4第四章 传感器的使用

第四章第四章 传感器使用基础传感器使用基础 1 振动传感器振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器 速度传感器 加速度传感器和复合传感器 它是由一个非接触式传感器和一个惯性传感器组 成 四种 每一种传感器都有它们固有频响特性 其决定了各自的工作范围 如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时 测量得到的读数会产生较大 的偏差 下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优 缺 点等 表 1 1 常用的振动传感器及其性能和适应范围 传感器 种类 频响特性测量适用范围优 点缺 点 电涡流 传感器 0 5000HZ 或 0 10000HZ 转轴相对振动 轴心轨迹 轴承油膜厚度 轴位移和胀差 转速和相位 非接触测量 测量范围宽 灵敏度高 抗干扰能力强 不受介质影响 结构简单 对被测材料敏感 存在机械偏差和 电气偏差的可能 及影响 安装较复杂 速度 传感器 10 500HZ 或 10 1000HZ 轴承座的绝对振动不需电源 简单方便 灵敏度高 输出信号大 输出阻 抗低 电气性能稳定 性好 不受外部噪声 干扰 动态范围有限 尺寸和重量大 弹簧件易失效 受高温影响大 加速度 传感器 0 2 10000HZ 或更高 轴承座的绝对振动频响范围宽 体积小 重量轻 灵敏度高 不易在高温环境 下使用 装配困难 成品 率低 复合传 感器 0 2000HZ 转轴绝对振动 转轴相对振动 轴承座的绝对振动 转轴在轴承间隙内 的径向位移 非接触测量 无磨损 牢固可靠 对被测材料敏感 安装较复杂 1 1 振动传感器的构成及工作原理 振动传感器的构成及工作原理 振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置 传感器至少有 机械量的接收和 机电量的转换二 个单元构成 机 械接收单元感受 机械振动 但只 接收位移 速度 加速度中的一个 量 机电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量 如电荷 电动势 电 阻 电感 电容等 另外 还配有检测放大电路或放大器 将模拟电气量转换 放大为后续分析仪器所需要的电压信号 振动监测中的所有振动信息均来自于 此电压信号 1 2 振动传感器的类型 振动传感器的类型 振动传感器的种类很多 且有不同的分类方法 按工作原理的不同 可分 为电涡流式 磁电式 电动式 压电式 按参考坐标的不同 可分为相对式与 绝对式 惯性式 按是否与被测物体接触 可分为接触式与非接触式 按测量 的振动参数的不同 可分为位移 速度 加速度传感器 以及由电涡流式传感 器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器 等等 在现场实际振动检测中 常用的传感器有磁电式速度传感器 其中又以绝 对式应用较多 压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器 其中 加速度传加速度传 感器应用最广感器应用最广 而大型旋转机械转子振动转子振动的测量几乎都是涡流式传感器几乎都是涡流式传感器 2 电动力式振动速度传感器的工作原理 电动力式振动速度传感器的工作原理 固定在壳体内部的永久磁铁 随着外壳与振动物体一起振动 同时 由于内部由弹簧 固定着的线圈不能与磁铁同步运动 磁铁的磁力线被线圈以一定的速度切割 从而产生了 电动势输出 而所输出的电动势的大小则与磁通量的大小和线圈参数 在此处均系常数 以及线圈切割磁力线的速度成正比 所以我们可以得到和磁铁的运动速度成正比的输出电 动势 即 传感器的输出电压与被测物体的振动速度成正比 3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器 磁电式速度传感器的构造如下图所示 磁电式速度传感器磁电式速度传感器的工作原理是 传感器固定在被测物体上 物体振动时 固定在壳体 7 上的磁钢 