機(jī)械故障診斷—Ch故障診斷系統(tǒng)與傳感器原理

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)械故障診斷機(jī)械故障診斷Ch故障診斷系統(tǒng)與傳感故障診斷系統(tǒng)與傳感器原理器原理第1頁(yè)/共55頁(yè)診斷文檔建立故障診斷實(shí)施 第2頁(yè)/共55頁(yè)第3頁(yè)/共55頁(yè) 第4頁(yè)/共55頁(yè)第5頁(yè)/共55頁(yè)第6頁(yè)/共55頁(yè)第7頁(yè)/共55頁(yè)第8頁(yè)/共55頁(yè)第9頁(yè)/共55頁(yè)第10頁(yè)/共55頁(yè)第11頁(yè)/共55頁(yè)第12頁(yè)/共55頁(yè)三 多微機(jī)在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)數(shù)采系統(tǒng)3傳感器設(shè)備N(xiāo)設(shè)備3數(shù)采系統(tǒng)N(1,2.)傳感器傳感器傳感器設(shè)備2設(shè)備1(1,2.)(1,2.)數(shù)采系統(tǒng)2(1,2.)數(shù)采系統(tǒng)1診Internet統(tǒng)Intranet斷系診線中心斷Internet服IntranetIntranet器及在務(wù)I

2、ntranet據(jù)數(shù)障故遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)框圖第13頁(yè)/共55頁(yè)第14頁(yè)/共55頁(yè)第15頁(yè)/共55頁(yè)第16頁(yè)/共55頁(yè) 第17頁(yè)/共55頁(yè)4石英晶體的優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)換效率高，精度高，重復(fù)性好，固有頻率高，動(dòng)態(tài)性能好，工作溫度可達(dá)550C，穩(wěn)定性好。4 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的原始材料各向同性，不具有壓電特性。以強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行極化處理后，在極化方向（z軸）上產(chǎn)生最為顯著的壓電特性，而垂直于z軸的其它各個(gè)方向上壓電特性相同，且不論在哪個(gè)方向上受力，均在垂直于z軸的表面上產(chǎn)生電荷集中。 壓電系數(shù)比石英晶體大得多，但不耐高溫，易老化，引起壓電特性減弱。第18頁(yè)/共55頁(yè)2 結(jié)構(gòu)型式 常用的

3、壓電式加速度傳感器分為壓縮式和剪切式兩種，如圖所示，壓縮式以外緣固定壓縮式圖(a)、中心固定壓縮式圖(b)、倒置中心固定壓縮式圖(c)三種結(jié)構(gòu)較為常用；剪切式以環(huán)狀剪切型圖(d)和三角剪切型圖(e)結(jié)構(gòu)較為常用。 第19頁(yè)/共55頁(yè)2 結(jié)構(gòu)型式 壓電式加速度傳感器主要由四部分組成，即由壓電元件P、慣性質(zhì)量塊M、彈簧S和附加元件B(基座、外殼等)組成。在壓電晶體片兩面鍍上銀層并在銀層上引線，壓縮式加速度計(jì)有兩個(gè)或多個(gè)壓電片P放在一個(gè)高比重合金塊M下面，并通過(guò)強(qiáng)彈簧S壓緊在一個(gè)相當(dāng)厚的金屬基座B上，構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。在一定的頻率范圍內(nèi)，壓電片所呈現(xiàn)的電荷量和加速度計(jì)所承受的加速度成正比。第20頁(yè)/

4、共55頁(yè) 剪切型加速度傳感器是指?jìng)鞲衅骱捅粶y(cè)物體一起振動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部的壓電材料受到剪切變形而呈現(xiàn)電荷。環(huán)狀剪切形的壓電材料P制成圓筒狀，并粘結(jié)在中心架上，而外圓周再粘結(jié)一個(gè)圓筒狀的質(zhì)量塊M。三角剪切形有一個(gè)三角形中心桿，桿的每一邊有壓電材料P和質(zhì)量塊M，外面再用一個(gè)預(yù)緊筒以較大的壓力將其夾緊，當(dāng)傳感器沿其中線振動(dòng)時(shí)，壓電片剪切變形而產(chǎn)生電荷。 剪切型壓電加速度傳感器可以較好地避免外界條件變化的影響，具有較高的靈敏度和共振頻率，并有利于結(jié)構(gòu)的小型化。第21頁(yè)/共55頁(yè) 3 性能指標(biāo)1 靈敏度 壓電式加速度傳感器屬于發(fā)電型傳感器，所以，可以把它看成電壓源或電荷源。因此，靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度

