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摘要：齿轮箱是用来改变转速和传递动力的常用机械设备，其传感器是齿轮箱的重要组成部分。本文将对传感器的优化布置进行分析。
关键词：齿轮箱；传感器；优化布置
1 前言
传感器的优化布置是齿轮箱监测系统中重要的问题，应该做到使用尽量少的传感器获取尽可能多的结构信息。在国内外现有的对传感器优化布置研究中，对于桥梁监测系统传感器优化布置研究较多，而对于齿轮箱这类复杂的机械设备传感器优化布置的方法研究甚少。由于粒子群优化（PSO）算法在解决优化问题上有其明显的优势，本文将针对齿轮箱信号采集过程中传感器布置数量难以估计和定位困难的现象，将PSO算法引入到齿轮箱状态检测和故障诊断的传感器优化问题。
2 振动传感器的分类及技术指标
2.1振动传感器的分类
振动传感器的类型较多，从不同的角度进行研究，其分类方法也不同：根据传感器转换后的信号与被测振动参量之间的关系可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器和阻抗传感器等。根据传感器传递能量的方式可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器就是将非电功率转换成电功率的传感器，如电磁式、电动式、压电式等，主要用于接触式测量，其后接电压、电荷放大器。无源传感器是不能将非电功率转换成电功率的传感器，它必须有辅助的电源，如电阻式、电感式、电容式、涡流式等传感器，一般用于非接触测量，其后为电桥电路或谐振电路等。
2.2传感器的技术指标
传感器的技术指标是衡量其使用性能的主要依据，一般从以下几个方面考虑：
（1）灵敏度：它是指在规定的频率范围和周围环境条件下输出量（电压、电荷）与输入量（振动的位移、速度、加速度等）的比值，表征了传感器对输入量变化的反应能力。
（2）频率响应特性：频率响应特性分为幅频特性和相频特性，幅频特性是传感器灵敏度随频率变化的特性；相频特性是输入量与输出量之间的相位差随频率变化的特性，一般只考虑传感器的幅频特性。
（3）线性范围：线性范围是指传感器输入量与输出量之间保持线性关系的最大机械输入量的变化范围。
（4）横向灵敏度：它是指传感器承受与主轴方向垂直的振动时，其输入与输出振动之间的比值。
（5）环境因素的影响：在高温、高压、水下以及强磁场环境中使用时，要考虑环境参数对传感器的影响，并且要作出相应的修正，以便修正最后测得的数据。
3齿轮箱箱体试验模态分析
3.1试验模态分析
试验模态分析过程中，对上箱体的一个固定点施加激振力，同时测出其响应，对拾振点所测的响应信号分别作模态分析，得出箱体试验模态的各阶模态参数。表1为10阶试验模态的固有频率和振型。
表1齿轮箱试验模态参数及振型
测点的x，y，z三个方向的传递函数出现峰值处的频率和最大幅值。根据振动分析的理论，传感器布置的测点位置应尽量在频响函数峰值响应大，且频率远离齿轮和轴承的特征频率之处，且避开齿轮箱的固有频率。在正常工况下，对上箱体10个典型布点为对象进行分析。当对箱体施加激励时，测点1、6在x向和z向的频率响应的振幅的最大峰值总体上都较其它点高。测点2、3在3个方向的频率响应的振幅峰值不突出，大小与激励点位置有关。测点4在y向，测点5在y向和z向频率响应的振幅的最大峰值总体上都较其它点都高。总体上，这6个测点的峰值响应频率良好，远离齿轮和轴承特征频率。测点7、8、9、10均处与上箱体边缘处，峰值响应频率在中频段较多，幅值大小与激励点位置有关，但频率响应的的最大幅值总体上看，测点7、8在x向、z向响应较y向强烈，测点9，10在y向、z向较x向强烈。因此从10个测点的频响特性分析，测点在x、y、z三个方向选择排序大体为：x[167823]，y[4523910]，z[165237].综合3个方向的响应效果，响应强烈前6位排序为[165237]，其中前5个测点的位置与粒子群优化结果一致。在进行齿轮箱模拟故障诊断实验中，利用优化结果的6个测点[123456]布设加速度传感器，以齿轮箱故障敏感特征为输入，以正常工况和典型故障为输出，建立了拓扑结构为7－12－6的3层BP神经网络故障诊断系统，进行了齿轮箱故障诊断，使故障诊断的精度提高26.1%
4 传感器选型分析
为了准确地测量轧机主传动齿轮箱的振动信号，参照传感器的主要性能指标，选用的传感器应满足以下基本要求：①具有宽的动态测量范围，即对低频和高频振动信号都能精确地响应；②具有较宽的频率响应范围；③在其频率响应范围内具有良好的线性度；④对环境干扰信号具有最低的灵敏度；⑤结构坚固，工作可靠，能够长时间地保持稳定的特性。然而实际使用中，不同类型的传感器还有很大差别。目前，用于旋转机械状态检测及故障诊断的振动传感器主要有电涡流式位移传感器、磁电式速度传感器和压电式加速度传感器3类。
电涡流位移传感器的频响范围一般在0Hz～10000Hz，其输出为较为直观的位移信号，低频特性好，其缺点是需要有电源供电与前置放大器，对环境的要求较高，而现场的工作条件有限，布线比较困难，安装调试及维护不方便。速度传感器的频响范围一般为10Hz～2000Hz，其低、高频特性均不是很好，频率响应范围有限，故近年来应用较少。加速度传感器是近年来被普遍采用的振动传感器，其频响范围最高可以达到40kHz，高频特性好，这对于轴承振动信号的获取有着非常重要的意义（如轴承的早期磨损故障，其故障特征是在2000Hz～4000Hz内出现大量的高频峰群），加之随着传感器技术水平的提高，传统的加速度传感器低频特性较差的弱点正在得到解决。此外，体积小、安装方便、不需要有专门的供电装置也是加速度传感器的主要优点。综上所述，为了有效地获取微弱的振动特征信号，仅从低频特性好这一点来看，应选择电涡流位移传感器，但由于轧机主传动系统的齿轮箱振动存在高频成分，且频率覆盖范围广，综合考虑安装调试及维护等方面的因素，对齿轮箱测点应选取合适的低频特性好的加速度传感器。
5 结束语
总之，通过该方法在复杂结构状态检测和故障诊断中起到理论上指导测试点优化布置的作用。
参考文献
[1]许强.模态测试中传感器优化布设的初步研究[D].重庆:重庆交通大学，2016.
[2]魏秀业.基于粒子群优化的齿轮箱智能故障诊断研究[D].太原:中北大学，2016.
论文作者:安博
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/2
标签：传感器论文; 齿轮箱论文; 频率论文; 特性论文; 加速度论文; 峰值论文; 箱体论文; 《基层建设》2017年第28期论文;