專利名稱：多傳感器共振解調故障檢測技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種故障檢測方法，特別適用于運行中軸承的故障檢測。是共振解調檢測技術的進一步完善和發展。
所謂共振解調技術，亦有稱為沖擊脈沖技術、包絡檢波技術或早期故障檢測(IFD)技術的，是對低頻(通常為數kHz以內)的沖擊所激起的高頻(數十倍于沖擊頻率的)共振波形進行包絡檢波和低通濾波即解調，獲得一個對應于低頻沖擊的，而又放大并展寬了的共振解調波。該技術已經并將更廣泛應用于對在線的或試驗運行中的機械及其軸承、齒輪等進行故障診斷監控。如用于滾動軸承的故障檢測，就是利用運轉軸承零件中故障(如裂紋和剝落坑等)的低頻沖擊所產生的頻域十分寬廣、頻譜極為豐富的故障沖擊波的高頻分量，激起高頻諧振器的共振，再對高頻共振波進行解調處理，獲得一個剔除了低頻振動干擾，但富含故障信息而信噪比大為提高的共振解調波，并憑借對此共振解調波的幅值和頻譜分析，實現判定故障的量值和故障類型(故障所在)。這就是共振解調故障檢測診斷技術。
故障沖擊的高頻共振響應，可以由傳感器直接諧振響應，或是由機械系統諧振響應，但更為優越因而也更常用的是由檢測儀表中的電子諧振器來實現。
從圖1所示共振解調變換過程的波形特征，可簡要地反映出共振解調故障檢測的原理與優越性。故障沖擊波(圖1a)時域脈寬極窄，幅值甚小，頻譜豐富。諧振器對沖擊的共振響應波形(圖1b)是一組幅值被放大了并與故障沖擊強度成正比，波動頻率為諧振器的固有頻率，而時域展寬了的，呈自由衰減的高頻間歇振蕩波形。(成組的重復頻率與故障沖擊重復頻率相同)。共振解調波(圖1c)與原始沖擊比較，是重復頻率相同但幅值放大了并時域展寬了，因而共振解調輸出的解調脈沖，其低階頻譜的能量較沖擊脈沖的低階能量是極大地增強了。加之變換過程中諧振器剔除了常規振動的干擾，故解調輸出信號與原始信號相比，可獲得高幾個數量級的信噪比和取得沒有故障就沒有共振解調波和其頻譜的良好效果。
因此，共振解調故障診斷系統通常含有受感信號的傳感器和共振解調檢測儀表，(如本所研制的JK8241系列儀表)，高級精密快速自動診斷系統則還含有計算機及專用的軟件，(如本所研制的JK86411鐵路車輛輪對軸承不分解試驗診斷系統)。
在現有的包括共振解調技術在內的檢測技術中，大多是于同一檢測部位設一個傳感器受感的，即使對一個檢測部位設兩個傳感器，其信號也是孤立地、互不聯系地進行處理，如振動測量中的垂直振動和水平振動檢測。這不僅需配置更多的檢測儀表和設備，也需在事后花費更多的時間進行分析，有礙于檢測的實時性、準確性和系統的簡化，而且可能為眾多的假象所迷惑，防礙人們對客觀事物的正確認識。仍以滾動軸承的故障檢測為例。因單一傳感器相對于故障點的方位是隨機不定的或變化的，如假定軸承的外環有故障，則受感故障誘發的沖擊信號的傳感器只有裝在故障所在的方位時信號才最強，若傳感器裝在遠離故障點的方位則感受到的信號很弱，對于特大口徑的軸承，由于傳遞過程中的信號嚴重損耗甚至得不到信號。由于事先不可能知道軸承有無故障和故障的方位，希望將傳感器裝到故障點附近便是不可能的。為了彌補這種缺陷，在試驗診斷中往往采用將外環轉動若干方位并檢測若干次的方法以選取最大的量值。但這將使檢測分析的時間與之同步增長。對于固定設備上的軸承，則因為不能轉動外環，只好用一個傳感器到各方位作多次測量，但又可能遇到某些設備不容一次次地停機改裝傳感器的問題，于是又出現了將多個傳感器一次分方位裝入，再一個個地分方位檢測的方法。總之，這樣檢測的時間仍不能減少，如若需同步采集數據，則儀表設備也要重復地設置許多套，常于實際條件所不容。同時存在的另一個嚴重的問題是，共振解調檢測方法必因單個傳感器所受感的信號受到轉動件的調制而失真，處理不當就可能出現錯診。例如在大口徑軸承中，假定滾動體有故障，并假定故障和大多數情況下一樣，對于內外環的沖擊是各向等量的，則該故障滾子在經過傳感器所在的方位沖擊外環時，傳感器所獲得的信號最大。然后，隨故障滾子運動離開傳感器時，傳感器所獲得的信號漸漸減弱，至最遠點時信號最小。滾子運動漸漸靠近傳感器，信號又漸強，再次經過傳感器所在的方位時，傳感器又獲得最強的信號。如此周而復始地變化，信號即出現調幅。其最大最小值之差與最大幅度之比，稱為“調制深度”，它可以描述信號受感時在傳遞中的損失程度。調制深度等于零表示信號未被調制;調制深度等于1表示信號的最小值等于零。當人們孤立地對此具有調制特征的信號從頻譜和幅值方面進行故障分析時，則不僅將發現有關于滾子故障的頻譜，還有以滾子公轉周期為特征表征保持架故障的頻譜。這就給確診故障增加了困難，乃至發生錯診，并影響對故障量值的準確量度。調制深度愈大，錯診率也就愈大。尤其在軸承中存在多個多類故障而頻譜復雜時更嚴重。