5 随壳体与物体一起振动 而由弹簧片 2 和线圈 3 组 成的弹簧 质量元件 与磁钢的振动并不同步 而是发生相对运动 线圈切割 磁钢的磁力线而产生电动势 在磁通量及线圈参数均为常数的情况下 电动势电动势 的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比的大小与线圈切割磁力线的相对速度成正比 此相对速度 对相对式 显然是 被测物体的相对振动速度 对绝对式来说 当传感器中的弹簧 质量元件的固 有频率远小于被测物体的振动频率时 线圈的振动速度会远小于磁钢的振动速 度 线圈与磁钢之间的相对速度 接近于被测振动体相对于大地或惯性空间的 绝对速度 总之 可以认为 磁电式速度传感器的输出电压与被测物体的振动 速度成正比 速度传感器通过积分电路可测得位移 通过微分电路可测得加速度 磁电式速度传感器速度传感器的优点是 灵敏度高 输出信号大 输出阻抗低 电气 性能稳定性好 不易受外部噪声干扰 不需外加电源不需外加电源 安装简单 使用方便 对后续电路也无特殊要求 缺点是动态频响范围有限频响范围有限 尺寸尺寸和重量较大大 弹簧弹簧 片片容易易发生疲劳损坏损坏 速度传感器的构造特点决定了弹簧片为关键的矛盾点 弹簧片厚 弹簧 质量元件的固有频率就增高 所能测得的低频范围变窄 弹 簧片薄 易损坏 使用寿命短 4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 某些晶体 在受到 沿一定方向的外力作用 时 其内部的晶格会发 生变化 产生极化现象 同时在晶体的两个表面 上产生了极性相反的电 荷 当外力消除后 又恢复到原来的不带电状态 当作用力方向改变时 所产 生的电荷的极性也随之改变 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 此现象称为压电效应 压电式加速度传感器 就是根据压电晶体受力后会在其两个表面产生不同 电荷的压电效应来实现机电转换的 压电式加速度传感器的构造如下图所示 其工作原理是 压电式加速度传感器加速度传感器 的基座 4 固定或紧密 接触于被测物体 与 物体一起振动 由压 紧弹簧 1 与惯性质量 块 2 组成的弹簧 质 量元件 与基座的振 动并不同步 而是发 生相对运动 压电晶 体 3 受到质量块因相对振动加速度产生振动加速度产生的惯性力惯性力作用而产生电荷 电荷量的大电荷量的大 小与惯性力成正比小与惯性力成正比 当传感器中的弹簧 质量元件的固有频率远大于被测物体 的振动频率时 质量块的振动位移会远小于基座的振动位移 质量块与基座之 间的相对振动接近于基座 即被测物体的振动 因此 压电式加速度传感器的 输出电压与被测物体的振动加速度成正比 加速度传感器通过积分电路可测得速度 通过二次积分电路可测得位移 压电式加速度传感器加速度传感器的优点是 体积小体积小 重量轻 频率响应范围宽频率响应范围宽 适于 测量高频 冲击信号 例如齿轮 滚动轴承的振动测量 耐温 耐蚀性较好 不易损坏 在实际测量中应用最广泛 由于压电晶体产生的电荷量很小 加速 度传感器需要配置电荷放大器 因此造成内阻抗高 电荷放大器前的连接电缆 容易受到外部电磁干扰 现在 许多加速度传感器把放大电路集成到传感器内 抗干扰能力得到大幅度的提高 压电式加速度传感器的频响特性范围 下限由 电荷放大器决定 上限由传感器的固有频率及安装谐振频率决定 即传感器与传感器与 被测物体的接触及固定状况会大大影响高频测量的范围被测物体的接触及固定状况会大大影响高频测量的范围 其中钢螺栓联接固定 方式的高频测量范围最高 可达 10000Hz 磁铁固定式为 2000Hz 手持式最低 仅数百 Hz 5 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器 电涡流式位移传感器由探头和前置放大器 又称测隙仪 二部分组成 探 头对着转子被测表面 但并不接触 留有一定的间隙 用支架固定在轴承的瓦 座上或机壳上 通过延伸电缆与机壳外 的前置放大器相连 电涡流式位移传感器的构造如右图 所示 电涡流式位移传感器位移传感器的工作原理是 传感器的头部线圈 