压力加速度传感器安装

2基于振动信号的故障诊断技术的发展与现状

机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含着大量的设备状态信息，同时监测机械振动信号的最大优点是只取振动信号，不涉及电气测量。传感器安装于外部，对高压断路器正常运行无任何影响。断路器本体基座及操作箱上的振动信号是内部多种激励现象的响应，这些激励包括机械操作、电动力或静电力的作用、局部放电等。通过适当的检测手段和信号处理方法有可能找到某些特定现象的状态信息。利用操作过程中的机械振动信号对高压断路器进行机械故障诊断具有良好的应用前景，国内外近年己经做了较多的研究工作。

2．1振动信号的采集

近年来各类便携式数据采集器作为磁带记录仪的替代产品已越来越多地应用于生产现场振动信号的采集，它们特别适合于测点分散、检测量大而又不需作连续在线监测的场合。目前国内外应用较多的这类产品有：美国IRD--890、丹麦B&K2515、英国DI公司的PL302及国内的如北京振通检测技术研究所推出的902、903等。这些产品体积小、功能强、可靠性高，一般均带有与计算机通讯的接口，可以通过配置相应的软件将现场的信号采集与分析室的数据处理、管理结台在一起形成一套完整的监测系统。但由于上述的数据采集器一般都以单片机为核心结构，其数据存储容量、数据处理功能及编程能力等方面局限较大。

近年来，随着笔记本型通用微机的普及以及价格的不断降低，这就给现场数据采集与处理工作提供了一种新的选择，即以笔记本机为核心配备一定的外围装置而构成的便携式数据采集系统。其外部资源丰富系统组成灵活、存储容量大、支持软件多、软件更新快等特点使之受到许多用户的青睬。然而目前许多基于笔记本机的数据采集系统需要配置价格昂贵的专用扩展箱，由于不同厂家的笔记本机的总线扩展槽标准不统一，有的甚至不能配扩展箱，这使得此类系统在价格及通用性方面受到限制。综观各种类型的笔记本机，由于打印机井口是其通用资源，通过它来完成数据采集工作，将能大大降低系统的成本，提高系统的通用性。

2．2振动信号处理技术的发展

以前常用传统的模式识别技术，在时域或频域里通过对振动信号的特征提取，借助于一些识别准则，获得对断路器状态的正确识别，这些方法在一些具体诊断事例中效果良好。

傅里叶(Fourier)变换的出现，为信号处理提供了强有力的手段，但是经典的傅里叶分析只适用于确定性的平稳信号，对于那些突变信号或非平稳信号就难以得到所希望的结果；同时，它分析的基础是依赖于整个信号。快速傅里叶变换(FFT)随着计算机技术的发展，成为信号处理中的一个里程碑。它是1965年由库利一图基(Cooly—Tukey)提出来的，是适用于计算机求傅里叶变换的算法。基于FFT的谱估计早已成为模式识别中常用的方法，快速傅里叶变换技术可以把时域信号变换到频域里去，给频域信息的识别提供了有力手段。

随着科学技术的发展，人们对故障诊断的准确性要求也随之提高，小波(Wavelet)理论是八十年代发展起来的一种新的数学方法，它与传统的傅里叶理论有着密切的关系。法国科学家J．Morlet在1980年首先提出小波变换并用于地震数据分析。随后与另一位法国科学家A．Grossman共同提出了连续小波变换的几何体系，其基础是仿射群(即平移和伸缩下)的不变性，这使我们能够将一个信号分解成对空间和尺度(即时间与频率)的独立贡献，同时又保留原信号所包含的信息。小波分析相当于一个数学显微镜，具有放大、缩小和平移等功能，通过检查不同倍数下的变化规律来研究信号的动态特性，S．Mallat于1989年首次提出多分辨分析并应用于小波分析中。多分辨分析统一了在此之前提出的各种具体的小波构造方法，给出了构造正交小波的一般方法和快速小波塔式方法。

国内外近年来小波分析在机械故障诊断中的应用研究发展十分迅速，如英国Demontfort大学Wang．W．J和牛津大学Mcfadden．P．D应用小波分析对齿轮箱的振动信号进行分析来识别其故障；Wang．W．J和Mcfadden．P．D还研究了应用正交小波和谐波小波对齿轮早期故障的诊断；Lin．S．T和Mcfadden．P．D将B样条小波用于齿轮的振动分析；Kimble．K．R．Tibbals．T．F应用小波分析对瞬态信号进行了分析研究并和傅里叶变换进行了对比；国内清华大学、华中理工大学、西安交通大学等一些学者也开展了小波分析在机械故障诊断中的应用研究。

国内目前对振动信号的处理有几种方法，利用振动信号确定振动事件发生时刻、震动幅度，根据信号出现时间的变化来判断断路器机械状态，主要的确定方法有中值滤波器法、微分法、时域包络法、幅值法和互相关法等；根据振动信号是瞬变的非平稳信号，利用Wigner-Ville分布使信号能量在时频二维空间分布描述振动信号的时频特性，实际处理时利用Hibert变化以及FFT变换，得到直观的三维图形数据，这种方法的缺点是计算量大、不易确定特征量。另外在振动信号的处理中采用动态时间规整、指数衰减震荡子波分解等方法。以上的这些信号处理方法都是对某些特定的故障诊断较为实用，现阶段还没有找到一种通用的信号处理方法来诊断所有断路器故障[8-9]。

2．3断路器振动信号

断路器振动信号具有大振动冲击、有效时间短的特点，一般由加速度振动传感器来测量。本次试验采用国产YD-I型压电加速度传感器，从传感器输出的是和被测加速度成正比变化的电流信号，在信号的传输过程中不易受外界电磁干扰的影响，电流信号经配备的信号调理模块转换成可以采集的电压信号。加速度传感器是一种以压电材料为敏感元件的机电转换装置，能把振动机械能转换为电能，以电荷量形式输出。加速度计内部结构为对称型，具有体积小、重量轻、性能稳定频响范围宽等特点。在振动测试中得到广泛的应用。主要测量到的是被测表面垂直方向上的振动加速度，水平方向上的加速度可以忽略不计。下表为本次试验所选YD-1型压电加速度传感器主要技术指标：

表2．1 YD-l型压电加速度传感器主要技术指标

Table2．I Main technical indicators of YD-l type piezoelectric

2．3．1传感器安装方式的选择

试验过程中，加速度传感器要和测试点表面良好接触，要求安装的谐振频率大于被测信号的5 ~10倍以上，并且水平和垂直方向都不能有滑动。目前有五种传感器安装方式可供选择：

方式l直接用螺栓固定，这种安装方式频率响应最好，灵敏度也最高，缺点是需要在测试点的表面钻孔，容易破坏了断路器原有的结构；

方式2采用粘合剂把加速度传感器粘贴在测试点的表面，这种方式可以保持良好的频响特性，但每次更换测试点都要重新粘贴，操作起来比较麻烦；

方式3是采用永磁体吸附在测试点的表面的安装方式，这种特制的永磁体吸力可以达到250N以上，将加速度传感器牢固地吸附在测试点表面，简单易行，适合频繁更换测试点的场合，但缺点是损失了传感器的部分频响特性；

方式4为可用手持探针的方式，但只适用于快速测量的场合，被测频率一般要低于1000Hz：