统，它能够为变速箱提供一个模拟试验环境，能根据行业标准或用户要求做 多种试验，这些试验能从不同角度来描述变速箱的性能，同时对有故障的变速 箱根据其振动信号分析山其故障所在，最后自动生成试验报表。 本文首先对现代检测与故障诊断方法进行了综述，以某厂生产的驾乘式割 草机、扫雪机变速箱为背景论述了检测诊断系统硬件、软件、接口设计的一 般原理和方法。同时我们对变速箱故障诊断进行了研究，提出了一种基丁齿轮 振动信号分析的故障诊断系统，该系统以“三频谱二时域”综合诊断法为理论 基础，讨论了该系统的原理，硬件结构和软件结构。最后对系统的电磁干扰问 题，本文也做 “了分析井从软什和硬什方面提出了抗干扰措施。 西安理工大学硕士学位论文 本文所提出的这套检测诊断系统设计思想乖l 方法，不仅适州丁乘式割草 帆、 j 雪机变速箱，还适圳丁例如序托1 ：等的小刑变速箱。 关键词：小刑机械变速精、检测、故障诊断 塑兰一一 一一 r e s e a r c ho nt e s ta n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m f o rs m a l lg e a r b o x s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g a u t h o r ：x i a n gm a ( s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f q il i ( s i g n a t u r e a b s t r a c t t h i st h e s i si sm a i n l yc o n c e r n e dw i t hp r o b l e m so ft e s ta n dd i a g n o s i ss y s t e mf o r s m a l lg e a r b o x t a k i n gt h eg e a r b o xo fat y p eo fl a w n m o w e ra so b j e c t s ，w es t u d i e dt h e c o m m o np r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h et e s td i a g n o s i ss y s t e mf o rs m a l lg e a r b o x t h i s p a p e rp r e s e n t s at e s ta n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rg e a r b o xw h i c hc a np r o v i d ea s i m u l a t e dw o r k i n gc o n d i t i o nf o rg e a r b o xa n dp e r f o r m v a r i o u s e x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt oi n d u s t r ys t a n d a r d o rc l i e n t sd e m a n d s ，s ot h a tt h ep e r f o r m a n c eo f g e a r b o xc a nb ed e s c r i b e df r o md i f f e r e n ta n g l e s ，f a u l tc a l l b el o c a t e db ya n a l y s i so f i t sv i b r a t i o ns i g n a la n dt e s t i n gr e p o r tf o r mc a nb ea u t o m a t i c a l l yf o r m e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm o d e r nt e s ta n df a u l td i a g n o s i sm e t h o d sa n dt h e n d i s c u s s e sc o m m o np r i n c i p l ea n dm e * , h o df o rd e s i g no fi t sh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n d i n t e r f a c ew i t ht h eb a c k g r o u n ds t u d yo nl a w nm o w e r af a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e d o n g e a rv i b r a t i o ns i g n a l a n a l y s i si sp r e s e n t e dw i t h t h e o r e t i c a lb a s i so f “t r i