因此，應用現有的共振解調技術進行故障檢測時，特別是對大型設備和大型軸承的故障檢測，存在著上述的費時，費事，系統復雜以及調制度的影響等問題，有礙于檢測診斷的實時性、準確性和系統的相對簡化。這也就是本發明要解決的問題和發明的任務。
應用共振解調故障檢測技術，采用多個傳感器于同一檢測部位并列受感，并對各傳感器的信號合理地進行疊加處理，使所獲得的信號相對于疊加前是減小調制深度的和減小故障方位影響的。這就是本發明的基本技術方案。
下面對本技術方案作進一步的細述。
關于多傳感器，可以是包括振動、沖擊、應變、超聲等多類傳感器或多個同類的傳感器。
多傳感器圓周布置安裝的最佳實施方案，是使疊加后的故障信號能獲得最小調制深度的和故障方位影響最小的均布安裝方案。
對于軸承的故障檢測而言，沿圓周安裝的傳感器數，當軸承的直徑在300mm以內時，可采用2個或1個傳感器(直徑小于100mm的軸承一般應用單傳感器即可)。直徑300～1000mm的軸承可用3或4個傳感器。直徑大于1000mm的軸承用多于4個傳感器。
對軸承故障進行運行試驗檢測，通常有一套夾持外環的夾具，受感故障的傳感器1就安裝在此夾具2上。參見附圖2～4。
應用振動、沖擊、應變等接觸式類型傳感器檢測軸承故障時，軸承外環3與夾具2在受感點處應實現緊密的面接觸，以增強信號的耦合效果，且傳感器應安裝在該緊密接觸面中心的法線位置，從而保證該傳感器的良好受感。參見附圖3、4。
若采用超聲傳感器受感，超聲傳感器1周向安裝時，其安裝軸線應沿軸承的直徑方向指向軸承的軸心，并在軸承與傳感器之間置有集聲通道4，見附圖2。并按下述兩項要求設計超聲傳感器與軸承的距離1，超聲傳感器對軸承的主視角P(由傳感器安裝位置所確定的受感點到能見到的軸承外環的弧段所形成的張角)，應不大于傳感器的接收角。
2，軸承的“被視角”Q(軸承被超聲傳感器所見到的外環弧段的弧度數)與傳感器數N有下列的對應關系N 1或2 3 4Q ＞150° ＞120° ＞90°
超聲傳感器的安裝孔內可墊上軟質的緩沖絕緣材料，使超聲傳感器實現絕緣與隔聲安裝。
關于多傳感器的信號處理。
多傳感器的信號經處理后，最終應疊加為一個共振解調信號用于檢測、診斷。
在要求不高時，可以將各傳感器的信號直接疊加。其具體方法可視傳感器和與傳感器直接配接的電路的功能而定。例如應用電荷類傳感器(如壓電式振動加速度傳感器、沖擊傳感器，壓電式超聲傳感器，駐極體聲傳感器等)與并聯電壓負反饋式電荷電壓轉換放大器配接，則可將傳感器直接并聯后接電荷放大器;應用供電式低輸出阻抗應變傳感器時，可以用并聯電壓負反饋式電壓放大器做加法器對各傳感器的信號疊加。疊加后再進行共振解調處理。
為取得更好的信號處理質量，則因為不僅有傳感器的靈敏度不等需要分別調節的問題，而且對于傳感器受感的高頻信號來說，在用共振解調原理檢測故障時，故障載波的頻率均選擇為高頻，(例如為25kHz;載波信號在鋼鐵里的傳遞速度約5000m/s，故障載波的波長在0.2m以下)故障源到各傳感器的信號傳遞路徑的長短差別，將導至載波信號相位的顯著差別，而不同相位的同頻信號的疊加結果是同頻的幅值不定的信號，這就必然破壞定量測量的準確度。但是，所載的調制波的頻率通常在數kHz以下，其波長則在2m以上，傳感器的位置差別所帶來的信號的相位差甚小，進行疊加影響甚微。因此，基于共振解調原理檢測故障的多傳感器信號的疊加，不宜用解調前的高頻信號直接接疊加的方法，而應在解調后對低頻信號進行疊加。即應對同一檢測部位各傳感器的信號單獨共振放大、調節靈敏度校準和解調，然后對解調信號進行疊加。
據此，用于多傳感器共振解調故障診斷系統中的共振解調檢測儀相應如圖5所示，應是多通道的，每個通道從各自的傳感器1輸入，各自有含電荷電壓轉換放大器或電壓放大器的前置電路5，量值規一化校準器6，和進行諧振、濾波的諧振器7及解調器8，此外儀表還應有一個對各通道解調信號求和疊加和校準的疊加器9，以期最終獲得一個較為理想的共振解調故障信號。當然，對于含有計算機的高級精密診斷系統，疊加處理也可以在計算機中進行，相應的共振解調檢測儀表中就可以不設疊加器單元。
還應指出由于在多傳感器之一的某個傳感器的附近產生故障沖擊，由另一個傳感器受感所得到的信號并不是零，因此，多傳感器信號的解調疊加值，大于單傳感器可受感到的最大值。此種量值差異可以通過校準調節電路或疊加電路消除。
