第四讲 磁电式、复合式等传感器系统原理及应用.doc

第四讲 磁电式、复合式等传感器系统原理及应用第一节 速度(磁电式)传感器系统速度传感器属于接触式传感器，用来测量轴承座、机壳或者基础的振动。一、工作原理速度传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。速度传感器的力学模型可以用一个由集中质量、集中弹簧和集中阻尼组成的二阶系统来表示，如图5-13所示。图5-13 振动系统模型1质量块；2弹簧；3阻尼器由图可见，质量块1通过弹簧2和阻尼器3装在传感器的基座上。测振时传感器的基座随外界被测振动物体而振动，此时质量块m 就与基座产生相对运动。设为振动物体的绝对位移，为质量块的绝对位移。则质量块与振动物体之间的相对位移为根据运动学原理得到即 式中、与分别表示振动系统的质量、阻尼系数和弹簧刚度，等式的左边表示惯性力，右边分别表示阻尼力和弹簧恢复力。上述微分方程表示了集中质量的加速度、速度与位移之间的关系。应用微分算子代入上式，得由上式即可求出输入与输出的相对值。若求其传递函数，则有或 式中 阻尼比； 振动系统的固有频率。当振动物体作简谐振动时，即当输入信号为正弦波时，以代入上式，即可得到频率响应函数为 上式为复频函数，其振幅比为 令 频率比，得 由此可见，振幅比是频率比和阻尼比的函数。同时，相位角也是这些量的函数，即 当振动物体的频率等于传感器的固有频率时，系统出现共振，这时有 ； 即系统共振时，振幅只与阻尼比有关。阻尼越小，振幅比越大。当振动物体的频率比传感器的固有频率高得多时，质量（也称地震质量）与振动物体之间的相对位移就接近等于振动物体的绝对位移。在这种情况下，传感器的质量块可以看作是静止的，即相当于一个静止的基准，速度传感器就是基于上述原理测量振动的。这种传感器有时也称为惯性式传感器或地震传感器。速度传感器按其支承系统工作原理可分为绝对式和相对式两种。绝对式速度传感器的结构如图5-14所示。传感器的磁钢2与壳体6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1支承在壳体上。芯轴的一端固定着一个线圈7；另一端固定一个圆筒形铜杯（阻尼杯3）。这种结构形式的传感器，其惯性元件（质量）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。线圈中产生的感应电势为式中 磁场强度；感应线圈导线长度；相对运动速度。相对式速度传感器工作原理和绝对式速度传感器基本相同，不同的是动线圈采用较硬的簧片和外壳固定，与动线圈直接相连的拾振杆伸处传感器外壳，测量振动时将拾振杆直接压在物体上，传感器外壳固定在支架上，测量的振动是表示支架相对于物体的振动，所以称它为相对式速度传感器。由于拾振杆与振动物体间存在摩擦，因此这种传感器目前很少采用。不论是绝对式还是相对式速度传感器，若要取得与振动位移成正比的振动信号，传感器输出的信号必须经积分回路，这种电路一般都设在仪表本体内，但少数振动仪将这一电路单独分离出来，称它为速度/位移转换器（VDC），如美国本特利公司的速度传感器附带这种转换器，而仪表本体内还设有积分电路。这种外设积分电路给记录振动位移信号和检查振动仪输入回路是否正常带来方便，但投资也相应增加（VDC与速度传感器的价格相当）。 图 2 绝对式速度传感器的结构 1簧片 2永久磁钢 3阻尼杯 4导磁体 5 连接杆 6外壳 7动线圈 8引出线接头二、速度传感器的安装速度传感器一般是用来测量轴承振动的，在少数情况下也用来测量转轴振动。测量轴承振动时，速度传感器安装比较简单，目前在现场采用的有手扶、橡皮泥粘接、永磁吸盘固定、螺栓固定等四种方式。在临时性振动测试中，绝大多数采用手扶传感器，这种方式测试灵活、使用方便，特别是当传感器数目不足和各个传感器互换性不好时，它有突出的优点；但是测试误差较大，而且劳动强度也大。用橡皮泥粘接传感器比较方便，测量正确性较手扶高得多，但是橡皮泥黏性不大，它不能将传感器粘接到垂直平面上，只能固定在水平面上，例如测量轴承座顶部垂直、水平、轴向振动。