第10章 汽轮机的安全监视系统(贺3万字).doc

第十章 汽轮机的安全监视系统第一节 汽轮机安全监视系统概述一、 汽轮机安全监视系统的意义和内容二、 汽轮机安全监视系统的组成及原理三、 汽轮机安全监视系统的布置四、 汽轮机安全监视系统的应用与发展第二节 汽轮机安全监视系统的传感器一、 传感器概述二、 电涡流式位移传感器三、 磁电式速度传感器四、 压电式加速度传感器五、 复合式振动传感器六、 线性差动变压器式传感器七、 转速测量传感器八、 键相器第三节 本特利3500监视系统一、3500监视系统的主要功能二、电源模块3500/15三、转速监视模块3500/50四、位移监视模块3500/40五、胀差监视模块3500/45六、键相器模块3500/25七、超速保护模块3500/53第十章汽轮机的安全监视系统（TSI）第一节 汽轮机安全监视系统概述一、 汽轮机安全监视的意义和内容现代汽轮机是一种在高温、高压和高转速条件下工作的大型精密机器，随着机组容量的不断增大，蒸汽参数越来越高，热力系统越来越复杂，人们对机组安全运行的要求也不断提高。为了确保汽轮机组的安全运行，目前在汽轮机组上都装有各种类型的安全保护装置，用来对各种重要参数进行监视和保护。为了提高机组的热经济性，大型汽轮机的级间间隙、轴封间隙选择的都比较小。在启、停和运行过程中，如果操作、控制不当，很容易造成汽轮机动静部件互相摩擦，引起叶片损坏、主轴弯曲、推力瓦烧毁甚至飞车等严重事故。为保证汽轮机组安全、经济运行，必须对汽轮机及其辅助设备、系统的重要参数进行实时的长期监视。当参数越限时，发出报警信号；当参数超过极限值危及机组安全时，发出紧急停机信号，保护装置动作，关闭主汽门，实现紧急停机。汽轮机安全监视系统也简称为TSI（Turbine Supervisory Instrumentation），就是这样一种集监测和保护功能于一体的长期监视保护系统。汽轮机运行状态监视的内容很多，且随机组不一而各有差异，一般对主机的安全监视项目有：（1） 转速监视 连续监测转子的转速，当转速高于设定值时给出报警信号或者停机信号。（2） 零转速监视 触发自动盘车的机组零转速监视。连续监测转子的零转速状态，当转速低于设定值时，报警继电器动作投入盘车装置。（3） 轴向位移监视 连续监视推力盘到推力轴承的相对位置，以保护转子与静子部件之间不发生摩擦，当轴向位移过大时发出报警或者停机信号。（4） 轴弯曲（偏心度）监视 用于监视转子偏心度和峰峰值和瞬时值。当汽轮机转速低于600 rpm时，转子每转动一圈测量一次偏心度峰-峰值，避免转子偏心度过大。（5） 缸胀监视 连续监测汽缸相对于基础上一基准点（一般为滑销系统的绝对死点）的膨胀量，通常采用线性差动位移传感器（LVDT）进行测量。（6） 差胀监视 连续监测转子相对于汽缸上一基准点（一般为推力轴承）的膨胀量，通常采用电涡流传感器进行测量。（7） 机组振动监视 监视转子相对于轴承座的相对振动，监视轴承座的绝对振动，通常采用电涡流传感器和速度传感器进行测量。（8） 相位监视 连续监测机组振动信号的相位情况，信号取自键相信号和任一测点的轴相对振动信号。在上述安全监视项目中，还可以分成监视和保护两大类。在监视项目中，只对被监视的参数进行连续、准确、有效的监视，当被监视的参数超标时，发出声光报警、提醒操作人员注意，并采取及时的措施予以纠正。在保护项目中，当被监视的参数超标、达到机组的遮断水平时，保护装置应能准确、可靠和及时地动作，自动进行机组的控制或停机，确保机组的安全。二、汽轮机安全监视系统的组成及原理无论是进口的TSI还是国产的TSI，是分立器件组成的TSI还是由集成电路组成的TSI，从结构与原理上来说都是大同小异。图10-1为我国引进美国本特利内华达公司（Bently Nevada）生产的汽轮机安全监视系统TSI。图10-1 350MW汽轮机的安全监视系统图1系统的组成该系统主要由三大部分组成：（1）测量元件及其放大器。统称变送器，包括用于测量各种被测参数的传感器和相应的前置放大器，它们分别布置在各监测点附近。（2）机箱。布置在集控室内。机箱内装有电源和各有关监视器，分别对来自传感器和前置放大器的信号进行处理，给出各监视参数的指示值和记录信号，并在监视参数超标时发出报警信号，以引起操作人员注意或触发自动遮断机组。（3）TSI报警信号板。当参数处于报警和遮断水平时，运行人员可从该依赖板上迅速获得故障类型和故障部位的信息，该板要求布置在集控室内的醒目处。该系统的监视参数有：转速监视、零转速监视、轴向位移监视、轴弯曲（偏心度）监视、缸胀监视、差胀监视、机组振动监视、相位监视等。 2. TSI的工作原理无论哪一种TSI监视系统，从其结构原理看，均可简化由图10-2所示的系统组成。图10-2 汽轮机安全监视系统的工作原理图（1）传感器。即常称的测量元件，其作用是将被测对象的诸如转速、轴向位移、膨胀、偏心和振动等实际物理量，经测量后转换成电气参数，如阻抗、频率、电感和品质因素等。（2）前置器。它的作用是实现信号转换，故又称变送器，其任务是将上述电气参数转换成具有一定值的电压、电流、矩形波开方波信号送入信息处理器。它与传感器组成测量电路，由于被测对象处于如高温、高压、强磁场或电场干扰等恶劣环境，在布置上两者间往往有较大的距离，需要通过一定的电缆相连，因此，中间联线应有屏蔽隔离问题。