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LMS SCADAS Ⅲ动态采集系统在振动测量系统中的应用研究 |
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作者： |
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摘要：本文在掌握LMS SCADAS Ⅲ动态采集系统操作原理基础上，对常用振动测量系统进行应用研究，提出传感器敲击波形异常分析方法，传感器通道检查方法和系统电缆优化选择方法。以上方法在实际振动试验中进行了验证应用，可有效提高振动测量系统的可靠性。
1 前言
LMS SCADAS Ⅲ信号调理和数据采集系统可提供多通道动态数据采集所需的完整平台。它采用模块化结构，可根据实际需求精确配置系统，对于大通道数的采集系统，通过数字化和DSP处理可以提高系统的分布式实时处理能力。信号调理模块包括带ICP供电的电压放大输入，电荷放大输入，带可编程高通滤波器的传声器放大输入，及桥式放大输入等。LMS SCADAS Ⅲ能胜任包括声学评估、MIMO结构试验、旋转机械分析、振动控制、时间波形模拟等应用，并能提供最优的性能价格比。
2 振动测量系统
一个常用的LMS SCADAS Ⅲ动态采集系统其系统组成如图1，图中传感器将感受到的物理量作为输入并按一定规律转换成测量所需物理量后输出的一种装置。LMS SCADAS Ⅲ动态采集分析装置是基于快速傅立叶变换原理和数字信号处理技术，对输入的传感器信号进行抗混滤波、采样和模数转换等初步处理后进行不丢失数据的连续不间断的存盘记录，同时按不同要求可对信号进行实时与事后的时域分析、时差域分析(相关分析)、频域分析(功率谱、频响函数等)和幅值域分析(直方图、概率密度等)。具有齐全的辅助功能，如加窗、平均、细化、内装信号源等。
图1 振动测量系统组成框图
振动测量系统测量原理为：测点部位振动冲击作用于加速度传感器，经测量电缆把传感器信号传输至LMS采集系统进行采集和处理。
3 LMS系统应用研究
利用LMS SCADAS Ⅲ动态采集系统强大的采集处理能力，对组成振动测量系统的各个环节进行分析，主要从传感器和测量电缆两方面进行应用研究，以此来提高振动测量系统的可靠性。
3.1 传感器敲击异常波形分析
目前振动传感器可靠性检查方法为：选择传感器时，先对选中传感器进行敲击，并在示波器上观察其波形，若波形正常，则表明此传感器可用。由此方法选择的传感器在连接测量电缆安装在测振块上时，经常出现个别传感器输出零位噪声偏大或输出信号异常的状况。究其原因在于在进行传感器敲击检查时，在示波器上不能完全观察到敲击信号的波形特征，通过在LMS采集系统上敲击传感器并记录相应的冲击信号，而后通过软件对信号的局部进行放大来观察传感器输出信号是否存在异常，可以弥补使用示波器检查传感器方法中存在的不足。
LMS采集系统记录下正常的敲击震荡、放大波形见图2。
图2 正常敲击震荡和放大波形
从图2中看出，敲击震荡波形信号的特征为：其震荡波形接近于一个衰减的指数函数，有一个明显的冲击波峰和几个衰减下来的冲击波峰，且各波形持续时间为10毫秒左右。
下图为LMS采集系统记录下的两个输出信号异常传感器的敲击震荡信号波形。
图3 输出信号异常传感器敲击波形
通过分析，可看出异常波形产生的原因在于传感器在敲击过程中产生了严重的零点漂移，从敲击波形的时域曲线上观察就是数据的中心不在零点。
零点漂移严重影响数据处理结果，它改变数据的统计特征值如均方根值，零点漂移本身又可看作一虚假直流分量，在零频处产生谱峰。零点漂移信号如果只是零点按常数偏离基线，在试验数据处理中很容易去除。因为振动信号中心电平一般设置归零，此时零点漂移信号x＇(t)可以写成真实信号x(t)加一固定常数a的形式：
式中：a为零点漂移幅度。
在测量振动数据中如果发现此类零点漂移现象，可以先求得的x＇(t)平均值：
对于实际测得的振动信号数据x(t)的均值为零，所以可以得到：
