e第1讲传感器及信号测量2012d

轩建平XuanJianpingjpxuan@DepartmentofMechatronicEngineeringSchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,故障诊断学FaultDiagnostics华中科技大学机械学院机电系教学方法与成绩评定

TeachingMethods&Evaluation教学方法TeachingMethods讲授Lecture录像Vedios讨论Discussion成绩评定Evaluation平时作业task：翻译指定的一篇英文文章30%考试test：笔试70%概论Introduction基本概念Basicconcepts发展历史history本课程目的与要求objectives&requirements诊断问题的基本概念

Basicconceptsofdiagnosisproblems系统的输出(output)是指系统的所有行为,即系统的所有表现形式系统的功能(function)是指在系统设计时要求系统所要实现的一些行为,但它是在更高层次上对这些行为的一种抽象系统的约束条件(constrain)是指系统在工作时,所应满足的规定技术要求的某些行为系统的特征信号(feature)是指同系统有关状态密切相关的、系统某一部分的输出系统的征兆(symptom)是指对特征信号加以处理而提取出的、直接用于诊断的信息故障Fault某一系统或子系统的故障,是指该系统或子系统的结构处于不正常的状态(或劣化状态),即偏离了预期的状态,从而导致系统不能在规定的时间内和工作条件下完成预期的功能、或不能满足预期的约束条件故障诊断就是要识别系统的状态

某一系统或子系统发生异常,是指该系统或子系统的输出偏离了预期的目标1986年4月26日苏联SovietUnion乌克兰Ukraine切尔诺贝利Chernobyl#4号核反应堆nuclearreactor

8tons强辐射物质泄露，致使俄罗斯Russia

，白俄罗斯Belarus和乌克兰Ukraine许多地区遭到核辐射的污染。

2011年3月FukushimaDaiichipowerstation日本福岛核电站核反应堆发生爆炸1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机TheSpaceShuttle"Challenger"

在第10次发射升空后，因助推火箭发生事故凌空爆炸，舱内7名宇航员全部遇难。直接造成经济损失12亿美元，航天飞机停飞近3年。1972年，日本海南电厂60万千瓦火电机组主轴断裂大同电厂2号机（1985年）、秦岭电厂5号机（1988年）、阜新电厂（1999年）20万千瓦火电机组振动导致毁机,每次损失都高达数亿元人民币1993年8月7日，海南海口电厂因循环水系统故障，造成全厂停电，电网瓦解。造成电网瓦解的事故1965年的东北部大停电事故即第一次纽约大停电事故，造成2100万kW负荷停电，时间长达13h，影响范围包括纽约市和东北部6个州和加拿大安大略省，影响用电的居民7000万人；1977年纽约大停电恢复时间共达25h，又一次造成巨大损失和影响。

常见的故障模式faultpatterns由作用力或温度诱发的弹性变形elasticdeformation屈服yield、韧性断裂、脆性断裂、凹痕疲劳fatigue疲劳----高频、低频、热、表面、冲击、腐蚀等疲劳腐蚀----直接化学腐蚀、电化学腐蚀、裂隙腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、侵蚀、穴蚀、氢损伤、应力腐蚀erosion磨损----粘着、磨料、腐蚀、表面疲劳等wear冲击----冲击断裂、变形、磨损、微动、疲劳等。shock蠕变creep、热松弛、应力破坏、热冲击、咬死、剥落、放射性破坏、翘曲、蠕变翘曲、蠕变--疲劳等故障的产生与传播机理系统故障的产生是由多种因素造成的系统在工作过程中,其零、部件由于磨损、疲劳、老化等因素会引起结构上的劣化或失效,即引起其固有特性的改变,从而使系统不能产生正常的输出子系统或零部件之间的联系也会由于参数变化、安装不当、相互位置改变等因素引起劣化或失效,从而导致系统偏离正常的状态;系统的异常输入有时也会使有关的元素和联系的状态发生变化,这些变化如果超出一定的范围,将引起包含这些元素或联系的系统状态的改变,进而产生异常输出这些异常输出又会引起更上一层系统的状态发生变化,这种影响逐级传播,直到原级系统,使整个系统的状态发生变化,产生异常输出。以上分析表明,故障的传播过程实质上是异常输出的传播过程,这种传播是一个由低层到高层的逐层传播过程复杂系统的故障特性层次性。这是系统故障的最基本的特性,是由系统结构的层次性所决定的,是故障的“纵向性”相关性。这是系统故障的“横向性”,是由系统各元素间的联系所决定的延时性。故障的传播机理表明,从原发性故障到系统级故障的发生、发展与形成,是一个由量变到质变的过程,这表明,故障具有“时间性”。故障的延时性是实现故障的预测与早期诊断的基础不确定性。不确定性是复杂系统故障的一个重要特性,它给诊断工作带来了很大的困难,是目前诊断理论与方法的一个重要研究内容机械设备故障诊断学的基本内容系统的故障诊断,是根据系统的特征信号(包括正常的和异常的)和其它诊断信息,查明导致系统发生故障的指定层次的子系统或联系,并找到引起这些子系统或联系发生故障的初始原因。设备诊断的内容