f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dd i t i m ed o m a i n ”s y n t h e t i c a ld i a g n o s i s ，a n dt h ep r i n c i p l e 西安理工大学硕士学位论文 a n ds t r u c t u r eo f l a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et a k e ni o t oc o n s i d e r a t i o n e i c c t r o m a g n e t i s mi n l e r f er e n c ei sa n a l y z e da n da n t i - j a m m i n gm e a s u r ei sp r o v i d e d int h e1 i g h to fb o t hs o t l v 、a r ea n dh a r d w a r e t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o ds h o w e df i t sn o to n l ys m a l lg e a r b o xo fl a w n m o w e r b u ta l s ot h a to fm o t or c y c l e ，e t c k e y w o r d s ：s m a l lg e a rb o x t e s t ，f a u l td i a g n o s i s 西安理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 变速箱是机械设备中广泛应用的重要传动部件，它的正常工作对整 台设备的顺利运行起着重要的作用，其性能的好坏对整台设备工作性 能有很大影响，所以对生产的变速箱进行检测与诊断有着非常重要的 意义。 目前国内吲林机械行业所生产的驾乘式扫雪机，割草机变速箱缺乏 科学的检测手段，仍然依靠人工经验定性判断产品好坏，这样就难以 确保产品测试诊断精度和可靠性，同时给产品的出口带来障碍。 本课题就是在这样的背景下产生的。本课题是研究一套变速箱试验 检测及故障诊断系统，它能够为变速箱提供一个模拟试验环境，能根 据行业标准做几种试验，这些试验能从不同角度来描述变速箱的性能， 同时对有故障的变速箱根据其振动信号分析出其故障所在。 本文以某厂家牛产的驾乘式割草机变速箱为背景，论述了检测诊断 系统设计的一般原理和方法。本文所提出的这套检测诊断系统设计思 想和原理，还适用于例如摩托车等的小型变速箱。 1 2 本文的主要研究工作 针对驾乘式割草机、扫雪机变速箱的检测与故障诊断，目前在国内 还沿用传统的人工经验判断、简易装置定性判断等方法，没有科学的 检测与故障诊断系统。由于目前国内还没有相应的变速箱自动检测与 设备故障诊断系统，因此本课题的研究没有现成的模式可以借鉴、也 缺乏相应的参考资料。本文完成以下内容。 第三章为检测信号采集与数据处理，检测系统的主要功能是信号的 绪论 检测与处理，因此，传感器的信号获取与计算机信息处理是检测系统 设计中的重要环节。本章分析了信号采集与处理的一般方法与原理， 比如物理信号的采集与处理，系统误差来源及处理，非线性的校j 下等， 并针对实际项目，提出了具体的方案。 第四章为检测试验系统设计及工作原理，本章以实际项目为例，提 出了小型变速箱检测与故障诊断系统的整体机械设计，以及硬件电路 设计，接l | 没计和试验、驱动软件的编制。 第血章为基于f f t 的的变速箱故障诊断系统，本章提出了一种基于 齿轮振动信号的分析与战障诊断系统，该系统以“三频谱二时域”综合 诊断法为理论基础，并将共振解调技术应用于齿轮箱故障诊断中讨 论了浚系统的原理，硬件结构和软件。 第六章为系统二f 扰及对策研究，一个实际项目的成败，与能不能处 理好干扰问题息息相关，本章结合项目的实际现场调试经验，总结了 系统干扰的因素及其解决方法。 西安理工大学硕士学位论文 2 现代检测与故障诊断系统综述 2 1 现代检测系统发展现状与趋势 现代检测向智能化发展，检测的智能化归功于计算机技术的发展。 1 9 4 6 年，美国槟西法尼亚大学在美籍匈牙利数学家冯纽曼的设计思 想指导下研制出世界上第一台电子计算机，为现代智能检测系统的发 展提供了有效的手段。1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司研究出4 0 0 4 型4 位微处理芯片，使传统的检测仪器采用计算机进行数据分析处理成为 现实。微电子技术，特别是微计算机技术的迅猛发展，使检测仪器在 测量过程自动化，测量结果的智能化处理和仪器功能仿人化等方面都 有巨大的进展。从广义上讲，智能检测系统( i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g s y s t e m ) 包括以单片机为核心的智能仪器，以p c 机为核心的自动测试 系统和目6 u 发展势头迅猛的专家系统。 所谓检测系统，应当包含测量、检测、故障诊断、信息处理和决策 输出等多种内容，具有比传统的“测量”远远丰富的范畴，是检测设备 模仿人类专家信息综合处理能力的结晶。 