應用上述多傳感器受感和信號疊加方法，可以大幅度地減小共振解調故障信號的調制深度，減少故障方位對于診斷的影響，從而降低錯診率和漏診率;對疊加后的信號作一次性的分析處理，提高了測量分析的準確度，減少了診斷過程的工作量和診斷時間，還可使復雜的診斷系統簡化。
多傳感器共振解調故障檢測技術已經成功地在鐵路車輛輪對軸承不分解試驗診斷系統中獲得應用，與診斷系統其它技術配合，取得了對車輛輪對軸承故障的確診率高達95%以上，而漏診率接近于零的高水平。
圖1 共振解調變換過程波形特征圖(1a-故障沖擊的波形，1b-高頻共振響應，1c-共振解調波形。)圖2 超聲傳感器的安裝示意圖。
圖3、4 接觸式傳感器安裝示意5 多傳感器共振解調檢測儀表電路的結構框圖(1-傳感器，2-夾具，3-檢測的軸承，4-集聲通道，5-前置電路，6-量值規一化校準器，7-諧振器，8-解調器，9-疊加器)
權利要求
1.一種多傳感器共振解調故障檢測技術，應用于含有傳感器、共振解調檢測儀表的故障診斷系統中，根據故障沖擊的高頻共振解調波形的幅值和頻譜檢測故障，其特征在于當故障沖擊信號的傳遞損耗很大時，于同一檢測部位用多個傳感器并列受感，并對各傳感器受感的故障沖擊信號處理，最終疊加成一個共振解調信號，用于檢測診斷。
2.按權利要求1所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于同一檢測部位的沿圓周安裝的多傳感器為均布安裝。
3.按權利要求1所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于安裝在同一檢測部位的多傳感器，可以是多個同類傳感器，也可以是不同類的多傳感器。
4.按權利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于當用于軸承的故障檢測時，沿圓周安裝的傳感器數為當軸承直徑在300mm以內時采用2個或1個傳感器，當軸承直徑在300～1000mm以內時采用3或4個傳感器。1m以上的軸承則用多于4個傳感器。
5.按權利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于當用于軸承故障試驗檢測，且有專用夾具夾持軸承和采用接觸式類型(如振動、沖擊、應變)傳感器時，夾具與軸承外環在受感點處應有緊密的接觸面，傳感器就安裝在夾具該緊密接觸面中心的法線位置上。
6.按權利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于當用于軸承故障試驗檢測并有專用夾具夾持軸承和采用超聲傳感器，超聲傳感器沿圓周安裝時，其安裝軸線應沿軸承直徑方向并指向軸承軸心，在軸承與傳感器間置有集聲通道，且按下述兩項要求設計超聲傳感器與軸承的距離超聲傳感器的主視角P應小于該傳感器的接收角，軸承對傳感器的被視角Q對應傳感器數N滿足下列關系N 1或2 3 4Q 大于150° 大于120° 大于90°
7.按權利要求1所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于多傳感器的信號疊加處理，是在疊加前經各自單獨共振放大、調節靈敏度校準和各自單獨解調處理后求和疊加，而求和疊加可以在診斷系統內的共振解調檢測儀或計算機中進行。
8.按利要求1所述的多傳感器共振解調故障檢測技術，其特征在于診斷系統中的共振解調檢測儀是多通道的，各通道從各自的傳感器1輸入，各自有含電荷電壓轉換放大器或電壓放大器的前置電路5，量值規一化校準器6，諧振器7和解調器8，并有一個對各通道信號求和疊加和校準的疊加器9。
全文摘要
一種基于現有其振解調故障檢測的多傳感器檢測技術，旨在對軸承、齒輪或其它傳動機械在線或試驗運行中故障診斷。其特征是在同一檢測部位處，用多個同類或不同類的傳感器并列受感，并將各傳感器信號疊加處理最終成一個共振解調信號用于故障診斷。發明還涉及多傳感器的安裝、布置及系統中使用的共振解調檢測儀表電路的框圖結構。本發明與現有共振解調故障檢測技術比較，使故障檢測的實時性、準確度和確診率明顯提高，而系統相應簡化。
文檔編號G01M13/04GK1050442SQ90105568
公開日1991年4月3日 申請日期1990年10月15日 優先權日1990年10月15日
發明者唐德堯, 陳灝 申請人:航空航天工業部第六○八研究所