《江苏机械制造与自动化》第期 !技术讲座机械故障诊断学的理论及其应用第二讲∀##∃%&#故障诊断中的信号检测与处理,&,−.(−∋(∃()∗+%/0,.−(12&3##44,−.,−5(%1∃∋,(.−34,4贾民平摘要信号检测与信号处理是工况监测与故障诊断的墓础本文在阐述特征信号及其选择方法的蕃础上介绍了主要的振动传感器并详细说明了信号调理计算机采集与处理的理论与方法关键词特征信号传感器采样信号检测的基本任务是获取有用的信息是人律将其转换成同种或别种∃值输出的器件称为传感器类认识客观世界的手段在机械设备运行过程中适它把被测量转换为易测信号传送给测量系统温度当的检测方法是发现故障信息的重要条件是故障诊断技术中不可缺少的环节因而也的信号调理环节量等它涉及到根据机器设备的运行状况有振动对于故障诊断来说压力流检测对象选择合适的传感器信号调理采样信由于许多故障如不平号处理及检测系统等许多方面因素衡不对中裂纹热弯曲等都直接或间接以振动特征信号的选择‘〔〕形式表现出来中最受重视因此振动信号的检测在故障诊断机器在运行过程中能提供的信号很多但并不要选择测振传感器是每一种信号都对工况监视有积极的意义能实时采集的号表达振动信号特性的基本参数是位移速度加速度且能敏感地反应工况状态变化的信频率以及相位测振传感器的作用是检测被在故障诊断中称之为特征信号测对象的振动参数在要求的频率范围内正确地接测振传机械设备故障诊断与医学诊断比较有许多相似之处受下来并将此机械量转换成电信号输出在医学诊断过程中医生通常是应用各种检感器种类很多以被测参数分有7电阻式9位移传感器其7电测仪器获取如体温心率血压等能够反映病症中包括接触式应变式8和非接触式特征的各种信息运行过程中在此基础上进行诊断在机器的容式电涡流式8两类,速度传感器有接触式我们也可以应用各种现代科学仪器获取种种信息对机器的整7动圈式:动磁式8和非接触式7变间距式8加速7包括计算机的软硬件8度传感器有压电式加速度计和应变式加速度计有关传感器的具体结构;〕体或部件进行诊断判别工况正常还是异常机器一特性等可以参见文献〔设备的主要征兆信号有振动温度压力流量等但不是所有信号对工况状态都很敏感不同的机器传感器的合理选择在不同的运行状态下其特征信号的敏感程度是不相同的特征信号蕴含了机器运行状态的最本质信息传感器的选择应注意下列几个问题7直接测量参数的选择各种机器设备具有各自特征变化规律获取型号!特征信号的侧振传感器的被测量是位移速度或加速度可以通过微积分实现换算不仅与所选择的信号内容有关且与传感器但由于低频时加速度的幅传感器的精度和测点位置有关值可小到与测量噪声相当的程度计测量低频振动的位移差因此如用加速度传感器工程上通常把直接作用于被测量会因低信噪比增大测量误用位移传感器;<不如直接用位移传感器更合理能按一定规测高频位移有类似的情况发生=<>(#?,−#≅%,1/,−.Α)%∃3Β(∃,3−Χ3一 传感器选择时还应力图使最重要的参数能以最转换器之前必须对信号进行适当的调理以便满直接最合理的方式测得例如考察惯性力可能导足)Φ∋转换的要求达到要求的精度信号调理包致的破坏或故障时宜作加速度测量,考察振动环含以下几方面的内容9境7振动烈度以振动速度的均方值来描述8时宜!Ε信号滤波作振动速度的测量:要监测机件的位置变化时宜为了观察某一感兴趣的频率成分或消除特征信选用电涡流或电容传感器作位移的测量号中的噪声常对检测信号进行滤波滤波器一般78传感器的量程灵敏度等指标可分为低通高通带通和带阻四类每一种滤波各种测振传感器都受其结构的而有其自身器相当于对信号进行不同的频域加窗处理因此合适用的范围如对于惯性式传感器一般质量大的理选择滤波器的类型及其参数对于保留对故障诊传感器上限频率低灵敏度高:质量轻的传感器上断有用的频率成分是极其重要的限频率高灵敏度低以压电加速度计为例作超为了消除频率的混处现象闭根据0?