前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络与输出放在器等组成。经这些处理后在输出端得到与被测对象和传感器间成比例的电压信号，一般情况下，要求该输出电压在DC-4-20V范围内，具有良好的线性关系。（3）信息处理器。它是一些以微型处理器为核心的综合处理装置。通过各种模块软件，对被测参数进行标度变换，设置检测周期、报警和遮断值，报警优先，逻辑处理、系统自检和综合管理等，最后输出进入终端设备。（4）终端设备。它由显示器、记录仪、报警器和测试仪等组成。其任务是将处理后的直流电压信号，转换成与实际对象的物理量数值和单位一致信号，让运行人员直观地在显示器上观察；在记录仪上记录；在某物理量超标时，在报警器上发出声光报警；严重超标时，触发遮断机组等、确保机组的安全。三、汽轮机安全监视系统的布置图10-3为300MW汽轮机安全监视仪表的主要测点布置示意图。为了突出起见，图中的测点除了数量较大的、一般的温度和压力测点外，几乎涵盖了前面介绍的全部重要的安全监视项目，它比较明确和真实地反映了重要测点布置的部位。图10-3 汽轮机安全监视仪表的主要测点布置示意图该系统配置的主要特点是：（1）系统组态比较先进和合理。整个TSI系统是一个微机系统，用安全锁和组态加密码的手段，可使系统组态不易被更改，保证运行的可靠；系统能按俦序列，实现第一报警功能；系统的选项设置齐全；可使日常维护工作全部通过计算机来完成，操作人员只需点击鼠标，便可完成全部维护工作。（2）系统功能齐全、工作可靠性高。功能齐全是多方面的，例如在整个系统中增设一台系统监视器，用以监视TSI系统的工作情况，它本身就是一个微机系统，兼具有上电抑制、自动报警或遮断、复位控制、显示供电电压是否正常、显示传感器回路工作是否正常、设定各监视器报警参数和提供键相信号等。系统内的各个监视器都是一个独立的子系统，不仅监视器的互换性好，减少备件，而且通过执行监视器的保护功能，使某个监视器发生故障时，其他的监视器仍可正常工作，提高系统的可靠性。（3）结构紧凑、布置合理。整个3500系统，框架尺寸较小，可容纳多种监视通道，可处理高达56个通道测点的振动数据。所选用的插板式组件，便于系统的维护和扩展等。（4）系统的适应性强。其表现是多方面的，如报警值是采用数字程序设定，易于调整，且重复性好，没有采用电位器设定时产生接触不良的情况，自检报警整定时，将储存器内存储的整定值调出显示即可。系统采用的编程跳线器，通过组态可在现场变换监视器的参数，如改变晓行夜宿器的作用、改变记录输出物范围、改变报警延迟时间等，使系统具有很大的灵活性。（5）系统兼容和可扩展性好。例如3500系统与本特利公司怕有的传感器都兼容；与其动态数据管理仪（DDM）连接时，也不需另计算机接口板，是一种较好的计算机监视和故障诊断的前端系统；监视器硬件采用模块化结构和插板式组件，便于调整、维修和扩展；系统软件和网络兼容并支持x Windos协议，便于操作人员的熟悉和掌握等。（6）系统具有较好的旁通和自检功能。例如“通道旁路”可使失效通道很快退出系统；“危险旁路”可在某一通道进行检修时，不会影响其他通道的正常工作，也不致因其他偶然因素而引起“危险”继电器的动作；系统的上电自检、周期性自检和用记请求自检等三种自检功能，对保证系统工作的可靠性，具有很重要的意义。四、汽轮机安全监视系统的应用与发展我国引进的汽轮机安全监视系统TSI，有美国本特利系统、德国飞利浦系列等多种产品。一般来说，用于测量机组参数的项目大致相同，只是在测量手段和相应系统构成方面有所区别。早期引进的TSI系统，采用较多的是本特利7200系列，后来被3300系列所取代，它们对汽轮机的监视功能还是一致的，区别主要在于7200系列是采用模拟电子电路和数字电路来实现系统要求的监视功能，而3300系统则是采用单片微处理机为基础的数字安全监视系统。而后进一步发展的本特利3500系统监视系统，除了继承3300系列装置的可靠性外，最突出的就是采用模块化结构，机组的日常维护工作全部通过计算机的组态完成，主要包括框架接口模块选项设置、键相器选项设置、监视器选项设置、通道选项设置、通信模块选项设置和报警设置点选项设置等，这些优化改进措施，不仅使维护工作量减少，系统可靠性高，而且使用更灵活，便于扩展。在国产化方面，上海发电设备成套设计研究所相继开发了8000系列和9000系列TSI系统。8000系列TSI的传感器和电气参数，与本特利7200系统相同且可互换，而机箱框架和各通道板则与飞利浦RMS700系统的结构相同也可互换，因此，8000系列的信号处理，基本上属于模拟电路系统。而9000系列的TSI系统，则前进了一步，采用了英特尔公司的单片机芯片，发展了以微处理机为基础的成套TSI系统。第二节 汽轮机安全监视系统的传感器一、传感器概述传感器是汽轮机安全监视系统中的首要环节，如果没有传感器提供必要的运行信息,人们就发现不了机器所处的危险或者不经济运行的状态。同样，没有稳定可靠、精确灵敏的传感器就谈不上完成有效的监视和准确的诊断工作。传感器是一种获取信息的装置。其含义是: 借助于检测元件接收一种形式变化的信息,并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息,可以为各种物理量、化学量和生物量,而转换后的信息也可以是多种形式, 目前传感器转换的大多为电量信号。