智能检测系统充分开发利用计算机资源，在人工最少参与的条件下 尽量以软件实现系统功能。因此，智能检测系统具有以下特点 23 ： a 测量过程软件控制 智能检测系统可实现自稳放大，自动极性判断，自动量程切换，自 动报警，过载保护，非线形补偿，多功能测试和自动巡回检测。由于 有了计算机，上述过程可采用软件控制。测量过程的软件控制可以简 化系统的硬件结构缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和 自动化程度。 b 智能化数据处理 现代检测与故障诊断系统综述 智能化数掘处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便， 快捷地实现各种算法。因此，智能检测系统可用软件对测量结果进行 及时住线处理，提高测垦精度。另一方面，智能榆测系统可以对测量 结果进行再加工，获得并提供更多更町靠的高质量信息。 智能枪测系统中的计算机可以方便地用软件实现线性化处理，算术 半均值处理，数捌融合计算，快速傅里叶变换( f f t ) ，相关性分析等 再种数掘处理功能。 c 高度的灵活性 智能检测系统以软件为工作核心，生产，修改，复制都较容易，功 能和性能指标更改方便。而传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参 数分散性较大，每次更改都牵涉到元器件和仪表结构的改变。 d 实现多参数检测与信息融合 智能检测系统配备多个测量通道，可以由计算机对多路测量通道进 行高速扫描采样。圳此，智能检测系统可以对多种测量参数进行检测。 作进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，口j 以实现智 能榆测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠 性和容错性。 e 测量速度快 高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从 测量丌始，经过信号放大，整流滤波，非线形补偿，a d 转换，数据处 理和结果输出的全过程所需的时间。目前，高速a d 转换的采样速度 住2 0 0 m h z 以卜，3 2 位p c 机的时钟频率也在5 0 0 m h z 以上。随着电 子技术的迅猛发展，高速显示，高速打印，高速绘图设备也日臻完善。 这9 都为智能检测系统的快速检测提供了条件。 f 智能化功能强 以计算机为信息处理核心的智能检测系统具有较强的智能功能，可 以满足各类用户的需要。 西安理工大学硕士学位论文 g 测量选择功能 智能检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选 择，使系统具有对破测对象的最优化跟踪检测能力。 h 故障诊断能力 智能检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重要。 系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力，检查各单 元故障，显示故障部位，故障原因和应采取的故障排除方法。 i 其他智能功能 智能检测系统还可以具备人机对话、自校准、打印、绘图、通信、 专家知识查询和控制输出等智能功能。 2 1 1 标准接口系统 智能检测系统各分机之间的联结方式是组建智能检测系统的关键。 目前，全世界广泛采用的标准接口系统有i e c 6 2 5 系统、c a m a c 系统、 h p i l 系统、c a n 系统、1 2 c 总线等。联接线、接口、控制器及硬件 构成的整体简称为接u 系统或总线系统。配有标准接口的仪器可单独 使用，也可做为智能检测系统的分机事业。利用标准接口和分机，可 以大大简化智能检测系统的设计与实现，使智能检测系统在结构上通 用化、积木化，增强可扩展性与可缩小性，方便用户更改系统的功能 与要求。 标准接口系统应包括下列内容f i g ： 1 ) 接口的联结线及其传送信号的各种规定 2 ) 接口电路的工作原理与实现方法 3 ) 机械结构方面的规定 4 ) 数据格式和编码方式 5 ) 控制器的组成及其命令系统 通用总线系统主要用来联结计算机及其常规外部设备或i o 器件， 组成计算机系统。近年来，随着以计算机为数据处理核心的智能检测 现代检测与故障诊断系统综述 系统的用量剧增，利用通用总线构成的智能测控系统越来越多。通用 总线在信号绒水平上做了统的规定，带有通用总线接口的仪器或组 件住信号级水平卜是兼容的。日前常用的通用总线有r s 2 3 2 ，s t d ， c a n ，! c ，s 1 0 0 ，m u l t i b u s 等。 测试用标准接口系统 测试用标准接口系统主要用柬组建智能检测系统和控制系统。带有 标准接口的仪器与组件，存命令级甚至程序水平上都相互兼容。 测试用标准接口系统按照数据传送方式可分为两类： 1 ) 串行数据传送接口系统，如h p i l 、r s 2 3 2 、串行分支、c a m a c 系统等； 2 ) 并行数掘传送接口系统，虫i e c 一6 2 5 、单机箱c a m a c 、并行分 支c a m a c 系统等。 