DF16光电传感器动态故障诊断技术研究与诊断系统开发

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.86MB 87 页 15积分
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摘 要
任何一种故障诊断方法要实现其价值，都要靠一种性价比高的故障诊断系
统。虚拟仪器代表了新的检测思想和手段，引领测控技术新的发展方向。
本课题主要是以工业计算机为硬件平台、以 NI 公司开发的 LabVIEW 为软
件平台，配以相应的数据采集卡、步进电动机、编码器、信号处理等硬件部件研
究开发一套故障诊断检测和分析系统，用来诊断 DF16 光电传感器的故障。
论文首先分析了故障诊断的相关理论知识和方法，对常见的故障诊断方法进
行了比较和分析，选用了基于可测信号的故障诊断法，为系统的研制开发工作提
供理论依据。
其次，详细解析了 DF16 光电传感器的工作原理，结合现场专家的实际经验
说明了 DF16 光电传感器的常见故障，并对每种故障产生的原因进行了理论分析。
再次，设计了 DF16 光电传感器故障诊断系统总体结构和系统的硬件。接着
分析影响步进电动机控制系统稳定的因素及采取相应的抑制措施。
接着完成系统的软件设计及编程任务。在 LabVIEW 平台下编写数据采集模
块、步进电动机的控制功能模块、数据保存、故障分析及处理和实时显示功能模
块等。
最后，完成系统的综合调试，并给出了系统空载、负载及 DF16 光电传感器
各种故障状态下的试验结果。
本课题研制开发的基于虚拟仪器的故障诊断系统，经过试验结果验证具有良
好的性能，准确诊断了 DF16 光电传感器的各种故障，达到了预期的结果。在用
户验收过程中，系统性能完全满足了实际故障检测和诊断分析的需要，得到了用
户的充分肯定。
关键词：故障诊断 虚拟仪器 步进电动机 光电传感器 LabVIEW
ABSTRACT
Any kind of fault diagnosis methodwhich realizes its value depends on a
cost-effective fault diagnosis system. Virtual instrument on behalf of the new ideas and
means of detection, monitoring and control technologies to lead the new direction of
development.
The topics mainly of industrial computer hardware platform to NI developed
LabVIEW software flatform, with the corresponding data acquisition cards, stepper
motors, encoders, signal processing hardware components, such as research and
development of a fault diagnostic tests and analysis system, used to diagnose DF16
opto-electrical sensor failures.
This thesis first expounded the theory of fault diagnosis-related knowledge and
methods of common fault diagnosis method of comparison and analysis, selected based
on measured signals fault diagnosis method, the system developed to provide theoretical
basis.
Secondly, a detailed analysis of the opto-electrical sensor DF16 working principle,
combined with the practical experience of experts in the field shows DF16
opto-electrical common failure, and failure causes of each analyzed.
Thirdly, the design of the DF16 opto-electrical sensor fault diagnosis system for
the overall structure and system hardware. Followed by analysis of the impact of
stepping motor control system stability and take necessary measures to suppress.
Complete system software design and programming tasks. LabVIEW platform in
preparation of data acquisition module, stepper motor control function modules, data
retention, failure analysis and processing and real-time display module and so on.
Finally, the completion of a comprehensive system debugging, and the system
non-load, load and DF16 opto-electrical sensor fault under a variety of test results.
The subject researches and development of virtual instrument-based fault diagnosis
system. After test results show a good performance, accurate diagnosis of the DF16
various photoelectric sensor failure,to achieve the desired results. In the process of user
acceptance, system performance has fully met the actual fault detection and diagnosis of
the needs of user have been generally well received.
