1、機械故障診斷學機械故障診斷學機械設備故障診斷與醫(yī)學診斷有許多相似之處，機械設備出現(xiàn)故障（隱患）時，會反映出各種征兆，諸如振動、溫度、壓力等信號的變化。但不是所有信號對任何故障隱患都很敏感，如對齒輪箱來說，若是軸承出現(xiàn)破損，振動信號的變化要比溫度信號敏感；若是潤滑不足，則溫度信號就比振動信號敏感。這就是說設備在不同的運行狀態(tài)下（故障也是一類運行狀態(tài)），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的獲取，不僅與所特征信息的獲取，不僅與所選擇的信號內容有關，而且與傳感器的類型、選擇的信號內容有關，而且與傳感器的類型、傳感器的精度和測點位置有關。傳感器的精度和測點位置有關。l 概述l 振動信號檢測l 計算機

2、輔助信號采集系統(tǒng)l 信號預處理特征分析與提取是故障診斷基礎特征分析與提取是故障診斷基礎第2章 特征信號檢測 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上信號信號是反映設備運行狀態(tài)的信息載體特征信號選擇原則 能敏感地反應工況狀態(tài)變化 能實時采集對傳感器類型的選擇要求 能反映物理特征 易于安裝中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 傳感器是人類器官的延伸l 傳感器的選擇 分類 位移、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 機械式、電氣式、光學式、流體式等。 物性型、結構型能量轉換型(無源型、 發(fā)電型或主動傳感器)、能量控制型( 有源型、能量調節(jié)型或被動傳感器)模擬式、數(shù)字式中南大學 機電工程學院

3、李群明 2015年上f (t) mkcy0(t)y1(t)單自由度系統(tǒng)在基礎受力所產生的受迫振動 )()()()()(1100202tkytydtdctkytydtdctdtydm21201012012)()()()(tdtydmtkydttdyctdtydm)()()(1001tytyty令l 振動信號檢測:最常見l動態(tài)測量:位移、速度、加速度、頻率、相位l靜態(tài)測量：固有頻率、阻尼、剛度、響應、模態(tài)中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上2222/2/1)/()(nnnA 2/1/2arctgnnmkn/ckm2固有頻率：阻尼比：以y1(t)作為輸入： 中南大學 機電工程學院 李群明 2

4、015年上位移輸入：幅-頻曲線中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上00.511.522.53020406080100120140160180n/01. 00.10.20.50.710位移輸入：相-頻曲線中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上當n時，A()接近于1，表明質塊相對基礎的運動與基礎的運動近乎相等，即質塊在慣性座標中幾乎處于靜止狀態(tài)。上述原理是研究振動測試的基礎。 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上以 作為輸入： )(1ty 2222/2/1)/1 ()(nnnA 2/1/2arctgnn中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上00.511.522.5300

5、.511.522.533.544.55nA()加速度輸入：幅-頻曲線01. 00.10.20.50.71中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器 LwA202w ： 線圈匝數(shù) ：空氣的磁導率 0中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上傳感器的自感量L與距離關系 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.911.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.600.0250.050.0750.10.1250.150.1750.20.2250.25, mmL中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上殼體羅紋六角螺母探頭同軸電纜傳感器

6、本體中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 磁電式速度傳感器：當穿過某一線圈的磁電式速度傳感器：當穿過某一線圈的磁通發(fā)生變化時，會產生感應電動勢，其磁通發(fā)生變化時，會產生感應電動勢，其電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比電動勢的輸出與線圈的運動速度成正比 e=WBlvsin e=kWBA中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上圖 電磁式絕對速度計1彈簧 2殼體 3阻尼環(huán) 4磁鋼 5線圈 6芯軸中南大學 機電工程學

7、院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 金屬膜FF壓電晶片中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上等效電荷源等效電壓源CaRaqCaRaua壓電器件相當于具有一定電容的電荷源：ACa0aaCqu 電容兩極板間開路電壓為：中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上若考慮負載（測量電路），等效電路如下：電荷源等效電路CaRaqCcRiCi電壓源等效電路CaRauaCcRiCiicaaCCCqCqu假設一恒定力F作用于壓電器件，產生電量q，

8、則輸出電壓：中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上CaRa電壓放大電路uaCcRiCi-Auiuo高通濾波其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 1)()(sRCsRCsUsUaai中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上電荷放大器是一個高增益帶電容負反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。 電荷放大電路CaRaqCcRi-AuiuoCfCi中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上電荷放大等效電壓放大電路CaRaqCcRiCi-Auiuo(1+A)Cf1)()(sRCsRCsUsUaai其中，R = Ra/Ri C = Ca + Cc + Ci +

