JP2017037052A - Vibration detection device, vibration detection method and vibration detection program - Google Patents
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Description
本件は、振動検出装置、振動検出方法および振動検出プログラムに関する。 The present case relates to a vibration detection device, a vibration detection method, and a vibration detection program.
回転機械等の力学的機構を備える設備の異常診断には、軸受等の故障頻度の高い地点の近傍で振動を検出して得られる信号により異常可否を判定する振動診断が用いられている。 In the abnormality diagnosis of equipment equipped with a mechanical mechanism such as a rotating machine, vibration diagnosis is used to determine whether abnormality is possible or not by a signal obtained by detecting vibration in the vicinity of a point where the frequency of failure such as a bearing is high.
例えば、振動検出装置として、振動物体に接触する部分に加速度センサを設置し、センサ治具を振動物体に直接ねじ込み、強固に固定したものを用いることができる。接触共振周波数を高くすることで、検出する周波数帯(例えば10Hz〜数10kHz帯まで)の広い範囲で平坦な周波数特性を持つことができる。 For example, as the vibration detection device, an acceleration sensor may be installed at a portion that contacts the vibrating object, and a sensor jig may be directly screwed into the vibrating object and firmly fixed. By increasing the contact resonance frequency, it is possible to have flat frequency characteristics in a wide range of frequency bands to be detected (for example, from 10 Hz to several tens of kHz).
その他の固定方法として、磁石や接着剤で振動物体の間を接触させること、振動物体に接触する稼動部を高い接触共振周波数特性を持つ形状にする(特許文献1,2参照)など、使用する環境や状況に合わせて様々な物が使用されている。
Other fixing methods include using a magnet or an adhesive to make contact between vibrating objects, and forming a moving part in contact with the vibrating object with a shape having high contact resonance frequency characteristics (see
しかしながら、高周波帯において周波数特性が変動し、一部の周波数帯において信号強度の強調が生じるため、誤検出が生じる。 However, frequency characteristics fluctuate in the high frequency band, and signal strength is emphasized in some frequency bands, so that erroneous detection occurs.
1つの側面では、本件は、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる振動検出装置、振動検出方法および振動検出プログラムを提供することを目的とする。 In one aspect, an object of the present invention is to provide a vibration detection device, a vibration detection method, and a vibration detection program that can improve the accuracy of vibration detection using an acceleration sensor.
1つの態様では、振動検出装置は、振動物体に接触し、接触共振周波数帯が設定された接触体と、前記接触体に設けられた加速度センサと、前記加速度センサの出力信号のうち前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部と、を備える。 In one aspect, the vibration detecting device is in contact with a vibrating object, a contact body in which a contact resonance frequency band is set, an acceleration sensor provided in the contact body, and the contact resonance among output signals of the acceleration sensor. A detection unit that detects the signal by reducing the intensity of the signal amplified in the frequency band.
加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。 The accuracy of vibration detection using the acceleration sensor can be improved.
以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
まず、実施例1の概要について説明する。図1(a)は、振動物体に取り付けられた加速度センサの出力を例示する。図1(a)で例示するように、出力にノイズが重畳しなければ、振動物体の振動に応じて各周波数に対して所定の強度の電気信号が得られる。これらの周波数と信号強度との関係を用いて、振動物体の故障判定を行うことができる。 First, the outline | summary of Example 1 is demonstrated. FIG. 1A illustrates the output of an acceleration sensor attached to a vibrating object. As illustrated in FIG. 1A, if noise is not superimposed on the output, an electrical signal having a predetermined intensity is obtained for each frequency according to the vibration of the vibrating object. By using the relationship between these frequencies and signal intensity, it is possible to determine the failure of the vibrating object.
加速度センサの出力には、ノイズが重畳する。図1(b)は、ノイズが重畳した出力を例示する。図1(b)で例示するように、ノイズ強度よりも小さい強度の信号とノイズとを区別することが困難となるため、当該信号とノイズとを分離することが困難となる。加速度センサの出力強度は高い周波数で小さくなる傾向にあるため、特に、高い周波数における信号とノイズとの分離が困難となる。 Noise is superimposed on the output of the acceleration sensor. FIG. 1B illustrates an output on which noise is superimposed. As illustrated in FIG. 1B, it is difficult to distinguish between a signal having a strength smaller than the noise strength and the noise, and thus it is difficult to separate the signal and the noise. Since the output intensity of the acceleration sensor tends to decrease at a high frequency, it is particularly difficult to separate a signal and noise at a high frequency.