5、兩種表示方式。 電壓靈敏度定義為傳感器輸出電壓與所承受的加速度之比，即 Su=U/A。常用傳感器一般為0.041000mV/(m/s2)； 電荷靈敏度定義為傳感器輸出電荷與所承受的加速度之比，即Sq= Q/A，常用傳感器一般為0.1500pC/(m/s2)。第22頁(yè)/共55頁(yè) 3 性能指標(biāo)2 橫向靈敏度 對(duì)于一個(gè)理想的壓電加速度傳感器來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)傳感器沿軸向振動(dòng)時(shí)，壓電材料受變形而呈現(xiàn)電荷，才有信號(hào)輸出。而在其他方向的振動(dòng)，應(yīng)該沒(méi)有信號(hào)輸出。然而實(shí)際的傳感器并非如此，因此需要了解其橫向靈敏度。 橫向靈敏度是與加速度傳感器軸向成直角方向的振動(dòng)所輸出的電壓或電荷量。 橫向靈敏度通常用傳感器主軸方向

6、靈敏度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，并且要求盡可能地小。對(duì)于一個(gè)良好的加速度傳感器，它的最大橫向靈敏度應(yīng)小于主軸方向靈敏度的3。第23頁(yè)/共55頁(yè) 3 性能指標(biāo) 3 幅頻特性 圖示為壓電加速度傳感器的幅值靈敏Sq隨頻率變化的情況，即傳感器的幅頻特性。由圖示可知，曲線的上限受到加速度傳感器固有頻率的限制。通常傳感器僅使用頻響特性的直線部分，因此有效工作頻率上限遠(yuǎn)低于其共振頻率n。一般測(cè)量的上限頻率取傳感器固有頻率的1/3，這時(shí)測(cè)得的振動(dòng)值誤差不大于12（約1dB)。第24頁(yè)/共55頁(yè) 3 性能指標(biāo) 3 幅頻特性 對(duì)于靈敏度較高的通用型加速度傳感器，其固有頻率在30kHz左右，故測(cè)量上限頻率約為10kHz。輕小

7、型加速度傳感器的固有頻率可高達(dá)180kHz，因此頻率上限可達(dá)60kHz左右。 當(dāng)然，對(duì)于某些著重考慮重復(fù)性而對(duì)線性度要求不高的場(chǎng)合，例如振動(dòng)測(cè)量用于機(jī)器設(shè)備監(jiān)測(cè)時(shí)，所采用的頻率范圍可適當(dāng)放寬一些。第25頁(yè)/共55頁(yè) 4 傳感器的使用與安裝 一般來(lái)講，為保證測(cè)量精度，加速度傳感器的使用上限頻率應(yīng)小于傳感器的一階共振頻率的1/3。而實(shí)際使用時(shí)，傳感器的一階共振頻率取決于在被測(cè)物體上的固定方式，因此，固定方式?jīng)Q定了一階共振頻率，直接影響到測(cè)量的結(jié)果。第26頁(yè)/共55頁(yè) 4 傳感器的使用與安裝第27頁(yè)/共55頁(yè) 5 生產(chǎn)廠商 目前壓電加速度傳感器生產(chǎn)廠商較多，國(guó)外品牌以丹麥B&K公司最為著名，