(1)采用合适的观测方式(包括合适的传感装置及人的感官等),在设备合适的部位,检测同系统状态有关的特征信号。(2)采用合适的征兆提取方法与装置,从特征信号中提取系统有关状态的征兆。(3)采用合适的状态识别方法与装置,依据征兆和其它诊断信息进行推理而识别出系统的有关状态。

(4)采用合适的状态趋势分析方法,依据征兆与状态进行推理而识别出有关状态的发展趋势,这里也包括故障的预测。(5)采用合适的决策形成方法,根据系统的有关状态、趋势及故障初始原因形成正确的干预决策,即作出调整、控制、维修等干预决策。“Forthethingswehavetolearnbeforewecandothem,welearnbydoingthem.”Aristotle(AuthorofMechanicsandAcoustics,384–322B.C.)故障诊断方法classification①按诊断环境分类：离线与在线诊断；②按监测手段分类：振动监测诊断法、噪声监测诊断法、温度监测诊断法、声发射监测诊断法、压力监测诊断法、油液监测诊断法、金相分析诊断法等；③按诊断方法、原理分类：频域诊断法、时域诊断法、统计分析法、信息理论分析法、模式识别法、人工神经网络、专家系统等等；④按诊断对象分类：军械装备，矿山机械、选矿机械、旋转机械等。总体：

①第二次世界大战中，认识到这种技术的重要性；②第二次世界大战后，因对应技术未发展而发展不快；③60年代后，电子技术、计算机技术发展、1965年FFT方法和对应的数字信号处理和分析技术的发展为设备诊断技术奠定了技术基础。发展历史History美国：1967年成立美国机械故障预防小组，在航空、航天、军事、核能等尖端部门目前处于领先地位。英国：70年代初成立机器保健与状态监测协会，在摩擦、磨损、汽车、飞机发动机监测与诊断具有领先地位。欧洲一些国家：瑞典SPM公司--轴承监测技术，AGEMA公司--红外热像技术；丹麦B&K公司--振动、噪声监测技术；挪威--船舰诊断技术。日本：70年代起步，在民用工业（钢铁、化工、铁道等）有优势。中国：1979年第一次办学习班，80年代初开始，目前在石化、冶金、电力等行业应用较好，在其它领域逐步展开。设备可靠性反映设备质量的综合性指标，是设备从出厂开始到工作寿命终结全过程的一种特性。它具有综合性、时间性和统计性的特点，有广义和狭义两种解释。广义可靠性是设备在其整个使用寿命周期内完成规定功能的能力，包括狭义可靠性和维修性；狭义可靠性是设备在某一规定时间内发生失效的难易程度。可靠性的经典定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力用“概率”来度量这一“能力”时，就是可靠度，即可靠度的定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。故障诊断与设备可靠性及维修性的关系

