2. 多源传感与信号基础

高端装备的状态监测很少依赖单一传感器。旋转机械的早期故障可能先表现为振动频谱中的边带，随后才出现温升；液压系统的异常可能先反映为压力脉动，再引起流量偏差；电气驱动系统的绝缘退化则可能先体现在电流谐波和局部放电声发射上。因此，多源传感的本质不是“多装几个传感器”，而是围绕同一物理对象建立互补的观测通道，使不同信号在时间、频率和幅值维度上互相印证。

一、七类典型传感原理与输出特征

振动传感以压电式加速度计为主，利用压电晶体受惯性力作用产生电荷，经电荷放大器转换为电压。其输出与加速度成正比，单位常用 mV/g 或 pC/g，频率范围可覆盖 0.5 Hz～20 kHz，适合滚动轴承、齿轮啮合和转子不平衡监测。压电式传感器不能可靠测量静态量，因此不适用于长期监测恒定加速度或倾角。

温度传感常见铂电阻 PT100、热电偶和红外测温。PT100 在 0 ℃ 时阻值为 100 Ω，近似线性度好，适合轴承座、润滑油和电机绕组的接触式测量；热电偶响应快、量程宽，但冷端补偿和引线误差需要处理。温度信号变化缓慢，通常采样率 1～10 Hz 即可，重点在于安装位置和热传导路径，而非采样速度。

压力传感多采用压阻式或压电式。压阻式适合静态和准静态压力，如液压系统工作压力；压电式适合动态压力脉动，如泵出口压力波动。选型时需区分表压、绝压和差压，并关注过载能力和温度漂移。

流量传感包括涡轮、电磁、超声和齿轮式。涡轮流量计输出脉冲频率，适合清洁液体；电磁流量计无阻流件，适合导电液体；超声流量计可外夹安装，适合改造项目。流量信号常与压力、温度联合用于计算泵效率或阀口泄漏。

电流传感通过霍尔效应、电流互感器或罗氏线圈获取。霍尔式可测直流和交流，罗氏线圈适合高频暂态电流。电机电流特征分析（MCSA）可从定子电流中提取转子断条、气隙偏心等故障特征，采样率通常需覆盖 2～5 kHz 以上。

声发射传感利用压电换能器捕获材料内部裂纹扩展、摩擦和泄漏产生的高频弹性波，频率范围通常 100 kHz～1 MHz。声发射信号能量弱、衰减快，前置放大和阈值设置直接影响检出率，适合早期裂纹和阀门内漏监测。

油液与应变传感：油液监测通过颗粒计数、铁谱和水分传感器判断磨损程度与油品劣化；应变片基于电阻应变效应，将结构变形转换为电阻变化，经惠斯通电桥输出微伏级电压，适合关键承载结构的应力监测。应变信号易受温度漂移影响，需做温度补偿。

二、采样定理与信号类型

采样定理指出，为无失真恢复信号，采样频率 fs 必须大于信号最高频率 fmax 的两倍。工程中通常取 2.5～5 倍，并在 ADC 前设置抗混叠低通滤波器。例如监测滚动轴承故障，若关注频率上限为 10 kHz，则 fs 至少取 25 kHz，推荐 51.2 kHz，便于做 2 的整数次幂 FFT。若忽略抗混叠，高频噪声会折叠到低频段，形成虚假特征频率，导致误判。

按时间特性，信号可分为连续信号、离散信号和随机信号；按统计特性，可分为确定性信号（周期、准周期、瞬态）和随机信号（平稳、非平稳）。旋转机械振动多为准周期信号叠加随机成分；声发射为瞬态随机信号；温度、压力多为缓变连续信号。信号类型决定后续处理方法：周期信号适合 FFT 和阶次分析，瞬态信号适合短时傅里叶变换或小波分析，缓变量适合趋势滤波和统计过程控制。

三、噪声来源与抑制

噪声来源主要有五类：一是传感器本底噪声和热噪声；二是电磁干扰，如变频器、电机启停引起的共模干扰；三是接地回路噪声，多点接地形成地环流；四是机械噪声，如相邻设备振动通过结构传导；五是量化噪声，ADC 位数不足或量程设置不当。抑制措施包括：使用屏蔽双绞线并单点接地；传感器与采集器之间加隔离放大器；合理设置量程使信号占满量程的 60%～80%；对高频干扰加装铁氧体磁环；在软件端采用平均、滤波和包络解调。

四、工程选型准则

选型应围绕“测什么、在哪测、多快、多准、多稳”五个问题展开。第一，明确监测对象和故障模式，振动测轴承和齿轮，温度测绕组和轴承座，压力测液压回路，电流测电机定子，声发射测裂纹和泄漏，油液测磨损和污染，应变测承载结构。第二，确定频率范围，低频振动选 IEPE 加速度计，高频声发射选谐振式换能器。第三，确定安装条件，旋转部件优先非接触式，高温区域选高温型或红外。第四，确定精度和量程，避免小信号大量程。第五，确定环境适应性，包括防护等级、温度范围、抗电磁干扰能力和长期稳定性。

以某风机传动链监测为例，若目标为轴承外圈故障，理论特征频率约 3.2 kHz，则加速度计频响应覆盖 10 kHz 以上，采样率取 25.6 kHz，抗混叠截止频率设为 10 kHz。同时布置 PT100 监测轴承温度，采样率 1 Hz；布置电流传感器监测电机电流，采样率 5 kHz。三类信号时间同步后，可在同一时间轴上观察振动冲击、温升和电流谐波的变化顺序，提高故障定位的置信度。

多源传感不是简单叠加，而是围绕故障机理建立互补观测。理解每类传感器的物理原理、输出特征和噪声边界，才能合理确定采样率、量程、安装位置和信号处理方法，为后续健康评估和故障预警提供可靠的数据基础。