2 1 2 智能检测系统的分类 智能检测系统的分类，日前没有统一标准，可以根据被测对象分类 也口j 以根据智能检测系统所采用的标准接1 3 总线分类“】。 按被测对象分类 1 ) 按被测对象的不i 日，可将智能检测系统分为在线实时智能检测 系统和离线智能检测系统。在线实时智能检测系统主要用于生产与试 验现场，如粮食烘十系统的水分检测控制、热力参数运行的测量控制、 病人的医疗诊断、武器的性能测试等。离线智能检测系统主要用来对 非运行状态的对象进行测试，如集成电路参数测试、仪器产品质量检 验、地形勘探系统等。 2 ) 按采用的标准接口总线分类 根据所采用的标准接口总线系统的不同，智能检测系统可以分为计 算机通用总线系统，1 e c 6 2 5 系统、c a m a c 系统、h p i 系统、r s 2 3 2 系统、c a n 系统、2 c 系统等。随着新的接口与总线系统的诞生，必 将有新类型的智能检测系统问世。 西安理工大学硕士学位论文 2 2 现代设备故障诊断系统概述 2 2 1故障诊断技术的分类 ，。引 出于现代机械制造系统各种设备运行的状态千差力别，且其服役的 条件和环境又各不相同，因此故障诊断技术的分类方法自然也就有很 多。目f j i ，主要按诊断目的诊断对象和被诊断参数三种方式进行分类。 ( 1 ) 根据诊断目的分类 一般来说，根据诊断目的，可以划分为如下五种类型。即： f l 定期诊断和连续诊断 定期诊断，顾名思义，就是每隔一定时间，对正在服役的系统或设 备进行一次常规的检查和诊断。而连续诊断则是采用测试仪器仪表计 算机信号处理系统对一个系统或者设备的运行状态进行连续地监视和 检测。这两种诊断方法的选用，与被诊断对象的重要程度以及故障发 生和发展的可预测性等因素有关。显而易见，一个系统或设备如果十 分重要，一旦发生故障可能造成严重影响，且其故障的发生和发展又 很难预测，无疑就需要采用连续监控诊断系统。 b 直接诊断和问接诊断 直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定加工系统或设 备所处的状态，例如轴承的间隙、刀具的磨损、轴或叶片的裂纹等。 直接诊断具有迅速可靠的特点，但有时因受到机械结构或工作条件的 限制而无法实现。而问接诊断则是通过加工系统或设备运行中的二次 信息来间接判断关键设备或关键零部件的状态变化和故障情况，例如 通过润滑油的油温来反映主轴承的运行状态。 c 功能诊断和运行诊断 所谓功能渗断，是加工系统或设备的功能是否正常。一般来说对 于台新安装的设备或刚刚维修过的设备及部件，首先需要判断其运 行工况和功能是否正常，需对其主要功能进行检测，并根据检测信息 与判断结果对其进行调整，而运行诊断则是对讵在运行中的加工系统 现代检测与故障诊断系统综述 或机械设备迸 r 状态监测，根据检测结果，对其可能发生的故障和故 障的发展趋势进行早期渗断。 d 在线渗断和扁线渗断 所谓在线诊断，是指对现常萨在运行中的加工系统或机械设备进行 自动的实时渗断，以便及时地找出故障并提出维修决策，使加工系统 或机械设备始终处于一种最佳运行状态。而离线诊断则通过现场测试 没备或故障记录仪嚣将现场测量的状念信号记录下来，然后结合诊断 对象的历史档案以及其他十日关信息在实验室做进一步的分析诊断，以 确认加t 系统或设备的故障部位或故障趋势。 e 常规诊断和特睐诊断 常规诊断就是指d 工系统或设备在证常服役条件下进行的诊断，我 们所醴的渗断一般都属于这。类型。但也有一些诊断，需要在特殊工 况下进行需要创造特殊的服役条件束获取信号，如动力机组的启动 和停机过程要通过转子的扭振和弯曲振动的几个临界转速，采集在启 动和停机过程中的振动信号来诊断故障，而这些振动信号在常规诊断 ，是采集不到的，因此需要采用特殊诊断。 ( 2 ) 根据检测和渗断的信号分类 根据监测和诊断的信号不同，从而派生出各种不同的诊断方法，出 现了利用现代振动声学，热学，光学，力学等理论以及现代测试技术， 信号处理识别技术，计算机技术等方法与手段而实现的各种监控和诊 断技术，即： a 声振诊断 利用机械设备发出的振动和声音信息进行故障诊断，是目前最常用 的诊断手段。由于机械振动及其引起的声波在不同程度上反映出的机 械特性和它们所处的工作状态，往往含有丰富的故障信息。过去往往 h 是靠人民的主观感觉，即听觉和触觉来感受这种振动和声音，从其 筹异中凭经验来判断n t 能产生的故障，这就是最简易的声振故障判断 西安理工大学硕士学位论文 方法。近年来，随着非电测量技术，信号处理判断技术以及计算机技 术的发展，将声振监测和诊断技术推向了一个新的水平。一般来说， 我们将利用振动测量和噪声测量，及它们的分析结果来识别机械设备 的故障诊断方法统称为声振诊断。有时候又将这一诊断技术分开阐述 为振动诊断技术和声音诊断技术。 b 无损诊断 利用无损探测技术束发现机械设备主要零部件的裂纹机械性能超差 等变化，以及零部件等正常设置受破坏或内部损坏等故障起因，并根 据损伤的种类、形状、大小、产生部位水平、应力方向等信息，来预 测损伤或缺陷的发展趋势，以及采取措施排除隐患。无损诊断技术又 包含目视光学检测、贝塔射线探伤诊断，超声探伤检测诊断以及利 用铁磁材料的磁性而形成的磁性探测诊断和涡流探测，声发射探测诊 断等。 c 温度诊断 温度诊断是故障中最早进入实用阶段的项技术，起源于手摸测温 和主观判断。