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造纸机械状态信号采集与系统分析
实验报告
实验名称：造纸机械状态信号采集与系统分析
学生姓名：
班 级：
学 号：
实验时间： 2015 年 1 月 15 日
地 点：逸夫楼 7B429
指导老师：张 辉
造纸机械状态检测与故障诊断》
教学实验纲要
第一部分 实验简介
、实验名称
造纸机械状态信号采集与系统分析
二、实验目的
1、课程情况： 制浆造纸装备状态监测与故障监测学是现代化造纸机械运行和管理必不可少的新 的技术理论， 是制浆造纸装备与控制专业本科 （专科 ）、轻化工程高职本科必修的一门专业基础课，也是制浆造纸工艺本 科、其它专业的选修课。
2、实验目的、意义
（1） （综合 ）设计型实验教学方案， 使学生一方面变被动为主动， 将课堂上理论性较强的、 甚至抽象的 内容通过主动设计实验方案并在实验的具体的演示表达出 来，可以深化理解、巩固课堂内容；
（2）另一方面可以在实验中了解“制浆造纸装备状态监测与故障监测”的一些基本应用原理和方法， 培养和提高学生分析问题和解决问题的能力及科研能力。
三、实验内容
㈠CRAS信号与振动分析系统原理与应用实验（ 4学时）
1、 了解 CRAS（ 随机信号与振动分析系统 ）实验系统单元组成和其组装方法、条件要求；
2、 掌握 CRAS 软件分析系统的基本使用方法；
3、 周期信号的生成方法，非周期信号 （随机信号 ）的生成方法与采集；
（1） 正弦信号发生器 （QL 仪器自带 200Hz）；掌握方法及记录信号特征如：峰值、峰峰值、有效值 等。
（2） 实时数据采集和显示。掌握方法及记录信号特征如：峰值、峰峰值、有效值等。
4、二通道信号非周期信号 （随机信号 ）的基本分析
（用力锤法电荷输入， 用 ICP 传感器电压输入两种情形组合。
ICP 又可在模拟转子上以不同转速和模 轴承上不同转速实验分析）
（1）波形回放；
（2） 频谱分析；
（3） 相关分析；
（4） 概率分析；
（5） 系统分析。
㈡ 造纸机械典型状态信号采集与分析处理综合实验（ 12 学时）
四、实验主要器材及说明
实验用主要器材——最简单的、完备的振动等信号测试系统
（ 一 ） 实验主要器材
1、信号源部分
⑴ 0.5 力锤及传感器，一套，北京 702 所；
⑵CA-YD-107加速度计二只，扬无二厂。
2、 AD数据采集卡
⑴QLI08R数据采集箱一台，信号线四根，电源线一根；
⑵QL-02IA--路电荷，电压放大器一台。
3、 CRSA软件包分析系统
ADCRAS数据采集软件；
SSCRAS信号与系统分析软件；
MACRAS机械模态分析软件；
4、 ZT-3型转子振动模拟试验台
5、 轴承模拟试验台
6、 微型计算机(PC)
7、 打印机(通用)
(二)实验主要器材说明
1、5200系列测力锤(瞬态激振信号源)
主要由锤体、测力计、锤头、输出线 (信号线)组成。
原理
激振是用测力锤敲击被测物件实现。
响应传递函数：H(f)=A( t)/ F(f)
H(f)取决于测力锤强度及脉冲脉宽、被测物件内在结构特征(响应输出)。
结构
F(t)
F(t)
7 .尼龙 铝钢150Hz750Hz 1-flK 2K
7 .
