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1、机械设备故障诊断技术 -工业传感器原理与应用,北京科技大学 机械工程学院黎 敏 阳建宏2018/10/20,设备故障诊断技术,三个阶段 状态监测 分析诊断 决策处理,信号采集、数据显示,设 备,传感器,分析处理、状态识别,故障诊断、决策,治 理 防 治,监护运行,停机检修,状态监测,分析诊断,决策处理,巡回监测,工业传感器,传感器的分类 传感器的选用原则 传感器的安装,工业传感器,传感器的定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,工业传感器,传感器的构成 传感器由敏感
2、器件与辅助器件组成。 敏感器件的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的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,传感器的分类(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,传感器的分类(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,传感器的分类(1),按被测物理量分类 机械量：
3、 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,传感器的分类(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.例如: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的变化.例如:电阻应变片、ICP型加速度传感器按信号的输出方式分类 模拟型传感器 数字型传感器,传感器的分类(3),按敏感元件与被测对象的关系分类 物性型 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电
4、感式传感器,听筒的工作原理图,工业传感器,传感器的分类 传感器的选用原则 传感器的安装,工业传感器,传感器的静态特性 传感器的动态特性,传感器的静态特性,静态测量：如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化。 静态响应特性：静态测量时，测试装置表现出的响应特性，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,传感器的静态特性,灵敏度 当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y时,定义: S=y/x,传感器的静态特性,非线性度 实际曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100%,y,x,B,实际的,拟合的,A,传感器的静态特性,回程误差 在
5、输入量由小增大和由大减小的测试过程中，测量得到的两条输出曲线之间差值最大的地方则为hmax，则定义回程误差为: (hmax/A)100%,y,x,hmax,A,传感器的静态特性,精度 用于评价测试装置产生的测量误差大小分辨力 指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力测量范围 指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。,工业传感器,传感器的静态特性,灵 敏 度 精 度 非线性度 回程误差 分 辩 力 测量范围,x,x,y,y,x,hmax,A,y,y,x y,y y*,工业传感器,传感器的静态特性 传感器的动态特性,传感器的动态特性,频率响应特
6、性： 频率响应通过输入信号与测量所得信号之间的关系,对于一个已知的包含所有频率的输入信号，在理想情况下，其曲线应该是平直的,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,传感器的动态特性,频率响应特性 如果分析数据的频率不在“线性区域”内，就可能会遇到一些不该出现的重复性、精确度和相位漂移方面的问题备注：测量冲击脉冲（SPM）、共振解调等方法时，应使用在传感器线性范围外的高频数据,传感器的选用原则,选用原则 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 传感器的量程：测量范围 传感器的体积：被测位置对传感器体积的要求 测 量 方 式：接触式、非接触式 工
7、 作 温 度：常温、高温 电源供电方式：有源、无源 信号引出方式：有线、无线 传感器的来源：国产、进口（价格因素）,工业传感器,灵 敏 度 精 度 非线性度 回程误差 分 辩 力 测量范围(线性范围) 体积 测量方式 信号引出方式,工业传感器,传感器的分类 传感器的选用原则 传感器的安装,传感器选择与状态监测的关系,不同监测方法在设备状态劣化过程中的灵敏度,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的距离振动速度是质量块在振荡过程中运动快慢的度量振动加速度是振动速度的变化率,振动位移 (Displacement)速度 (Velocity)加速度 (Acceleration),工业
8、传感器,振动位移、速度、加速度之间的关系,位移、速度、加速度都是同频率的简谐波。 三者的幅值相应为A、A、A 2。 相位关系：加速度领先速度90; 速度领先位移90。,工业传感器,位移/速度/加速度和转速的关系,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，不受转速的影响 加速度：相同能量值情况下，转速越低，故障越严重,工业传感器,选择不同监测量的标准是什么？,工业传感器振动相位,压电式加速度传感器,振动加速度的测量,传感器,电信号,非电量,压电式加速度传感器,加速度a,电荷Q、电压V，电流I,压电加速度传感器原理,压电效应 某些电介
