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1、第二章 传感器在线监测与诊断,On-line monitoring and fault diagnosis for capacitive equipment,1,二、监测和诊断系统的组成及前端,2.1 系统的组成和分类,1）信号的变送由传感器将监测的物理量转变为电信号传送到后续单元。,电气设备,传感器,信号变送系统,信号预处理,数据采集,数据采集系统,信号传输,数据处理,诊断,处理和诊断系统,状态维修决策,图 监测和诊断系统的组成框图,1. 系统的组成,2）信号的处理对传感器传送来的信号适当预处理，电平、滤波和极性鉴别等。3）数据采集对经预处理的信号采集、A/D转换和记录。4）信号的传输将采集
2、到的信号传送到后续单元。5）数据处理对采集到的数据处理和分析，获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息。6）诊断对处理后数据和历史数据、判据及其它信息比较、分析后，对设备状态或故障部位作出诊断。,归纳为3个子系统：（1）被监测设备和传感器（2）信号预处理和数据采集子系统；（3）信号处理和诊断系统,2.系统的分类1)按使用场所便携式和固定式2）按监测功能单参数和多参数综合性3）按诊断方式人工和自动诊断,2.2 传感器,1.概述传感器是将反映设备状态的各种物理量监测出来。一般转变为电信号再进一步处理。传感器的基本要求：(1)能监测出反映设备状态特征量的信号，有良好的静态特性和动态特性。
3、(2)对被测设备无影响或影响微弱，和后续单元良好匹配(3)可靠性好，寿命长。分类：(1)按需要外加辅助能量与否：有源和无源(2)按发展阶段：结构型、物性型、智能型,2.温度传感器(接触式）(1)固体温度传感器a.热电偶 温差电效应b.电阻式温度计 高强度的金属丝稳定的正温度系数特点、惠斯登电桥(2)半导体温度传感器a.热敏电阻 由MnO、CoO和NiO等金属氧化物为基本成分制成的陶瓷半导体。阻值是温度的函数。b.温敏二极管和晶体管 恒定（集电极）电流下，PN结（发射结）正向电压 与温度有良好的线性关系。,(3)光纤温度传感器光强型：光经光纤通过温敏元件时，温度增加，透射光强度下降，且有较好的线
4、性度。功能型：光纤本身的温敏特性光纤光栅型：,3.红外线传感器热辐射，物体辐射时总包括红外线的波谱，且峰值随温度降低而增加。红外线传感器（红外探测器）技术参数分为热探测器和光子探测器。,1）热探测器热效应(1)热敏电阻型探测器探测器一般由锰、钴和镍金属氧化物按一定比例混合、压制成型，经高温烧结而成。(2)热电偶型探测器利用热电偶的温差电效应测量红外辐射。热电偶两臂分别用正、负温差电动势率的材料制成。(3)热释电探测器热释电效应、铁电体2）光子探测器(1)光电导探测器（光敏电阻）光电导效应,(2)光伏探测器光生伏特效应(3)多元阵列探测器红外成像4.振动传感器测量振动3个参数：位移、速度和加速度
5、1)位移传感器低频区2)速度传感器10Hz1kHz的振动3)加速度传感器1kHz、压电式传感器,4.声发射传感器压电效应,5. 电流传感器1)互感器型的电流传感器穿芯小电流传感器工频：铁镍合金、泄漏电流中低频：微晶、脉冲电源高频：铁氧体、放电电流脉冲a.高频电流互感器次级线圈感应电压e(t)与一次电流i1 (t)的关系：,式中互感,(1)宽带型(自积分),线圈两端并接一个积分电阻R。见图2-10。,自积分电阻R并联一个杂散电容C0，总共形成带通响应：,与R、N和C0的关系：,(2)窄带型(外积分),由积分电阻R和积分电容C构成串联型积分电路。,若R=0，灵敏度：,在C上并接电阻Rd，,灵敏度：
