1、2基于振動信號的故障診斷技術的發(fā)展與現(xiàn)狀機械振動信號是一個豐富的信息載體，包含著大量的設備狀態(tài)信息，同時監(jiān) 測機械振動信號的最大優(yōu)點是只取振動信號，不涉及電氣測量。傳感器安裝于外 部，對高壓斷路器正常運行無任何影響。斷路器本體基座及操作箱上的振動信號 是內(nèi)部多種激勵現(xiàn)象的響應，這些激勵包括機械操作、電動力或靜電力的作用、 局部放電等。通過適當?shù)臋z測手段和信號處理方法有可能找到某些特定現(xiàn)象的狀 態(tài)信息。利用操作過程中的機械振動信號對高壓斷路器進行機械故障診斷具有良 好的應用前景，國內(nèi)外近年己經(jīng)做了較多的研究工作。2. 1振動信號的采集近年來各類便攜式數(shù)據(jù)采集器作為磁帶記錄儀的替代產(chǎn)品已越來越多地

2、應 用于生產(chǎn)現(xiàn)場振動信號的采集，它們特別適合于測點分散、檢測量大而又不需作 連續(xù)在線監(jiān)測的場合。目前國內(nèi)外應用較多的這類產(chǎn)品有：美國IRD-890、丹麥 B&K2515、英國DI公司的PL302及國內(nèi)的如北京振通檢測技術研究所推出的902、 903等。這些產(chǎn)品體積小、功能強、可靠性高，一般均帶有與計算機通訊的接口， 可以通過配置相應的軟件將現(xiàn)場的信號采集與分析室的數(shù)據(jù)處理、管理結(jié)臺在一 起形成一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)。但由于上述的數(shù)據(jù)采集器一般都以單片機為核心結(jié) 構(gòu)，其數(shù)據(jù)存儲容量、數(shù)據(jù)處理功能及編程能力等方面局限較大。近年來，隨著筆記本型通用微機的普及以及價格的不斷降低，這就給現(xiàn)場數(shù) 據(jù)采集與處理

3、工作提供了一種新的選擇，即以筆記本機為核心配備一定的外圍裝 置而構(gòu)成的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其外部資源豐富系統(tǒng)組成靈活、存儲容量大、 支持軟件多、軟件更新快等特點使之受到許多用戶的青睬。然而目前許多基于筆 記本機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要配置價格昂貴的專用擴展箱，由于不同廠家的筆記本 機的總線擴展槽標準不統(tǒng)一，有的甚至不能配擴展箱，這使得此類系統(tǒng)在價格及 通用性方面受到限制。綜觀各種類型的筆記本機，由于打印機井口是其通用資源， 通過它來完成數(shù)據(jù)采集工作，將能大大降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的通用性。2.2振動信號處理技術的發(fā)展以前常用傳統(tǒng)的模式識別技術，在時域或頻域里通過對振動信號的特征提 取，借助于一些識

4、別準則，獲得對斷路器狀態(tài)的正確識別，這些方法在一些具體 診斷事例中效果良好。傅里葉(Fourier)變換的出現(xiàn)，為信號處理提供了強有力的手段，但是經(jīng)典 的傅里葉分析只適用于確定性的平穩(wěn)信號，對于那些突變信號或非平穩(wěn)信號就難 以得到所希望的結(jié)果；同時，它分析的基礎是依賴于整個信號。快速傅里葉變換 (FFT )隨著計算機技術的發(fā)展，成為信號處理中的一個里程碑。它是1965年由庫 利一圖基(CoolyTukey)提出來的，是適用于計算機求傅里葉變換的算法。基于 FFT的譜估計早已成為模式識別中常用的方法，快速傅里葉變換技術可以把時域 信號變換到頻域里去，給頻域信息的識別提供了有力手段。隨著科學技術的

5、發(fā)展，人們對故障診斷的準確性要求也隨之提高，小波 (Wavelet)理論是八十年代發(fā)展起來的一種新的數(shù)學方法，它與傳統(tǒng)的傅里葉理 論有著密切的關系。法國科學家J. Morlet在1980年首先提出小波變換并用于地 震數(shù)據(jù)分析。隨后與另一位法國科學家A. Grossman共同提出了連續(xù)小波變換的 幾何體系，其基礎是仿射群(即平移和伸縮下)的不變性，這使我們能夠?qū)⒁粋€信 號分解成對空間和尺度(即時間與頻率)的獨立貢獻，同時又保留原信號所包含的 信息。小波分析相當于一個數(shù)學顯微鏡，具有放大、縮小和平移等功能，通過檢 查不同倍數(shù)下的變化規(guī)律來研究信號的動態(tài)特性，S. Mallat于1989年首次提出