そこで、加速度センサと振動物体との接触態様などを調整することによって、接触共振周波数帯を調整する。ノイズ強度よりも小さい強度の信号の周波数を含むように接触共振周波数帯を調整することによって、当該信号の強度を増幅することができる。図1(c)の例では、ノイズに埋もれた信号の強度がノイズ強度よりも大きく増幅されている。その後、ノイズを除去し、増幅された信号の強度を低減することによって、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。例えば、接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、接触共振周波数帯の伝達関数(周波数応答関数)の逆関数を掛け合わせることによって、当該信号をより正確に復元することができる。ノイズに埋もれた信号を復元することで、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。 Therefore, the contact resonance frequency band is adjusted by adjusting the contact mode between the acceleration sensor and the vibrating object. By adjusting the contact resonance frequency band so as to include the frequency of the signal having a strength smaller than the noise strength, the strength of the signal can be amplified. In the example of FIG. 1C, the intensity of the signal buried in the noise is amplified larger than the noise intensity. Thereafter, the signal buried in the noise can be restored by removing the noise and reducing the intensity of the amplified signal. For example, by multiplying the intensity of the signal amplified in the contact resonance frequency band by the inverse function of the transfer function (frequency response function) of the contact resonance frequency band, the signal can be restored more accurately. By restoring the signal buried in the noise, the accuracy of vibration detection using the acceleration sensor can be improved.
接触共振周波数帯が異なる複数の加速度センサを用いれば、増幅できる周波数帯を広くすることができる。なお、接触共振周波数帯が異なることは、それぞれのピークが異なることを表し、互いの周波数帯の一部が重なっていてもよい。図2(a)は、加速度センサの増幅前の出力信号を例示する。図2(b)は、異なる共振周波数帯を有する2つの加速度センサを用いた場合を例示する。これらの共振周波数帯にノイズとの分離が困難な信号が含まれていれば、当該信号の検出が容易となる。すなわち、加速度センサを用いた振動検出の精度をより向上させることができる。図2(c)は、増幅後に各接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることによって復元された信号を例示する。 If a plurality of acceleration sensors having different contact resonance frequency bands are used, the frequency band that can be amplified can be widened. Note that the difference in the contact resonance frequency band indicates that the respective peaks are different, and some of the frequency bands may overlap each other. FIG. 2A illustrates an output signal before amplification of the acceleration sensor. FIG. 2B illustrates a case where two acceleration sensors having different resonance frequency bands are used. If a signal that is difficult to separate from noise is included in these resonance frequency bands, the signal can be easily detected. That is, the accuracy of vibration detection using the acceleration sensor can be further improved. FIG. 2C illustrates a signal restored by multiplying the inverse function of the transfer function of each contact resonance frequency band after amplification.
以下、実施例1の詳細について説明する。図3は、実施例1に係る振動検出装置100の全体構成を表すブロック図である。図3で例示するように、振動検出装置100は、4つの加速度センサ10a〜10d、バンドパスフィルタ20、入力受付部30、演算部40、データベース50、判定部60および出力部70を備える。データベース50は、センサ感度データベース51、接触共振データベース52、理論異常周波数帯データベース53、および過去測定データベース54を備える。
Details of the first embodiment will be described below. FIG. 3 is a block diagram illustrating the overall configuration of the