因而从狭义上讲,传感器的定义为：把外界输入的非电量信号转换成电量信号的装置。所以一般也称传感器为变换器、换能器和探测器 ,其输出的电量信号最终输送给后续配套的测量电路及终端装置 ,以便进行记录、显示或信号分析等。1. 传感器的组成传感器一般由敏感器件及其辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心 , 它的作用是直接感受被测物理量 , 并将信号进行必要的转换输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件 , 它们是一些把敏感器件输出的量转换为电信号并为后续处理服务的装置。随着集成电路制造技术的发展 , 现在已经能把一些信号调理电路和传感器集成在一起 , 构成集成传感器。现代进一步的发展是将传感器和微处理器相结合 , 装在一个检测器中形成一种新型的 智能传感器 ，它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力 , 甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。2. 传感器的分类传感器的种类繁多 , 应用范围极其广泛 。作为火力发电厂汽轮发电机组的运行状态监视，使用最多的传感器为振动测量传感器。在现代振动测量中所用的传感器已不是传统概念上独立的机械测量装置 , 而仅是整个测量系统中的一个环节 , 且与后续的电子线路紧密相关。一般说来 , 由传感器直接变换的电量许多并不能直接被后续的显示、记录或分析仪器所接受。因此针对不同变换原理的传感器 , 必须配以专门的测量电路。因此振动测量传感器按其功能一般有以下几种分类 ,如表 10-1 所示。表 10-1 振动测量传感器的分类按机械接收原理分按机电变换原理分按所测机械量分相对式（非接触式，顶杆式）绝对式（惯性式）电动式（磁电式）压电式电涡流式电感式电容式电阻式位移传感器速度传感器加速度传感器力传感器应变传感器扭振传感器扭矩传感器3.传感器的选型传感器的选择是受许多因素影响的，主要考虑两个方面 : 一是传感器性能 ；二是被测对象的条件和要求。只有两者很好地结合 , 才能获得最佳效果。最佳的传感器应该是这样的 , 即当机器振动状态产生很小的变化 , 便能产生一个很大的信号输出变化。理想的传感器应该是既能够用于机器的监视又能用于故障诊断分析。传感器的选择还要涉及到许多其他因素,包括机器设备在工厂生产过程中的重要性, 测量该参数的目的 ( 机器监视或要求监视与诊断的能力 ), 人员和工厂的安全性 , 保险范围以及工业标准等。从现场运行的要求来看 , 振动测量传感器按其测量参数的种类，其选型通常分为三种主要的类型 : 1） 使用电涡流式位移传感器测量轴的相对振动 ; 2） 使用速度传感器或加速度传感器测量轴承座的绝对振动 ; 3） 使用复合式振动传感器测量轴的绝对振动。对于某一具体机械设备 , 选择哪种传感器取决于机器的振动特性。以上三种主要的传感器不仅可以测量振动参数 , 也可以用来测量其他参数。比如电涡流式位移传感器既可以测量汽轮发电机轴的径向相对振动，也可用来测量轴的轴向位移、胀差、转速以及转子偏心等。除了这几种常见的振动测量传感器以外 ,为了监视汽轮发电机组的其它重要的参数 , 还需要用到一些特殊的传感器 , 比如测量汽缸膨胀的线性差动变压器式传感器；精确测量转速的磁阻传感器、磁敏传感器等等。二、电涡流式位移传感器1.主要性能电涡流式位移传感器是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动或位移的。它是一种相对式非接触测量的传感器 , 非接触测量与接触式测量相比,能更准确地搜集到转子振动状况的各种参数,因而得到了广泛的应用。电涡流式位移传感器具有频率范围宽 (010KHz) 、线性工作范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受介质影响、结构简单以及非接触式测量等优点 ,它可作为电厂主要的传感器，用于汽轮机轴的位移、振动、偏心、转速等参数的测量与监视。一套完整的电涡流传感由探头、延长电缆及前置器组成，如图10-4所示。2.工作原理电涡流式位移传感器的工作原理如图 10-5 所示。当通有交变电流 i 的线圈靠近导体表面时 , 由于交变磁场的作用 , 在导体表面层就感应电动势 , 并产生闭合环流ie, 称为电涡流。电涡流式位移传感器中有一线圈 , 当这个传感器线圈通以高频（12 M Hz）激励电流 i 时 , 其周围就产生一高频交变磁场 ,磁通量为 i. 当被测的导体靠近传感器线圈时 ,由于受到高频交变磁场的作用 ,在其表面产生电涡流ie,这个电涡流产生的磁通e 又穿过原来的线圈. , 根据电磁感应定律 , 它总是抵抗主磁场的变化。因此 , 传感器线圈与涡流相当于存在互感的两个线圈 ,互感的大小与原线圈和导体表面的间隙 d 有关 , 其等效电路如图 10-6(a ) 所示 。图中 R 、 L 为原线圈的电阻和自感,Re、Le为电涡流回路的等效电阻与自感。