6、,b)低频小电流传感器介损和MOA泄漏电流在线测量中应用，测工频及谐波。(1)电磁关系：,磁势平衡方程：,I0励磁电流,电势平衡方程：,(2)等效电路和相量图：,(3)误差比差：角差 ：,2)霍尔电流传感器利用霍尔效应，通过测量磁感应强度，推算出待测电流值。补偿式：,3)光纤电流传感器a)有源型高压侧电流信号通过采样线圈传递给发光二极管变成光信号，其发光功率随电流大小而变，由光纤传到低电位侧再变成电信号输出。,b)无源型传感部分一般由法拉第磁光效应原理制成。法拉第效应元件放在一次电流产生的磁场中，直线偏振光沿磁场强度(H)方向射入该元件，此元件的光的偏振面随H的大小成正比的旋转。6.电压(电场
7、)传感器a)电场传感器电光效应：电光晶体在外电场作用下，当线性偏振光入射晶体后，出射光即变成椭圆偏振光。偏振特性与外加电场强度成正比。b)耦合式传感器电容耦合,7.气敏传感器a)接触燃烧式当可燃性气体与热铂丝上催化剂接触时，由于其催化作用引起氧化反应，使气体燃烧而导致传感器温度上升，铂丝电阻变大，且与气体浓度成正比。b)半导体式(1)氧化锡烧结型 吸附氧气并丢失电子，并使O2成为负离子，形成势垒，器件表面电阻升高；当氧化锡接触还原性气体（如H2、CO等），吸附的氧与它们反应，得回失去电子，势垒降低，器件表面电阻也降低。,(2)钯栅场效应管钯做栅电极，H2在钯电极外表分解，并在钯金属和SiO间形
8、成偶极层，使阈值电压UT下降，漏源电压下降。8.湿敏传感器聚合物薄膜电解质感湿材料半导体陶瓷材料多孔金属氧化物等效电路：R、C并联,2.3 数据采集及传送1.数据的采集采集来自传感器的信号，并送往数据处理和诊断系统。三部分：(1)多路转换(2)预处理对输入信号的电平作调整和采取抑制干扰措施，提高抑制比。(3)数据采集A/D转换：采集速度和准确度采样率、分辨率和量化误差V/F转换：,2.信号的传输及其中的干扰抑制干扰来源：(1)监测系统内部措施：a.防止电磁耦合；b.一点接地；c.隔离：变压器、光电耦合器、光纤(2)监测系统外部：途径及抑制a.从交流电源b.电磁耦合进传输线c.通过传感器,3.光
9、电信号传输包括光源、光纤、光检测器三部分。1)信号调制方式(1)光强调制;(2)调幅调制(3)调频调制;(4)脉冲编码调制2)信号多路复用(1)频分复用(2)时分复用3)数据传送方式(1)并行(2)串行,4)光电器件(1)光源发光二极管、激光二极管(2)光检测器件PIN型光电二极管、雪崩光电二极管(3)光纤单模、多模,2.4 抗干扰技术概述,种类：1)周期性干扰(1)连续的(2)脉冲型2)脉冲型干扰,1 干扰的硬件抑制措施1)硬件滤波器2)差动平衡系统3)电子鉴别系统,2 干扰的软件抑制措施1）数字滤波器(1)理想滤波器 FFT频域去除IFFT(2)自适应数字滤波,信号源,干扰源,原始输入s+
10、n0,自适应滤波器,参考输入n1,-+,输出,自适应滤波在最小均方(LMS)误差意义上和信号有最佳耦合。,2)平均技术3)逻辑判断4)开窗,2.5 数据处理,作用: 1)去伪存真2)由表及里1.时域分析2.频域分析分析信号的频域特征及其变化。对采集信号作离散傅立叶变换（DFT）。可根据频谱特征识别干扰或故障性质。,3.相关分析在时域上研究两个信号间或信号自身间的相互关系。相互关系指的是波形的相似性。互相关函数：,自相关函数：,相关分析可抑制干扰以 鉴别信号，估计两个相似信号时延（用于定位）。,4.统计分析1)均值计算2)二维谱图3)三维谱图,统计分析可了解故障严重程度或发展趋势，以及故障性质和模式。,