尼龙 铝钢
150Hz
750Hz 1-flK 2K
图2
图2不同锤头敲击的不同波形
■1/3 渣
■1/3 渣
图3测试方框图
2、5100系列传感器（单向压力式）
①主要结构
石英晶体片1、导电片2、传力板3、外壳4、插芯5、插座6为圆环形。
图4 5100传感器结构原理图
②工作原理
a石英晶体片特征为当受均匀外力时，其表面产生与外力成正比的电荷；
b、 测力锤敲击而受均匀外力在力传感器的环形承压面上时，石英晶体片表面产生与外力成正比的电 荷由导电片接收，传到插芯，通过连接导线连到电荷放大器，输出成比例的电压信号。
c、 为了使外力均匀作用在传感器的环形承压面上，传感器的上下接触面精密加工、抛光后，使之平 坦、刚硬。
3、 CA-YD-107/美国产IMI加速度计（传感器）
原理：
压阻式加速度传感器实质是一个力传感器： F= ma
利用硅的压阻效应
固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化，这种效应称压阻效应。
特点：灵敏度高、简单、低功耗、响应速度快、可靠性好、精度高、便宜。
IMI加速度计（传感器）：ICP--6080A11
4、 OL-108R数据采集箱
A、功能：
⑴QL-108R是集A/ D转换、信号输入为一体的数据采集接口装置。
⑵进行二路无相差并行采样，最高采样频率 51.2KHZ。
⑶QL-108R可以程控放大，对输入信号进行 X1、X4、X8、X16倍放大。
⑷QL-108R自带信号发生器，可以产生一个 200Hz、峰峰值4V的标准正弦波以供测 试。
B、使用：
⑴后面板上 25 芯计算机插口与计算机打印口连接；
⑵在后面板上拨动开关 （采集 OR 打印 ）；
⑶用标准电缆将 QL-108R 后面板上 25 芯计算机插口与打印机插口连接
⑷运行 CRAS 系统
①采集分析
计算机开机——按下 QL-108R 前面板上电源开关，处于开机状态 面板上拨动开关至采集——进入 CRAS 系统子目录，运行具体子程序——采集分析数据。
②数据报告打印 在后面板上拨动开关至打印——选择数据或图形——打印——打印先后 在后面板上拨动开关至采集方可继续运行程序。
5、 QL-021A二路电荷\电压放大路
A、 功能：
⑴是一种多功能接口箱，集电荷输入、电压输入、电压放大转速整形为一体并有去直 流分量的功
能。自带简易信号发生器。
⑵电荷输入：将压电式加速度传感器的微弱电荷信号转成电压信号。电荷级由高输入阻抗运放外接 反馈电阻、电容完成电荷／电压转换。
⑶电压输入：将不同物理量经传感器后形成的电压信号进输入 （如振动测量中的速度传感器或位移传
感器的电压输出 ） 。
⑷电压放大：两路完全独立、无相位差，增益可变的放大器组成。
⑸转速整形电路：由面板 BNC插座输出TTL电平脉冲。
⑹信号发生器：
B、 结构使用：
⑴面板
①电荷输入端
Qin ――如压电式加速度传感器的微弱电荷信号用此端。插拔时应断电。
②电压输入端 、
Vin——如电压信号输入进行放大时间用此端。插拔时应断电。
电荷、电压选择一一Q/V键。
。
电压输出 Vout 无论电荷或电压经放大后均由此端口输出。
⑤放大增益――一组琴键开关表示 x 0.1、x 1、X 10、x 100 （一次只能按下来个键）。
⑥37芯接口与计算机相连，电源插口，信号发生器，三芯插座连传感器。
⑵使用 电荷联线的正确联接、 Q／V 开关的正确位置、 Vout 到后板连线。插拔时应断。
6、 ZT-3 型转子振动模拟试验台 本实验台是由东南大学测试仪器厂设计制造的。
ZT-3 型是由 产品代号（ ZT） +跨数组成。
试验台长 1200mm ， 宽 108mm ， 高 145mm ， 质量约 45kg 。
转轴直径均为①9.5mm ,有两种长度规格：320mm轴3根、500mm 油膜振荡专用轴
1根；最大挠曲不超过0.03mm ;沿轴的轴向任何部位均可选作试验中的支承点。
共配有六只 转子，分为两种规格：①76 x 25mm和①76 x 19mm,质量分别为800g和 600g ,可根据实验需要选用。
配有刚性联轴节和半挠性联轴节供选用。
⑴技术参数
电源：220VAC , 50Hz
输出励磁电压：220VDC
输出励磁电流：90mA
输出电枢电压：0~240VDC
电枢电流：0~1A
调速范围：0~10000rpm （满负荷时）
⑵使用方法
接线：接线时断开电源，按调速器面板所标接线，面板右边两对接线柱，上面一对接电枢，下面一 对接电机励磁绕组，并分别以红色、橙色导线区分。
开机：开机后，看转子转动方向是否正确， 由转子向电机方向看， 顺时针方向为正确， 若反时针转,
可将电枢（或励磁）的两根线对调。
注意：每次启动前都要把调压器左旋到零位，即保证电枢电流从零开始往上调，以避免启动电流过 大烧断保险丝。面板左边有两个 3A保险丝，左边一个为电枢电路保险，右边一个为电源保险。
升速：接通电源开关，电源指示灯亮，微动调压器，电流表即有指示，负载较小时，转子即会转动。