随着测温技术、计算机智能技术及其它相关技术的发展， 使其检测手段不断更新。诊断原理不断完善，应用范围也不断扩大。 目前红外、光纤、激光等测温新技术f 不断扩大应用，从而使温度诊 断不仅用于查找机械的各种热故障，而且还可以弥补射线、超声、涡 流等无损探测方法的不足。一般来说温度诊断分为被动式和主动式两 大类。被动式温度诊断是通过机械或流体自身的热量来获取故障信息 的，从而可广泛应用于静态或运行中的机件诊断，是目前温度诊断中 应用的主要方法。而温度诊断则是通过人为地给被测对象注入一定的 热量后再获取其故障信息，一般只适用静态机件的故障诊断。 d 污染诊断 污染诊断是以机械设备在工作过程中或故障形成过程中所产生的固 体、流体和气体污染物为监测对象，以多种污染物纳成分、大小、形 9 现代检测与故障诊断系统综述 态等为检测参数，并依摒榆测参数的变化来判断机械所处故障状态的 一种渗断技术。日i u 主要自油液污染监测诊断和气体监测诊断。前者 是通过对系统中循j 不流动的油液污染状况进行监测，以获取机械运行 状态的有关信启、。与医学诊断中验血所起的作用颇为类似。后者则是 通过对电气系统故障彤成过程中产7 卜的溶解气体，密封性故障形成过 w 中产生的漏失气体或液体，以及发动机或烟道排放的废气等所产生 j 亏染物性质、数量和成分进行监测分析来判断机械设备的运行状态。 e 交叉诊断 如前所述，一个复杂的现代制造系统往往由多个子系统组成，每一 个了系统又由多台机、电、液设备组成，这就使一个复杂的系统故障 具有很强的不确定r e ，增加了故障诊断的复杂性和冈难程度。一般来 晚，对于一个生产系统，如果只是想发现有无故障，只要根据诊断对 象可能产生的故障，选择一种最好的检测仪器和最佳的检测方法就可 能获得故障信息。但如果要想仝面地了解故障的类型、性质、产生部 f 莎和町能发展的趋势以及决定要采取的维修策略，就必须从不同的角 度，采用不同的方法去捕捉小同的故障现象，并根据不同的故障现象 r ，j 能反映出的故障进 ，交叉判断，它们的交叉点就可能是需要确定的 故障，这就是变叉珍断。如同一种机械故障可能表现多种征兆( 故障现 象) ，如轴承的滚道或某个弹子碎裂，也就可能表现振动现象的明显变 异或轴承座温度的增高等等。这就是说，对于同一种故障可用或需要 用不同的方法去诊断，因为是从不同诊断信号、不同的方面进行诊断 的，此又称为综合渗断。 同时，还可根据压力( 油压、气压) ，强度( 扭矩、应力及方案等) ， 电气参数( 功率、电流、电压) 再分为压力诊断，强度诊断和电气诊断等。 ( 3 ) 根据诊断的对象分类 从工程的角度出发，按诊断的直接对象过去往往分成两种类型，即 离散型生产系统的珍断和连续型生产系统的诊系统的诊断又可分成三 西安理工大学硕士学位论文 大类，即机械系统、液压系统和电气控制系统诊断。其中机械类的诊 断又根据不同的机械类型而分成四大类，即： a 连续，卜产系统诊断 连续牛产过程与离散生产过程有着不同的特点。一般来说，连续生 产过程产品稳定，基本上属于大批大量生产，其信息相对单纯，但生 产机理较复杂，数学模型难以精确描述。例如以四大加工参数f 温度、 压力、流量和液压) 的控制为特点的石油化工以及包括其它化工、金属、 动力、食品等一切生产人工制品的工业，它们的连续生产过程的故障 诊断，一般都包含实时监控与诊断，决策支持、质量管理和智能监督 控制。因此，连续生产过程的故障诊断系统具有规模大、实时性强、 控制与诊断一体化的特点。 b 电控系统诊断 现代制造系统的控制系统，一般都是一个递阶结构的制造系统， 每一级都有不同的职能和硬、软件结构，其支撑网络和数据库。最基 本的单元是计算机数控系统( c n c ) 和可辑控制器( p l c ) 。电控系统是现 代制造系统的大腑和指挥叫控系统的失灵或故障可能引起全线崩溃或 严重事故。因此，造系统的电控系统都有很严格的监控和诊断。其内 容主要件的监控和诊断以及软件诊断，其方式往往包括自诊断功能的 监控和诊断两种。前者是在系统设计之初就已从硬件两方面作了很周 密的考虑，后者则需根据系统结构和功能个加工系统的配置和机械液 压等多个部分的协调配合等综合因素来确定。 c 液压系统渗断 液压系统中的许多故障与机械电气系统中的故障不同，其最大特点 是其故障具有“扩散性”，即系统中某一元件发生了故障，往往会导致 一系列元件发生故障。如滤波器发生破损后，通常会引起泵、阀和执 行元件的损坏故障。因此，如何对液压系统进行在线监测，及时发现 和排除故障，对保证液压系统使用的可靠性具有特殊的重要性。根据 现代检测与故障诊断系统综述 液i i 系统的特点，己形成多种专用的故障诊断方法，而其中最有效的 方法是，以分析诊断对象的逻辑关系、系统参数以及系统热力学过程 为基础的诊断方法。 d典型机械零件诊断 齿轮类、轴承类零件是机械设备中广泛使用的重要零件。这些零部 件的损伤或失效常常会导致传动系统或整机的故障，甚至会引起安全 事故。现代制造系统巾，要求齿轮既能在高速、重载、特殊介质等恶 劣的条件下工作，又要求齿轮装置具有高平稳性、高可靠性、结构紧 凑等良好的工作性能，因此对齿轮运转状态的监测和诊断也就显得特 别重要。滚动轴承是机械加工应用最多的最容易损坏的零件之一，所 以兑工作状念的正常与否亦直接影响整机的可靠性，因此，滚动轴承 的故障诊断是现代制造系统中监控和诊断的另一重要对象。 