振動(dòng)傳感器在智能設(shè)備診斷中的應(yīng)用

董言敏

摘要：傳感器作為機(jī)械設(shè)備智能診斷過程中的第一步，它的重要性毋庸置疑。在現(xiàn)代工業(yè)中，企業(yè)利用大數(shù)據(jù)加快了數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化改造，特別是在設(shè)備的維護(hù)和診斷方面，更加的向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展。大數(shù)據(jù)技術(shù)作為現(xiàn)代測試技術(shù)手段來輔助診斷，效果斐然，而在整個(gè)現(xiàn)代測試技術(shù)的最前端，也是最重要的一環(huán)，就是傳感器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器;原理;設(shè)備診斷;智能運(yùn)維平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN912.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0123-02

人類在近代史上的科學(xué)探索步伐迅速，從電類的發(fā)明開始，短短一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，工業(yè)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了智能化的技術(shù)環(huán)境，很多原始的診斷方式也因?yàn)闀r(shí)效性、敏感度不夠等原因而被放棄，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨和人工智能水平的提高，各行各業(yè)都開始使用大數(shù)據(jù)手段和智能制造，從而帶動(dòng)生產(chǎn)生活的進(jìn)步！傳感器在進(jìn)行工程自動(dòng)化系統(tǒng)的檢測過程中，以及對(duì)工作環(huán)境和操作對(duì)象進(jìn)行檢測時(shí)，傳感器就可以發(fā)揮巨大的作用，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后提供給機(jī)電一體化系統(tǒng)，確保其運(yùn)行的準(zhǔn)確與可靠[1]。

振動(dòng)傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質(zhì)量塊組成的單自由振蕩系統(tǒng)（見圖1）。利用質(zhì)量塊的慣性在慣性空間建立坐標(biāo)，測定相對(duì)大地或慣性空間的振動(dòng)加速度[2]。在測試系統(tǒng)中，振動(dòng)傳感器可以將機(jī)械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。需要注意的是：振動(dòng)傳感器是將原始要測的機(jī)械量先做為振動(dòng)傳感器的輸入量，而不是直接將原始要測的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，將原始的機(jī)械量作為輸入量后，再由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)振動(dòng)傳感器的使用性能包括機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分，它們共同決定著振動(dòng)傳感器的工作性能。振動(dòng)傳感器分類時(shí)，在機(jī)械接收原理方面，只有相對(duì)式、慣性式兩種;在機(jī)電變換方面，由于其內(nèi)部機(jī)電變換原理的不同，因此輸出的電量也各不相同。有的是將機(jī)械振動(dòng)量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化;有的是將機(jī)械量的變化變換為電動(dòng)勢、電荷的變化等。故而其種類繁多，有電動(dòng)式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式等。

按工作原理劃分，振動(dòng)傳感器的類型主要包括電阻類、電感電容壓電類、霍爾效應(yīng)類和磁電類，其被測量及變換原理如表1所示[3]。

對(duì)于振動(dòng)傳感器來說，一般說來，轉(zhuǎn)化的電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受，因此要對(duì)不同機(jī)電變換原理的振動(dòng)傳感器，附以專配的測量線路（見圖2）。在智能運(yùn)維系統(tǒng)中，為了讓振動(dòng)傳感器的作用達(dá)到最大優(yōu)勢。振動(dòng)傳感器所配的測量線路的種類很多，每種振動(dòng)傳感器上的測量線路都是不同的。比如，專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等。測量線路將傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)變?yōu)橐话汶妷盒盘?hào)，這些信號(hào)是信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀等）等系統(tǒng)所能接受的。最后，這些電壓信號(hào)就可以以振幅等形式出現(xiàn)在檢測儀器的屏幕上。在智能設(shè)備診斷中，通過智能分析系統(tǒng)，依托于大數(shù)據(jù)的采集和診斷，這些電壓信號(hào)所反應(yīng)的設(shè)備故障問題，會(huì)更簡單明確的出現(xiàn)在智能診斷控制的界面上，為下一步問題的解決提供幫助。

我們來通過振動(dòng)傳感器在設(shè)備的智能診斷與維護(hù)上面的使用為例。在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，原本正常的生產(chǎn)過程中，設(shè)備出現(xiàn)了異常，在智能運(yùn)維平臺(tái)的控制下，振動(dòng)傳感器通過無線信號(hào)將消息傳輸給主機(jī)，智能運(yùn)維平臺(tái)使用離線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)無線采集并進(jìn)行分析，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備管理人員收到推送的智能報(bào)警，提示存在的設(shè)備故障“減速箱一軸輸入側(cè)調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈大面積脫落，保持架出現(xiàn)磨損”（見圖3）。遠(yuǎn)程在線分析系統(tǒng)也將近期內(nèi)對(duì)這個(gè)零部件的診斷結(jié)果顯示出來，結(jié)果顯示：在6個(gè)月前，檢測系統(tǒng)就已發(fā)現(xiàn)該軸承內(nèi)圈早期剝落;1個(gè)月前，軸承內(nèi)圈持續(xù)惡化，需進(jìn)行維修和備件;此時(shí)，軸承的故障已經(jīng)進(jìn)入危險(xiǎn)期，需要及時(shí)停機(jī)維修等診斷信息（見圖4）。

