机械故障诊断—Ch3
故障诊断系统与传感器原理
Ch3 故障诊断系统与传感器原理
§3-1 故障诊断系统的作用与实施过程 §3-2 故障诊断系统的类型及组成 §3-3 故障诊断系统的常用传感器
机械故障诊断—§3-1
故障诊断系统的作用与实施过程
§3-1 故障诊断系统的作用与实施过程 一 监测与诊断系统的目标 1 能了解被监测系统的运行状态，保证其运行状 态在设计约束之内； 2 能提供机器状态的准确描述； 3 能预报机器故障，防止大型事故产生，保证人 民生命的安全。
机械故障诊断—§3-2
故障诊断系统的类型及组成
4 简易诊断系统常用仪器 1º 便携式振动分析仪，它们一般具有以下特点： 1’ 使用专用的速度或加速度传感器，连接方便、工作 可靠，由于传感器的原因，频率及动态范围有限，一般 只按特定目的进行测试，如进行振动烈度的测试。 2’ 一般仪器上均有指针或液晶或发光二极管显示，能 直观读出振动有效值、均方根值、峰值或振动烈度值等。 有的仪器还可读出斜度或峭度值等。 3’ 有的仪器可分几个频率档分别读值，高档仪器可同 时进行若干个频率档(如倍频程)分析，由于具有频率分 析功能，故称为振动分析仪。 便携式振动分析仪价格低廉，使用方便，所测值目 前仍为大多数机械的振动标准，故在中小企业中得到广 泛应用。但便携式振动分析仪一般不能回答故障的原因 及部位等问题。
机械故障诊断—§ 3-3故障诊断系统的常用传感器
3º 石英晶体的压电效应 1′石英晶体的理想外形 SiO2单晶体，属六角晶系。一 块完整的单晶体，构成一个凸多面 体（六角形晶柱），共30个晶面。 2′石英晶体的物理性能与右旋直角坐 标系 石英晶体同其它单晶体一样，其物 理性能呈各向异性。坐标系为 z轴：通过两端顶点的轴线，与纵轴重 合，又称对称轴、光轴、中性轴； x轴：通过任意两条棱线的轴线，称电 轴，垂直于x轴的晶面上压电效应 显著； y轴：垂直于z轴、x轴并垂直穿过两个 棱面的轴线，称为机械轴，沿该轴 的机械变形最显著。
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故障诊断系统的作用与实施过程
二 监测与诊断系统的实施过程 虽然根据诊断的目的要求、诊断的物理 参数以及诊断的直接对象不同，可将故障诊 断技术分为多种类型，但在实施各种类型的 故障诊断技术时，其基本的过程是相同的。 根据故障诊断技术的逻辑思想的总结， 可以认为故障诊断技术的实施过程主要包括 诊断文档建立和故障诊断实施两大部分。
远程设备状态监测与故障诊断系统框图
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故障诊断系统的类型及组成
2 性能特点 1º 信息采集全息化：信息种类齐全（振动量、开关量、工 艺量）；任一参量的采集通道数齐全；不仅有稳态信息， 还有非稳态信息。 2º 状态监测连续化。 3º 数据处理实时化。 4º 故障诊断精密化。
机械故障诊断—§ 3-3故障诊断系统的常用传感器
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故障诊断系统的作用与实施过程
监测与诊断系统的实施过程框图
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故障诊断系统的类型及组成
§3-2 故障诊断系统的类型及组成
一 简易诊断系统 1 简易诊断系统即使用各种便携式诊断仪器和工况监测 仪表（如振动分析仪、温度计、声级计等），仅对设 备有无故障及故障严重程度作出判断和区分。它可以 宏观地、高效地诊断出众多设备有无异常，因而费用 较低。 2 简易诊断技术是诊断设备“健康”状况的初级技术， 主要由现场作业人员实施。
机械故障诊断—§3-1
故障诊断系统的作用与实施过程
2 实施故障诊断 故障诊断技术在实施过程中包括以下几个关键的内容：
1º 状态信号采集
2º 故障特征提取
3º 技术状态识别
4º 维修决策形成
状态信号是机械设备异常或故障信息的载体。 选用一定的检测方法和检调系统采集最能表征诊断 对象工作状态的信号是故障诊断技术实施过程中不 对于所采集到的表征诊断对象运行中的原始状态信 可缺少的环节，能够真实、充分地采集到足够数量、 号称为初始模式。因初始模式中的故障信息混杂在大量 客观反映诊断对象状况的状态信号是故障诊断得以 的背景噪声中，为提高诊断的灵敏度和可靠性，必须采 故障诊断是一个典型的模式识别过程，而诊断文档 成功的关键。否则，其后的各个环节功能再完善也 用信号处理技术在状态信号中排除噪声、干扰的影响， 库中的各种故障样板模式就是进行技术状态识别的基 将是无效的。 提取有用的故障信息，以突出故障特征。因此，故障特 础。所谓技术状态识别系指将待检模式与诊断文档库 征提取就是对初始模式进行维数压缩、形式变换、排除 中的样板模式进行对比，并将待检模式归属到某一已 或削弱噪声干扰、保留或增强有用信号、精化故障特征 知的样板模式中去的过程。由此使可判定诊断对象所 当识别出异常或故障状态后，必须进一步对异常 信息的过程，由此而形成待检模式。 处的状态模式是否正常，并预测其可靠性和状态的发 或故障的原因、部位和危险程度进行评价以便据此研 展趋势。 究和确定维修决策的具体形式，如临时维护方案、加 强监视方案以及停机大修而彻底治理的措施等。