加速度センサ10aおよび加速度センサ10bは、バンドパスフィルタ20を介して入力受付部30に接続されている。加速度センサ10cおよび加速度センサ10dは、バンドパスフィルタを介さずに入力受付部30に接続されている。加速度センサ10a,10bは、治具80aに設けられている。加速度センサ10c,10dは、治具80bに設けられている。治具80a,80bは、加速度センサ10a〜10dの信号増幅治具である。
The
図4(a)は、治具80aの構造を例示する図である。図4(a)で例示するように、治具80aは、被着体に固定された固定部81と、被着体に対して可動な可動部82とを備える。固定部81は、可動部82を覆うように配置されている。また、固定部81は、接触共振周波数を高くして変動を避けるために比重の小さい材料、かつ加工性に優れた材料として、例えばアルミニウムをベース部材とする。
FIG. 4A is a diagram illustrating the structure of the
可動部82は、被着体に接触する接触体の一例である。可動部82は、振動絶縁用のバネ83を介して固定部81に接続されている。可動部82は、平板部84を備えている。バネ83は、平板部84の上面の中央付近に接続されている。平板部84の下面の中央付近には、被着体に対して突出する突出部85が設けられている。突出部85は、先端部86を介して被着体に接触している。このように、可動部82は、断面T字形状を有する。加速度センサ10a,10bは、平板部84上においてバネ83を挟んで対称に配置されている。それにより、平板部84の傾斜が抑制される。その結果、加速度センサ10a,10bの測定精度が向上する。加速度センサ10a,10bは、被着体の振動を電気信号に変換する。先端部86は、被着体との接触箇所において曲率半径を有する。先端部86は、例えば、加工が容易なステンレス鋼である。加工によって先端部86の曲率半径を変更することができる。
The
治具80bも治具80aと同様の構造を有する。治具80bにおいては、可動部82の平板部84の上面に加速度センサ10c,10dが固定されている。図4(b)で例示するように、治具80aおよび治具80bは、回転体90に固定されている。回転体90は、モータやベアリングなどの回転子を内部に備える振動物体である。治具80a,80bは、回転体90の筐体に固定されているため回転は行わないが、回転体90からの振動を受ける。すなわち、治具80a,80bは、同一の振動(同期する振動)を受ける。例えば、治具80aおよび治具80bは、回転体90の中心軸から鉛直上方に対して同一の角度(例えば10°)で対称になるように2箇所に配置されている。それにより、回転体90から鉛直方向に対して同一の振動条件が得られるように配置されている。また、治具80a,80bにおいて、可動部82の押付け圧が調整されている。
The
図5は、先端部86の曲率半径と接触共振周波数帯との関係を例示する図である。図5の例は、曲率半径を50mm、300m、∞(平坦)とした場合の、周波数に対する応答性(dB)である。図5で例示するように、先端部86の曲率半径を変更することで、可動部82の接触共振周波数帯が変動している。平坦な押付けでは、共振点は20kHzであり、10kHzまではフラットな特性が得られ、増幅できないことがわかる。曲率半径50mmと小さい場合、共振点が低下し、7kHzで10dBの増幅が可能となる。曲率半径300mmでは、15kHzで13dBの増幅が可能となっている。このように、先端部86の曲率半径を調整することによって可動部82の接触共振周波数帯を調整することができる。また、10dB程度の信号増幅が可能である。
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the radius of curvature of the
治具80aの先端部86の曲率半径と、治具80bの先端部86の曲率半径とを異ならせてある。それにより、治具80aと治具80bとは、互いに異なる接触共振周波数帯を有している。例えば、治具80aの接触共振周波数帯および治具80bの接触共振周波数帯は、加速度センサ10a〜10dの出力信号がノイズよりも小さくなることが想定される周波数帯に設定しておくことが好ましい。
The radius of curvature of the
再度図3を参照し、センサ感度データベース51は、加速度センサ10a〜10dのセンサ感度(出力の倍率、増幅率など)を、周波数応答特性として記憶している。センサの感度は、伝達関数(周波数応答関数)として記憶されている。例えば、周波数と感度との関係を表すマップとして記憶されていてもよい。接触共振データベース52は、接触共振周波数帯を設定した後の周波数応答特性を記憶しており、治具80a,80bにおける接触共振周波数帯が反映された周波数応答特性を記憶している。当該周波数応答特性は、伝達関数(周波数応答関数)として記憶されている。例えば、周波数と増幅率との関係を表すマップとして記憶されていてもよい。
Referring to FIG. 3 again, the
理論異常周波数帯データベース53は、回転体90の故障要因と、当該故障が生じた場合に加速度センサ10a〜10dに現れる信号異常の周波数帯および信号強度を記憶している。過去測定データベース54は、回転体90の過去の正常な動作に係る測定結果を記憶している。正常な動作に係る測定結果と、現在の測定結果とを比較することで、異常が生じているか否かを判定することができる。
The theoretical abnormal frequency band database 53 stores the cause of failure of the
続いて、振動検出装置100の動作の詳細について説明する。図6は、振動検出装置100の動作の一例を表すフローチャートである。図6で例示するように、治具80aの加速度センサ10a,10bのいずれか一方の出力信号は、バンドパスフィルタ20を介して入力受付部30に入力される(ステップS1)。なお、加速度センサ10a,10bの両方の出力信号を用いる場合には、両方の出力信号の平均などを用いてもよい。本実施例においては、一例として、加速度センサ10aの出力信号を用いる。
Next, details of the operation of the
次に、バンドパスフィルタ20は、加速度センサ10aの出力信号のうち、治具80aの接触共振周波数帯を抽出する。次に、演算部40は、加速度センサ10aの出力信号からノイズを除去する(ステップS2)。次に、演算部40は、ノイズ除去後の出力信号において、信号の有無を確認する(ステップS3)。例えば、所定値以上の強度が検出されたか否かを確認することで、信号の有無を確認することができる。
Next, the
治具80bの加速度センサ10c,10dのいずれか一方の出力信号は、入力受付部30に入力される。なお、加速度センサ10c,10dの両方の出力信号を用いる場合には、両方の出力信号の平均などを用いてもよい。本実施例においては、一例として、加速度センサ10cの出力信号を用いる。演算部40は、加速度センサ10cの出力信号からノイズを除去する(ステップS4)。
The output signal of one of the
