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信号2._IT/计算机_专业资料

编辑名称:四川省广汉市2020-08-23

来源:国内星闻

第二章信号检测和传感器技术不论是进行设备状态监视和故障诊断,还是进行各种信号分析和处理,所涉及的第一个 问题就是信号检测,将各种机械量或其它物理量(例如振动加速度、速度、位移、 压力和温 度等)通过传感器转化为电量,经放大、 滤波等前处理变成可以进行分析的模拟或数字电信 号,供各种仪器分析,找出信号的特征,特别是故障对应的特征,这就是信号检测的主要目 的。测试系统就是用来进行信号检测的,测试系统的含义很广,即可以理解为单有一个装置 组成的简单系统,也可以理解为有多个装置组成的复杂系统。如由传感器、二次仪表和记录 仪组成的测试系统。2.1 测量装置的组成典型的测试装置常由试验装置、测量装置和数据处理装置三部分组成。图2.1.1是具有这 三个部分的稳态激振模态实验分析测试装置框图。 随机信号发生器产生有限带宽的随机信号,经功率放大器放大,输入电动激振器,转化 为激振力作用于汽车的车身和车架。激振力信号由力传感器拾取信号2,车身和车架上各点的振动 响应信号由压电式加速度传感器拾取,经电荷放大器转换放大为电压信号记录在磁带机上, 然后送入到DASC动态信号分析与故障诊断系统进行模态分析, 分析结果由绘图仪或打印机输 出。

图 2.1.1 稳态激振模态实验分析框图 1.试验装置:使被测对象处于人们予期状态的装置,其目的在于充分暴露测试对象的内 在联系以便进行有效的测量。例如各种试验台和图2.1.1中由随机信号发生器、功率放大器和 激振器组成的整套激振装置均属于试验装置。 2.测量装置: 是用以将被测的各种机械量或其它物理量变换成观察者直接感觉到的测量 信号的各种测量仪器和辅助装置的总称。一般是将各种机械量和物理量转化为电量,并经放 大,滤波等处理后转化为数字量进行处理。如图2.1.1所示的从传感器到记录仪所示的部分就 是测量装置。 测量装置各部分的主要用途: 传感器:将被测物理量转变成电信号,如电压、电流、电荷或磁通量等。1二次仪表:必要的变换、放大、传输、运算、分析等。 指示器或记录仪:指示或记录信号。 图2.1.1的测试部分的力传感器和压电式加速度传感器就是将振动力和加速度转换为电 荷量, 电荷放大器将电荷量转换放大为电压信号, 磁带机将电压信号以模拟信号的方式记录。 3.数据处理装置:测试装置的延续部分,对测试装置的输出信号进行进一步的处理,以 提供所需的更加明确的数据和资料。如图2.1.1所示从接口到DASC动态信号分析与故障诊断 系统或HP5423A结构动态分析仪都属于数据处理装置。

2.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性主要以灵敏度、非线性度和回程误差为表征,即可以是传感器本身 的,也可是测试装置作为一个系统来考虑,这样的系统误差较小。 1.灵敏度:特性曲线的斜率(见图2.2.1)s =Δx Δy(2.2.1)例如:位移变化0.01mm,电压变化2v, 灵敏度S=2/0.01=200v/mm。 选用测试装置的灵敏度越高,测量范围越窄, 稳定性越差。反之,测试装置的灵敏度越低,测 图 2.2.1 测试装置的灵敏度 量范围越宽,稳定性越好。例如,选用株州航空 航天部第六0八研究所生产的型号为CWY-D0-004-05、量程为2mm的电涡流相对位移传感器 (双向限幅特性,±5V输出),其灵敏度为5V/mm,选用型号为CWYD0-004-05、量程为8mm的电 涡流相对位移传感器(双向限幅特性,±5V输出),其 灵敏度为1.25V/mm。 2.非线性度:装置的输出、输入间是否能象理想 装置那样保持常值比例关系的一种度量。 定标曲线与拟合直线的最大偏差B与A的比值称为 非线性度(见图2.2.2)非线性度 = A × 100 % B(2.2.2) 图 2.2.2 测试装置的非线性度3.回程误差:也叫滞后或变差。