求出a以后，从获得的数据中减去该值就得到了真实信号，这就是传统的基线调零方法。需要注意的是，实际试验条件下，获得的振动信号在整个时程上的振幅可能并不严格对称，也就是说真实信号x(t)的均值有可能不严格满足等于零的条件，此时，需要对基线调零后的数据在时间历程曲线上进行目测，或者采用后面介绍的分段平均法进行处理。
除了零点按常数偏离基线的零点漂移现象外，有时在信号中还存在一种阶跃型零漂现象，阶跃型零点漂移与趋势项非常相似，但是不能按照去除趋势项的方法将其去除。阶跃型零点漂移现象还可以看作常数零漂的分段组合，也就是说在一次信号采集中，一路振动信号在不同的时间范围内产生不同常数值的多次零点漂移，产生这种现象的原因可能是传感器在数据采集过程中由于承受外界载荷或环境的动态变化导致了传感器参数的变化。如果从数学角度上讲，相当于一个非周期的方波信号在真实信号上的叠加。
作为叠加在信号中的非周期方波信号，不容易提取，主要是由非周期方波变化的不确定性造成的。对于不规则零点漂移现象，不仅仅影响信号时域处理中的统计参数，在频域中除增加零频分量影响低频处理结果，由于不连续的阶跃变化，还将在信号频谱分析中产生虚假的高频分量，此时仅仅依靠频域滤波去除虚假频率成分也是非常困难的。因此在挑选振动传感器时必须关注信号中的零点漂移现象，并选择零点漂移小的效果不明显的传感器作为试验用传感器。
通过以上分析可知，传感器的敲击检查应是传感器优化选择的一种重要手段，通过该方法不仅可以选出性能优良的传感器，还可以检测振动传感器的零漂大小，另一方面可以看出传感器可靠性能下降时，其表现出来的图形不尽相同，其不同的可靠性能指标可以通过记录下来的敲击波形来考察。
3.2 传感器通道检测方法
目前振动传感器通道检查采用方法为：安装完传感器后对各测振块进行敲击以确定各传感器通道是否异常。此方法简便有效，但在实际操作过程中，由于某些重要参数测振块上多达五个测点，分别为轴向，径向和切向常规和低频，当敲击测振块时，五个测点波形均会产生振荡波，但轴向，径向，切向各传感器却不易分辨，可导致轴径切向五个传感器安装错误但无法有效检测，严重影响试验测量结果的有效性。由于LMS采集系统对多通道可进行并行采集，且每通道最高采样频率不低于102.4kHz的连续长时间存盘能力，为此我们提出传感器通道检查改进方法：在安装过程中分别将各参数按通道表排列顺序，并启动采集设备，依排列顺序对各传感器进行安装并记录安装顺序，安装完成后进行敲击检查，确保各传感器输出波形无误。安装完成后，对采集系统各参数波形进行观察。由于安装传感器螺帽过程中，该传感器对应参数的波形会有较大波动，根据此前安装排列顺序，对各传感器对应参数的波动时间段进行记录，若波动时间也按安装顺序依次增大，则可确定各装传感器通道正确。通过此方法可对传感器各通道对应关系进行确定，有效保证了试验结果的有效性。图4所示为在安装振动传感器过程中传感器轴向参数a1、径向参数a2、切向参数a3安装波形图，其中安装顺序为a1→a2→a3，从其波形中可看出a1=693.51s，Ta2=733.22s，Ta3=758.41s，则可验证其安装顺序正确，并确定轴、径、切向参数。
图4 传感器安装波形图
3.3 测量通道优化选择方法
3.3.1 测量电缆数学模型
为了研究电缆内部各组成参数对电缆性能的影响，建立了如图5所示的电缆数学模型。假设电缆的组成材质为均匀分布，L、C、R、G分别为单位长度的单相电感、电容、电线电阻、电线对地漏电阻（绝缘电阻）。
图5 电缆数学模型
图中R代表了电缆材料的欧姆损耗，电缆上各电阻R上的压降是串联连接的。L是磁感应电动势阻止电流变化而产生的自感。C是模拟导线与屏蔽层之间的电容效应。
根据振动测量要求，测量电缆的选择指标有两方面因素：电缆阻值和电缆绝缘值。通过测量电缆阻值是否在规定的范围来判断电缆是否短路、开路或被老鼠啃食，并通过摇表测量每一路的绝缘电阻值是否大于500MΩ来判断电缆绝缘性能的好坏，但影响电缆噪声的因素很多，仅依靠上述两个原则并不能判断电缆性能的好坏。表1是某一次未接传感器时测量电缆的绝缘电阻和噪声情况，由表中可以看出绝缘性能好的未必噪声就大。表1 绝缘电阻测量值
 3.3.2 测量电缆分布电容计算方法