与谐振电容 前置 器内的石英振荡器 构成高频 1 2MHz 电流振荡回路 在头部线 圈周围产生高频交变磁场 当磁场范围 内出现金属导体 如转子时 转子表面会产生感应电流 即电涡流 电涡流产 生的感应磁场反作用于线圈的高频磁场 使线圈的阻抗 或者说电感 发生变 化 转子与探头之间的间隙 越小 电涡流就越大 线圈的阻抗就越大 电感 量就越小 在振荡器激励电流参数 线圈参数 金属 转子 电导率和磁导率 都为常数的情况下 电感量是间隙电感量是间隙 的单值函数的单值函数 测出电感量的变化 即可知 道转子与探头的间隙变化 由延伸电缆输出的电感量变化信号为高频载波信号 经前置放大器内的检波器放大 转换后输出的是直流电压信号 该电压与探头电压与探头 和转子之间的间隙和转子之间的间隙 成正比成正比 因此称为间隙电压 间隙电压 U 又可分为直流分 量 Uo 和变化分量 Ua 两部分 直流分量对应于初始间隙 又称安装间隙 或平 均间隙 用于测量轴位移 变化分量对应于振动间隙 用于测量振动 测隙仪 输出的间隙电压信号经后续仪表的进一步处理 即可转化成轴振动 轴位移 转速 相位的数值以及状态监测的各种图谱 电涡流式位移传感器是非接触式传感器 具有灵敏度高 线性范围大线性范围大 频频 响范围宽响范围宽 具有零频响应 探头结构尺寸小 抗干扰能力强 适于远距离传送 易于校准标定等优点 与接触式传感器 速度传感器 加速度传感器都是接触 式 相比 电涡流式传感器能够更准确地测量出转子振动状况的各种参数 尤 其适用于大型旋转机械轴振动 轴位移 相位 轴心轨迹 轴心位置 差胀 等等的测量 用途十分广泛 6 常用振动传感器主要性能及优缺点常用振动传感器主要性能及优缺点 现将常用振动传感器主要性能及优缺点列表如下 电涡流传感器优 缺点比较一览表 优 点缺 点 1 直接测量转子的动态运动 而转 子动态运动是大部分常见机器故 障的振动源 如不平衡 摩擦 1 电气或机械引起的初始偏差 与转子材 料的均匀性有关 对转子表面质量要求 高 不能有划痕 锈蚀 凸起的斑点和 常用振动传感器主要性能及优缺点常用振动传感器主要性能及优缺点 类型 电涡流式位移传感器 磁电式速度传感器 压电式加速度传感器 项目 本特利 3300 3500 系列 绝对式 CD 1 YD42 YE14103 灵敏度 7 87 mV m 4 60 mV mm s 20pc g 频率范围 0 10000Hz 10 500Hz 1 10000Hz 线性范围 2mm 1mm 1000g 适用范围 轴振动 轴位移 转速 轴承座 机壳 基础等 高频 冲击信号的测 相位 轴心轨迹等多种测量 非转动部件的振动测量 量 如齿轮 滚动轴承 非接触式测量 灵敏度高 灵敏度高 灵敏度高 线性范围大 输出阻抗小 输出信 体积小 重量轻 频响范围宽 具零频响 号大 电气性能稳定 频响范围宽 适于 优点 应 可测静态值 不易受外部噪声干扰 高频 冲击信号的检测 高电压 低阻抗输出 不需外加电源 耐温 耐蚀性较好 适于远距离传送 简单 方便 工作可靠 适应环境 可静态标定 校准方便 应 可测静态值 对被测部件的缺陷敏感 频响范围有限 对安装状况敏感 易存在机械及电气偏差 体积 重量较大 内阻抗高 放大器 缺点 需要外部电源 弹簧易疲劳损坏 前电缆易受电磁干扰 安装较复杂 易受高温 磁场影响 标定较困难 标定较麻烦 轴承失稳等 2 测量转子相对于轴承或轴承座在 轴承间隙内的平均位置 平均位 置是作用于转子上的单向预负荷 稳定状态的重要标志 如来自不 对中 流体或空气动力影响等 均可得到体现 3 标定简单 只需千分表和数字电 压表即可完成静态标定 4 某些型号的传感器可用作轴向推 力位置测量 转子偏心 弯曲 测量 转速测量 相位角测量和 差胀测量 5 直接以工程单位测量位移 对评 价机器由于大多常见故障引起的 总体响应和振动严重程度非常有 意义 6 良好的信噪比 高电平低阻抗输 出 监测仪到传感器系统的电缆 长度可达 300 米 7 频率响应宽 达到 DC 到 10kHz 8 无活动部件 高可靠性 9 模块化涉及 更换方便灵活 磁场 2 对某些转子材料 金属元素 敏感 可 能需要特别标定 3 需要外部直流电源 4 