除此之外，在机械系统中，像转子、轴承、叶轮、风机等旋转类机 械，内燃机压气机、活塞及连杆类等往复式机械，以及金属结构、框 架、桥梁等静止结构也都是诊断的直接对象。限于篇幅，读者可参阅 有关书籍。 2 2 2 故障诊断的概念体系 关于故障诊断的概念体系，可以说该技术的出现之初即及到。但 由于在该技术的长期发展和应用过程中，人们的主要力集中在该技术 的“针对性”和“应用价值”等方面，再加上故断技术的广泛性，人们 大都从不同的角度出发来研究基本概念。例如：故障、征兆、原因、 机理等概念的定义，以及诊断的描述方法，诊断结果的解释等，但忽 视了对这些基本概念的认识。认为没有必要，甚至不可能为诊断技术 建寺和发展一统化的理论体系，致使人们在解决实际问题时，常常各 自定义带有共性的概念和问题的描述方法，因而不可避免地产生了一 系列概念上的混淆和误解，主要表现在： 1 ) 是对一些基本概念的定义的理解。诸如故障、状态、机理等一些 西安理工大学硕士学位论文 概念及其关系未能形成较为统一的描述。问题的核心则集中对“故障” 的定义和理解上。 2 ) 是诊断对象的特点及其对诊断方式的影响。由于诊断的不同，诊 断的方式也于差万别。事实上，对于不同的诊断领域诊断问题的描述， 诊断方法的采用，渗断知识的使用与组织，信息的类型与获取等方面 都是不相同的。这就给我们提出了任务，从诊断的概念体系出发，研 究针对不i j 的渗断领域，不型的对象，在一定的范围内，建立一种统 一的基于知识的诊断和诊断策略。故障诊断的根本任务就是根据已知 的观测( 即征兆) ，找出诊断对象中可能存在的故障或导致这些故障的各 种原因，同时提出各种维修的决策和建议。就这一点而言，诊断问题 的描述是f 分蕈爱的，这些又与预选指定的系统层次，子系统以及诊 断水平有关。 如卜所述监控与故障诊断技术作为一门独立的学科得以迅速地发 展，首先在于经济和技术发展的需求，随着科学技术与生产的发展， 现代机械制造系统和发各的工作性能越来越好，工作强度越来越大， 自动化强度与生产效率越柬越高，与此同时设备的结构也越来越复杂， 各部分的关联也越来越密切，往往某处有故障，就导致停机、重则毁 机，这不仅直接或间接造成巨大的经济损失，而且会造成人员伤亡， 造成极为严重的社会后果，因此是需求驱动的。其次则是相关学科的 发展以及其基础理论的形成，从而为该学科的发展奠定了理论基础。 随着这一技术的深入，又推进了相应的应用技术和实施技术的发展， 从而形成了该学科的核心和支撑技术基础。可以预见，随着这一学科 的形成和发展，由于其具有交叉性和高技术的特点，必将同其他众多 交叉学科一样体现出强大的生命力和巨大的应用前景。 检测信号采集与数据处理 3 检测信号采集与数据处理 3 1 传感器概述 3 1 1 概述 传感器在智能检测系统中的作用是将各种非电量信号转换成电信 号，实现系统对测量对象的识别。因此，传感器是智能检测系统的主 要信息来源，其性能决定了智能检测系统的检测性能。 传感器是人类用敏感材料模仿自身功能的产物。人和其他生物体的 感官就是天然的传感器，如“血官”眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具 有视、听、嗅、味、触觉功能，大脑通过五官可以感知外界的信息。 能把特定的被测量信息( 包括物理量、化学量、生物量等) 按一定规 律转换成某种可用信号输出的器件或装置，统统称为传感器。 所谓可用信号，是指便于处理与传输的信号。目前，传感器的可用 信号主要是电信号，即把外界a f 电信息转换成电信号输出。人类跨入 光子时代后，传感器的输出信号将是光信号，光信号更便于快速、高 效地处理与传输。 当今世界，传感器种类不下十万种，而且还在不断地产生着新的传 感器。传感器技术已成为门独立的新型学科，它涉及测量原理、传 感器件设计及传感器丌发和应用，是敏感功能材料科学、传感器技术、 微细加工技术等多学科技术互相交叉、渗透的综合性学科。 3 1 2 传感器构成 传感器作为一种把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置， 其构成核心是能把非电信息转换成电信号的转换元件。这种转换功能， 物性型传感器可次完成，实现“被测非电量一一有用电量”的直接转 西安理i 大学硕士学位论文 换而结构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现 “被测非电量一有用非电量一有用电量”的问接转换。此时，传感器就 由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。 图2 1 a 、b 、c 给出了典型的传感器构成方法。实际上，传感器的 具体构成方法，视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体 情况的不同而有很人差异。 图a 自源型是仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成形 式。这种形式的传感器的特点是不需要外加能源，其转换元件具有从 被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应。但这种传感器的输 出能量较弱，如热电偶、压电器件等。 