并且可以证明 : 当电流的频率很高时 , 即ReLe时 , 图中的 R 、 L 近似为： （10-1）（10-2）（10-3）式中： K 为耦合系数 ;M 为互感系数。耦合系数 K 决定于原线圈与导体表面的距离 d , 即 K=f(d) ，K值一般在01之间变化。当距离增加时，耦合减弱，K值减少。具体变化如下：d K L这样间隙 d 的变化就转换为 L 的 变化 , 然后再通过测量线路将 L 的变化转换为电压ui的变化。因此 , 只要测定ui 的变化也就间接地求出了间隙 d 的变化。这就是非接触电涡流式位移传感器的工作原理 。为了测定L(d) 的变化 , 并建立输出电压 ul 与间隙 d 的变化关系,在图 10-6(b) 的等效简化电路中并联一电容 C ，这样就构成一个R、L、C的 谐振回路 , 其谐振频率 ( 即阻抗 Z 达最大值的频率 )为：（10-4）将随 d 的变化而变化。即当间隙距离 d 增加时 , 谐振频率将降低 ; 反之 ,当间隙距离 d 减小时 , 谐振频率将增大。为了将位移的变化转换成相应的电压信号以便进行测量 ,在振荡电压ui与谐振回路之间引进一个分压电阻 Rc, 如图10-7所示 , 当 Rc 远大于谐振回路的阻抗值 Z 时 , 输出电压的幅值近似为:（10-5）由此可见，当 Rc一定时，则输出电压 ul 决定于谐振回路的阻抗值 Z 。当输入电压ui 的频率fi 等于振荡回路的谐振频率时 , 则 Z 具有极大值 , 此时输出电压的幅值也达到极大值 ; 当fi大于或小于时 , 输出ul 都将减小。对应不同的 d , 就有一相应的 u 和, 其输出电压幅值ul随振荡频率变化的曲线如图10-8(a) 所示 。如果将振荡输人电压ui 的频率值严格稳定在 f0 处 , 将得到对应于 d = ,d =d1,d =d2 时与输出电压 u1l，u12 之间的数值相互之间的对应关系，如图10-8(b) 所示。图中直线段部分就是有效的线性测量部分。为了得到更长的直线段 , 在图10-7（b）的阻抗回路上并联一个微调电容 C , 以调整谐振回路的参数 , 找到安装传感器的最合适的谐振位置。3. 测量线路电涡流式位移传感器的基本测量线路如图 10-9 所示 。它通常是由晶体振荡器、高频放大器、检波器和滤波器组成 。晶体振荡器提供的是高频振荡输入信号 , 当传感器用于振动测量时 , 传感器输入的是随振动间隙d变化的高频载波调制信号 ，经高频放大器放大、检波器检波，最后经过滤波输出的是带有直流偏置成分的交变电压信号。其中直流部分相当于平均间隙d0 , 其直流电压与位移d成正比；交流部分相当于振动幅值A的变化。其波形的输入、输出 如图 10-10所示。三、磁电式速度传感器1.主要性能以振动体的振动速度为测量目标的传感器称为速度传感器，速度传感器属于接触式传感器 。速度传感器具有较高的速度灵敏度( 1050mV/mm /s )和较低的输出阻抗(13K) , 能输出较强的信号功率 , 所以它不易受电磁场的干扰 , 对比较复杂、需很长导线的现场 , 仍然能够获得较高的信噪比,传感器自身不需要电源供给.传感器的频率范围一般在 10HzlKHz，它勿需配置专门的前置放大器 , 测量线路简单 , 加之安装、使用方便 ，因此广泛地应用于旋转机械的轴承座、机壳、或者基础等非转动部件的振动测量。此类传感器的缺点是动态范围有限，尺寸和重量较大 , 在测量时传感器的全部重量都必须附加在被测振动物体上 , 这对某些振动测量结果的可靠性将产生较大的附加质量影响。常用的速度传感器为磁电式传感器（也有称为电动式传感器），它测量的是被测振动体相对于大地或惯性空间的运动 , 因此亦称之为惯性式传感器。2. 工作原理速度传感器基于电磁感应原理 , 即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时 , 导体两端就感应出电动势 。速度传感器的力学模型包含一个惯性质量 m, 弹簧 K 和阻尼器 C 组成，如图 10-11 所示。当传感器置于被测体上时 , 它便随之以 y=yosint 的规律上下振动。根据强迫振动理论可求出质量 m 相对于外壳振动的微分方程为：（10-6）（10-7）其幅频特性为：（10-8）式中：B为相对振幅；A为测量振幅；为传感器的固有频率；为相对阻尼系数。图10-12为速度传感器的幅频特性曲线。从图中可以看出，当/1 时，B/A趋向于1。即当传感器的固有频率比被测振动体的振动频率低得很多时 , 质量块与振动体之间的相对振动就接近于振动体的绝对振动。磁电式速度传感器的工作过程如下 , 参见图10-11，惯性质量 m 下 面有一线圈 L , 当传感器与被测物体一起振动时 , 质量m 相对于外壳的运动为 x =bsin（t-）, 亦即在永久磁铁的磁路缝隙中按此规律运动。根据电磁感应原理 , 线圈上产生了与相对运动速度 dx/dt 成正比的电动势 E ,即（10-9）式中 ： B一磁场的磁感应强度 ;L一单线圈的有效长度 ;v一线圈与磁场的相对运动速度 ;一线圈运动方向与磁场方向的夹角；一一线圈匝数。由此可知 , 当传感器结构一定时, B、L 均为常数 , 因此 , 感应电动势 E 与线圈相对于磁场的运动速度 dx/dt成正比。测得 E 值再根据已知的换算关系就可求得所测振动速度之值。