在电缆数学模型中，电缆电阻和绝缘电阻仅是该模型的一部分。在实际测量中，由于电缆电感的存在，会在电缆中形成寄生电容（寄生电容一般是指电感等在高频情况下表现出来的电容特性），该电容值的大小会在摇绝缘和受到较大冲击时影响电缆中的噪声值，同时电缆分布电容值的存在会影响实际得到的振动时域波形数值的大小，具体计算分析如下。
为了保证测量系统的可靠性和精度，必须对振动传感器和测量仪器进行校准。从校准的观点看，传感器可分为工作校准和系统校准两大类，前者校准工作由专业计量机构完成，配备相应的校准证书，从该证书上可以查到该传感器的编号及其灵敏度，而标准传感器则用作国家级计量部门的基准与地方计量部门之间的传递，以及标准传感器的参考校准。振动系统校准通过加载已知标准信号，得到传感器和测量系统输出记录值与已知信号值对比，确定参数校准系数。
为了深入研究测量电缆分布电容对校准系统的影响，将其校准系统数学模型表示如图6所示，图中测量系统加标准信号源U，前端串联电容C（假设C=1000Pf），设信号源电缆和采集系统电缆之间电容为C1。依据上述分析可建立以下振动系统校准数学模型，如图6所示：
q=(C+C1)×U （5）
图6 校准系统数学模型
对上述系统校准数学模型加标准信号，由公式（3），C=1000pf，测得q＝12000Pc，求得C1＝500pf通过对采集系统信号波形值进行记录，得q1为1790c，与计算结果相符。故可验证此数学模型正确。图7为校准信号波形图。分析可算出，测量电缆分布电容值约为500pf。
3.3.3 测量电缆优化选择方法
为了完善测量电缆选择指标并优化电缆性能，以下提出选择测量电缆指标性能原则：静态原则和动态原则。其中静态原则考虑其电阻值和绝缘值，动态原则主要涉及电缆电容值。 动态原则主要考虑电缆电容值，电缆电容值包括电缆寄生电容和分布电容。通常情况下电缆寄生电容很小，可忽略不计，但对有些性能较差的电缆其寄生电容很大，导致在对电缆摇绝缘时对寄生电容充电，该电缆接入采集系统后其零位噪声值偏大，有时甚至超过振动信号，其具体对振动信号的影响分析如下：
设电缆寄生电容为Cj，分布电容为Cf，Cj和Cf为并联关系，则电缆总电容C1为：C1=Cj+Cf。由于振动测量的物理量是电荷量，设传感器产生的电荷量为Q，采集系统获得的电荷量为q1，则由于电缆中寄生电容的存在，其上会聚集部分的电荷量设为q2，根据公式守恒公式可得：
Q=q1+q2 （6）
由此可知，由于电缆寄生电容的存在，在试验过程中由于振动而产生的电荷一部分被寄生电容所有，导致实际测得的电荷量偏小，影响了振动测量数据的精度，因此对此类电缆必须将其剔除。
同时根据采集系统测得的电荷值和测量电缆的分布电容值也可进一步得到电缆的噪声电压值。假设采集系统空载时其加速度值约为2.3×10-3m/s2，则其等效电荷值为2.3×10-3 Pc(加速度值：等效电荷值=1：1)。通过连接未接传感器的电缆，其测量的等效电荷值范围为：30～80Pc，引起电荷量变化的原因是由于电缆中噪声电压的存在，通过公式Q=C×U可得到其等效电缆噪声电压值U=Q/C的范围。
体现振动测量电缆性能好坏的一个主要指标就是电缆噪声，该噪声值的大小一方面反映了电缆数学模型中电缆电阻和绝缘电阻的性能，另一方面也体现了电缆自身电感和分布电容的影响。为此，在试验准备过程中，应对振动测量电缆的静态性能和动态性能指标进行综合考虑，优先选择电阻值适当、绝缘值大、噪声小、电缆电容值小的测量电缆，以此提高振动测量系统的可靠性。
4 结论
本文在LMS SCADAS Ⅲ动态采集系统强大的处理能力基础上，研究了传感器敲击波形异常分析方法，传感器通道检查方法和系统电缆优化选择方法，将三种方法结合LMS采集系统进行了实际应用，并在实际试验中进行了验证，结果证明能有效提高振动测量系统的可靠性，为试验系统提供强有力的技术保障。(end)
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(11/21/2011) |
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