输入量由小变大 输入量由大变小同一个输入对应两 个输出,其差值最 大者为回程误差。回程误差 =hmax ×100% A(2.2.3)理想的测试装置应具有合适的灵敏度和测量范 围,较小的非线性度和回程误差。图 2.2.3 测试装置的回程误差2.3测试装置的动态特性2数字信号处理一般需要对测试的信号进行动态分析,测试装置除了静态特性之外,还要 考虑动态特性,动态特性主要包含有传递函数和瞬态响应特性两种。 1.传递函数(稳态):指各种频率成分下的输出与输入的幅值比和相位差,理想的传递特 性是感兴趣的频率范围内幅值比为1,无相位差或相位差线性变化。(a) 幅频特性 图 2.3.1(b) 相频特性 测试装置的传递函数2.瞬态响应: 如果要测量爆炸等过程非常短暂的瞬态冲击响应过程, 由于测量时间很短, 就要非常注意测量系统的瞬态特性。瞬态特性一般以反应时间( t r )、 峰值时间( t p )、稳定 时间( t s ) 和超调量来度量(见图2.3.2)。 反应时间 峰值时间 稳定时间 超调量trtp ts× 100%δ1或δ +11× 100%理想的测试装置应具有很短的反应 时间、峰值时间和稳定时间,较小的超调 量。

而实际上,一般测试装置的反应时间 越短, 超调量就越大, 两者之间很难统一。图 2.3.2 测试装置的瞬态响应特性2.4常用的振动传感器和二次仪表常用的振动传感器有电涡流式相对位移测量传感器、 压电式加度速度传感器和动圈式速 度传感器,下面简要的介绍这三种传感器的工作原理。 1.电涡流式相对位移测量传感器。 电涡流传感器由于非接触测量,频率响应范围宽,灵敏度高,测量范围大,抗干扰能力 强,结构简单的特点,近年来广泛使用于汽轮发电机组、水轮发电机组、化工设备等大型旋 转机械滑动轴承振动位移的测量,在国内外受到广泛重视和应用。 电涡流传感器的工作原理是基于电涡流效应。把一块导磁导电的金属板放置在线圈附 近,如图2.4.1所示。当线圈通过交变电流I1时,产生磁埸,磁通量为φ1。此交变磁通通过邻 近的金属板时,产生闭合的电涡流I2,此电涡流也将产生交变磁通φ2,其方向与φ1相反, 抵消部分主磁通,从而使激磁线圈的等效阻抗、 等效电感和等效阻抗发生变化,变化程度3与距离δ在一定范围内近似线性关系,图2.4.2是典型的电涡流传感器的灵敏度校验曲线。常 用阻抗变换器为其二次仪器,将信号进一步放大,频响范围相当宽,达0-10KHz。

图 2.4.1 电涡流传感器原理图 2.4.2 典型电涡流传感器灵敏度校验曲线2.压电式加速度传感器 压电式传感器的突出特点是灵敏度高, 自振频率高, 具有很好的高频响应特性, 体积小, 重量轻,因此广泛的用于测量力、压力、加速度等。 某些物质,如石英、钛酸钡等,当受到外力作用下,不仅发生变形,而且内部极化,表 面上产生电荷,形成电埸。当外力去掉后,又重新回到原来的不带电状态,这种现象称为压 电效应。 利用压电效应可以制作加速度传感器。如图2.4.3所示, 在压电晶体的两个工作表面进 行金属蒸镀,形成金属膜,构成两个电极。当晶体受到外作用时,在两个极板上积聚数量相 等,而极性相反的电荷,形成电埸,所以压电传感器可以看作是一个电荷发生器,其电荷量 为 q = DF (2.4.1) q-电荷量(C),D-压电常数(C/N),F-作用力(N) 显然,电荷量与作用力或加速度成正比关系。压电式加速度传感器多配置电荷放大器为 二次仪表,一般具有转换、放大、滤波和积分器四项功能。频率响应范围很宽,一般达0.1 Hz-20Hz,其上限有时可达50KHz。图2.4.4是通用的压电加速度传感器频响曲线。