升速时必须平滑地转动调压器旋钮，开始升得较慢，调压器转到某一位置后升速较快，这时必须注 意要更平稳、缓慢地转动调压器，以保证瞬时电流不致过大。
降速时，同样要注意平缓，在高速状态停机，应通过平稳降速过程再切断电源，否则电机承受冲击 较大。
实验室如无转速表，可参照转子的 l=f （n）或u=f （n）曲线（见图10），由电流或电压值算得对应的转
速。图10曲线是在三跨负载时测得的。
7、轴承模拟试验台 本实验台是由西安交通大学设计制造的，适用于： 22210Ck\w33、61910、
22317CAIW33三种型号的滚动轴承模拟故障实验。可以测试不同转速 （0?3000
实验台的结构
本试验台由：驱动电机、传动轴、支撑箱体、轴承座、顶尖、加载电机构成。结构紧凑、操作 方便。
五、实验步骤与方法
1、 检查仪器单元；
2、 连接仪器，安装硬件、软件；
3、 依次通电启动调试；
4、 采集信号，记录存盘；
首先进入AdCras数据采集及处理系统，点击“作业”按纽，随即显示作业路径，将其存在 D: xx
XXX中，选择“二通道”。
然后对参数进行设置，点击“参数设置”，采样频率设为 256Hz ;通道标记为Ch01、Ch02;块数选
为2;触发参数设置为自由运行；，电压范围为 +5000mV（程控放大1倍），工程单位为 Ch1: m/s/ s、 Ch2： m/s/s；校正因子 Chl、Ch2 均为 1。
然后点击“数据采集”按纽，同时敲击测力锤进行采样，采样过程中 Blocks显示为2,共分4页显
示，采样结束后系统自动停止采样，同时要停止敲击测力锤。采样结束存盘后，关闭 AdCras数据采集及
处理系统，同时进入SsCras信号与系统分析系统，将在AdCras数据采集及处理系统中采集到的信号调出， 并进行处理。
将处理结果记录、存盘。
5、回放、分析信号，记录图形 （各种分析图），标定特征数据；
六、实验现象、问题、结果与描述
（一）、实验图分析及图的实例运用
图 1 波形图
波形图：波幅随时间变化的频率
波形图的实例运用：造纸机轴承监测诊断、转子系统振动监测、压榨辊振动时域波形图、鱼雷、军舰等。
图 2 频谱图
频谱图：幅值随时间变化的频率
频谱图的实例运用： 压榨部纠偏辊振动频谱、 侧轴 向振动频谱、 压光热辊振动频谱、 中心压榨辊振动 频
谱、烘缸操作侧振动频谱、齿轮啮合频谱、齿轮 磨损频谱等。
图 3 自相关图 自相关函数：指用以描述信号自身的相似程度
自相关函数列表
压光热辊 振自相关图的实例运用： 造纸机轴承监测与诊断、 压 榨部纠偏辊振动频谱、 侧轴向振动频谱、
动频谱、中心压榨辊振动频谱、烘缸操作侧振动 频谱、齿轮啮合频谱、鱼雷、军舰。
压光热辊 振
图 4 互相关图
互相关函数：指用以描述两个信号之间的相似程度或相关性
互相关图的实例运用：
互相关函数列表
鱼雷、 军舰、 造纸机轴承监 测与诊断、 压榨部纠偏辊振动频谱、 侧轴向振动频 谱、
压光热辊振动频谱、中心压榨辊振动频谱、烘 缸操作侧振动频谱、齿轮啮合频谱等。
图 5 波谱图
（二）、 实验现象、实验问题描述 1、实验现象：传感器接触桌面，敲击桌面采集信号时，电脑屏幕随之显示出波形图， 敲击力度不同波 形图不同。实际工程中的振动通常都是随机的，非确定性的信号，振动量的 瞬时值不能用确定的数学表 达式描述，波形没有确定的形状。 2、实验问题：采集信号的时候电脑屏幕上有可能看不到图像。原因
有可能是： ①传感器与桌面没有接触或接触不良时候，电脑屏幕不会显示波形图，必须保证传 感器与
桌面完全接触，才能采集到信号。 ②传感器接触良好的情况下，波形图看不到或者不明显的时候，是因
为纵坐标范围太大，应适当调节 Y +和Y-使范围符合直到出现清晰的波形图。
七、小结 （收获与体会与建议 ）
这个学期我们学习了造纸机械状态监诊学这门课程，它是一门综合应用相关课程的知识和内容来解 决科研、生产、国防建设乃至人类生活所面临的测试问题的课程。涉及到监诊方法的分类和选择，传感 器的选择、标定、安装及信号获取，信号调理、变换、信号分析和特征识别、诊断等。通过造纸机械状 态监诊学实验，我学到了好多课本上学不到的知识体系，第一次把理论和实践进行了结合，深刻地理解 了实践的重要性和必要性。培养了我们创新思维能力，综合运用所学科学理论、分析和解决问题方法和 技术手段分析并解决制浆造纸工程实际问题的能力。通过实验的学习，使我们获得了造纸工程师的基本 训练，将我们培养成“有创意、能创新、善创业”、有较强实验操作能力的工程技术人才。同时也提高 了我对制浆造纸装备与 控制专业的专业素养。下面请允许我从以下几个方面谈谈我的一些收获和体会。
“现代造纸机械状态监测与故障监测”是现代化造纸机运行和管理必不可少的新技术理论，是制浆造纸 装备与控制专业本科必修、制浆造纸工艺本科专业选修的一门专业基础课。 因此，相应的实验课是一门
专业基础实验课。它将课堂上理论性较强的、甚至抽象的内容通 过实验课具体的演示表达出来，使学生
一方面可以深化理解、 巩固课堂内容， 另一方面可以 在实验中了解 “制浆造纸装备状态监测与故障监测” 的一些基本应用原理和方法。