8、美國(guó)PCB公司因其率先制成世界上第一支內(nèi)置ICP電路壓電加速度傳感器而迅速發(fā)展。近年來(lái)，隨著技術(shù)的引進(jìn)和科研開(kāi)發(fā)力量的投入，國(guó)產(chǎn)傳感器的質(zhì)量和穩(wěn)定性逐步提高，江蘇聯(lián)能(原揚(yáng)州無(wú)線電廠等廠家)、北京測(cè)振儀器廠的產(chǎn)品因其價(jià)格低廉、服務(wù)周到的優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域逐步替代了進(jìn)口傳感器，并出口國(guó)外。第28頁(yè)/共55頁(yè)二 磁電式速度傳感器 磁電式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器，又稱(chēng)電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。 由電工學(xué)可知，對(duì)于一個(gè)匝數(shù)為W的線圈作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者當(dāng)穿過(guò)該線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 目前使用較多的磁電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式為線圈-

9、磁鐵活動(dòng)型。它可以構(gòu)成絕對(duì)式和相對(duì)式速度傳感器。dtdWe第29頁(yè)/共55頁(yè)1 絕對(duì)式速度傳感器 CD-1型磁電式絕對(duì)速度傳感器（速度拾振器）的結(jié)構(gòu)，它的殼體與磁鋼構(gòu)成一體，并在它們之間的氣隙形成強(qiáng)磁場(chǎng)。芯軸、線圈和阻尼環(huán)構(gòu)成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊，并用兩彈簧片支持在殼體中。沿徑向彈簧片有很大的剛度，能可靠地保持線圈的徑向位置；沿軸向彈簧片的剛度很小，以保證慣性系統(tǒng)具有較低的固有頻率。第30頁(yè)/共55頁(yè) 當(dāng)速度拾振器承受沿其軸向的振動(dòng)時(shí)，包括線圈在內(nèi)的“質(zhì)量塊”與殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈在殼體和磁鋼之間的氣隙中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與相對(duì)速度成正比。如前所述，當(dāng)n時(shí)，相對(duì)速度

10、可以看成殼體的絕對(duì)速度，所以，輸出電壓實(shí)際上與殼體的絕對(duì)速度成正比。 阻尼環(huán)一方面可以增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，另一方面利用這樣的閉合銅環(huán)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一定的阻尼作用，使振動(dòng)系統(tǒng)有較大的阻尼率，以減小共振對(duì)測(cè)量精度的影響，并能擴(kuò)大速度拾振器的頻率范圍，同時(shí)有助于衰減意外引起的自由振動(dòng)和沖擊。第31頁(yè)/共55頁(yè)2 相對(duì)式速度傳感器 磁電式傳感器也常用來(lái)將兩被測(cè)物體之間的相對(duì)速度變換成電壓信號(hào)，這種相對(duì)速度拾振器的結(jié)構(gòu)如圖所示。使用時(shí)，殼體固定在一個(gè)被測(cè)件上，而頂桿壓在另一個(gè)被測(cè)件上，兩被測(cè)件之間的相對(duì)速度就被變換成線圈與殼體和磁鋼之間的相對(duì)速度，而最終在線圈中產(chǎn)生與相對(duì)速度成正比的電動(dòng)勢(shì)。 由于頂桿

11、是靠預(yù)加的彈簧力頂在被測(cè)件上的，因此拾振器正常工作時(shí)頂桿不能與被測(cè)件脫開(kāi)，這就要求預(yù)加彈簧力必須大于線圈-頂桿組件的慣性力?？紤]到慣性力與2X（為振動(dòng)角頻率；X為振幅）成正比，因此，這種拾振器能夠測(cè)量的最大振幅將隨振動(dòng)頻率的增加而急劇減小。第32頁(yè)/共55頁(yè)3 性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 磁電式速度傳感器的性能特點(diǎn)如下： (1)輸出信號(hào)與振動(dòng)速度成正比，因此較好地兼顧了高頻和低頻振動(dòng)，符合目前ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)； (2)由永久磁鐵感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，傳感器本身不需要電源，使用方便； (3)磁鋼-線圈型結(jié)構(gòu)，容易獲得高靈敏度，可測(cè)量微小振動(dòng)； (4)輸出信號(hào)大，輸出阻抗低，電氣穩(wěn)定性好，不受外