(−−3−采低振级测量的都是质量超过Δ鲍灵敏度很高的加样定理分析频率应低于采样频率两倍以上7见下速度计作高振级7如冲击8测量的都是小到几克文8因此在旋转机械工况监视与故障诊断系统中或零点几克的加速度计经常采用低通滤波器至于滤波器截止频率的选取7Ε8使用的环境要求价格寿命可靠性维则要综合考虑设备本身的特点以及后续)Φ∋采样修校准等的频率以保证既不出现频率混处现象又不丢失例如激光测振尽管有很高的分辨力和测量精确有用信息度由于对环境7隔振8要求极严设备又极昂贵!Ε信号放大它只适用于实验室作精密测量或校准电涡流和电这主要是为了满足)Φ∋转换的要求一般)Φ容传感器均属非接触式但前者对环境要求低而被∋转换要求输人士0Η范围内的电压信号超出该范广泛应用于工业现场对机器振动的测量中如大型围则会产生截波而信号太小又会降低信号的精度汽轮发电机组压缩机组振动监测中用的传感器要因此在经)Φ∋转换之前需将信号放大到该范围能在高温油污蒸汽介质的环境下长期可靠地工内作常选用电涡流传感器!ΕΕ交直流分离对相位有严格要求的振动测试项目7如频谱图振动涡流位移传感器测到的振动信号包含交流波得图振型等测量8除了应注意传感器的相频特和直流分量以旋转机械为例交流信号反映振动性外还要考虑放大器特别是带微积分网络放大的瞬变情况直流分量则反映了转子的位置情况为器的相频特性了使特征信号准确客观地体现设备运行工况需不同工况特征的交!Ε信号调理〔“采用适当的电路将反映直流信号分离开来并分别进行采样交流信号主要应用于被测量经传感器转换成的电信号需要进行某些振动的谱分析统计分析等:直流信号则用于转子调理和处理以便提高信噪比并把信号转换成更轴心位置的分析等便于处理接收和显示的形式最终转换成为仪表;表示值输人计算机控制装置计算机信号采集与处理由传感器检测到的绝大部分特征信号7振动温实际的三况监视与故障诊断不只是某一个具体度压力等8均为模拟信号经调理后可以采用如问题而是一个完整的系统图是某化工企业透下方法进行处理981用磁带记录仪进行现场记录平压缩机组研制的工况监视与故障诊断系统信号采再回放至信号分析仪处理或经)Φ∋转换后由计算集装置的示意图该系统共有三个模块9振动信号机处理:8直接送信号分析仪进行处理还可将处采集模块非振动信号7工艺参数信息8采集模块理结果通过接口送计算机作二次处理:8Ε通过二次和开关量采集模块三个模块设计的方法和步骤基仪表显示并记录:;8直接通过)Φ∋采样将所得的本相同此处主要以振动信号为例说明各个模块的数字信号传送到计算机进行在线分析和处理功能在将由传感器检测到的振动模拟信号送)Φ∋;Ι)Φ∋转换;Γ《江苏机械制造与自动化》第期 !)Φ∋转换是信号工况监视与故障诊断系统中7Κ△8的重要环节它将检测到的模拟信号转换成数字信78采样频率号以便于计算机分析与处理)Φ∋转换将模拟信0?(−3−−采样定理给出了带限信号7信号中的号ϑ∃78按一定的时间间隔△逐点取其瞬时值ϑ频率Λ镇Λ!Β8不丢失信息的最低采样频率!Λ总钱令拿撇寻非振动信号开关且采华棋块采集棋块翻皮环力等作报动 言号翩入月吮!愉入振动信号偷入图∀信号采集装呈示惫图率为∃#%&如果希望在∀∃倍工频范围内分析机组振动的振动情况则根据采样定理下限采样频率至少为−.%&为保证无频率混叠现象或是提高采样频率或是在()+转换前先让模拟信号通过截止频率为.