1、机械故障诊断Ch3 故障诊断系统与传感器原理机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程 机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程诊断文档建立故障诊断实施 机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程 机械故障诊断3-1 故障诊断系统的作用与实施过程机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故
2、障诊断系统的类型及组成机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成三 多微机在线监测与诊断系统简介1 结构特点数采系统3传感器设备N设备3数采系统N(1,2.)传感器传感器传感器设备2设备1(1,2.)(1,2.)数采系统2(1,2.)数采系统1诊Internet统Intranet断系诊线中心断Internet服IntranetIntranet器及在务Intranet据数障故远程远程设备状态监测与故障诊断系统框图机械故障诊断3-2 故障诊断系统的类型及组成机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 机械故
3、障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器4石英晶体的优点 转换效率高，精度高，重复性好，固有频率高，动态性能好，工作温度可达550C，稳定性好。4 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的原始材料各向同性，不具有压电特性。以强电场对其进行极化处理后，在极化方向（z轴）上产生最为显著的压电特性，而垂直于z轴的其它各个方向上压电特性相同，且不论在哪个方向上受力，均在垂直于z轴的表面上产生电荷集中。压电系数比石英晶体大得多，但不耐高温，易老化，引起压电特性减弱。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器2 结构型式 常用的压电式加速度传感器分为压缩式和剪切式两种，如图所示，压缩式以外缘固定压缩式图(a)、中心固
4、定压缩式图(b)、倒置中心固定压缩式图(c)三种结构较为常用；剪切式以环状剪切型图(d)和三角剪切型图(e)结构较为常用。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器2 结构型式 压电式加速度传感器主要由四部分组成，即由压电元件P、惯性质量块M、弹簧S和附加元件B(基座、外壳等)组成。在压电晶体片两面镀上银层并在银层上引线，压缩式加速度计有两个或多个压电片P放在一个高比重合金块M下面，并通过强弹簧S压紧在一个相当厚的金属基座B上，构成一个振动系统。在一定的频率范围内，压电片所呈现的电荷量和加速度计所承受的加速度成正比。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 剪切型加速度传感器是指传感器和
5、被测物体一起振动时，其内部的压电材料受到剪切变形而呈现电荷。环状剪切形的压电材料P制成圆筒状，并粘结在中心架上，而外圆周再粘结一个圆筒状的质量块M。三角剪切形有一个三角形中心杆，杆的每一边有压电材料P和质量块M，外面再用一个预紧筒以较大的压力将其夹紧，当传感器沿其中线振动时，压电片剪切变形而产生电荷。剪切型压电加速度传感器可以较好地避免外界条件变化的影响，具有较高的灵敏度和共振频率，并有利于结构的小型化。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 3 性能指标1 灵敏度 压电式加速度传感器属于发电型传感器，所以，可以把它看成电压源或电荷源。因此，灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方式。电
6、压灵敏度定义为传感器输出电压与所承受的加速度之比，即 Su=U/A。常用传感器一般为0.041000mV/(m/s2)；电荷灵敏度定义为传感器输出电荷与所承受的加速度之比，即Sq=Q/A，常用传感器一般为0.1500pC/(m/s2)。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 3 性能指标2 横向灵敏度 对于一个理想的压电加速度传感器来说，只有当传感器沿轴向振动时，压电材料受变形而呈现电荷，才有信号输出。而在其他方向的振动，应该没有信号输出。然而实际的传感器并非如此，因此需要了解其横向灵敏度。横向灵敏度是与加速度传感器轴向成直角方向的振动所输出的电压或电荷量。横向灵敏度通常用传感器主轴方向
7、灵敏度的百分数来表示，并且要求尽可能地小。对于一个良好的加速度传感器，它的最大横向灵敏度应小于主轴方向灵敏度的3。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 3 性能指标 3 幅频特性 图示为压电加速度传感器的幅值灵敏Sq随频率变化的情况，即传感器的幅频特性。由图示可知，曲线的上限受到加速度传感器固有频率的限制。通常传感器仅使用频响特性的直线部分，因此有效工作频率上限远低于其共振频率n。一般测量的上限频率取传感器固有频率的1/3，这时测得的振动值误差不大于12（约1dB)。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 3 性能指标 3 幅频特性 对于灵敏度较高的通用型加速度传感器，其固有频率