在粘接牢靠时，50Hz时，最大能测量300振动。橡皮泥粘接传感器的主要缺点是其粘接力受温度影响较大，温度较高和较低都使粘接力显著降低，因此它不适用于温度较高的汽机高中压转子和带盘车齿轮的轴承；冬季冷态启动时，轴承温度过低也不宜采用。永磁吸盘固定传感器较橡皮泥更方便，而且目前国内也能制造出尺寸为或50mm50mm的永磁吸盘，其吸力能达196N，用这样的吸盘固定500g以下的传感器，吸附在水平面上，最大可测量1000振动。但是一般机组轴承座都涂有泥子和油漆，使吸盘的吸力降低，因此当吸附在垂直平面上、振幅较大时，仍需手扶，以免脱落，摔坏传感器。用螺栓直接将传感器固定在轴承上，不仅可以牢靠地测量轴承座顶部三个方向振动，而且可以测量垂直平面上两个方向振动。这种安装方法是四种安装方法中最牢靠地一种，所以在固定式传感器安装中均采用这种方法，临时性测试中显得有些麻烦。为了获得正确的测量结果，速度传感器的安装应注意下列几点。1 工作温度一般速度传感器工作温度均在以下，温度过高会使传感器绝缘损坏和退磁，使其灵敏度降低。对于高中压转子的轴承，当其轴封漏汽严重时，传感器不能较长时间装在轴承上。2 避免传感器固定不稳和共振不论是采用哪一种方式与轴承连接，传感器都必须紧密地固定在被测物体上，不能有松动，否则会引起传感器的撞击，使测量结果失真。传感器采用单个螺丝固定，有时会引起传感器的共振，使传感器产生较明显的横向振动，引起测量误差。为了避免传感器固定在振动物体上发生共振，其连接螺栓不能小于M8，而且传感器与被测物体之间的接触面要平整，接触面的直径不能小于20mm。如果采用外加的夹具把传感器固定在轴承座上，夹具高度应尽量降低，否则会把被测的振动放大。3 测点位置前后一致一般机组的轴承在不同的位置振动有较大的差别，因此凡是采用手扶、橡皮泥粘接和永磁吸盘固定传感器，都应标出测点位置，避免因前后测点位置不同而发生误差。这一点对于振动故障诊断和转子平衡中振动测量尤为重要。4 传感器的互换性为了减轻测试中劳动强度，目前在机组振动测试中一般采用几个至十几个传感器测量各点振动。对同一点振动来说，当前后采用不同的传感器测量时，各个传感器灵敏度和相位特性应统一，只有经过严格试验的传感器在测试中才能互换，否则会引起较大的测量误差。为了避免因传感器互换性不好而引起的测量误差，传感器应对号入座（测点）。但其测量结果只能作纵向（前后）比较，为了横向比较，最好采用同一个传感器测量各点振动。5 传感器安装方向与要求测量方向应一致轴承振动往往在某一方向上特别显著，当传感器方向稍为偏离测量方向时，表计指示值就会发生较大的变化，特别时采用手扶传感器时，传感器不大的偏斜往往不易觉察；另外采用橡皮泥粘接传感器时，由于轴承温度升高时橡皮泥会软化，使传感器产生倾斜而偏离测量方向。测振时应随时注意传感器安装方向。三、速度传感器的特点1.安装简单，可适用于绝大多数机器的环境条件，对于汽轮发电机组振动来说，它具有合适的频率响应范围。2.不需外加电源，振动信号可以不经任何处理传送到需要的地方。3.体积、重量较大，活动部件易损坏，低频响应不好，一般测量15Hz以下的振动时，将产生较大的振幅和相位误差。4.标定较麻烦，只能作动态测量，价格较贵。第二节 复合式探头传感器系统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。虽然接触式传感器可测量轴的绝对振动，但其顶杆直接触主轴，存在着触点磨损，需要润滑，因此触点润滑情况与轴的表面光洁度会影响测量值，响应速度受到限制。因此，近年来发展了一种复合式振动传感器，它由一个电涡流传感器和一个速度传感器组合而成，放在一个壳体内，壳体可以安装在机组的同一个测点上，如图5-16所示。这里电涡流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。主轴的绝对振动测量是根据相对运动原理实现的。图5-16 复合式振动传感器示意设表示主轴相对于轴承座的振动矢量；表示轴承座相对于自由空间的振动矢量，根据相对运动原理，可得主轴相对于自由空间的振动矢量为 =+其振动矢量关系图如图5-17所示。