可靠度：产品无故障概率，可靠度函数R（t）故障概率：F（t）1.设备可靠性与故障诊断的关系2.设备维修制度①事后维修制度--POM(PostmortemMaintenance)早期维修制度。特点：不坏不修，应用于小型设备。②预防维修制度--PM（PreventiveMaintenance）又称以时间为基础的维修制度TBM（TimeBasedMaintenance）或计划维修制度。特点：静态维修制度。当设备到了计划规定的台小时，或吨公里进行强制维修，大多数工交企业仍采用。③预知维修制度--PRM（PredictiveMaintenance）又称为以状态为基础的维修制度CBM(ConditionBasedMaintenance)。特点：以状态监测为基础，根据设备运行状态的实际优劣程度决定维修时间和维修规模，是动态维修制度，是发展方向。本课程目的与要求

objectives&requirements本课程的教学目的是通过该课程的学习使学生掌握设备故障诊断诊断学的基本概念、基本理论和方法，具备应用故障诊断技术解决实际工程问题的能力。通过本课程的学习，要求学生了解故障诊断技术在设备管理中的作用和重要意义；了解传感器原理与信号检测技术；掌握基本的机械系统分析和信号处理方法；掌握故障分类与状态识别方法；常见机械的状态监测与故障诊断方法；诊断系统的工作原理及其实现过程。参考教材textbook[1]

钟秉林，黄仁．机器故障诊断学．北京：机械工业出版社，2000

[2]

杨叔子,吴雅,轩建平.时间序列分析的工程应用(下册)．武汉:华中科技大学出版社，2007

[3]屈梁生，

何正嘉等．机器故障诊断学．上海：上海科技出版社，1986传感器及信号测量技术

Sensorsandsignalmeasurementtechniques第一讲Lecture1振动测量vibration声测量acoutic应变和力的测量strain&force温度测量temperature流体参量的测量fluid常用测量参量physicalvariables机械量MechanicalParameters:

长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量,振动;声:

声压,噪声磁:

磁通,磁场温度:

温度,热量,比热振动测量vibrationmeasurement振动位移测量传感器位移测量电阻,接触式电容,接触式电感,非接触式电涡流,非接触式差动变压器,接触式磁电式,非接触式霍尔元件,非接触式光敏管,非接触式自感型--可变磁阻式位移传感器(a)(b)(c)(d)可变磁阻式（a）可变面积型；（b）差动型；（c）单螺管线圈型；（d）双螺管线圈差动涡流式eddy-currenttransducer原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化hV一般说来，线性区为线圈外径的1/3到1/5

EddyCurrentProximityProbeMeasuresDisplacementDynamicrange:500:1Frequencyrange:DC-10kHz(Theoretical)DC-2000Hz(Practical)AdvantageNoncontactingNomovingparts,nowearWorkstoDClimitationVariationsinmagneticpropertiesofshaftandgeometricirregularitiesofshaftLocalcalibrationnecessaryAlowdynamicrangelimitspracticalfrequencyrangeasdisplacementisrelativelysmallathighfrequencies.应用互感型--差动变压器a工作原理:互感现象.

PS1S2PS1PS2(a)三段式(b)二段式Es2Es1EpEsx-x应用特点:

耐振动,无疲劳损耗;无摩擦,无滞后;线性度好,分辨率无限制;大量程,重0.01m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小;灵敏度好,0.1-1V/mm.将被测量的量转化为电容量变化的装置.两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A电容式传感器测量电路(1)电桥型电路(2)直流极化电路(3)谐振电路(4)调频电路(5)运算放大器电路电容式位移传感器振动速度测量传感器磁电式速度传感器磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N电动式速度传感器（伏）相对式(直接接触型)惯性式(质量弹簧型)当

VelocityPickupMeasuresvelocityInducedvoltageeproportionalto:MagneticfieldB,lengthofwindingslandrelativevelocityvDynamicrange:1000:1AdvantageSelfgeneratingLowimpedanceLimitationMovingpartspronetowearLargesizeSensitivetoorientationSensitivetomagneticfieldsHighlowerlimitingfrequency(>app.10Hz)asitoperatesaboveresonanceFrictionagainstthemotionoftheMovingElementwillcausereducedoutputsignal.振动加速度测量传感器压电式加速度传感器工作原理:压电效应q=DF测量电路:

电压放大器;电荷放大器F+++串联并联当AccelerometerMeasuresaccelerationDynamicrange:108:1(160dB)AdvantageSelfgeneratingNomovingparts,nowearRuggedVerylargedynamicrangeWidefrequencyrangeCompact,oftenlowweightHighstabilityCanbemountedwithanyorientationLimitationHighimpedanceoutputNotrueDCresponse选用与安装Choosing&InstallationTransducersmustbe•correctforthetask•properlymounted•ingoodworkingorder(properlycalibrated)•fullyunderstood(characteristics)Thefollowinggraphsshowtherelationshipbetweendifferenttransducertypesintermsofresponseamplitudeandfrequency.Whileitmayappearasifthevelocitytransduceristhebestcompromise,transducersareusuallyselectedtooptimizesensitivityoveragivenfrequencyrange.Accelerometerinstallation振动位移、速度与加速度的选择与比较声监测技术Soundmonitoring故障诊断：古老而有效，但要有相当经验，受环境影响大；用听诊棒、电子听诊器可减少干扰。用于判断设备的噪声合格否。在噪声过大时，用于确定主要噪声源，加以改进。声学基础Sound

Fundamentals机械波：机械振动在媒质中的传播。声波：是一种机械波，是物体的机械振动通过弹性媒质传播的过程。声波种类：声速、声压、声场能量声级Soundisadisturbanceoftheatmospherethathumanbeingscanhear.Theoscillatingvariationsinsoundpressure(calledtheWAVEFORMofthesound)PROPAGATEintheformofaSOUNDWAVE.AcousticsFundamentals:WhatissoundWavefrontWavelengthAcousticsFundamentals:

Classification:frequencyGrowingfrequency20kHertz20HertzAudiblerange3000HzbesthearingInfrasoundGrowingWavelengthEarthquakes,heavytrafficMedicalimaging,dogwhistles.UltrasoundAcousticsFundamentals:

Classification:vibrationdirection纵波longitudinal：质点振动方向和弹性波传播方向相同；声速Soundspeed声速：C=λ/T=λf空气：C=331.5+0.61t(m/s)

标准大气压t:温度固体：

纵波：横波：

表面波：钢中纵波波速CL=5997m/s，横波波速CT=3206m/s表面波速Cs=2981m/s声压与声速、振速关系p--声压；ρ--介质密度；u--振速用有效值表示：声级SoundLevel一般人能听的声音强度范围为：10-12--

1W/m2,10-12W/m2--感阈；1W/m2：痛阈对应的声压为：0.00002--20Pa人耳感觉上的声音强度与声强或声压成对数关系。用对数表示的声强或声压称为声级：

声压级：SoundPressureLevel,简称SPL声强级：SoundIntensityLevel,简称SILAcousticsFundamentals:SoundPressureLevelThetermmostoftenusedinmeasuringthemagnitudeofsoundisSOUNDPRESSURELEVEL(SPL).Itisarelativequantityinthatitistheratiobetweentheactualsoundpressurevariationandafixedreferencepressure. SPL=10*log(p/pref)2=20log(p/pref)ThisreferencepressureisusuallythatoftheTHREASHOLDOFHEARING.AcousticsFundamentals:

ThresholdofhearingThresholdofhearingchangeswiththefrequencyofthesound.Ingeneralpractice,thevalue2e-5Pascalingasesand1e-5PascalinliquidsareusedasThresholdofhearing.Thereferencelevelcorrespondtothethresholdofhearingforharmonicsoundatf=1kHz.声压级：SoundPressureLevel声强级：SoundIntensityLevelIref=10-12W/m2Theintensitylevelofsoundismeasuredindecibels(dB).Decibelsareunitsofintensitythatarebaseduponalogarithmicscale.TheIntensityofThree-DimensionalWaves

IfweletPequaltheoriginalpowerthesoundhaswhenemittedfromthesource,theintensityperunitarea(thesurfaceareaofasphereisthedenominator)atadistancerfromthesourcewillbe:声级的合成CompositionofSL两个独立的声源A和B,在声场某点的声强分别为IA、IB，如同时发声，该点的合成声强为：IA+IB合成声级若LIA>LIB声级的合成CompositionofSLn个独立的声源,在声场某点的声压级分别为L1,L2,…,Ln如同时发声，该点的合成声压级为：LC合成声级声级的分解DecompositionofSL存在本底（背景）噪声时被测声源声级的确定设本底噪声声级为LB（设备A未开动）,合成噪声声级为LC