2 结构形式绝对式速度传感器的结构如图10-13 所示。传感器的磁钢 4 与壳体 2 固定在一起。芯轴5 穿过磁钢的中心孔 , 并由左右两片柔软的圆形弹簧片 7 支承在壳体上。芯轴的一端固定着一个线圈 3; 另一端固定一个圆筒形铜杯 ( 阻尼杯 6) 。这种结构形式的传感器 , 其惯性元件 ( 质量 m) 是线圈组件、阻尼杯和芯轴。当振动频率远远高于传感器的固有频率 时 , 线圈接近静止不动 , 而磁钢则跟随振动体一起振动。因此 ,线圈与磁钢之间就有相对运动 , 其相对运动的速度等于物体的振动速度。线圈以相对速度切割磁力线 , 传感器 就有正比于振动速度的电动势信号输出 , 所以这类传感器称为速度式传感器。又因为其振动的相对速度是相对于空间某一静止点而言 , 故又称为绝对式速度传感器 , 或称地震式速度传感器。为了使传感器有比较宽的可用频率范围 , 在工作线圈的对面安装了一个用紫铜制成的阻尼环。 通过合适的几何尺寸 , 可以得到理想的无量纲衰减系数 C =0.7 。阻尼环实际上就是一个在磁场里运动的短路环。在工作时 , 此短路环产生感应电流。这个电流又随同阻尼环在磁场中运动 , 从而产生电磁力 , 此力同可动部分的运动方向相反 , 呈阻力形式出现 , 其大小与可动部分的运动速度成正比。 因此 ,它是该系统中的线性阻尼力。3.测量线路速度传感器的输出电压与振动速度成正比 , 因此对于那些以振动速度的大小作为监测标准的机械 , 速度传感器的输出电压可直接提供分析和处理。；而对于那些以位移幅值作为监测标准的机械 , 则需要对传感器的电压输出进行积分处理 , 使得经过积分线路后的输出电压正比于振动位移。积分线路有两种类型可提供选择：一种是无源积分如图10-14（a） 所示 ；另一种是有源积分 , 如图10-14（b）所示。无源积分是一种近似积分 , 它是以对输入信号大幅度削减为代价 , 它在低频段积分特性较差 , 并且有严重的相移。但无源积分线路极其简单 , 所以还是在一定范围内被采用。无源积分电路主要存在两点不足：一是电路无放大作用，信号经过积分以后幅值衰减很大；二是频率范围较窄，受到了低端截止频率的限制，影响了对低频信号的测量。为了弥补这些不足，在现代测试技术中广泛采用了有源积分电路。所谓有源积分，就是在积分电路中有电源供给，同时可使用运算放大器进行积分放大处理。四、压电式加速度传感器1.主要性能在旋转机械的振动测量和故障诊断分析中，加速度传感器也经常被使用，现场使用较多的是压电式加速度传感器。压电式加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、频率范围宽(5Hz2OKHz )等优点，因此比较适合于高速旋转机械的轴承座及壳体的振动加速度测量。此外 , 对于监测滚动轴承及气流脉冲等引起的高频机械噪声、汽轮机的叶片测频等, 也推荐使用加速度传感器。该传感器的缺点是对低频振动的测量较为困难。压电式加速度传感器是利用特殊晶体材料（如石英、陶瓷等）的正压电效应作为机电变换器而制成的,压电式加速度传感器是一种可逆型换能器 , 它既可以将机械能转换为电能 , 又可以将电能转化为机械能。通常，在旋转机械中 , 振动频率越高 , 其相应的振动位移的幅值也越小 , 而其振动加速度幅值仍有一定的量级 , 此时用速度传感器或电涡流式位移传感器显得灵敏度不够 , 但加速度传感器就比较适应这种情况下的测量。2.工作原理最简单的压电式加速度传感器的工作原理如图10-15所示。图10-15(a )为六面体压电晶体片 , 在压电晶体片的两个工作面上进行金属蒸镀 , 形成金属膜 , 构成两个电极。当压电晶体片受到压力 F 的作用时 , 分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷并形成电场。因此 , 压电式传感器可以看作是一个电荷发生器 , 也可以看成是一个电容器。其电容量为：C=。A/ （10-10）式中：为压电材料的相对介电常数（石英晶体的=4.5）；0 为真空中介电常数 ；（10-11）为两极间距， 即晶体片厚度（m）；A为压电晶体片的工作面面积（ m ）。如果施加于压电晶体片的外力不变 , 积聚在极板上的电荷又无泄漏 , 那么在外力继续作用时 , 电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为：q=DF （10-12）式中：q为电荷量；F为作用力 ； D为压电常数 , 与材质及切片的方向有关。由此表明 , 电荷量与作用力成正比。同时，在振动测量中，由于F = ma，其中a为加速度。即加速度与作用外力成正比，因此压电式传感器就是一个基本的加速度传感器。当然 , 在作用力终止时 , 电荷就随之消失。显然 , 若要测得力值 F, 主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是利用压电式传感器测量静态或准静态量值时 , 必须采取一定的措施 , 使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下 , 电荷可以得到不断补充 , 可以供给测量电路一定的电流 , 故压电传感器适宜作动态测量。