4-故障检测技术复习进程.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,设备状态监测,与故障诊断精品课程,故障探测技术,4 故障检测技术,第3章故障检测技术,一、故障检测传感器,二、中间变换器,三、噪声监测技术,四、温度监测技术,五、振动测试仪器与仪表,本章教学目标：,1、掌握几种常见传感器原理及应用；,2、熟悉监测技术在各种领域的应用；,3、对中间变换器有一定的深入认识。,传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。,一、故障检测传感器,1、传感器的组成,敏感元件,传感元件,测量电路,辅助电源,被测非电量,电量,直接感受被测量，并输出与它成确定关系的其他量的元件,又称变换器，一般不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换成电量输出的元件。,图是一种气体压力传感器示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转化电路5。这里膜盒就是敏感元件,其外部与大气压,pa,相通,内部感受被测压力,p,当,p,变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。5即为转换电路。,4.常见传感器介绍（1）压电式传感器,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。1）压电效应与压电材料,某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为,压电效应,。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫,压电材料,。,2）压电式加速度传感器,结构,核心：压电晶体材料,压电式传感器受到振动时，内部质量块的惯性力作用在压电晶体上，F=m，质量一定，惯性力与加速度成正比。,利用某些晶体材料（如压电陶瓷锆钛酸铅等）的压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器,石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等当受到外力作用后，不仅几何尺寸发生变化，其内部还产生极化，表面出现电荷，形成电场，当外力失去后，又恢复原状。这种现象叫做,压电效应,如将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会变化。这种由外电场的作用而导致物质变形现象称为逆压电效应，或称之为,电致伸缩效应,。,（2）电阻式传感器,1）金属电阻应变片工作原理电阻应变效应。,电阻应变效应导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象称为电阻应变效应。,金属：R=L/A,受力，L、A、发生变化,2）半导体应变片,（1）半导体应变片的工作原理半导体材料的压阻效应，即是半导体材料，当某一轴受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,（2）相对金属丝来说，半导体材料的电阻系数很大，故而半导体应变片的灵敏度系数比金属应变片约高5070倍。,半导体：受力，内部变化,待插图4-10,传感器与试件紧固在一起，当传感器随着试件沿加速度,方向运动时，惯性质量块1感受加速度后产生惯性力，使,得弹性梁上下弯曲产生应变，此应变被电阻应变片感受,后产生电阻变化输出，通过传感器输出，达到加速度到,电阻变化值的转换。,（3）动电式传感器,原理：电磁感应原理，即动生电,机械能 电能,待插图4-11,测量范围 f=51KHz,使用时壳体与被测物体刚性连接，随物体一起振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。,1-弹簧片 2-永久磁铁,3-阻尼器 4-引线,5-芯杆 6-外壳,7-线圈 8-弹簧片,速度传感器,（4）电涡流式传感器,原理:涡流效应,由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于,变化的磁场中,或在磁场中,做切割磁力线的运动,时，导体内部会产生涡旋状的电流，这种电流叫做电涡流，这种现象叫做电涡流效应。