−%&的低通滤波器因此在对模拟信号进行滤波处理时应统一地考虑滤波器的截止频率和采样频率的相互关系/图∋()∗〕转01(),〕转换器位数选择换取样过榨()+转换器的位数是一定的一般为2位0∀3∀位因此在转换过程中就引人了量化误差图∋()+转换取样过程位 李工 量化误差范围与()+转换器的位数呈负指数关式中 二为信号中最高频率成分因此们在选择采样系〔增加()+转换器位数可以减少量化误差提频率时必须确定测试信号中感兴趣的频率成分对高()+转换精度但位数的增加直接影响数据转换速率来说需确定能够反映设备运行工况并影响采样频率的提高此外故障诊断增加()+转换器位数造成实际系统成本的显著增加提供诊断依据的频率范围例如对于旋转机械来说因此在确定振动信号在工作频率及其数倍频率处的分布直接反()+转换器位数时应综合考虑以上因素映了设备的运行状态因此诊断系统一般要求在数/41整周期采样倍于工频的频率范围内分析振动频谱对于不同的在对经()+转换后的数字信号进行谱分析时机械设备来说数个完整的工频周期采样得到的由于其各自的工作频率不同对采希望数据是对这样频率也有不同的要求减小栅栏效应的影响有效地避免谱泄漏如汽轮发电机组的工作频样可以提高谱估计结具的正确性〔们56<>(#?,−#≅%,1/,−.乙)%∃3Β(3−∃,Χ3一 常用的谱估计方法点数为”55Μ算法一次处理的数据析处理方法对异常值的鲁棒性也各不相同况下要求部分情若要求“点数据正好是数个完整的工即使是一个异常值的存在也会在很大程度上频周期内的模拟信号的采样值应为设备工频的其必要条件是在每影响处理结果这就对异常值的识别和处理提出了<,〔−次采样也就是说采样频率一个工频周期内进行−倍其中指数−的值可视拟分析<Ε。规则是常用的异常值处理方法该规则基的上限频率确定例如若要在Δ倍于工作频率的范于对测试数据的平稳正态假设其主要特点是计算但Ε。围内分析振动的能∃分布要求!;−则取Ν即在每个工简便尽管平稳正态性过程具有广泛的代表性Ε点即可满足0?(−−频周期内采样3转速测量及采样控制−采样定理的并非适用于所有的测试数据因此际问题时具万一定的局限性规则在处理实异常值处理的其它方法还有很多往往需要同时采集多路例如模式识别方法等但在实际工况对于实际运行的机器振动信号监视与故障诊断系统中考虑到分析诊断的实时并对交直流分∃分别采集此外采样性要求必须在处理方法的简便性和有效性两方面频率和采样起始时刻等也必须根据机器的实际运行工况进行选择78进行权衡78采样控制模块的主要任务就是协调标定和控制采样电路的正常工作由于)Φ∋转换及精度原因各种检测信号在经)转速测量根转Φ∋转换之前一般已被转换成标准电信号7;Ν转速测量可采用光电传感器或位移传感器据传感器获得的单位时间内的脉冲数确定转速速测里的主要功能为于机械振动Π3Β)电流信号或Ν4Θ电压信号8因此在对转换后的数字信号进行分析处理之前还需通过适当的9(8提供一个相位基准信息对线性运算将采样值转换转换为实际物理量的基本思路和方法提供了可能基础并根据传感器灵敏度系数相位与频谱是振动的主要特征它为工况分析和故障诊断提供重要的特征信息:8Ο转速以上简要说明了利用传感器获取机器运行状况信号可用于采样频率的确定动信号的整周期采样78控制采样以保证振为进一步监测机器故障诊断因此信号检测与处理是故障诊断的采样控制采样控制电路对振动信号采集模块不断发出控制信号或指令要功能如下以协调整个模块的正常工作其主参考文献钟来林998(通道选择控制:8Ο交直流选择控。黄仁贾民平等机械故障诊断学北:制可以分别采集信号的交直流分量8采样控制京机械工业出版社 Ρ月年模块不断向采样电路发出来自转速传感器的脉冲信号;陈克兴李川奇设备状态监测与故津诊断技术9控制采样的起始时刻信号处理)Φ∋以保证整周期采样北京Ε科学枝术文献出版社,4Υ (−年Σ月,#ΕΤ3(&&#>7#/80?3Κ/Η,Ο&(∃3−Τ(−/转换后的数字信号需经适当的预处理后Ο3Κ53%&∃?∃,3−Ω/,>#Ξ&(Ψ一Τ,ΖΧΨ[3&Κ方可进一步分析定两方面的内容78预处理主要包括异常值处理和标 Γ;黄长艺严普强顾岚机械工程刚试技术墓础7第异常值处理版8)北京99机械工业出版社 <年月在由传感器信号调理至Φ∋转换的过程中<杨位钦时间序列分析与动态数据建模 ΣΓ任何一个中间环节的瞬时失常或外界随机干扰都可能导致数字信号中含有异常值数字信号的各种分北京北京二业学院出版社年一月