在实际应用中 , 由于单片的输出电荷很小 , 因此 , 组成压电式传感器的晶片不止一片 , 而常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种 , 即并联和串联。并联方法如 图10-15 b 所示 , 两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上 , 正电荷集中在两侧的电极上。并接时 , 传感器的电容量大 , 输出电荷量大 , 时间常数大 , 故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法如图10-15(c) 所示 , 正电荷集中于上极板 , 负电荷集中于下极板 , 串联时 , 传感器本身的电容量小 , 响应较快 , 输出电压大 , 故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。压电传感器是一个具有一定电量的电荷源, 如图10-15(d) 所示。 电容器上的开路电压eo 与电荷 q 及传感器电容ca 存在下列关系： eo=q/ca （10-13）当压电传感器接入测量电路时 , 联接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容 Cc, 后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻R0。为防止漏电造成电荷损失 , 通常要求：（10-14）因此传感器可以视为开路。图10-16为压电式加速度传感器的基本结构示意图。它主要由基座、两片压电晶片、质量块、弹簧等组成。基座固定在被测物体上，基座的振动使质量块产生与加速度方向相反的惯性力，惯性力作用在压电晶片上，使两片压电晶片的表面产生交变电压输出，其输出电压与加速度成正比。3.测量线路由于压电式加速度传感器的输出电信号很微弱 , 通常先把传感器信号输入到高输入阻抗的前置放大器中 , 经过阻抗变换以后 , 方可用一般的放大检波电路进行处理。前置放大器的作用有两点 ： 其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 ; 其二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式， 一种是用电阻反馈的电压放大器 , 其输出电压与输入电压 ( 即传感器的输出)成正比 ；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 , 其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 , 几乎可以忽略不计 , 故而电荷放大器应用日益广泛。电荷放大器的电路简图如图10-17所示 , 由于忽略了漏电阻 , 所以电荷量为：（10-15） ey = - k ei ， （10-16）式中：ei 为放大器输入端电压 ;ey 为放大器输出端电压 ；k 为电荷放大器开环放大倍数；Ci 为放大器输入电容；Cf 为电荷放大器的反馈电容。由上式可得：（10-17）如果放大器开环增益足够大 , 则 kCf (C+Cf),故上式可简化为： ey-q/Cf （10-18）由此表明 , 在一定情况下 , 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比 , 并且与电缆分布无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。典型的压电加速度传感器的频率特性曲线如图 10-18 所示。该曲线的横坐标是对数刻度的频率值 , 而纵坐标则是相对电压灵敏度 （就是被标定的加速度传感器的电压灵敏度和一个标准加速度传感器的电压灵敏度之比）。从图中可以看出压电加速度式传感器工作频率范围很宽 , 只有在加速度传感器的固有频率 fn 附近灵敏度才发生急剧变化因此就传感器本身而言 , 固有频率 fn 是其主要参数。通常一般几何尺寸较小的传感器有较高的固有频率 , 但灵敏度较低 。就一项精确的测量而言 , 宁肯选取较小灵敏度的加速度传感器也要保证有足够宽的有效频率范围。五、复合式振动传感器1. 主要性能单个振动传感器一般只能测量汽轮机轴承座的振动或者测量主轴与轴承座之间的相对振动。近年来发展了一种复合式振动传感器 , 它由一个电涡流式位移传感器和一个速度传感器组合而成 , 放在同一个壳体内 ,如图10-19 所示。它具有非接触测量、无磨损、牢固可靠的优点，可同时测量轴的绝对振动、轴相对于轴承座的振动、轴承座的绝对振动。在转子动力学的研究中 , 用复合式传感器同时测量轴和壳体的振动 , 就能得知壳体的振动是由转子的振动还是由壳体的谐振所引起 , 或存在其它外界影响因素。此外 , 比较轴的相对运动与轴承座的绝对运动 , 可以分析系统的机械阻抗。在确定轴承阻尼、支承刚度、惯性参数及机械系统特性时 , 也需要测出两种运动成分的幅值和相位关系。既然机组的振动伴随着运行而存在 , 转子自然是引起振动的主要原因 , 当振动异常时 , 反映在主轴上的振动要比轴承座的振动变化明显得多 , 因此 , 监视主轴的绝对振动显得尤为重要。这也说明了目前机组的振动监视已从监视轴承发展到直接监视轴相对于自由空间的振动 ( 即轴的绝对振动 ) 的缘由。