次に、演算部40は、ステップS3でノイズ除去された後の加速度センサ10aの出力信号と、ステップS4でノイズ除去された後の加速度センサ10cの出力信号とを重ね合わせる(ステップS5)。この際に、演算部40は、センサ感度データベース51の伝達関数を用いて、加速度センサ10aの出力信号と加速度センサ10bの出力信号とを補正する。
Next, the
次に、演算部40は、治具80aおよび治具80bの接触共振周波数帯の増幅信号(変動部分)を抽出する(ステップS6)。次に、演算部40は、接触共振データベース52を参照し、治具80aの接触共振周波数帯の増幅信号の強度に、当該接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせる。また、演算部40は、治具80bの接触共振周波数帯の増幅信号の強度に、当該接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせる。それにより、両方の接触共振周波数帯の増幅信号を復元することができる。演算部40は、復元された信号を、ステップS5で得られた出力信号に反映させる(ステップS7)。
Next, the
次に、判定部60は、過去測定データベース54を参照し、ステップS7で得られた出力信号が過去の正常な動作に係る測定結果(信号強度および周波数)と一致するか否かを判定する(ステップS8)。完全一致である必要はなく、所定の許容範囲が設定されていてもよい。ステップS8で「Yes」と判定された場合、判定部60は、出力部70に、正常に係る信号を出力させる(ステップS9)。ステップS8で「No」と判定された場合、判定部60は、出力部70に、故障に係る信号を出力させる(ステップS10)。その際に、判定部60は、理論異常周波数帯データベース53を参照し、対応する故障要因などを出力部70に出力させてもよい。
Next, the
本実施例においては、接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出している。この構成によれば、加速度センサの出力信号にノイズが重畳しても、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。それにより、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることによって、当該信号をより高い精度で復元することができる。また、接触共振周波数帯が異なる複数の加速度センサを用いることで、増幅できる周波数帯を広くすることができる。それにより、加速度センサを用いた測定の精度をより向上させることができる。 In this embodiment, the signal is detected by reducing the intensity of the amplified signal in the contact resonance frequency band. According to this configuration, even if noise is superimposed on the output signal of the acceleration sensor, the signal buried in the noise can be restored. Thereby, the accuracy of vibration detection using the acceleration sensor can be improved. By multiplying the intensity of the signal amplified in the contact resonance frequency band by the inverse function of the transfer function in the contact resonance frequency band, the signal can be restored with higher accuracy. Moreover, the frequency band which can be amplified can be widened by using the some acceleration sensor from which a contact resonance frequency band differs. Thereby, the accuracy of measurement using the acceleration sensor can be further improved.
ここで、MEMS式と呼ばれる大量生産方式で作製可能な小型、軽量な加速度センサが普及しており、低コスト化の観点から有望である。しかしながら、圧電素子などと比較するとノイズが大きく、信号とノイズとの分離が難しいため、予兆検知に重要な低振動の加速度を検知することが難しい。図7は、MEMS式の加速度センサの出力信号および圧電式の加速度センサの出力信号を例示する図である。図7で例示するように、MEMS式の加速度センサの出力信号では、ノイズが大きくなっている。このようなノイズの大きい加速度センサを本実施例で用いることで、コストを抑制しつつ、精度の高い測定が可能となる。 Here, a small and lightweight acceleration sensor that can be manufactured by a mass production method called a MEMS type is widespread, and is promising from the viewpoint of cost reduction. However, since noise is larger than that of a piezoelectric element and it is difficult to separate a signal and noise, it is difficult to detect low-vibration acceleration which is important for predictive detection. FIG. 7 is a diagram illustrating an output signal of the MEMS acceleration sensor and an output signal of the piezoelectric acceleration sensor. As illustrated in FIG. 7, noise is large in the output signal of the MEMS type acceleration sensor. By using such a noisy acceleration sensor in this embodiment, it is possible to perform highly accurate measurement while suppressing costs.