图 2.4.3 压电传感器原理图 2.4.4 压电加速度传感器频响曲线3.磁电式速度传感器 在图2.4.5所示的永久磁铁产生的直线磁埸内,放置一个可动线圈,当线圈在磁埸中作直 线运动时,它所产生的感生电动势为ε = WBlv sin(θ )式中:B─磁埸的磁感应强度(T) W─线圈匝数4(2.4.2)l─单匝线圈有效长度(m) v─线圈与磁埸的相对运动速度(m/s) θ─线圈运动方向与磁埸方向的夹角 当 θ = 90 0 时: (2.4.3) 当W、B、l均为常数时,感应电动势的大小线圈运动速度成正比, 这就是一般动圈式速 度传感器的工作原理。 这种传感器配置的二次仪表为电压放大器,将感应电动势放大至可以分析的范围 ,其 传感器的频率响应范围多在10Hz-1000Hz,若传感器做的很大,其下限频率可达1.5Hz。图2. 4.6是典型的磁电式速度传感器频响曲线。ε = WBlv图 2.4.5 磁电式速度传感器原理图 2.4.6 磁电式速度传感器频响曲线对于振动测量来说,常用加速度传感器测量高频振动,速度传感器测量中频振动,位移 传感器测量低频振动,这一点应引起大家足够的重视。2.5传感器的选用原则1.灵敏度适当 一般情况下,传感器的灵敏度越高越好,因为灵敏度高,意味着传感器所能测试的信号 的变化量可以很小。

既被测量稍有微小的变化,传感器就有较大的输出量。当然,灵敏度越 高时,与测量信号无关的外界噪声也容易混入,并会同时以相同倍数放大。因此,必须考虑 既要能检测微小量值,又要噪声小,为了保证此点,往往要求传感器信噪比愈大愈好,即要 求传感器本身噪声小,且又不易从外界引进干扰噪声。 和灵敏度紧密相关的是量程范围。当输入量增大时,除非有专门的非线性校正措施,传 感器不应进入非线性区域,更不能进入饱和区域。某些测试工作要在有较强的噪声干扰下进 行,这样对传感器来讲,其输入量不仅包括被测量,也包括干扰量,因此,要考虑到两者的 叠加不能进入非线性区域区。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围,大大增加制造成本。 所以,只要能满足测试精度的要求,选择合适的灵敏度,具有较好的经济性。 2.量程合适 测试系统测量上下限的代数差称量程,有时也可称为幅值测量动态范围。量程既不能过 大,使信噪比过低;也不能过小,达不到测量要求。一般选择使测量物理量的最大值为满量 程的80%为好。 3.响应特性满足动态测试的要求 传感器的响应特性必须在所测频率范围内保持不失真,即幅频为1, 相频为零或直线。5此外,实际传感器的响应总有一定的迟延,希望迟延时间越短越好。