此時(shí)的異常如果是在傳統(tǒng)的檢測方式下，可能根本不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，直到出現(xiàn)大的故障為止，以至于造成各種損失;即便是常用的振動(dòng)傳感器及時(shí)偵測到了不穩(wěn)定信號(hào)，通過傳輸后到達(dá)設(shè)備管理人員處，管理人員進(jìn)行排查，再找到故障點(diǎn)進(jìn)行檢修，這個(gè)過程只能發(fā)生在已經(jīng)出現(xiàn)問題之后，而不能提前診斷;如果設(shè)備故障比較難處理，普通的維修人員處理不了，需要再找到專家會(huì)診，那么整個(gè)過程中耗費(fèi)掉的時(shí)間和來往的人力物力，浪費(fèi)都比較大;另外還有在這個(gè)案例中出現(xiàn)的情況，設(shè)備正在生產(chǎn)，生產(chǎn)過程還有3.5個(gè)小時(shí)才能完成剛才的生產(chǎn)任務(wù)，此時(shí)停止生產(chǎn)是否損失較大等等。

通過智能運(yùn)維系統(tǒng)，振動(dòng)傳感器的無線信號(hào)傳遞到運(yùn)維中心，輔助專業(yè)分析系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備的診斷，直接將情況通過網(wǎng)絡(luò)反饋到專家組，對(duì)于企業(yè)提出的能否完成生產(chǎn)的問題，通過智能分析系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)備歷史數(shù)據(jù)及案例經(jīng)驗(yàn)，并深入分析該軸承保持架磨損程度，專家給出反饋：該設(shè)備可以堅(jiān)持到正常生產(chǎn)結(jié)束（見圖5）。生產(chǎn)完成后，維修管理人員對(duì)減速箱中的軸承進(jìn)行維修和更換。

設(shè)備的安全受控是智能工廠的基礎(chǔ)支撐，從而為工廠的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。在智能運(yùn)維平臺(tái)的系統(tǒng)中，振動(dòng)傳感器則發(fā)揮了很大的作用，如同醫(yī)生使用的聽診器一樣，振動(dòng)傳感器將自己所檢測到的設(shè)備振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行收集與分析，可以準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)知設(shè)備故障，及時(shí)報(bào)告給智能運(yùn)維平臺(tái)。同時(shí)，可以針對(duì)性的指導(dǎo)設(shè)備維修，對(duì)設(shè)備的總體情況進(jìn)行分析，讓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)處于監(jiān)控之下，避免嚴(yán)重設(shè)備故障的發(fā)生，并利用診斷合理設(shè)置維修時(shí)間，減少維護(hù)的時(shí)間和成本。這些信息被及時(shí)反饋至智能中心，通過專家遠(yuǎn)程診斷，結(jié)合設(shè)備歷史數(shù)據(jù)及案例經(jīng)驗(yàn)，避免計(jì)劃外維修，讓設(shè)備安全受控，讓生產(chǎn)平穩(wěn)順行。同時(shí)生成故障診斷報(bào)告反饋回智能預(yù)警設(shè)施，并將本次的所有信息進(jìn)行保存，為大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供參考。在整個(gè)設(shè)備的診斷過程中，可以看到，作為故障發(fā)現(xiàn)者的輔助診斷著的振動(dòng)傳感器，它靈活的適用于智能檢測系統(tǒng)，讓設(shè)備的智能診斷更準(zhǔn)確、有效、快捷，由此可見，振動(dòng)傳感器的作用非常重要。另外，設(shè)備維護(hù)開展以預(yù)防性維修為主，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長，設(shè)備出現(xiàn)重大停機(jī)故障的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，常規(guī)的預(yù)防性維修不能滿足現(xiàn)場的需求，需要引入狀態(tài)檢測，進(jìn)行預(yù)測性維修[4]。這種預(yù)測性的診斷方式也離不開振動(dòng)傳感器。

隨著科技的進(jìn)步，大數(shù)據(jù)、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等手段的完善，設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和安全性也會(huì)得到更好的保障，傳感器的進(jìn)步會(huì)朝著哪一個(gè)方向發(fā)展也是大家關(guān)心的問題，很多人的目光放在了優(yōu)化傳感器的材料上，因?yàn)樵诓牧涎芯咳招略庐惖慕裉?，用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光?dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器等等，都有利于提高傳感器性能和拓展傳感器的應(yīng)用范圍。

振動(dòng)傳感器的使用已經(jīng)進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。傳感器的網(wǎng)絡(luò)化，必將為信息技術(shù)的發(fā)展帶來新的動(dòng)力和活力，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由在空間上相互間的眾多傳感器相互協(xié)作組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它使得分布于不同場所的數(shù)量龐大的傳感器之間能夠?qū)崿F(xiàn)更加有效、可靠的通信[5]，也讓傳感器更加的準(zhǔn)確、智能和全方位發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李相軍.傳感器技術(shù)在機(jī)電自動(dòng)化控制中的科學(xué)應(yīng)用研究[J].決策探索（中），2017（10）：79-80.

[2]王進(jìn)，田玉艷.振動(dòng)傳感器的工作原理和特性[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（06）：133-134.

[3]秦樹人，張明洪.機(jī)械測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006（08）：112-139.

[4]王磊，李梁.振動(dòng)檢測技術(shù)在大型電機(jī)預(yù)測性維修上的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2020（12）：153-154.

[5]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（工業(yè)和信息化人才培養(yǎng)規(guī)劃教材）（Kindle 位置 469-470）.人民郵電出版社. Kindle 版本.