则设备A的声级为LA=LC-

ε噪声修正曲线噪声校正公式

LA=-10lg[1+1/(10/10-1)]=LC- 其中：校正值为，

=LC-LBLA--被测声源噪声声级，LB--

背景噪声声级，LC--合成噪声声级已知：LB=93dB,LC=100dB,求：LAΑ=100-93=7dB,由背景噪声校正表查得ε=0.93dB,LA=LC-=100-0.93=99.7dB噪声的频谱SpectrumofNoise人耳对不同频率的声音敏感程度是不同的。人耳对声音的响度感觉与频率有关，对4KHz的声音最敏感。响度级（Phon):以1KHz的纯音为基准，当某噪声与该纯音一样响时。则它的响度级就等于该纯音的声压级。响度级是主观评价量，声级是客观评价量。等响度曲线倍频程频谱分析

OctavebandAnalysis

人耳在对两个不同频率的声音作比较时，起决定作用的不是他们的差值，而是他们的比值。倍频程频谱分析：将分析频率范围划分为若干频段，每个频段的上限频率为fU，下限频率为fL，并保持它们的比值为一常数。fU/fL=2n当n=1,则称为倍频程分析：当n=1/3,则称为1/3倍频程分析。频段的中心频率（频段的名义频率）：将各频段的功率谱密度积分起来作为该频段的谱值。OctavebandOctavebandofacousticsignalWeightcurve超声波检测技术UltrasonicTestTechniquesNearlyalloftheseapplicationsarebasedontwouniquefeaturesofultrasonicwaves:Ultrasonicwavestravelslowly,about100,000timesslowerthanelectromagneticwaves.Thisprovidesawaytodisplayinformationintime,createvariabledelay,etc.Ultrasonicwavescaneasilypenetrateopaquematerials,whereasmanyothertypesofradiationsuchasvisiblelightcannot.Sinceultrasonicwavesourcesareinexpensive,sensitive,andreliable,thisprovidesahighlydesirablewaytoprobeandimagetheinteriorofopaqueobjects.DirectionalityofultrasoundwavesTransmissionspeedThetransmissionspeedofultrasoundvariesaccordingtothemediumthroughwhichittravels.ForAir

，V＝331.6＋0.6Tm/sPropagatedwaveRefractedwaveRefractedwaveReflectedwaveReflectedwaveMedium#1Medium#2ReflectionAbsorptionScatteringFrequencyPenetrationFrequencyVsPenetrationTheamplitudeXd

oftheultrasoundwaveatadistancedfromtheemissionpointX0isthemagnitudeoftheenergyatthepointofemission,fisthenominalfrequencyoftheultrasoundαistheattenuationconstantAttenuationofultrasoundwavesFrequencyVsResolutionHigherFrequencycanReflectsmallerobjectsBatandmoth

超声波有很多分类方法，按照介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系，可以分为纵波、横波、表面波及板波。

超声波的分类

⒈纵波L介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波，用L表示。在交变拉压应力的作用下，介质质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成了纵波。又被称为压缩波或疏密波。固体介质可以承受拉压应力的作用，因而可以传播纵波，液体和气体虽不能承受拉应力，但在压应力的作用下产生容积的变化，因此液体和气体介质也可以传播纵波。

⒉横波S(T)

介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波，用S或T来表示。横波分为SV波，SH波。

横波的形成是由于介质质点受到交变剪切应力作用时，产生了切变形变，所以横波又叫作切变波。液体和气体介质不能承受剪切应力，只有固体介质能够承受剪切应力，因而横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。，地震勘探中把是1.1.8。

图1.1.8

纵波的传播特征

图1.1.9

球腔激发横波示意图

纵波与横波

当超声波在固体介质中传播时，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播的波叫表面波。1885年瑞利（Raleigh）首先对这种波给予理论上的说明，因此表面波又称为瑞利波，常用R表示。超声波在介质表面以表面波的形式传播时，介质表面的质点作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向，介质质点的椭圆振动可视为纵波与横波的合成。表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。