图10-20为一种实际的复合式振动传感器结构。2. 工作原理一般电涡流式位移传感器用于测量主轴相对于轴承座的振动 , 即主轴的相对振动 , 而速度传感器用于测量轴承座的绝对振动。速度传感器输出的速度信号经 V-D 转换器转换 , 变为绝对振动的信号 , 与电涡流式位移传感器输出的相对振动信号一起输入合成器 , 在合成器内进行矢量相加 , 然后输出主轴的绝对振动信号。如图10-21所示，假设 A1 表示主轴相对于轴承座的振动矢量 ;A2表示轴承座相对于自由空间的振动矢量 ,两者相位相差为，采用矢量和的方法可以求出主轴的绝对振动值A，图10-22示意了复合式传感器的测量原理框图。电涡流式位移传感器所得到的位移变化量 D, 经前置器转换为电压变化V1, 经放大后获得振动信号变化量 V1; 速度传感器所测V 经 V-D 转换器 ( 积分器 ), 把速度信号变换为位移信号V2, 经放大后获得振动位移信号电压 V2。为了得到正确的幅值和相位关系 , 在频响范围的低频端进行相位补偿。两个振动位移信号电压 V1 和 V2 同时输入到加法器上 , 加法器输出端输出的便是轴的绝对振动位移信号 , 再经过高通滤波 , 峰一峰值检波后传送给记录仪表。复合式振动传感器多用在蒸汽轮机、燃汽轮机、大型鼓风机、大型泵等旋转机械的振动监测上。为了测得准确的振动信号 , 复合式振动传感器应该牢固地安装在轴承座上 , 其测量方向应与振动信号最大的方向一致 , 被测转轴表面要光滑。六、线性差动变压器式传感器1. 主要性能线性差动变压器式传感器（简称LVDT），实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后 , 次级线圈便产生感应电压。传感器工作时，被测量物体的移动直接引起变压器的铁芯位置改变，从而导致输出电压发生相应变化。即差动变压器能把位移信号转换成交流电压信号。线性差动变压器式传感器具有精度高, 线圈变化范围大 ( 可扩大到土 loomm, 视结构而定 )， 结构简单 , 稳定性好等优点 , 被广泛应用于直线位移、压力、液位等参量的测量。2.工作原理线性差动变压器式传感器的工作原理如图10-23所示。初级绕组L0由交流电源励磁，交流电的频率（约1KHz）称为励磁频率。两个次极绕组L1、L2接成差动形式，它们是反相串联连接，其输出电压e是两个绕组交流感应电压的差值，所以称为差动变压器。在图10-23中，当铁芯的位置居中时，两个次极绕组磁路的磁阻相等，由于互感作用，两个次极绕组的感应电压e1和e2相等，相位相反，因此输出电压e = e1 - e2 = 0，此时铁芯位移为零。当铁芯由中间位置向左移时 , 次极绕组L1的磁路气隙减小，即磁路的磁阻减小，由于互感作用，次极绕组L1与初级绕组L0耦合的互感系数增加，次极绕组L1的感应电压增大；同时，次极绕组L2的磁路气隙增加，磁路的磁阻增大，次极绕组L2与初级绕组L0耦合的互感系数减小，次极绕组L2的感应电压变小，即e1 e2，其输出电压e=el- e20。同理，当铁芯由中间位置向右移时, e10。其输出电压e的大小在一定的范围内与铁芯的位移成线性关系，超过范围则输出电压饱和，变为非线性。图10-24 为输出信号与铁芯位移的特性曲线图。图中分别示意三种不同量程的线性差动变压器式传感器的特性曲线。当铁芯在中间位置时 , 输出信号为零 , 当铁芯左右移动时 , 输出信号经解调为正、负直流电压信号 , 并与铁芯位移具有线性关系。三条曲线的量程分别为025mm,05Omm,0100mm,其灵敏度分别为 0.35V/mm,0.4 V/mm 和 0.14V/mm。3.测量线路差动变压器式传感器输出的电压是交流量 , 如用交流电压表指示 , 则输出值只能反应铁芯位移的大小 , 而不能反应移动的极性 ; 其次 , 交流电压输出存在一定的零点残余电压 , 零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称 , 以及初级线圈铜电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以 , 即使活动铁芯位于中间位置时 , 输出也不为零。鉴于这些原因 , 差动变压器式传感器的后续电路应采用既能反应铁芯位移极性 , 又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。图10-25所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理 , 当没有信号输入时 , 铁芯处于中间位置 , 调节电阻 R, 使零点残余电压减小 ；当有信号输入时 , 铁芯移上或移下 , 其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。七、转速测量传感器测量转速的方法有许多种，所使用的传感器也有很多，常用的传感器有光电传感器 、电涡流式位移传感器、磁阻式传感器、磁敏式传感器等。而作为现场长期监测使用的主要是电涡流式位移传感器、磁阻式传感器、磁敏式传感器。电涡流式位移传感器在前面已经作过介绍，这里主要介绍磁阻式传感器和磁敏式传感器。1.磁阻式测速传感器磁阻式测速传感器由磁阻传感器和测速齿轮组成。