机械故障诊断学

机械故障诊断学机械设备故障诊断与医学诊断有许多相似之处，机械设备出现故障（隐患）时，会反映出各种征兆，诸如振动、温度、压力等信号的变化。但不是所有信号对任何故障隐患都很敏感，如对齿轮箱来说，若是轴承出现破损，振动信号的变化要比温度信号敏感；若是润滑不足，则温度信号就比振动信号敏感。这就是说设备在不同的运行状态下（故障也是一类运行状态），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的获取，不仅与所选择的信号内容有关，而且与传感器的类型、传感器的精度和测点位置有关。

概述

振动信号检测

计算机辅助信号采集系统

信号预处理特征分析与提取是故障诊断基础第2章特征信号检测中南大学机电工程学院李群明2015年上概述信号是反映设备运行状态的信息载体特征信号选择原则能敏感地反应工况状态变化能实时采集对传感器类型的选择要求能反映物理特征易于安装中南大学机电工程学院李群明2015年上

传感器是人类器官的延伸

传感器的选择

分类

位移、温度、压力、流量、速度传感器等。机械式、电气式、光学式、流体式等。物性型、结构型能量转换型(无源型、

发电型或主动传感器)、能量控制型(

有源型、能量调节型或被动传感器)模拟式、数字式中南大学机电工程学院李群明2015年上f(t)

mkcy0(t)y1(t)单自由度系统在基础受力所产生的受迫振动

令

振动信号检测:最常见动态测量:位移、速度、加速度、频率、相位静态测量：固有频率、阻尼、刚度、响应、模态中南大学机电工程学院李群明2015年上固有频率：阻尼比：以y1(t)作为输入：中南大学机电工程学院李群明2015年上位移输入：幅-频曲线中南大学机电工程学院李群明2015年上位移输入：相-频曲线中南大学机电工程学院李群明2015年上当<<n时，A()接近于0，质块相对基础的运动接近于零，它意味着质块几乎跟着基础一起振动，相对运动很小。而当>>n时，A()接近于1，表明质块相对基础的运动与基础的运动近乎相等，即质块在惯性座标中几乎处于静止状态。上述原理是研究振动测试的基础。

中南大学机电工程学院李群明2015年上以作为输入：中南大学机电工程学院李群明2015年上00.511.522.5300.511.522.533.544.55A()加速度输入：幅-频曲线01.0=z0.10.20.50.71中南大学机电工程学院李群明2015年上

涡流式位移传感器w：线圈匝数：空气的磁导率

中南大学机电工程学院李群明2015年上传感器的自感量L与距离关系

00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25d,mmL中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上

磁电式速度传感器：当穿过某一线圈的磁通发生变化时，会产生感应电动势，其电动势的输出与线圈的运动速度成正比

e=WBlvsine=kWBA中南大学机电工程学院李群明2015年上图电磁式绝对速度计1—弹簧2—壳体3—阻尼环4—磁钢5—线圈6—芯轴中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上

压电式加速度传感器金属膜FF压电晶片中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上等效电荷源等效电压源CaRaqCaRaua压电器件相当于具有一定电容的电荷源：电容两极板间开路电压为：中南大学机电工程学院李群明2015年上若考虑负载（测量电路），等效电路如下：电荷源等效电路CaRaqCcRiCi电压源等效电路CaRauaCcRiCi假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：中南大学机电工程学院李群明2015年上CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo高通滤波其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci。

中南大学机电工程学院李群明2015年上电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。电荷放大电路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi中南大学机电工程学院李群明2015年上电荷放大等效电压放大电路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf其中，R=Ra//Ri

C=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf(1+A)Cf中南大学机电工程学院李群明2015年上ICP®SensorSystem中南大学机电工程学院李群明2015年上压电式加速度传感器中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上NOISECOMPARISONICPCHARGEMODE(Rangedfor500mV/gSensitivity)

中南大学机电工程学院李群明2015年上钢螺栓a)钢螺栓c)绝缘螺栓b)云母垫圈

薄蜡层探针d)e)粘接剂

粘接螺栓f)粘接剂g)磁铁中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上各种振动传感器的测量范围中南大学机电工程学院李群明2015年上涡流位移传感器的校准仪中南大学机电工程学院李群明2015年上测振传感器的合理选择要求:灵敏度高动态特性良好噪声小滞后、漂移误差小功耗小，复现性好，有互换性防水及抗腐蚀结构简单、成本低中南大学机电工程学院李群明2015年上

计算机辅助信号采集系统被测对象传感器信号调理多路模拟开关采样保持A/D计算机总线D/A低通滤波激励装置功率放大CPUROMRAM键盘显示控制逻辑………中南大学机电工程学院李群明2015年上工业控制计算机PC

总线多通道同步采集A/D卡AC/DC分离通道选择模拟信号隔离采样控制转速测量振动信号采集模块温度、压力等非振动信号输入开关量输入非振动信号采集模块开关量

采集模块...

振动信号输入AC/DC选择透平压缩机组信号采集装置示意图

中南大学机电工程学院李群明2015年上

信号调理1、交、直流分离2、信号滤波3、信号放大4、信号积分中南大学机电工程学院李群明2015年上A/D转换0123456789101112131415161718192002468101214x(t)x(t)xt时间t=kD,sD中南大学机电工程学院李群明2015年上中南大学机电工程学院李群明2015年上

采样定理中南大学机电工程学院李群明2015年上若原始信号是带限信号，则采样后信号不发生混叠的条件为：fs2fh（如下图）。其中fh为信号中的最高频率。此即为采样定理。中南大学机电工程学院李群明2015年上

消除混叠的措施提高采样频率。但提高采样频率将导致在同样信号长度下，采样点数随之提高，增加计算负担。应用抗混滤波器降低信号中的最高频率。从理论上讲，由于抗混滤波器的非理想特性，信号中高频分量不可能完全衰减，因此不可能彻底消除混叠。中南大学机电工程学院李群明2015年上

数字信号处理及其存在问题时域采样：时域离散化截断：时间有限化频域采样：频域离散化结果：时、频域周期化中南大学机电工程学院李群明2015年上

截断、泄漏和窗函数x(t)w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00fW(f)1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截断的正弦信号频谱中南大学机电工程学院李群明2015年上

减小泄漏的措施

提高截断信号长度，即提高矩形窗宽度，此

时

sinc函数主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，由

于旁瓣衰减较快，故可减小泄漏，但显然采

样点数随之提高，增加计算负担。

采用其它窗函数。一个好的窗函数应当：主

瓣尽可能窄（提高频率分辨力）、旁瓣相对

于主瓣尽可能小，且衰减快（减小泄漏）。

中南大学机电工程学院李群明2015年上W(f)1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗

w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗中南大学机电工程学院