,原线圈的等效阻抗Z变化：,测振动,（5）,光纤传感器,1）光纤传感器及其分类,由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。,光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型(或称非功能型)两类。,2）工作原理,物性型光纤传感器原理,物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。,结构型光纤传感器原理,结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,3）应用,1、电荷放大器,1）等效电路：,U0?Q/C,f,条件：Cf(K?1)C+Cc+Ci,Cf变化 U0变化 Cf不变 U0不变,2）使用：,与测振器和诊断装置连接,滤波器上下限频选取f下f被测/10,f上3f被测,二、中间变换器,2、数据采集器,从本质上讲是属于中间变换器，即将传感器的信号输入数据采集器，数据采集器将其信号采集后，把模拟量变成二进制的数字量后进行存储，以备在后续仪器做分析处理之用。,振源,传感器,二次仪表,数据采集器,分析仪器,计算机,带数据采集器的测试分析系统,数据采集器原理：,将模拟量转换为数字量，即A/D转换,采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列,离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,量化把采样信号经过四舍五入变为只有有限个 有效数字的数，这一过程称为量化。,（1）A/D转换,过程,A/D转换器位数,模拟信号经采样后得到的离散信号转变为数字信号的过程称为量化。由此引起的误差称为量化误差。,量化由A/D转换器实现，量化误差取决于其分辨力。若A/D转换器的位数（字长）为b，允许的动态工作范围为D（如5V，10V或05V，010V等）,最大量化误差的绝对值为：,（2）混叠和采样定理,时域采样间隔过长频域周期化间隔不够大时，出现局部互相重叠现象，称为,频率混叠,。,混叠的后果是原来的高频信号将被误认为是某种相应的低频信号。,采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。,X(0),X(1),X(2),X(n),每周期应该有多少采样点？,最少2点,:,采样定理,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。,F,s,2 F,max,需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。,消除混叠的措施：,?,提高采样频率,。但将导致在同样信号长度下，采样点数随之提高，增加计算负担。?,采用抗混滤波器降低信号中的最高频率,。但由于抗混滤波器的非理想特性，不可能彻底消除混叠。,（3）截断与泄漏的关系,在对信号进行采集时，将输入采集器的时域信号进行,“,截断,”,处理，即是将输入信号乘以某窗函数。,用窗函数对信号进行,“,截断,”,时，必然会导致一些误差，这种现象称为泄漏。,待插图5-21,减小泄漏的措施,提高截断信号长度，即提高矩形窗宽度，此,时,sinc,函数主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，由,于旁瓣衰减较快，故可减小泄漏，但显然采,样点数随之提高，增加计算负担。采用其它窗函数。一个好的窗函数应当：主,瓣尽可能窄（提高频率分辨力）、旁瓣相对,于主瓣尽可能小，且衰减快（减小泄漏）。,W,(,f,),1,T,1,T,3,T,3,T,2,T,2,T,f,w,(,t,),0,t,T,/2,-,T,/2,矩形窗,w,(,t,),1,0,T,/2,T,/2,t,W,(,f,),T,/2,2,T,0,2,T,f,三角窗,-18dB/oct,-32dB,4/T,汉宁窗,-12dB/oct,-26dB,4/T,三角形窗,-6dB/oct,-13dB,2/T,矩形窗,旁瓣衰减速度,最大旁瓣幅度,主瓣宽度,窗函数类型,（4)频域采样与栅栏效应,频域采样与时域采样类似，频域采样导致对时域截断信号进行周期延拓，将时域截断信号,“,改造,”,为周期信号。,经频域采样后的频谱仅在各采样点上存在，而非采样点的频谱则被,“,挡住,”,无法显示（视为0），这种现象称为,栅栏效应,。,在时域，只要满足采样定理，栅栏效应不会丢失信号信息，但在频域，则有可能丢失的重要的或具有特征的频率成分（由于泄漏，丢失频率成分附近的频率有可能存在），导致谱分析结果失去意义。