9、质在沿一定方向上受到外力的作用而变形 内部会产生极化现象，在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 外力去掉后，会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。 压电材料 石英晶体、压电陶瓷,压电加速度传感器原理,石英晶体,Z轴：光轴，光线沿z轴通过晶体，不产生折射，沿z轴方向作用力，不产生压电效应 X轴：电轴， Y轴：机械轴，力轴,光轴,电轴,机械轴,压电加速度传感器原理,石英晶体的压电效应,压电加速度传感器原理,石英晶体的压电效应机理,在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。 1正电荷等效中心， 2负电荷等效中心。,压电加速度传
10、感器原理,石英晶体压电效应的机理,当晶体的机械轴方向受到压力时，产生晶格变形 O2-的负电荷中心上移， 在上表面产生负电荷， Si+的正电荷中心下移，在下表面产生正电荷。,1正电荷等效中心， 2负电荷等效中心。,压电加速度传感器原理,石英晶体压电效应的机理,1正电荷等效中心， 2负电荷等效中心。,当晶体的电轴方向受到压力时，也会产生晶格变形， Si+的正电荷中心上移，上表面产生正电荷 O2-的负电荷中心下移，下表面产生负电荷。,压电加速度传感器原理,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器：以压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。,传感器结构图 1基座 2引出电极 3压电晶片 4质量块 5
11、弹簧 6壳体 7固定螺孔,设计和使用的注意事项,压电加速度传感器的结构,+ + + + + +,+ + + + + +,- - - - - - -,- - - - - - -,预紧力可以增大刚度，提高动态响应范围,温度的变化会对测量带来影响,基座的变形会对测量带来影响,设计和使用的注意事项,压电加速度传感器的结构,+ + + + + + +,- - - - - - - -,无预紧力，动态响应范围低,环境温度变化主要以幅射方式使晶体产生热变形，变形方向与测量方向垂直,基座的变形在支点附近被有效地抵消了,设计和使用的注意事项,压电加速度传感器的结构,+ + + + +,- - - - -,+ +
12、+ + +,- - - - -,温度瞬变过程导致的变形方向与测量方向垂直,基座的变形被支柱有效地吸收,设计和使用的注意事项,如何提高传感器的灵敏度,F=Ma 从原理图可以看出，增加压力就可以增大晶体的电荷量。要增大压力，可以通过增加质量块的质量来实现。,增大质量块 加大质量块密度,设计和使用的注意事项,如何提高传感器的灵敏度,压电片并联两片压电片并联在一起可以增大输出电荷,提高灵敏度。,Q/ =2Q,压电片串联两片压电片串联在一起可以增大输出电压,总电荷量不变。,Q/ =Q,U/ =2U,注：并联连接：适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。 串联连接：适用于要求以电压为输出的场合。,设计和使
13、用的注意事项,压电式加速度传感器的测量 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质 若要减少电荷泄露，测量电路需要有很高的输入阻抗 压电式传感器适用于静态测量或准静态测量吗？,传感器的安装,概述 正确安装传感器，对于获取正确的测量结果是非常重要的 永久式传感器的安装 便携式传感器的安装振动传感器安装注意事项 选择的安装位置必须能够保证使用数据采集器时的工作安全在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，传感器安装时应选择振源和传感器间的最短路径确保没有将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如
14、：风扇罩、联轴器防护盖等不宜放置传感器的部件,工业传感器,传感器安装位置的选择,1,2,3,4,检测轴承的振动，传感器安装在什么位置合适？,测量径向振动，在承载区最合适,测量轴向振动，路径最短最合适,？,传感器的安装,如何正确安装传感器 传感器必须直接与机器的表面相接触，传感器与设备的连接越可靠，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，否则会严重影响传感器的频率响应常规的便携式安装时，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,如何正确安装传感器,暂时安装 所使用的方法应具有良好的可重复性 振动探针
15、 磁铁 快速连接装置 振动探针安装 仅用于难以接近的测点和铝制表面，不能测量低于10HZ的振动，共振频率范围800-1500HZ,工业传感器 传感器的安装,如何正确安装传感器,磁铁固定 可以在有微小曲面的机器表面安装机器表面和磁性必须保持清洁和良好的维护，所有沙粒、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的磁体一起使用注意 磁铁安装座具有很强的磁性，当把它安装到机器上时，应先放在设备的边缘上然后慢慢移动到目标位置，否则由于巨大的磁性冲击力作用可能会导致传感器的损坏 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 传感器的安装,？,如何正确安装传感器,永久螺栓固定 通过在设备外壳上钻螺纹孔，用双头螺栓与设备直接连接，能获得最高的频率范围可以用环氧树脂粘合垫子来代替钻孔，将传感器安装到垫子上，如果安装合理的话，也能达到接近双头螺栓安装的效果,