本実施例においては、複数の治具80a,80bを用いているが、1つの治具を用いてもよい。この場合においては、当該治具に設定された接触共振周波数帯の信号を増幅し、当該増幅信号の強度を低減することによって、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。
In this embodiment, a plurality of
複数の治具を用いる場合には、各治具に設けられる加速度センサは、同種類のセンサである。同種類のセンサを用いることで、出力信号の重ね合わせができるからである。同種類のセンサとは、同じ測定機能を有しているセンサのことであり、例えば、同じ型番のセンサなどである。上記例では、先端部86の曲率半径を調整することによって接触共振周波数帯を調整しているが、それに限られない。例えば、バネ83の材質や、治具80a,80bの構造を変更することによって、接触共振周波数帯を調整してもよい。
When a plurality of jigs are used, the acceleration sensors provided in each jig are the same type of sensors. This is because output signals can be superimposed by using the same type of sensor. The same type of sensor is a sensor having the same measurement function, for example, a sensor having the same model number. In the above example, the contact resonance frequency band is adjusted by adjusting the radius of curvature of the
上記例においては、可動部82が、振動物体に接触しかつ接触共振周波数帯が設定された接触体の一例として機能する。演算部40が、加速度センサの出力信号のうち接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部の一例として機能する。
In the above example, the
(他の例)
図8は、演算部40、データベース50および判定部60の他のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図8で例示するように、演算部40、データベース50および判定部60は、CPU101、RAM102、記憶装置103、インタフェース104などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。CPU(Central Processing Unit)101は、中央演算処理装置である。CPU101は、1以上のコアを含む。RAM(Random Access Memory)102は、CPU101が実行するプログラム、CPU101が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置103は、不揮発性記憶装置である。記憶装置103として、例えば、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ(SSD)、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。CPU101が記憶装置103に記憶されている振動検出プログラムを実行することによって、振動検出装置100に演算部40、データベース50および判定部60が実現される。
(Other examples)
FIG. 8 is a block diagram for explaining another hardware configuration of the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10a〜10d 加速度センサ
20 バンドパスフィルタ
30 入力受付部
40 演算部
50 データベース
51 センサ感度データベース
52 接触共振データベース
53 理論異常周波数帯データベース
54 過去測定データベース
60 判定部
70 出力部
80a,80b 治具
81 固定部
82 可動部
83 バネ
84 平板部
85 突出部
86 先端部
90 回転体
100 振動検出装置
10a to
Claims (9)
前記接触体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサの出力信号のうち前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部と、を備えることを特徴とする振動検出装置。 A contact body that contacts a vibrating object and has a contact resonance frequency band set;
An acceleration sensor provided on the contact body;
A vibration detection apparatus comprising: a detection unit that detects the signal by reducing the intensity of the signal amplified in the contact resonance frequency band of the output signal of the acceleration sensor.
前記複数の接触体のそれぞれに加速度センサが設けられ、
前記複数の接触体の接触共振周波数帯は、互いに異なることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動検出装置。 A plurality of the contact bodies are provided,
An acceleration sensor is provided for each of the plurality of contact bodies,
The vibration detection apparatus according to claim 1, wherein contact resonance frequency bands of the plurality of contact bodies are different from each other.
前記出力信号のうち、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで当該信号を検出する、ことを特徴とする振動検出方法。 Acquire the output signal of the acceleration sensor provided on the contact body that is in contact with the vibrating object and the contact resonance frequency band is set,
The vibration detection method characterized by detecting the said signal by reducing the intensity | strength of the signal amplified in the said contact resonance frequency band among the said output signals.
振動物体に接触しかつ接触共振周波数帯が設定された接触体に設けられた加速度センサの出力信号を取得する処理と、
前記出力信号のうち、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで当該信号を検出する処理と、を実行させることを特徴とする振動検出プログラム。 On the computer,
Processing for obtaining an output signal of an acceleration sensor provided on a contact body that is in contact with a vibrating object and has a contact resonance frequency band set;
And a process of detecting the signal by reducing the intensity of the signal amplified in the contact resonance frequency band in the output signal.
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