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故障诊断系统的类型及组成
3 为了能够对设备的状态迅速有效地作出概括的评价， 简易诊断技术应具有以下的功能： 1º 设备所受应力的趋向控制和异常应力的检测； 2º 设备的劣化、故障的趋向控制和早期发现； 3º 设备的性能、效率的趋向控制和异常诊断； 4º 设备的监测与保护； 5º 指出有问题的设备。
位和故障程度作出诊断，有用的结果可以存入数据库。 并且可对一段时间内存入数据库中的数据可以随时查阅 和调用，绘出趋势图，趋势谱图或打印趋势表，由此可 以了解系统状态的历史情况，了解某些故障的发生和发 展情况，并可估推寿命。
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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
§3-3故障诊断系统的常用传感器 一 压电式加速度传感器 压电式传感器的工作原理基于某些物质的压电效应， 是有源传感器。 1 压电效应 1º 正压电效应 物质在一定方向受到外力作用时，在某两个对应的表 面上产生符号相反的电荷集中，形成电场；当外力消 失时，则电荷消失；力方向改变，对应表面的电荷符 号也改变。这种现象称之为（正）压电效应。 2º 逆压电效应 物质在一定方向受到电场作用时，在某确定的方向 上产生机械变形；电场消失，变形也随着消失。也称 为电致伸缩效应。
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
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。
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故障诊断系统的作用与实施过程
1 建立诊断文档库 1º 诊断文档库是一种事先编制好的表征各种有关诊断 对象不同性质的故障、不同故障部位以及不同故障程度 的各种征兆的标准谱数据库。 2º 诊断文档库是通过模拟典型故障，并提取其特征信 息、确立各类故障的样板模式，从而建立起来的。 3º 建立诊断用标准谱数据库的方法是：根据现场在线 监测数据的长期积累、实验室实验研究和分析、计算机 辅助实验等。由于用现场监测数据的长期积累方法来建 立数据库的周期太长而用实验室实验研究和分析方法来 建立数据库又需花费很大的人力、物力和资源，因此计 算机辅助实验方法建立标准谱数据库的技术在故障诊断 中将有特殊的意义。 4º 建立诊断文档库是实施故障诊断所不可缺少的重要 环节之一。如果没有诊断文档，诊断工作将无法进行。
机械故障诊断—§ 3-3故障诊断系统的常用传感器
3′纵向压电效应与横向压电效应 纵向压电效应：沿x轴施力时，在垂直于x轴的表面上产 生电荷集中； 横向压电效应：沿y轴施力时，仍在垂直于x轴的表面上 产生电荷集中。
机械故障诊断—§ 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550ºC，稳定性好。 4º 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—§3-2
故障诊断系统的类型及组成
二 精密诊断系统 1 即使用较为复杂的诊断设备和分析仪器，除了能对 设备有无故障和故障的严重程度作出判断和区分外， 在有经验的工程技术人员的参与下，还能对某些特 殊类型的典型故障的性质、类别、部位、原因及发 展趋势作出判断及预报。 2 费用较高，由专业技术人员实施。
传感器 (1,2...)
tranet
数采系统1
数 据
Internet
设备1
传感器 (1,2...)
Intranet
数采系统2
服 务 器 及 在 线 诊
设备2
传感器 (1,2...)
Intranet
数采系统3
设备3
传感器 (1,2...)
Intranet
数采系统N
断 系 统
Internet
设备N
远 程 故 障 诊 断 中 心
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故障诊断系统的类型及组成
4 精密诊断系统的组成 精密监测诊断系统主要有三大部分，即： 1º 数据采集系统 数据采集系统又称数据采集器。它能定时周期