一般来讲,利用光电效应、压电效应等类型的传感器,响应时间小,工作频率范围宽。 结构型传感器,如电感、电容、电磁感应型传感器等,由于受到结构特性的影响,以及系统 惯性质量的限制,它们只能用于低频范围。 在动态测量中,传感器的频率响应特性对测试结果有直接影响,在选用时,应充分考虑 到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。 4.线性度要好,工作在线性段。 任何传感器都有一定的线性范围, 在线性范围内输出与输入成比例关系。 线性范围越宽, 则表明传感器的工作量程越大。 然而,任何传感器都不容易保证其绝对的线性,在某些情况下,在许可限度内,也可以 在其近似线性区域内运用。例如,变间隙型的电容、电感传感器,均采用在初始间隙附近的 近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围,使其非线性误差在允许范围以 内。 5.稳定性好 稳定性表示了传感器经过长期使用以后,其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳 定性的因素是主要是时间与环境。理想的传感器应不随时间变化(时漂),不随温度变化(温 漂),工作可靠,测量重复性好。 为了保证其稳定性,在选定传感器之前,应对使用环境进行调查,以选择较合适的传感 器类型。

在机械工程中,有些机械系统或自动化加工过程,往往要求传感器能长期使用而不 需经常更换或校准。在这种情况下,对传感器稳定性有严格的要求。例如,用于监测大型旋 转机械轴振动位移的电涡流传感器, 用于自适应磨削过程的测力系统或零件尺寸自动检测装 置等,往往是在比较恶劣的环境下工作的,其尘埃、油剂、温度、振动等干扰是很严重的。 这时传感器选用,必须优先考虑稳定性因素。 6.精确度合适 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器是测试系统的输入端, 因此,传感器能否真实地反映被测量值,对整个测试系统具有直接的影响。 然而,也并非要求传感器的精确度越高越好,因为还要考虑到经济性。传感器精确度愈 高,价格越昂贵,因此应从实际出发来选用。 首先信号2,应了解测试的目的,判定是定性分析,还是定量分析。如果属于比较性的试验研 究,由于只需行到相对比较值,那么应要求传感器的重复度要高,而无需要求高精度的绝对 量值,因此可选择低精度的传感器,而超精密切削机床,由于其运动部件的定位精度、主轴 回转运动误差、振动及热变形等,要求测量精度在0.1--0.01um范围内。要测量这样的量值, 必须具有高精确度的传感器。

2.6记录分析装置1.记录装置:常用的记录装置有光线示波器、X-Y记录仪、磁带机和数据采集器等。 磁带机:以记录模拟信号为特点,记录的数据量大,能反复回放,是理想的记录设备。 但国产磁带机质量不过关,推荐使用日本TEAC MR-30便携式磁带机,体积小,重量轻,携带 方便,记录数据多且长,但缺点是价格昂贵,约需人民币10万元 。 数采器:一般数采器多以内存记录数据,由于容量有限,所以采集的数字量长度有限, 很难进行大量数据的处理。特别在设备精密诊断中必须采用带硬盘的数采器,以便采集较长 的数据用以灵活进行各种离线分析。离线分析时分析频率可变,并带有高速数字滤波避免频6率混淆,国内唯有重庆大学研制的DASC动态信号分析与故障诊断系统具有这种离线分析功 能。 2.分析装置:主要用于对采集或记录的信号进行各种数据处理,如频谱分析、模态分析 和统计分析等,是工程信号处理的核心。 振动分析中最常用的有二大类频谱分析系统: (1)专用频谱分析仪:日本小野测器公司的CF-910/940、CF-355,美国惠普公司的HP35 62、HP5423、HP3565,美国科学谱动力公司的SD-375、SD-380Z、SD-385Z,美国本特律内华 达公司的ADRE、DDM旋转机械故障诊断系统是这类代表。

其特点是结构全部硬件化,速度快, 精度高;缺点是价格昂贵,黑箱结构不易更新换代。 (2)计算机辅助测试分析系统: 以通用微机为主体, 加上一部分自行设计的接口和外设, 自行开发各种数据处理软件包,构成所谓的虚拟仪器。其特点是速度快、精度高、功能全、 更新方便,特别是采用便携微机后,很方便带到现场测试。这类系统以重庆大学汽车学院研 制的DASC动态信号分析与故障诊断系统、 南京汽轮机厂研制的CRAS随机振动及模态分析系统 和西安交通大学研制的旋转机械故障诊断系统为代表。7

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