9、 (1+A)Cf (1+A)Cf 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上ICP Sensor System中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上壓電式加速度傳感器中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上ICPCHARGEMODE(Ranged for500 mV/gSensitivity) 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上鋼螺栓a)鋼螺栓c)絕緣螺栓b)云母墊圈 薄蠟層探針d )e)粘接劑 粘接螺栓f )粘接劑g )磁 鐵中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上中南大學 機電

10、工程學院 李群明 2015年上各種振動傳感器的測量范圍 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上電機千分尺刻度盤傾斜金屬板渦流位移傳感器渦流位移傳感器的校準儀 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上要求: 靈敏度高 動態(tài)特性良好 噪聲小 滯后、漂移誤差小 功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性 防水及抗腐蝕 結構簡單、成本低中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上l 計算機輔助信號采集系統(tǒng)被測被測對象對象傳傳感感器器信號信號調理調理多路多路模擬模擬開關開關采樣采樣保持保持A/D計計算算機機總總線線D/A低通低通濾波濾波激勵激勵裝置裝置功率功率放大放大CPUROMRAM鍵盤顯示顯示控制邏輯控制

11、邏輯中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上工業(yè)控制計算機PC 總線多通道同步采集A/D卡AC/DC分離通道選擇模擬信號隔離采樣控制轉速測量振動信號采集模塊溫度、壓力等非振動信號輸入開關量輸入非振動信號采集模塊開關量 采集模塊. 振動信號輸入AC/DC選擇透平壓縮機組信號透平壓縮機組信號采集裝置示意圖采集裝置示意圖 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 信號調理信號調理 1、交、直流分離 2、信號濾波 3、信號放大 4、信號積分中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 A/D A/D轉換轉換 012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

12、2468101214x( t )x ( t )xt時間 t= kD,D, sD中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上x(t)01234tABCTs混疊現(xiàn)象中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上q 采樣定理 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上若原始信號是帶限信號， 則采樣后信號不發(fā)生混采樣后信號不發(fā)生混疊的條件為：疊的條件為：fs 2fh（如下圖）。其中fh為信號中的最高頻率。此即為采樣定理采樣定理。 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上q 消除混疊的措施v 提高采樣頻率。但提高采樣頻率將導致在 同樣信號長度下，采樣點數(shù)隨之提高，增 加計算負擔。v 應用抗混濾波器降

13、低信號中的最高頻率。 從理論上講，由于抗混濾波器的非理想特 性，信號中高頻分量不可能完全衰減，因 此不可能徹底消除混疊。中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理 及其存在問題及其存在問題 時域采樣： 時域離散化截斷： 時間有限化 頻域采樣： 頻域離散化結果：結果：時、頻域周期化時、頻域周期化中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上q 截斷、泄漏和窗函數(shù) x(t) w(t)0tTX(f)*W(f)-f0f00fX(f)-f0f00fW(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tTx(t)0t截斷的正弦信號頻譜中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上q 減小

14、泄漏的措施 提高截斷信號長度，即提高矩形窗寬度，此 時 sinc函數(shù)主瓣變窄，旁瓣向主瓣密集，由 于旁瓣衰減較快，故可減小泄漏，但顯然采 樣點數(shù)隨之提高，增加計算負擔。 采用其它窗函數(shù)。一個好的窗函數(shù)應當：主 瓣盡可能窄（提高頻率分辨力）、旁瓣相對 于主瓣盡可能小，且衰減快（減小泄漏）。 中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上W(f )1T1T3T3T2T2Tfw(t)0tT/2T/2矩形窗 w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf三角窗中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上w(t)10T/2T/2tW(f)T/22T02Tf漢寧窗（余弦窗）-18dB/oct-32dB4/T漢寧窗-12dB/oct-26dB4/T三角形窗-6dB/oct-13dB2/T矩形窗旁瓣衰減速度最大旁瓣幅度主瓣寬度窗函數(shù)類型中南大學 機電工程學院 李群明 2015年上x(t) w(t)0tX(f)*W(f)-f0f00TT-Ts2(t)0S2(f)0ffX(f)*W(f)S2(f)x(t) w(t)*s2(t)T頻域采樣-f0f00fq 頻域采樣q柵欄效應：相當于透過柵欄觀賞風景,只能看到頻譜的一部分,而其它頻率點看不見,因此很可能使一部分有用的頻率成分被漏掉頻率細化中南大學 機電工程學院 李群明