4故障检测技术

振源
传感器
二次仪表 数据采集器 分析仪器
带数据采集器的测试分析系统
计算机
数据采集器原理： 将模拟量转换为数字量，即A/D转换
（1）A/D转换 过程
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。
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。
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）。
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。
Fs ＞ 2 Fmax
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。
（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)
p )2 p0
10 lg( p )2 p0
3
（2）相减
本底噪声:与被测噪声无关的干扰噪声
设总噪声的声压级为LpT，本底噪声为Lpe，噪声源为Lps。
Lps L pT - Lpe
（3）平均运算
LpT
10 lg[1 n
n
L pi
10 10
i 1
]
3、噪声的主观评定
以人的听觉来评定噪声的强弱。
4、测量仪表
（1）声级计
听阈声压：人耳刚能听到的声压，人耳2×10-5Pa(N/m2) 痛阈声压：产生痛感的声压，人耳20Pa
Lp
20lg
P P0
P为声压，P0为基准声压
➢ 声强级
垂直于传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能。
LI
10lg
I I0
I为声强，I0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
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）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=ρL/A 受力 ，L、A 、ρ发生变化
2） 半导体应变片
➢ 半导体：受力， 内部ρ变化
（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。
•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。
3）应用
二、中间变换器
1、电荷放大器
1）等效电路： U0≈?Q/Cf
条件： Cf(K?1)>>Cα+Cc+Ci Cf变化 U0变化 Cf不变 U0不变
2）使用： ① 与测振器和诊断装置连接
② 滤波器上下限频选取f下≤f被测/10 f上≥3f被测
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。
LW
10lg W W0
W为待测声功率，W0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：
L pT
20lg
P1 P0
20 lg
P2 P0
.... 20 lg
Pn P0
n
L pi
10 lg[ 10 10 ]
i 1
待插图9-1
若2个噪声同时存在：
L pT
10 lg 2(
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。
(5)频率分辨力、整周期采样
频率采样间隔Δf决定了频率分辨力。Δf 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Δf。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。
（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50－70倍。
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。
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)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。
w(t)
矩形窗
W(f )
-T/2 0 T/2 t
31 TT
2 T
13
TT
2 T
f
w(t) 1
三角窗
W(f) T/2
T/2 0 T/2 t
20 2
f
TT
窗函数类型 主瓣宽度 最大旁瓣幅度
矩形窗
2/T
三角形窗
4/T
汉宁窗
4/T
-13dB -26dB -32dB
Fra Baidu bibliotek
旁瓣衰减速度 -6dB/oct -12dB/oct -18dB/oct
故障诊断技术基础
（第3章 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。
一、故障检测传感器
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=mα，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。
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。
2、噪声的物理量
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。
➢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
（3）动电式传感器 原理：电磁感应原理，即动生电
机械能→ 电能 e NBLv
待插图4-11
测量范围 f=5~1KHz
速度传感器
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
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。
（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：
Z Z (d, , , x, f )
测振动
（5）光纤传感器
（1）纯音的响度级和等响曲线
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。 响度级：声音大小等级。
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）
评价方法： ➢ 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） 方法：采用能量平均法，并进行等效处理。
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。
编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。
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0~5V， 0~10V等） 最大量化误差的绝对值为：
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。
1、传感器的组成
被测非电量
敏感元件
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。
传感元件
电量 测量电路
辅助电源
直接感受被测量，并输出与它 成确定关系的其他量的元件
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。