Key Words ：Fault diagnosis, Virtual Instrument,Stepper Motors,
Opto-electrical sensor, LabVIEW
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题来源 .........................................................................................................1
§1.2 课题背景与意义 .............................................................................................1
§1.3 故障诊断技术的国内外发展与研究现状 .....................................................2
§1.4 本课题的主要研究内容 .................................................................................3
§1.5 本章小结 .........................................................................................................4
第二章 传感器故障诊断方法 .........................................................................................5
§2.1 依赖于模型的故障诊断方法 ..........................................................................5
§2.1.1 基于状态估计的故障诊断方法 ............................................................5
§2.1.2 基于参数估计的故障诊断方法 ............................................................6
§2.2 不依赖于模型的故障诊断方法 ......................................................................7
§2.2.1 基于知识的故障诊断 ............................................................................7
§2.2.2 基于信号处理的故障诊断方法 ............................................................9
§2.3 DF16 光电传感器故障诊断系统方法选择 ..................................................11
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................11
第三章 DF16 光电传感器工作原理及故障分析 ........................................................ 12
§3.1 引言 ................................................................................................................12
§3.2 DF16 光电传感器介绍 ................................................................................. 12
§3.3 DF16 光电传感器系统组成 ......................................................................... 13
§3.3.1 数据采集部分 ......................................................................................13
§3.3.2 数据处理部分 ......................................................................................15
§3.3.3 航空插头与导线 ..................................................................................15
§3.4 DF16 光电传感器工作原理 ......................................................................... 16
§3.4.1 莫尔条纹原理 ......................................................................................16
§3.4.2 莫尔条纹的几何特性 ..........................................................................16
§3.4.3 莫尔条纹位移的原理 ..........................................................................17
§3.4.4 光栅莫尔条纹测量的特点 ..................................................................18
§3.4.5 辨向原理 ..............................................................................................19
§3.5 DF16 光电传感器的故障特征 ..................................................................... 20
§3.6 原因分析 .......................................................................................................20
§3.6.1 输出信号脉冲数减少 .........................................................................20
§3.6.2 输出信号断续 .....................................................................................21
§3.6.3 输出信号始终为高或低 .....................................................................21
§3.6.4 无输出信号 .........................................................................................21
§3.7 本章小结 .......................................................................................................21
第四章 DF16 光电传感器故障诊断系统硬件设计 .................................................... 22
§4.1 系统预期功能 ...............................................................................................22
§4.2 系统结构及工作原理 ...................................................................................22
§4.3 工业计算机的选择 .......................................................................................23
§4.4 数据采集卡 ...................................................................................................24
§4.4.1 香农采样定理 ......................................................................................24
§4.4.2 数据采集卡 PCI-8335A 概述 ............................................................. 25
§4.4.3 采集卡 PCI-8335A 主要技术参数 ..................................................... 26
§4.4.4 数据采集卡的安装 ..............................................................................27
§4.5 步进电动机 ...................................................................................................28