图5-17 振动矢量图图中与之间存在相位差，这是由油膜及轴承结构等因素决定的。如能测得和，即可得出，实现主轴相对于自由空间的振动测量。图5-18示意了复合式传感器及其振动测量的原理框图。电涡流传感器所得到的位移变化量H，通过鉴定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VD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，峰峰值检波后送表头显示。图5-18 复合式传感器电路方框图V-D转换器放大器相位补偿前置器放大器加法器高通滤波峰-峰值检波 器绝对振动指示轴相对振动机壳绝对振动HV（cm/s）第三节 键相器相位是描述转子在某一瞬间所在位置的一个物理量，精确的相位测量在转子动平衡试验、确定临界转速以及分析某些机械故障时都非常有用。测量振动相位有许多方法，早先采用的有转子上划线法、凸轮接触法、示波器法，后来采用闪光测相法，目前采用标准脉冲法。采用标准脉冲法测相的振动仪，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，又分为可见光光电传感器和红外线光电传感器，但光电传感器存在抗光、热干扰能力差、反光带易失效等缺点，所以现在普遍使用电涡流传感器作为键相器。对一个已定的电涡流传感器来说，其输出电压与传感器和被测物体之间的距离成正比，如果在转轴上设置一个凸条或凹槽，转轴每转一周，涡流传感器便输出一个负或正脉冲信号。图5-19为振动信号相对于同步脉冲的相位图。图（a）表示振动探头、键相器探头、键相记号、振动高点等的相对位置图；图（b）为检测到的振动信号同步分量的波形和键相器检测到的每转一个脉冲的波形图。键相器的输出是振动输入信号的转速分量，用图（b）的正弦曲线表示。相位角定义为从同步信号（键相脉冲）前缘到正弦曲线正峰值（高点）间的角度。图5-19 振动信号相对于同步脉冲的相位图1转子；2振动高点；3振动探头；4键相器探头；5键相记号相角测量也可以鉴别出几种不同的机械故障，某些机械故障有与其密切的确定关系，而其它故障形式则与有变化的相角特征有关。当然，运转速度高于一个或多个平衡共振频率的机器，在经过共振频率区时，一般都会发生180的相位变化。因此相角测量可用于证实转轴共振速度或临界速度的存在。相位表是机组的诊断仪器，当它工作在相位、振幅模式时，可以用来得出趋势曲线。当它工作在正交、同相模式时，可以用来得出极坐标图。汽轮机组的动态分析方法，常用的有轴心轨迹图法、振动时基曲线法、频谱图分析法、波特图法及极座标图法等。波特图(Bobe)实际是两条独立的笛卡尔座标曲线，即振幅与转速的关系曲线和相位滞后角（相角）与转速的关系曲线。机组作共振响应、平衡响应时，通常使用波特图测量，它能表明机组在谐振时的转速，比较直观。极坐标图(Nyquist)是转速和作为转速函数的相位和振幅的相量图。图5-20为典型的极坐标图。由于极坐标在遇到初矢量的时候其形状不变，而波特图上的振幅和相位却表现出很大的变化，所以用它来分析机组的动态特性是很有用的。键相器另一种功能是测量转轴中心线涡动的方向，或转轴的涡动方向。如果转轴中心线的涡动与转轴旋转方向相同，就称之为向前涡动，反之称为向后涡动。虽然大多数机器都出现向前涡动的动态运动，例如由于不平衡或油膜引起的涡动，但是某些机械故障亦会发生向后涡动的现象，例如动静部件的摩擦。图5-20 极坐标图第四节 线性变量差动互感器一、机壳膨胀传感器的应用机壳膨胀是汽轮机监测仪表(TSI)的一个重要测量参数，它是指在机组启动或正常运行时汽缸的热膨胀。典型情况下，传感器安装在绝对死点的相对端基础上，机壳膨胀传感系统提供的是汽缸相对于基础的热膨胀。完整的机壳膨胀信息应由两个传感器获得，即使用两个传感器来分别测定汽机中心线两侧的汽缸热膨胀，这种布置可以了解汽缸与滑销系统的工作情况，如果滑销被卡住，将造成汽机变形进而引起机组损坏，此双