12、部噪聲干擾，有較高的信噪比，對(duì)后接電路無(wú)特殊要求。第33頁(yè)/共55頁(yè)3 由于本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所限，磁電式速度傳感器也有其相應(yīng)的缺點(diǎn)： (1)體積大，重量大，不適用于狹小空間的振動(dòng)測(cè)量和輕小型設(shè)備； (2)動(dòng)態(tài)范圍有限，低頻線性差，彈簧件容易失效； (3)對(duì)安裝角度要求較高，使用時(shí)應(yīng)注意有些型號(hào)僅適用于垂直安裝，麗有些型號(hào)只適用于水平安裝。 第34頁(yè)/共55頁(yè) 由速度傳感器輸出的電壓信號(hào)除了可以直接用于測(cè)量、顯示、記錄被測(cè)物體的振動(dòng)速度外，還可以經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換成位移振幅或經(jīng)微分轉(zhuǎn)換成加速度振幅，再經(jīng)過(guò)放大后，送至檢波指示，也可經(jīng)功率放大后送至記錄儀表。 因此速度傳感器可以固定安裝在機(jī)器上，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)其

13、振動(dòng)速度，也可以臨時(shí)安裝在機(jī)器的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上巡檢其振動(dòng)速度。第35頁(yè)/共55頁(yè)4 生產(chǎn)廠商 磁電式傳感器的生產(chǎn)廠商較多，國(guó)外產(chǎn)品以美國(guó)Bently公司和德國(guó)申克公司的產(chǎn)品在我國(guó)使用較多。北京測(cè)振儀器廠等國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品因其價(jià)格低廉、服務(wù)周到，在許多行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。第36頁(yè)/共55頁(yè)第37頁(yè)/共55頁(yè)第38頁(yè)/共55頁(yè)第39頁(yè)/共55頁(yè)第40頁(yè)/共55頁(yè)第41頁(yè)/共55頁(yè)第42頁(yè)/共55頁(yè) 第43頁(yè)/共55頁(yè)第44頁(yè)/共55頁(yè)第45頁(yè)/共55頁(yè)第46頁(yè)/共55頁(yè)第47頁(yè)/共55頁(yè)第48頁(yè)/共55頁(yè)第49頁(yè)/共55頁(yè)第50頁(yè)/共55頁(yè) 3 性能指標(biāo) 3 幅頻特性 圖示為壓電加速度傳感器的幅值

14、靈敏Sq隨頻率變化的情況，即傳感器的幅頻特性。由圖示可知，曲線的上限受到加速度傳感器固有頻率的限制。通常傳感器僅使用頻響特性的直線部分，因此有效工作頻率上限遠(yuǎn)低于其共振頻率n。一般測(cè)量的上限頻率取傳感器固有頻率的1/3，這時(shí)測(cè)得的振動(dòng)值誤差不大于12（約1dB)。第51頁(yè)/共55頁(yè) 4 傳感器的使用與安裝 一般來(lái)講，為保證測(cè)量精度，加速度傳感器的使用上限頻率應(yīng)小于傳感器的一階共振頻率的1/3。而實(shí)際使用時(shí)，傳感器的一階共振頻率取決于在被測(cè)物體上的固定方式，因此，固定方式?jīng)Q定了一階共振頻率，直接影響到測(cè)量的結(jié)果。第52頁(yè)/共55頁(yè)1 絕對(duì)式速度傳感器 CD-1型磁電式絕對(duì)速度傳感器（速度拾振器）的結(jié)構(gòu)，它的殼體與磁鋼構(gòu)成一體，并在它們之間的氣隙形成強(qiáng)磁場(chǎng)。芯軸、線圈和阻尼環(huán)構(gòu)成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊，并用兩彈簧片支持在殼體中。沿徑向彈簧片有很大的剛度，能可靠地保持線圈的徑向位置；沿軸向彈簧片的剛度很小，以保證慣性系統(tǒng)具有較低的固