§4.5.1 步进电动机和交流伺服电机性能比较 ..............................................28
§4.5.2 步进电动机的选择 ..............................................................................29
§4.5.3 步进电动机型号的确定 .....................................................................30
§4.5.4 步进电动机驱动器 .............................................................................31
§4.6 编码器及其选型 ...........................................................................................34
§4.6.1 编码器 ..................................................................................................34
§4.6.2 增量式编码器的选型原则 ..................................................................35
§4.6.3 编码器 K38-J2V1000 ..........................................................................36
§4.7 信号处理电路 ...............................................................................................36
§4.8 联轴器 ...........................................................................................................37
§4.9 系统的硬件集成 ...........................................................................................37
§4.10 本章小结 ......................................................................................................38
第五章 系统稳定性分析 ...............................................................................................39
§5.1 步进电动机基本原理 ...................................................................................39
§5.1.1 二相混合式步进电动机的结构及其基本原理 ..................................39
§5.2 步进电动机的细分驱动原理 .......................................................................41
§5.2.1 步进电动机的矩频特性 ......................................................................44
§5.2.2 步进电动机的振荡机理分析 ..............................................................44
§5.2.3 系统细分数选择 ..................................................................................47
§5.3 步进电动机的升降速分析 ...........................................................................47
§5.3.1 速度控制的必要性 ..............................................................................47
§5.3.2 升降速运行曲线 ..................................................................................47
§5.4 步进电动机的丢步问题及解决方法 ...........................................................48
§5.5 本章小结 .......................................................................................................49
第六章 DF16 光电传感器故障诊断系统软件设计 .................................................... 50
§6.1 系统的软件平台 ...........................................................................................50
§6.2 系统软件设计的基本原则 ...........................................................................51
§6.3 系统软件的结构设计 ...................................................................................51
§6.4 程序界面的设计 ...........................................................................................52
§6.5 程序编写 .......................................................................................................54
§6.5.1 数据采集 .............................................................................................54
§6.5.2 步进电动机控制与 Occurrence 技术 ................................................ 65
§6.5.3 相似三角形法减小频率误差 .............................................................67
§6.6 本章小结 .......................................................................................................69
第七章 故障诊断系统试验的调试与结果 ...................................................................70
§7.1 参数关系 .......................................................................................................70
§7.2 试验分析与结果 ...........................................................................................71
§7.2.1 系统空载误差测定与稳定试验结果 .................................................71
§7.2.2 系统负载误差测定与稳定试验结果 .................................................72
§7.2.3 系统故障试验结果 ..............................................................................73
§7.2.4 DF16 光电传感器故障诊断试验 ....................................................... 73
§7.3 本章小结 .......................................................................................................76
第八章 工作结论与展望 ...............................................................................................77
§8.1 工作结论 ........................................................................................................77
§8.2 发展与展望 ....................................................................................................78
