机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用

机械设备故障诊疗技术

----工业传感器原理与应用北京科技大学机械工程学院阳建宏.10机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第1页设备故障诊疗技术三个阶段状态监测分析诊疗决议处理信号采集、数据显示设备传感器分析处理、状态识别故障诊疗、决议治理防治监护运行停机检修状态监测分析诊疗决议处理巡回监测机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第2页工业传感器传感器分类传感器选取标准传感器安装机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第3页工业传感器传感器定义传感器是借助检测元件将一个形式信息转换成另一个信息装置。当前，传感器转换后信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号装置。物理量电量机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第4页工业传感器传感器组成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，方便于后续仪表接入。dV机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第5页传感器分类(1)按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第6页传感器分类(1)按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩安放在机场跑道上麦克风阵列麦克风阵列机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第7页传感器分类(1)按被测物理量分类机械量：长度,厚度位移,速度,加速度旋转角,转速,质量,重量,力压力,扭矩,风速,流速,流量;声音:声压,噪声温度:温度,热量,比热光谱：亮度，色彩等离子体激光器光导纤维样品光谱仪410415420425430435440

波长(nm)发射强度机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第8页传感器分类(2)按信号变换特征分类能量转换型直接由被测对象输入能量使其工作.比如:热电偶温度计.能量控制型从外部供给能量，并由被测量控制外部供给能量改变.比如:电阻应变片、ICP型加速度传感器按信号输出方式分类模拟型传感器数字型传感器机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第9页传感器分类(3)按敏感元件与被测对象关系分类物性型依靠敏感元件材料本身物理性质改变来实现信号变换.如:水银温度计.结构型依靠传感器结构参数改变实现信号转变.比如:电容式和电感式传感器听筒工作原理图机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第10页工业传感器—振动监测

位移是质量块在运动过程中离开平衡位置距离振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢度量振动加速度是振动速度改变率机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第11页工业传感器—振动相位机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第12页振动位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration)

工业传感器振动位移、速度、加速度之间关系

位移、速度、加速度都是同频率简谐波。三者幅值对应为A、A、A

2。相位关系：加速度领先速度90º;速度领先位移90º。机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第13页工业传感器位移/速度/加速度和转速关系位移转速速度转速加速度位移：相同能量值情况下，转速越高，故障越严重速度：相同能量值情况下，不受转速影响加速度：相同能量值情况下，转速越低，故障越严重机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第14页工业传感器选择不一样监测量标准是什么？机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第15页工业传感器传感器分类传感器选取标准传感器安装机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第16页工业传感器传感器静态特征传感器动态特征机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第17页传感器静态特征静态测量：假如测量时，测试装置输入、输出信号不随时间而改变。静态响应特征：静态测量时，测试装置表现出响应特征，主要指标：灵敏度非线性度回程误差测量范围稳定性可靠性机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第18页传感器静态特征灵敏度当测试装置输入x有一增量△x,引发输出y发生对应改变△y时,定义:S=△y/△xyx△x△y机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第19页传感器静态特征非线性度实际曲线与拟合直线偏离程度就是非线性度。非线性度=B/A×100%yxB实际拟合A机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第20页传感器静态特征回程误差在输入量由小增大和由大减小测试过程中，测量得到两条输出曲线之间差值最大地方则为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxA机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第21页传感器静态特征精度用于评价测试装置产生测量误差大小分辨力指能引发输出量发生改变时输入量最小改变量，表明测试装置分辨输入量微小改变能力测量范围指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间范围。机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第22页工业传感器传感器静态特征灵敏度精度非线性度回程误差分辩力测量范围x△x△yxBAyxhmaxAyy机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第23页工业传感器传感器静态特征传感器动态特征机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第24页传感器动态特征频率响应特征：频率响应经过输入信号与测量所得信号之间关系对于一个已知包含全部频率输入信号，在理想情况下，其曲线应该是平直实际上存在一个低频限制，在某个频率范围内响应曲线为平滑曲线，而在高频区域，响应线会出现下滑机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第25页传感器动态特征频率响应特征假如分析数据频率不在“线性区域”内，就可能会碰到一些不该出现重复性、准确度和相位漂移方面问题备注：测量冲击脉冲、尖峰能量、HFD、SPM、SEE和频谱解调时应使用在传感器线性范围外高频数据机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第26页传感器选取标准选取标准依据测量对象与测量环境确定传感器类型

传感器量程：测量范围传感器体积：被测位置对传感器体积要求测量方式：接触式、非接触式信号引出方式：有线、无线传感器起源：国产、进口

工业传感器机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第27页传感器选取标准灵敏度从一定角度上说，灵敏度越高越好但灵敏度越高，也轻易引入噪声

