振動傳感器在智能設備診斷中的應用

董言敏

摘要：傳感器作為機械設備智能診斷過程中的第一步，它的重要性毋庸置疑。在現代工業中，企業利用大數據加快了數字化轉型和智能化改造，特別是在設備的維護和診斷方面，更加的向數字化、信息化方向發展。大數據技術作為現代測試技術手段來輔助診斷，效果斐然，而在整個現代測試技術的最前端，也是最重要的一環，就是傳感器的應用。

關鍵詞：振動傳感器;原理;設備診斷;智能運維平臺

中圖分類號：TN912.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0123-02

人類在近代史上的科學探索步伐迅速，從電類的發明開始，短短一個世紀的時間，工業發展已經進入了智能化的技術環境，很多原始的診斷方式也因為時效性、敏感度不夠等原因而被放棄，隨著大數據時代的來臨和人工智能水平的提高，各行各業都開始使用大數據手段和智能制造，從而帶動生產生活的進步！傳感器在進行工程自動化系統的檢測過程中，以及對工作環境和操作對象進行檢測時，傳感器就可以發揮巨大的作用，將監測到的數據轉化后提供給機電一體化系統，確保其運行的準確與可靠[1]。

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

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

對于振動傳感器來說，一般說來，轉化的電量并不能直接被后續的顯示、記錄、分析儀器所接受，因此要對不同機電變換原理的振動傳感器，附以專配的測量線路（見圖2）。在智能運維系統中，為了讓振動傳感器的作用達到最大優勢。振動傳感器所配的測量線路的種類很多，每種振動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變為一般電壓信號，這些信號是信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設備（如光線示波器、磁帶記錄儀等）等系統所能接受的。最后，這些電壓信號就可以以振幅等形式出現在檢測儀器的屏幕上。在智能設備診斷中，通過智能分析系統，依托于大數據的采集和診斷，這些電壓信號所反應的設備故障問題，會更簡單明確的出現在智能診斷控制的界面上，為下一步問題的解決提供幫助。

我們來通過振動傳感器在設備的智能診斷與維護上面的使用為例。在企業生產現場，原本正常的生產過程中，設備出現了異常，在智能運維平臺的控制下，振動傳感器通過無線信號將消息傳輸給主機，智能運維平臺使用離線數據分析系統進行數據無線采集并進行分析，工業現場設備管理人員收到推送的智能報警，提示存在的設備故障“減速箱一軸輸入側調心滾子軸承內圈大面積脫落，保持架出現磨損”（見圖3）。遠程在線分析系統也將近期內對這個零部件的診斷結果顯示出來，結果顯示：在6個月前，檢測系統就已發現該軸承內圈早期剝落;1個月前，軸承內圈持續惡化，需進行維修和備件;此時，軸承的故障已經進入危險期，需要及時停機維修等診斷信息（見圖4）。

此時的異常如果是在傳統的檢測方式下，可能根本不會被發現，直到出現大的故障為止，以至于造成各種損失;即便是常用的振動傳感器及時偵測到了不穩定信號，通過傳輸后到達設備管理人員處，管理人員進行排查，再找到故障點進行檢修，這個過程只能發生在已經出現問題之后，而不能提前診斷;如果設備故障比較難處理，普通的維修人員處理不了，需要再找到專家會診，那么整個過程中耗費掉的時間和來往的人力物力，浪費都比較大;另外還有在這個案例中出現的情況，設備正在生產，生產過程還有3.5個小時才能完成剛才的生產任務，此時停止生產是否損失較大等等。

通過智能運維系統，振動傳感器的無線信號傳遞到運維中心，輔助專業分析系統進行設備的診斷，直接將情況通過網絡反饋到專家組，對于企業提出的能否完成生產的問題，通過智能分析系統的分析，結合設備歷史數據及案例經驗，并深入分析該軸承保持架磨損程度，專家給出反饋：該設備可以堅持到正常生產結束（見圖5）。生產完成后，維修管理人員對減速箱中的軸承進行維修和更換。

設備的安全受控是智能工廠的基礎支撐，從而為工廠的安全生產保駕護航。在智能運維平臺的系統中，振動傳感器則發揮了很大的作用，如同醫生使用的聽診器一樣，振動傳感器將自己所檢測到的設備振動參數進行收集與分析，可以準確判斷設備運行狀態，預知設備故障，及時報告給智能運維平臺。同時，可以針對性的指導設備維修，對設備的總體情況進行分析，讓設備的運行狀態處于監控之下，避免嚴重設備故障的發生，并利用診斷合理設置維修時間，減少維護的時間和成本。這些信息被及時反饋至智能中心，通過專家遠程診斷，結合設備歷史數據及案例經驗，避免計劃外維修，讓設備安全受控，讓生產平穩順行。同時生成故障診斷報告反饋回智能預警設施，并將本次的所有信息進行保存，為大數據統計提供參考。在整個設備的診斷過程中，可以看到，作為故障發現者的輔助診斷著的振動傳感器，它靈活的適用于智能檢測系統，讓設備的智能診斷更準確、有效、快捷，由此可見，振動傳感器的作用非常重要。另外，設備維護開展以預防性維修為主，隨著設備運行時間的增長，設備出現重大停機故障的風險大大增加，常規的預防性維修不能滿足現場的需求，需要引入狀態檢測，進行預測性維修[4]。這種預測性的診斷方式也離不開振動傳感器。

隨著科技的進步，大數據、智能制造、物聯網等手段的完善，設備的平穩運行和安全性也會得到更好的保障，傳感器的進步會朝著哪一個方向發展也是大家關心的問題，很多人的目光放在了優化傳感器的材料上，因為在材料研究日新月異的今天，用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光導纖維能制成壓力、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用范圍。

振動傳感器的使用已經進入物聯網系統。傳感器的網絡化，必將為信息技術的發展帶來新的動力和活力，無線傳感器網絡是由在空間上相互間的眾多傳感器相互協作組成的傳感器網絡系統，它使得分布于不同場所的數量龐大的傳感器之間能夠實現更加有效、可靠的通信[5]，也讓傳感器更加的準確、智能和全方位發展。

參考文獻：

[1]李相軍.傳感器技術在機電自動化控制中的科學應用研究[J].決策探索（中），2017（10）：79-80.

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

[3]秦樹人，張明洪.機械測試系統原理與應用[M].北京：科學出版社，2006（08）：112-139.

[4]王磊，李梁.振動檢測技術在大型電機預測性維修上的應用[J].中國設備工程，2020（12）：153-154.

[5]黃玉蘭.物聯網傳感器技術與應用（工業和信息化人才培養規劃教材）（Kindle 位置 469-470）.人民郵電出版社. Kindle 版本.