a l 叫、境影啊 b ) c ) 环境影响环境影响 山 d ) 。) f ) 图3 一l 传感器的构成形式与补偿方法 山 检测信号采集与数据处理 图b 带激励源型是转换元件外加辅助能源构成的形式，辅助能 源起激励作用，可以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔等 电磁感应式传感器等。这种传感器的特点是需要外加能源，但不需要 变换( 测量) 电路即可有较大的电量输出。 在以上两种形式中，转换元什起着能量转换的作用，故称为“能 鞋转换型传感器”。 图c 外源型 由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成，它必 须通过带外电源的变换( 测量) 电路，才能获得电量输出。变换( 测量) 电 路把转换元件输出的电信号，调理成便于显示、记录、处理和控制的 可用信号，实现信号调理与转换。常用的有电桥、放大器、振荡器、 阻抗变换器和脉冲调宽电路等。 传感器在实际应崩中，要受到使用环境的影响，图2 1 d 、e 、f 是 【jf i 仃传感器消除坏境t 扰影响而广泛采用的补偿形式。 图d 相同传感器的补偿型采用两个原理和特性完全相同的转换 元件，并置于同。环境中，其中个接受输入信号和环境影响，另一 个只接受环境影响，通过后续电路的运算处理，利用后者消除前者的 j ：境十扰影响。这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中应用较 多。 图e 差动结构补偿璎采用两个原理和特性完全相同的转换元件， 同时接收被测输入量，置于同一环境中。两个转换元件对被测输入量 作反向转换，对环境丁扰量作同向转换，通过变换( 测量) 电路，使有用 输出量增加、干扰最抵消。 图f 不同传感器的补偿型 采用两个原理和性质不相同的转换元 件，且不一定置于同啊：境处。其中一个接受输入信号，并已知其受 环境影响的特性；另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等 效的抵消环境影响的补偿信号。如采用热敏元件温度补偿，采用压电 补偿片的温度和加速度干扰补偿等。阳儿叫 西安理工大学硕士学位论文 此外，迹町根据需要，把上述各种基本形式的传感器作选择组合， 构成各种各样的复合型传感器 3 1 3 传感器的发展方向 传感器的发展是为了满足社会生产与人们生活的发展需要，其发展 包含了社会需求的发展和传感器技术的进步。 ( 1 ) 社会需求 社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代化科学技术，特 别是大规模集成电路技术的飞速发展和计算机的普及应用，传感器在 新技术革命中的地位和作用越来越突出，竟相) i ：发和应用传感器的热 潮已在世界范罔内掀起。这是因为： 1 ) 传感器技术落后于计算机技术的现状，己成为微型计算机进一步 j r 发和应用的一火障碍。 2 ) 许多有竞争力的新产品丌发和卓有成效的技术改造，都离不开传 感器。 3 ) 传感器的应用直接带来了明显的经济效应和社会效益。 4 ) 1 d - 感器普及丁社会各个领域，具有良好的销售前景。 ( 2 ) 传感器的发展方同 目6 “的传感器，无论在数量上、质量上和功能上，都远远不能适应 社会发展的需要。当前，人们充分利用先进的电子技术，研究和采用 合适的外部电路，以求最大限度地提高现有传感器性能价格比。同时， 人们也汇在寻求传感器技术发展的途径 1 ) 丌发新型敏感器件鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定 律。由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感材料，并以此研制出 具有新原理的新型物性型传感器件，发展高性能、多功能、低成本和 小型化传感器。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏闽传感器，用 来检测极微弱信号，是传感器技术发展的新趋势之一。如磁敏传感器、 化学传感器、生物传感器等等。 检测信号采集与数据处理 2 ) 集成传感器和多功能传感器固态功能材料半导体电介质、 强磁体的进一步丌发和集成技术的不断发展，为传感器集成化丌辟了 广阔的前景。 所谓集成化，就是在i i j 一芯片上，将众多同一类型单个传感器件集 成为一维线型、：维阵3 l j ( 面) 型传感器；与调节、补偿等电路集成一体 化。f j i 。种集成化使个参数由“点一线一面一体”多维图像化，甚至能 加上时序，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单 一信号变换功能，扩展为兼有信号放大、信息运算处理，实现了横向和 纵向的多功能化。 3 ) 智能传感器传感器与计算机的结合，就形成智能传感器。智能 传感器不仪具有信号检测、转换和通信功能，同时还具有记忆、存储、 解析、统计处理及口诊断、自校证功能。如将传感器与计算机集成于 卜司一芯片上，就成为了智能传感器。 智能传感器所使用的计算机主要是单片微型计算枫。随着微电子技 术、尤其是单片机技术的发展，各种微功耗器件不断问世，为传感器 的智能化设计和低功耗设计提供了条件。 