如图 10-26所示，在被测轴上安装一个由导磁材料制成的齿轮，沿着齿轮圆周垂直的方向安装一个磁阻传感器。该传感器由永久磁钢和感应线圈构成。它的工作原理是：线圈与磁铁固定不动 ,当旋转轴带动测速齿轮转动时 , 每当齿轮的一个齿的顶部转到磁阻传感器的位置时 , 磁路的气隙最小 , 磁阻最小 , 磁通最大。齿顶通过后齿槽转到传感器位置 , 这时磁路的气隙变得最大 ,磁阻最大 , 磁通变为最小。每经过一个齿 , 磁通就变化一次。磁通的交变使线圈产生交变的感应电动势 , 其值为（10-19）式中：W 一线圈的匝数 ;一穿过线圈的磁通。因为对确定的传感器 ,W为定值 ,d/dt将只决定于轴的转速 , 所以 E 与转速有对应关系。传感器线圈产生的交流感应电动势的频率为：（10-20）式中 z 一齿轮的齿数；n一转速，单位为每分钟转(rpm)。若将齿轮做成 z=60, 则 f=n, 即交流信号的频率就等于被测的转速。磁阻式测速传感器结构简单、使用方便，无需工作电源就可以直接使用。其不足之处就是输出电压的峰值不恒定，低转速时输出电压较小，高转速时输出电压较大。2. 磁敏式转速测量传感器磁敏传感器具有将磁场变化转换成电量输出的功能。当长方形半导体薄片( 霍尔片)受到与电流方向垂直的磁场作用时 , 不仅会出现霍尔效应产生霍尔电势 , 还会出现半导体电阻率增大的现象 , 即所处的磁场越强 , 半导体片的电阻率越大 , 电阻也越大 , 这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应可制成磁阻器件 , 又称为磁敏电阻。它具有结构简单、体积小、重量轻、频响宽、无接触、寿命长的优点。磁敏电阻是磁敏式测速传感器的核心元件。磁敏式传感器内装有一个永久磁钢 , 在磁钢上 装有两个互相串联的磁敏电阻。当由导磁性材料制成的测速齿轮紧靠传感器的位置旋 转时，如图 10-27（a）所示。 随着齿顶的接近与离开 , 传感器内部的磁场受到干扰 , 磁力线产生偏移 , 磁敏电阻的阻值将随之变化。由于两个磁敏电阻 Rl 和 R2 所处的几何位置不同 , 两者电阻的变化情况也就不同。可以设计制造成这样的结果：一个电阻增加时 , 另一个电阻减小。而在电路上把两个磁敏电阻 R1 和 R2 与两个固定电阻 R3 和 R4 接成如图 10-27（ b ）所示的差动电桥。当测速齿轮随主轴旋转 , 某一个齿的顶部接近传感器时 , 由于磁场的变化 , 两个磁敏电阻 R1 和 R2 的阻值均发生变化 , 一个增大 , 另一个减小。使电桥失去平衡 , 输出电压信号 ； 当该齿离开传感器时 , 磁场向反方向改变 , 两磁敏电阻向反方向变化 , 电桥向反方向不平衡 , 输出极性相反的电压信号。每当一个齿经过传感器一次 , 桥路输出电压信号就变化一次。此交变的输出电压经触发电路和快速推挽直流放大器, 变成一个边缘很陡的脉冲信号。该脉冲信号的频率为（10-21）式中： z 一齿轮的齿数；n一转速，单位为每分钟转(rpm)。西德飞利浦公司的 RMS700 系列转速测量装置即属于此种 , 它的齿轮齿数 z=60, 因此 f=n, 即输出脉冲信号的频率就等于被测转速。利用数字转速表可直接作转速指示 ; 也可以通过频率-电压转换电路 , 输出 0lOV或0lOmA或420mA的直流电信号 , 进行转速指示与记录。这种磁敏式测速装置的测量范围很宽 (O2OKHz), 分辨率也高。八、键相器键相器是一种标记振动信号矢量最基本的传感器装置，简单的说它的作用就是提供测量振动信号相位的参考基准。精确的相位测量在转子高速动平衡试验、确定转子临界转速以及分析某些机械故障时都非常重要。汽轮发电机组的动态分析方法中, 常用的轴心轨迹分析、频谱图分析、波特图分析及极坐标图分析等都离不开相位。测量振动相位有许多方法 , 早先采用的有划线法、示波器法 , 后来采用闪光测相法 , 目前采用最多的是标准脉冲法。要正确地测量振动相位 , 最关键的是正确地取得标准脉冲信号。要获得标准脉冲信号 , 可使用光电传感器、磁敏传感器、电涡流式位移传感器等 , 光电传感器具有使用方便、安装简单，不会产生新的不平衡的优点，但是存在抗光、热干扰能力差、反光带易失效等缺点，因此它比较适合于巡回检测、现场动平衡使用。磁敏传感器的使用要求被测量物体的上面具有磁性材料，加工及安装均不方便。而电涡流式位移传感器具有抗干扰性能好，使用寿命长等优点，所以现场长期监测测量普遍使用电涡流式位移传感器作为键相器。使用电涡流式位移传感器作为键相器，要求在轴上参考位置处开出一条键槽。键槽的几何尺寸对不同的监测系统和被测转子都有一定的要求，例如本特利公司7200系列和3300系列的监测系统要求键槽或者凸台的宽度大于7mm，深度大于1.5mm，长度大于10mm，以保证产生最小5V的峰值脉冲信号。对于电涡流式位移传感器来说 ,如果在转轴上设置一个凹槽或凸台, 转轴每转一周 , 电涡流式位移传感器便输出一个负的或正的脉冲信号。振动信号测量的相位角定义如图9-29所示。以同步采集的脉冲信号和振动信号同步分量的时域波形为例观察，从键相脉冲信号的前沿开始到振动信号同步分量的第一个正峰值点（振动高点）之间的角度，就是该振动信号的相位角，如图10-28（a），该相位角为滞后角，一般定