参考文献 .........................................................................................................................79
附录：系统电路图 .........................................................................................................83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................84
致谢 .................................................................................................................................85
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源
本课题来源于太原铁路局湖东电力机务段（大秦铁路公司）。太原铁路局湖东
电力机务段（大秦铁路公司）为保证机车运行的安全，根据安全运行的经验和实
际情况，委托上海理工大学研制一套“DF16 光电传感器动态试验台”故障诊断系
统，用于改善目前 DF16 光电传感器的测试条件和环境。
§1.2 课题背景与意义
传感器是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统以及计算机信息输入装置中
的敏感元件。从工业、农业、环境保护、医学、航空航天等领域，直到我们的日
常生活所用的家用电器、汽车、防灾等方面都用到各种各样的传感器。在计算机
技术高度发展的今天，传感器的重要作用日益突出，特别是对于一些投资巨大的
设备，如航天飞机、火箭、大型电站等。传感器的质量不仅直接关系到设备的运
行状态，而且关系到系统的安全问题，特别是一些提供反馈信号的传感器，其工
作状态直接影响到系统的性能。但现实的情况却不容乐观，由于传感器工作环境
复杂、恶劣、分布面广、数据量大、传感器安装部位特殊等原因，使得传感器成
为控制系统中的薄弱环节之一，是系统中最易发生故障的部件。据统计，
80%的控
制系统失效起因于传感器的故障，仅靠人力去发现和修复传感器故障很难做到及
时有效。
作为自动控制技术典型应用的电力机车，运行控制系统复杂，系统中含有大
量的传感器，它们的故障对机车可靠运行具有重大影响。本课题中研究的对象为
DF16 光电传感器，它是上海德意达公司引进德国 DEUTA 公司技术和主要部件组
装生产的，被德国西门子公司装配到“和谐”号动车机组上，用来检测和反馈机车的
运行速度，机车司机根据检测的速度做出判断。但由于受机车振动、日光暴晒、
雨水和油污等的侵袭，使得 DF16 光电传感器成为机车控制系统中最易发生故障的
部件之一，这样就会直接影响到机车的工作情况，从而进一步影响到机车的运行
安全。因此 DF16 光电传感器的故障检测对于机车的安全运行有着举足轻重的作
用，各机车检修段都将 DF16 速度传感器作为定期检修的重要设备。
目前国内大多数机务段的维修人员对于光电传感器的故障只能靠经验、频率
计等简单工具来进行诊断和维修，而对故障产生的原因还不能深刻地了解。另一
DF16 光电传感器动态故障诊断技术研究与诊断系统开发
2
方面，很多时候由于检测工具的精度不高和技术人员的主观臆断，会产生很多的
误判、漏判和错判，很难满足日益增长的缩短维修时间需求和安全运行的要求。
因此，研究传感器故障机理的知识和诊断方法，开发一套低成本、高效率、高可
靠性的 DF16 光电传感器故障诊断系统具有现实的意义。
§1.3 故障诊断技术的国内外发展与研究现状
故障定义为使系统表现出任何异常现象或动态系统中部分元器件功能失效而
导致整个系统性能恶化的情况或事件。故障诊断的概念有两种涵义：一种是指利
用某些专用的仪器直接进行故障检测与诊断；另一种是指由计算机利用系统的解
析冗余，完成工况分析，对生产是否正常和是什么原因引起故障、故障的程度有
多大等问题进行分析、判断，得出结论。
故障诊断技术是近 40 年来发展起来的一门新学科，它是适应工程实际需要而
形成的多学科交叉的一门应用型的边缘综合学科，它的理论基础是现代控制理论、
计算机工程、数理统计、信号处理、模式识别、人工智能、人工神经网络以及相
应的应用学科，它的研究己成为控制领域的前沿课题。
从40 年代开始，人类的生产方式日益向大工业方向发展，在这种宏伟的社会
大背景下，系统论、混沌学等纷纷诞生，尤其是控制理论出现了重大突破，产生
了一系列现代控制方法。生产系统的庞大化和复杂化同时也暴露出一些问题，即
如何避免运行中故障发生的问题，这就要求有一门相应的诊断技术。同一时期，
电子技术尤其是计算机技术的发展，为诊断技术提供了必要的技术基础。
70 年代是故障诊断技术发展的初级阶段，这一时期的故障诊断理论还不太成
熟，理论的应用实例还很少，一些简单的诊断算法如检测滤波器、广义似然比、
极大似然比等都是在这一阶段提出的。
80 年代是故障诊断技术蓬勃发展的一个阶段。在这一期间提出了各种新的理
论方法，理论的实际应用也得到了发展。不过这一阶段的故障诊断技术应用面还
比较狭窄，主要局限于航天、船舶、发电厂、核电厂等一些专门领域，普通的工
业控制领域涉及并不多，使用的故障诊断方法主要是基于观测器及滤波器方案或
系统辨识和参数估计方案。
到了 90 年代以后，人们对于故障诊断理论的研究更加深入，各种方法己经不
再完全孤立，而且随着理论的发展各方法之间不断相互渗透和融合。另外理论应
用的领域也有了很大的扩展，虽然参数估计和观测器方案仍然是使用得最多的故
障诊断方法，但近年来实用神经网络、模糊逻辑及组合方法的故障诊断在明显的
增加，对于非线性系统的故障诊断也有了更深入的研究。
第一章 绪论
3
进入新世纪，随着故障诊断基础学科的不断发展，故障诊断技术将迎来新的
发展高峰，为国民生产、生活带来更多的经济和社会效益。我国对故障诊断技术
的研究起始于 80 年代初，基本是处于跟踪学习国外理沦的水平上，自己独特的见
解很少，实际的故障诊断装置更是凤毛麟角，进入 90 年代国内对这一领域的研究
才真正活跃起来，但与国外研究水平相比我们还有很大的差距。
故障诊断技术从发展至今己经涌现了大量的故障诊断算法，取得了一定的研
究成果。但总的来说，故障诊断技术的应用水平还不太高，几年前国际自动控制
联合大会就曾指出：“故障诊断的研究已经成为当代科学技术发展的新动向，但这
方面的研究大部分仅停留在具体应用背景、计算机仿真或实验阶段，真正成功地
应用于实践的实例仍属少数”。造成这一现象的原因是由于大多数的故障诊断算法
都是建立在一定量理想假设的情况下，比如故障诊断算法中可能假设系统是线性
的，或者假设系统没有外部干扰，或者假设系统的模型参数是不变的等等。然而
这些假设很难满足实际系统工作状态，所以当这些故障诊断算法应用于实际时就
会经常发生故障误报或漏报的现象，以致很难有实用价值。还有一些算法由于运
算量过大，做不到实时的故障检测，所以也不能应用于上程实践。目前，故障诊
断的研究工作还有很多问题有待解决，如进一步发展和完善故障诊断的理论，成
功地将理论成果应用于实践，提高故障诊断机构故障检测和分离的可靠性、缩短
检测延时时间和避免误检，提高算法的鲁棒性等。
§1.4 本课题的主要研究内容
本课题的目的：研究和解决在虚拟仪器设计软件 LabVIEW 环境下实现 DF16
光电传感器故障诊断检测和诊断所面临的理论和技术，设计和开发基于虚拟仪器
的DF16 光电传感器故障诊断系统，并使系统达到快速、简捷、可靠的工程应用。
本课题的主要研究内容有：
（1）研究故障诊断的相关理论知识，为系统的开发工作奠定理论基础。
（2）详细剖析 DF16 光电传感器的工作原理，结合实际状况分析 DF16 光电传感
器的常见故障，并对每种故障产生的原因进行理论分析。
（3）设计系统总体结构，提出传感器故障诊断系统的硬件部分的实现方法，包括
工业计算机、步进电动机及其驱动器、数据采集卡、编码器等主要部件，设
计信号处理电路、联轴器，完成故障诊断试验台的硬件构建。
（4）分析步进电动机的基本原理、细分驱动技术、矩频特性，剖析影响步进电动
机控制系统稳定的因素，包括振荡机理、升降速曲线、电机丢步问题等方面
的理论知识。
DF16 光电传感器动态故障诊断技术研究与诊断系统开发
4
（5）完成系统的软件设计及编程任务。在 LabVIEW 平台下编写数据采集模块、
步进电动机的控制功能模块、数据保存、故障分析及处理和实时显示功能模
块等，完成 DF16 光电传感器的故障诊断系统，实现系统软件和硬件的结合，
开发一套用于实际计量任务的传感器故障诊断试验台。
§1.5 本章小结
本课题来源于实际工程，具有实际应用意义，其最终目标是研制一套 DF16
光电传感器故障诊断测试系统。本章主要介绍了课题来源、背景及意义、故障诊
断技术的国内外发展与研究现状，并介绍了本课题的研究目的及主要内容。
摘要：

摘要任何一种故障诊断方法要实现其价值，都要靠一种性价比高的故障诊断系统。虚拟仪器代表了新的检测思想和手段，引领测控技术新的发展方向。本课题主要是以工业计算机为硬件平台、以NI公司开发的LabVIEW为软件平台，配以相应的数据采集卡、步进电动机、编码器、信号处理等硬件部件研究开发一套故障诊断检测和分析系统，用来诊断DF16光电传感器的故障。论文首先分析了故障诊断的相关理论知识和方法，对常见的故障诊断方法进行了比较和分析，选用了基于可测信号的故障诊断法，为系统的研制开发工作提供理论依据。其次，详细解析了DF16光电传感器的工作原理，结合现场专家的实际经验说明了DF16光电传感器的常见故障，并对每种...

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作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：87 页 大小：3.86MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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