工业传感器(a)线性系统灵敏度(b)非线性系统灵敏度机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第28页传感器选取标准精度输出与被测物理量对应程度准确度并不是越高越好——考虑到经济性例：超精亲密削机床运动部件定位准确度、主轴振动等线性范围

输出与输入成正比范围传感器线性范围越宽，其量程越大传感器在线性区内工作，是确保测量精度基本条件稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变能力变间隙型电容式传感器，在环境湿度较大场所工作或油剂浸入间隙时，会改变电容器介质。磁电式传感器在磁场中工作时，会带来测量误差在温度改变大场所使用应变式传感器，应考虑温度赔偿机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第29页传感器选取标准动态响应特征实际传感器响应总有一定拖延，要依据被测物理量改变特点加以选择(稳态、瞬变、随机)光电效应、压电效应等物性型传感器、响应较快，工作频率范围宽电感、电容、磁电式等结构型传感器，受机械系统惯性限制，固有频率低，可工作频率低

工业传感器机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第30页工业传感器传感器分类传感器选取标准传感器安装量程体积测量方式信号引出方式灵敏度精度线性范围动态响应性机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第31页传感器安装概述正确安装传感器，对于获取正确测量结果是非常主要永久式传感器安装便携式传感器安装振动传感器安装注意事项选择安装位置必须能够确保使用数据采集器时工作安全在振源和传感器之间必须要有一个良好机械传输路径，传感器安装时应选择振源和传感器间最短路径确保没有将传感器安装到本身会受到机器振动激励部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等不宜放置传感器部件

工业传感器机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第32页传感器安装位置选择1234检测轴承振动，传感器安装在什么位置适当？测量径向振动，在承载区最适当测量轴向振动，路径最短最适当××？机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第33页传感器安装怎样正确安装传感器传感器必须直接与机器表面相接触，传感器与设备连接越可靠，测量结果越准确机器表面必须保持光滑和平坦，不能有油漆、铁锈或粗砂，不然会严重影响传感器频率响应常规便携式安装时，传感器被暂时安装在设备表面；进行连续监控时，传感器则是永久式安装安装方式螺栓连接焊接磁座粘接

工业传感器机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第34页怎样正确安装传感器暂时安装所使用方法应含有良好可重复性振动探针磁铁快速连接装置振动探针安装仅用于难以靠近测点和铝制表面，不能测量低于10HZ振动，共振频率范围800-1500HZ工业传感器

传感器安装机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第35页怎样正确安装传感器磁铁固定能够在有微小曲面机器表面安装机器表面和磁性必须保持清洁和良好维护，全部沙粒、金属颗粒、毛刺都必须去除黄油、蜂蜡等耦合剂经常与有平坦底部磁体一起使用注意磁铁安装座含有很强磁性，当把它安装到机器上时，应先放在设备边缘上然后慢慢移动到目标位置，不然因为巨大磁性冲击力作用可能会造成传感器损坏分类两极磁铁：用于不规则表面或曲面平面磁铁：用于平坦表面工业传感器

传感器安装机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第36页怎样正确安装传感器永久螺栓固定经过在设备外壳上钻螺纹孔，用双头螺栓与设备直接连接，能取得最高频率范围能够用环氧树脂粘合垫子来代替钻孔，将传感器安装到垫子上，假如安装合理话，也能到达靠近双头螺栓安装效果工业传感器

传感器安装双头螺栓固定粘合垫子机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第37页怎样正确安装传感器安装方式当前最好安装方式采取双头螺栓直接将传感器与机器表面连接起来，其它安装方式会引入安装共振。工业传感器

传感器安装机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第38页测量系统准备传感器类型选择传感器安装位置选择传感器安装方式选择测量系统抗干扰设计机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第39页测量系统抗干扰设计测量过程中，除待测量信号外，各种不可见、随机信号可能出现在测量系统中，这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。测量系统电磁干扰信道干扰电源干扰机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第40页测量系统抗干扰设计电磁干扰干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统良好屏蔽及正确接地可去除大部分电磁波干扰信道干扰测量电路中信号多用电缆进行传输。当电缆抖动、弯折时，若在介质中产生机械力，就会引发压电效应干扰选取铠装电缆，在绝缘层两侧涂有石墨，去除感应电荷电源干扰这是因为供电电源波动对测量电路引发干扰使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动影响机械设备故障诊断技术之工业传感器原理及应用第41页测量系统抗干扰设计屏蔽一个是采取双绞线，其中一根用做作屏蔽，另一根用做信号传输线。另一个是采取金