8、在30kHz左右，故测量上限频率约为10kHz。轻小型加速度传感器的固有频率可高达180kHz，因此频率上限可达60kHz左右。当然，对于某些着重考虑重复性而对线性度要求不高的场合，例如振动测量用于机器设备监测时，所采用的频率范围可适当放宽一些。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 4 传感器的使用与安装 一般来讲，为保证测量精度，加速度传感器的使用上限频率应小于传感器的一阶共振频率的1/3。而实际使用时，传感器的一阶共振频率取决于在被测物体上的固定方式，因此，固定方式决定了一阶共振频率，直接影响到测量的结果。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 4 传感器的使用与安装机械故障
9、诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 5 生产厂商 目前压电加速度传感器生产厂商较多，国外品牌以丹麦B&K公司最为著名，美国PCB公司因其率先制成世界上第一支内置ICP电路压电加速度传感器而迅速发展。近年来，随着技术的引进和科研开发力量的投入，国产传感器的质量和稳定性逐步提高，江苏联能(原扬州无线电厂等厂家)、北京测振仪器厂的产品因其价格低廉、服务周到的优势，在许多领域逐步替代了进口传感器，并出口国外。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器二 磁电式速度传感器 磁电式传感器是基于电磁感应原理，把被测物理量转换成感应电动势输出的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。由电工学可知，对于
10、一个匝数为W的线圈作切割磁力线运动时，或者当穿过该线圈的磁通发生变化时，线圈中产生的感应电动势 目前使用较多的磁电式速度传感器的结构形式为线圈-磁铁活动型。它可以构成绝对式和相对式速度传感器。dtdWe机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器1 绝对式速度传感器 CD-1型磁电式绝对速度传感器（速度拾振器）的结构，它的壳体与磁钢构成一体，并在它们之间的气隙形成强磁场。芯轴、线圈和阻尼环构成惯性系统的质量块，并用两弹簧片支持在壳体中。沿径向弹簧片有很大的刚度，能可靠地保持线圈的径向位置；沿轴向弹簧片的刚度很小，以保证惯性系统具有较低的固有频率。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 当
11、速度拾振器承受沿其轴向的振动时，包括线圈在内的“质量块”与壳体发生相对运动，线圈在壳体和磁钢之间的气隙中切割磁力线，产生感应电动势e，感应电动势e的大小与相对速度成正比。如前所述，当n时，相对速度可以看成壳体的绝对速度，所以，输出电压实际上与壳体的绝对速度成正比。阻尼环一方面可以增加质量块的质量，另一方面利用这样的闭合铜环在磁场中运动将产生一定的阻尼作用，使振动系统有较大的阻尼率，以减小共振对测量精度的影响，并能扩大速度拾振器的频率范围，同时有助于衰减意外引起的自由振动和冲击。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器2 相对式速度传感器 磁电式传感器也常用来将两被测物体之间的相对速度变换成
12、电压信号，这种相对速度拾振器的结构如图所示。使用时，壳体固定在一个被测件上，而顶杆压在另一个被测件上，两被测件之间的相对速度就被变换成线圈与壳体和磁钢之间的相对速度，而最终在线圈中产生与相对速度成正比的电动势。由于顶杆是靠预加的弹簧力顶在被测件上的，因此拾振器正常工作时顶杆不能与被测件脱开，这就要求预加弹簧力必须大于线圈-顶杆组件的惯性力。考虑到惯性力与2X（为振动角频率；X为振幅）成正比，因此，这种拾振器能够测量的最大振幅将随振动频率的增加而急剧减小。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器3 性能特点及应用领域 磁电式速度传感器的性能特点如下：(1)输出信号与振动速度成正比，因此较好地
13、兼顾了高频和低频振动，符合目前ISO标准对旋转机械的振动评判标准；(2)由永久磁铁感应出电动势，传感器本身不需要电源，使用方便；(3)磁钢-线圈型结构，容易获得高灵敏度，可测量微小振动；(4)输出信号大，输出阻抗低，电气稳定性好，不受外部噪声干扰，有较高的信噪比，对后接电路无特殊要求。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器3 由于本身结构特点所限，磁电式速度传感器也有其相应的缺点：(1)体积大，重量大，不适用于狭小空间的振动测量和轻小型设备；(2)动态范围有限，低频线性差，弹簧件容易失效；(3)对安装角度要求较高，使用时应注意有些型号仅适用于垂直安装，丽有些型号只适用于水平安装。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器 由速度传感器输出的电压信号除了可以直接用于测量、显示、记录被测物体的振动速度外，还可以经积分电路转换成位移振幅或经微分转换成加速度振幅，再经过放大后，送至检波指示，也可经功率放大后送至记录仪表。因此速度传感器可以固定安装在机器上，长期监测其振动速度，也可以临时安装在机器的相应测点上巡检其振动速度。机械故障诊断 3-3故障诊断系统的常用传感器4 生产厂商 磁电式传感器的生产厂商较多，国外产品以美国Bently公司和德国申克公司的产品在我国使用较多。北京测振仪器厂等国内生产厂家的产品因其价格低廉、服务周到，在许多行业也得到了广泛应用。