6、多分辨分析并應用于小波分析中。多分辨分析統(tǒng)一了在此之前提出的各種具體的 小波構(gòu)造方法，給出了構(gòu)造正交小波的一般方法和快速小波塔式方法。國內(nèi)外近年來小波分析在機械故障診斷中的應用研究發(fā)展十分迅速，如英國 Demontfort大學Wang. W. J和牛津大學Mcfadden. P. D應用小波分析對齒輪箱的 振動信號進行分析來識別其故障；Wang. W. J和Mcfadden. P. D還研究了應用正 交小波和諧波小波對齒輪早期故障的診斷；Lin. S. T和Mcfadden. P. D將B樣條 小波用于齒輪的振動分析；Kimble. K. R. Tibbals. T. F應用小波分析對瞬態(tài) 信

7、號進行了分析研究并和傅里葉變換進行了對比；國內(nèi)清華大學、華中理工大學、 西安交通大學等一些學者也開展了小波分析在機械故障診斷中的應用研究。國內(nèi)目前對振動信號的處理有幾種方法，利用振動信號確定振動事件發(fā)生時 刻、震動幅度，根據(jù)信號出現(xiàn)時間的變化來判斷斷路器機械狀態(tài)，主要的確定方 法有中值濾波器法、微分法、時域包絡法、幅值法和互相關法等；根據(jù)振動信號 是瞬變的非平穩(wěn)信號，利用Wigner-Ville分布使信號能量在時頻二維空間分布描 述振動信號的時頻特性，實際處理時利用Hibert變化以及FFT變換，得到直觀的 三維圖形數(shù)據(jù)，這種方法的缺點是計算量大、不易確定特征量。另外在振動信號 的處理中采用動

8、態(tài)時間規(guī)整、指數(shù)衰減震蕩子波分解等方法。以上的這些信號處 理方法都是對某些特定的故障診斷較為實用，現(xiàn)階段還沒有找到一種通用的信號 處理方法來診斷所有斷路器故障8-9。2. 3斷路器振動信號斷路器振動信號具有大振動沖擊、有效時間短的特點，一般由加速度振動傳 感器來測量。本次試驗采用國產(chǎn)YD-I型壓電加速度傳感器，從傳感器輸出的是和 被測加速度成正比變化的電流信號，在信號的傳輸過程中不易受外界電磁干擾 的影響，電流信號經(jīng)配備的信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成可以采集的電壓信號。加速度傳 感器是一種以壓電材料為敏感元件的機電轉(zhuǎn)換裝置，能把振動機械能轉(zhuǎn)換為電 能，以電荷量形式輸出。加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)為對稱型，具有體積

9、小、重量輕、性 能穩(wěn)定頻響范圍寬等特點。在振動測試中得到廣泛的應用。主要測量到的是被測 表面垂直方向上的振動加速度，水平方向上的加速度可以忽略不計。下表為本次 試驗所選YD-1型壓電加速度傳感器主要技術指標：表2. 1 YD-l型壓電加速度傳感器主要技術指標Table2. I Main technical indicators of YD-l type piezoelectric acceleration sensor型號LC0159-1000靈敏度5.03mV/g諧振頻率40kHz頻率范圍1-12000Hz (10%)抗沖擊5000g分辨率0.002g2. 3. 1傳感器安裝方式的選擇試驗過

10、程中，加速度傳感器要和測試點表面良好接觸，要求安裝的諧振頻率 大于被測信號的510倍以上，并且水平和垂直方向都不能有滑動。目前有五種 傳感器安裝方式可供選擇：方式l直接用螺栓固定，這種安裝方式頻率響應最好，靈敏度也最高，缺點 是需要在測試點的表面鉆孔，容易破壞了斷路器原有的結(jié)構(gòu)；方式2采用粘合劑把加速度傳感器粘貼在測試點的表面，這種方式可以保持 良好的頻響特性，但每次更換測試點都要重新粘貼，操作起來比較麻煩；方式3是采用永磁體吸附在測試點的表面的安裝方式，這種特制的永磁體吸 力可以達到250N以上，將加速度傳感器牢固地吸附在測試點表面，簡單易行，適 合頻繁更換測試點的場合，但缺點是損失了傳感器

11、的部分頻響特性；方式4為可用手持探針的方式，但只適用于快速測量的場合，被測頻率一般 要低于1000Hz：方式5是一種折中的方法，即先在測試點表面粘貼一個帶螺紋安裝孔的剛性 滴座，然后采用剛螺栓連接的方式將傳感器固定在這個底座上。綜合比較安裝簡易程度及效果，本文采用上述第三種傳感器安裝方式，保持 了良好的頻響特性。2. 3. 2傳感器安裝位置的選擇一般地，傳感器應裝在關鍵部件（故障率高、重要性高）的振動源附近，反映 的事件清晰，受其它干擾小，便于安裝、信號傳輸可靠，該位置的信號要滿足重 復性、穩(wěn)定性良好。大量的試驗表明，在如下位置安裝傳感器能滿足要求：1） 滅孤室（垂直方向）：2）操動機構(gòu)（垂直方向）；3）二者之間的位置（如彈簧機構(gòu)的 緩沖器附近）。本次試驗，我們安放了五路傳感器，分別置于