Page 82 - 《真空与低温》2026年第2期

张 璐等：基于振动声学特征的红外探测器用斯特林制冷机 CBM 故障诊断方法研究 201

响现象发生时均在其振动加速度特征信号上有显 段，电流值迅速减小至约 0.3 A 后处于稳定，冷头
著体现，比如“异响”和“喘振”。基于这一基础特性， 温度维持在 77 K。制冷机微振动输出值在制冷机
引入了声音频谱采集 DASP 系统，系统结构如图 2 工作的两个不同阶段均不相同。在制冷机启动阶
所示。系统由传感器、采集仪、数据处理云系统、 段的时域指标中，选取了最大值、峭度指标和脉冲
计算机软件组成，传感器采用振动加速度信号传 因素三个指标，时域结果如表 1 所列。
感器。
表 1 时域信号采集结果
采集仪 云系统
Tab. 1 The results of time domain signal acquisition

样本号 最大值 峭度 脉冲因素
1 # 2.283 495 712 0.075 321 401 13.928 199 372

传感器 计算机 为了研究振动信号的内在规律，分析随机信号
的周期性，需要进一步对时域信号进行处理，这里
图 2 DASP 系统结构示意图
我们用到 FFT 自谱分析，FFT 为快速傅立叶变换，
Fig. 2 The schematic diagram of DASP system structure

傅立叶变换的定义如式（1）。
在制冷机表面贴装振动加速度传感器，开机后
w
采集振动时域信号。制冷机从测试启动到持续稳 F(w) = +∞ f(t)e dt （1）
jwt
−∞
定工作需要约 6 min，运行过程可以分为两个阶段，
第一阶段为制冷机启动阶段，冷头温度不断降低至 式中：f（t）为时域数据序列；F（w）为频域的谱函数
#
控温点 77 K，在此过程中制冷机电流不断增加至 序列， w = 2πf 。图 3 为制冷机样本 1 在两个阶段
最大值约 0.7 A；第二阶段为制冷机控温后稳定阶 的时频域信号转换示意。

6 4 6 4
振动加速度 −2 2 0 振动加速度 −2 2 0

−4
−6
−6 −4
0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600
时间/s 时间/s
（a）启动阶段时域数据 （b）稳定阶段时域数据
0.8 0.10
频谱幅值 0.6 频谱幅值 0.05
0.4
0.2
0 0
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
频率/Hz 频率/Hz
（c）启动阶段频域数据 （d）稳定阶段频域数据

图 3 频域信号示意图
Fig. 3 Schematic diagram of frequency domain signal

从计算的频域信号可以得出制冷机 1 在启动 的声音信号，对振动加速度传感器最佳贴装位置
#
阶段，0.7 kHz 位置有明显特征主峰，峰值约 0.7g。 进行了研究。传感器贴装位置如图 4 所示，分别是
在制冷机控温稳定阶段，在 0.6 kHz、1.0 kHz 位置 压缩气缸端盖位置 1，杜瓦耦合面位置 2，电机外壳
有明显特征主峰，峰值约 0.1g。通过此方法可以采 位置 3。
集到制冷机振动声音特征。 选用四台同型号制冷机进行了传感器贴装试
2.2 制冷机振动声学特征分析 验，四台制冷机按人为主观判断声音均为合格，试
为了有效提取制冷机运行过程中差异化明显 验采集位置 2 的 1 制冷机时域信号如图 5 所示。
#