,(5)频率分辨力、整周期采样,频率采样间隔f决定了频率分辨力。f 越小，分辨力越高，被挡住的频率成分越少。由于DFT在频域的一个周期内（周期为：1/Ts）输出N个有效谱值，故频率间隔为：,可以通过降低fs或提高N 以提高f但前者受采样定理的限制，不可能随意降低，后者必然增加计算量。为了解决上述矛盾，可以采用ZOOM-FFT或Chip-Z变换，或采用基于模型的现代谱分析技术,。,三、噪声监测技术,1、定义,是由许支不同f和不同A的声波，杂乱地无一规律地组成一种不协调的声音。,噪声的强弱以声压级、声强级和声功率级的大小表示。,用频率或频谱表示其成分，也可以用人的主观感觉进行量度，如响度级等。,2、噪声的物理量,声压级：空气压力的增量,声波传播,气压波动,出现气压增量(3正3负)声压,听阈声压：人耳刚能听到的声压，人耳210,-5,Pa(N/m2),痛,阈,声压：产生痛感的声压，人耳20Pa,P为声压，P,0,为基准声压,垂直于传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能。,声强级,I为声强，I,0,为基准声强,声功率级：声源在单位时间内发射出的总能量，用,W,表示,W为待测声功率，W,0,为基准声功率,分贝运算,（1）相加：非对数运算、非算术运算。,若n个噪声同时存在：,若2个噪声同时存在：,待插图9-1,（2）相减,设总噪声的声压级为L,pT,，本底噪声为L,pe,，噪声源为L,ps,。,本底噪声:与被测噪声无关的干扰噪声,（3）平均运算,3、噪声的主观评定,以人的听觉来评定噪声的强弱。,（1）纯音的响度级和等响曲线,响度级：声音大小等级。,纯音：声压与时间的关系为一正弦曲线，即具有单一频率的声音。,待插图9-2,（2）宽带噪声的主观评定,宽带噪声：含有多种频率成份，频域宽的噪声（实际噪声）,A声级,A声级数能体现人们感觉噪声对人的吵闹程度和 对人的听力的损伤程度。（噪声稳定连续）,等效连续A声级（噪声非稳定连续）,评价方法：,方法：采用能量平均法，并进行等效处理。,实际应用，多用A声级，它与人耳感觉接近。,就声级计而言，设立了A、B、C三种计权网络，它们的频率特性如图 A,B,C计权网络的衰减曲线所示。,（3）等效连续声级与噪声评价标准,如果考虑噪声对人们的危害程度，则除了要注意噪声的强度和频率之外，还要注意作用的时间。反映这三者作用效果的噪声量度叫做,等效连续声级,。近年来，为了减少噪声的危害，提出了保护听力、保障生活和工作环境安静的,噪声允许标准,。,4、测量仪表,（1）声级计,声级计是用一定频率和时间计权来测量声压级的仪器。声级计的工作原理如图(声级计方框图)所示。被测的声压信号通过传声器转换成电压信号，然后经衰减器、放大器以及相应的计权网络、滤波器，或者输入记录仪器，或者经过均方根值检波器直接推动以分贝标定的指示表头。,5、噪声检测实例（机床）,机床噪声检测主要是进行声级测量（A声级）和频谱分析。,机床噪声测量标准：,精密机床的噪声不得超过75dB，普通机床的噪声不得超过85dB。,频谱分析,对机床噪声的频率成分进行分析，以便寻找噪声源和更,好地控制和消除机床噪声。,（2）频率分析仪,对噪声信号进行频谱分析，找出其频谱,（1）运用精密声级计进行声级测量,环境和测点布置,待插图9-7,空运转，机床主运动系统、进给系统、冷却、润滑装置同时开动，主运动应安正、反向各级速度逐级测量。,事先测量周围环境的噪声，然后进行机床噪声的测量，测量结果应考虑减去本底噪声。,记录每个测点上主运动各级速度对应的声级值。,（2）噪声的频率分析,待插图9-8,噪声源可能点：主传动系统。,以主轴最高转速n主=1036r/min为参考，测频率谱图。,待插图9-9,6、,噪声测量应注意的问题,1）测量部位的选取,传声器与被测机械噪声源的相对位置对测量结果有显著影响，因而，在进行数据比较时，必须标明传声器离开噪声源的距离,2）,测量时间的选取,测量各种动态设备的噪声，当测量最大值时，应取起动时或工作条件变动时的噪声，当测量平均正常噪声时，应取平稳工作时的噪声，当周围环境的噪声很大时，应选择环境噪声最小时(比如深夜)测量。,3）,本底噪声的修正,指被测定的噪声源停止发声时，其周围环境的噪声。,4）,干扰的排除,电压不稳、气流、反射和传声器方向不同等因素都会影响的噪声测量的结果,本章结束！,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,