4 ) 仿生传感器大自然汇集了多种生物传感器，漫长的岁月不仅造 就了集多种感官于一身的人类本身，而且还造就了许许多多功能奇特、 性能高超的其他牛物传感器。例如狗的嗅觉( 灵敏闽为人的1 0 6 倍) 、鸟 的视觉( 视力为人的8 5 0 倍) 、蝙蝠和海豚的听觉( 主动型生物雷达 超声波传感器) 、蛇的接近觉( 红外测温传感器分辨力达0 0 0 1 ) 等等， 这些动物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的 机理，丌发仿生传感器，也是传感嚣技术发展的重要方向。 5 ) 大信号输出传感器大信号输出传感器的输出电平能满足一般的 a d 变换器的直接输入要求，具有使用方便、抗干扰能力强等优点，因 j 阿越来越引起人们的重视。 6 ) 频率量输出传感器频率量输出传感器也称数字传感器。频率量 西安理工大学硕士学位论文 参数抗_ t 扰强，接r | 简单，易于远距离传输，是许多检测控制系统优 先选择的传感器，目前已丌发出不少新型电阻r 、电感l 、电容c 参量 型频率传感器和温度传感器。 7 1 与微机接f 兼容的传感器输出信号与微机接口兼容的传感器， 如输出为们t t l 电平的传感器，这种传感器与单片机控制接口连接方 便，易于推广使用“。 3 2 本系统中主要传感器介绍及其变送器设计 【“ 3 2 1 加速度传感器 我们采用北京诺会3 2 5 5 型加速度传感器，它为表面贴封装形式， 0 5 到4 5 v 电且输出，内含两片芯片，可应用于安全保护系统。表面 安装封装外壳内包括一个峰固的传感器芯片和一个a s i c 芯片，体积小， 价格低，可靠性高，安装方便。 加速度计“ 带何多个悬臂的微切削块组成，压敏电阻做在悬臂上， 悬块运动时悬臂的应力发生变化，导致了压敏电阻值也发生变化，封 装顶部和底部的硅盖提供过载制j r 。由于采用独一无二的硅结构，使 得加速度计尺寸极小，重量轻，可低价批量生产，此外其内置阻尼可 提供很宽的范罔。 此外3 2 5 5 带有已申请专利的自检功能，在自检端加一电压，电场 力将吸引悬块向上运动，从而模拟一加速度，以次检测加速度计是否 工作正常。 传感器芯片和a s i c 都安装在陶瓷无线基底上，柯伐( 镍基合金) 盖焊在陶瓷封装上，密封严密，保证高可靠性同时防止外界环境对传 感器的影响。 独特的封装型式提供一或两种表面安装方向，使测量轴线可以和安 装表面平行或垂直，无需昂贵的安装支架。它的性能参数见表3 2 所示。 性能参数：5 0 v 直流供电，环境温度2 5 ( 除非另有特别说明) 检测信号采集与数据处理 量程 参数 单位注释 2 5 95 0 9l o o g2 5 0 95 0 0 9 带宽( 最小) 0 2 0 0 t )0 2 0 0 00 2 0 0 00 - 3 0 0 00 3 0 0 0 h zs 疋敏度( 最 7 6 3 8 )1 9076 038 8 0o4 0o2 0 o80 04 o 小典型最8 4 f )4 202 l084 04 2 m v g 1 ，4 人) 参数最小典型最大单位注 零点输出 2 32 ，52 7v o i t sv o l t s 非线性 o 21 0 量程 横向灵敏度 1 3 量程 电源电压 4 55 o7 0v o i t s 电流 l om a 输出噪声 1 0 u v p p 自检电眶 一3 0ov o i t s 自检响应 一0 8 91 4 82 0 7g 自检输入电流 o 1m a 自检精度 55 输出电流源( 对 1 0m a 地) 输出电流源( 对 o 5m a 输入) 加速度极限 2 0 0 0g 工作温度 一4 0+ 8 5 储存温度 4 0+ 1 2 5 重量克 表3 - 2 加速度传感器性能参数表 注：ll r 加速度，输出电压从零点输出电压起增加，负加速度则减少 2 在5 0 o 5 v 电源电压下，输出正比于电源电压 3 包括在整个上作温度范围内的影响 4 最佳线性拟合 5 施加一白检电压模拟一外加的加速度，传感器的输出币比于 西安理工大学硕士学位论文 l 乜源电压差值的平方。臼检响j 越iu 山电源电压表示。自检输入电压改 变引起输卅功能改变时，j 测山传感器的灵敏度，不使用白榆功能时， 臼榆端接电源f 。 61 i i z 士0l0 h z 7 口捡电i _ i 三和电源电爪相对地为相反数 8 ，带，宽范刚定义为数宁信号，即j 下常工作为0 v 加速度 超过量程范围n , j 为5 v ，如果加速度失效或引脚断掉，也会产生报警输 d l 。 变送器设计如图3 3 所示： i 剐3 - 3 振动传感器变送器原理图 3 2 2 温度传感器 我们采_ l j 北京鑫诺公司i i e l 一7 7 7 掣薄膜伯温度传感器，它有以下特 线性阻值与温度成正比 检测信号采集与数据处理 精确 r 乜阻阻值互换 优秀的稳定性 安装尺寸小 u i 直接安装在印刷线路板上 可焊s i p 封装 工作性能为见表3 4 所示 指标条件 传感器类型薄膜铂会r t d ：r o = 1 0 0 0 q o ：a l p h a = o 0 0 3 7 5 q 温度范凼 4 0t o15 0 温度精度女f 于二0 5 c 或0 8 o ft e m p e r a t u r e ( r 0 4 - o 2 t r i m ) 摹本电阻 l0