对某些机器来说 安装比较困难 5 一般用于临时监测时 无法快速安装 即使用于定期测量 传感器也需永久性 固定安装 6 用于测量转子绝对振动时 与之相连结 的速度传感器必须安装在同一位置 方 位 这种情况多用于低机械阻抗比的机 器 速度传感器优 缺点比较一览表 优 点缺 点 1 安装方便 快捷 可安装在机器 外部 如轴承座部位 2 在中等频率范围内 15Hz 到 1kHz 具有较强输出信号 3 无需外部电源 4 与电涡流传感器配合可测量转子 绝对振动 5 对中等速度范围内运行的机器 其频率响应足够用于评价其运行 状态 6 使用磁性座可临时安装 7 有高温型可用于高温环境下的振 动测量 8 速度可方便地积分为位移 用以 评价机器总体振动状态 9 速度有效值 振动烈度 以作为 评价中等转速 功率 机器的国 际标准应用工程单位 1 能提供转子动态运动的信息有限 在低 机械阻抗的机器上适用是可以的 2 由于安装在机器外部 测量易受到周边 环境传递到机器壳体上振动的影响 影 响因素如管道 基础 相邻的机器等 3 机械设计 弹性 质量 阻尼 性能在 正常应用一段时间后会降低 4 传感器任何结构的故障都需整体更换传 感器 5 标定困难 需要从机器上卸下 适用振 动台标定 6 低频段幅值和相位误差大 7 在高幅值下的交叉轴灵敏度问题 8 体积较大 重量高 但有资料认为 在某些场合如确定共振峰值时不应以有效值来计量 应以峰值或 峰峰值来计量 笔者认为 在衡量运行条件相对稳定的机器振动时 采用有效值 是合适的 在衡量非稳定状态时 使用峰值来确定振动的严重程度可能更合适 按照惯例 振动位移以峰峰值计量 振动速度以有效值 烈度 计量 振动加速 度以单峰值计量 但测量往复压缩机振动时振动速度以峰值计量更合理 在使用惯性式速度传感器时应注意其规定使用方向 有些型号的传感器对使用方 向有严格的要求 主要是内部设计结构不同 在三种常用振动传感器中 其寿命最短 加速度传感器优 缺点比较一览表 优 点缺 点 1 安装方便 可安装在机器外部 如轴承座部位 2 对高频测量 特别是 2kHZ 以上的 测量非常有用 3 无移动部件 良好的可靠性 4 具有高温型号可选择 5 当最大频率和温度超过限定值时 加速度传感器就成为唯一的振动 传感器 6 相对轻量设计 1 提供转子的动态运动信息非常有限 适 用于低机械阻抗设计的机器 2 由于安装在机器外部 测量易受到周边 环境传递到机器壳体上振动的影响 影 响因素如管道 基础 相邻的机器等 安装位置选择必须仔细 以最大程度地 降低外部影响 3 安装不好时会引入噪声 需要仔细安装 当手持测量时 响应范围非常有限 一 般仅能达到 500Hz 4 无法修理或部分更换 需整体更换 5 标定困难 同样需要从机器上卸下 适 用振动台标定 6 不适用于一些低转速设备 低频下信噪 比极低 7 双积分成位移时 低频段误差大 8 一般在监测时需要滤波器 不同的机器 需要的滤波范围也不同 9 需要外部电源 10 某些情况下因冲击 跌落在水泥地上易 造成损坏 附注 普通压电加速度传感器需要信号输入调节 即要求使用电荷放大器 为 了避免这类麻烦 一般采用 ICP 加速度传感器 即集成电路加速度传感 器 只要测量仪器解决了传感器的供电问题就可以了 若测量仪器没有 设计给 ICP 传感器供电 可以选择小型单通道恒流源 电池供电 给 ICP 传感器供电 解决临时监测问题 振动传感器频率响应范围 传感器的安装 直接影响到信号输出的正确与否 特别是电涡流传感器 由于安装比 较困难 在一些结构紧凑的机器上安装更是复杂 需要特别注意 虽然电涡流传感器的安 装与从事设备状态监测与故障诊断人员没有直接的关系 但因安装位置 间隙 支撑刚度 牢固程度等等 都会对信号输出造成干扰或虚假信号 了解电涡流传感器安装的基本要求 对设备状态监测与故障诊断是有帮助的 影响电涡流传感器输出的因素有 转子材质 对大多转子材质来说 电涡流输出的灵敏度是相似的 即我们常说的 8mV m 但对一些特殊钢材来说 传感器输出的灵敏度会变化 转子轴颈的表面状态 表面粗糙度或表面处理工艺不同 输出信号不同 表面镀 层的厚度若很薄 传感器磁场穿透后感受到两层不同的材质 就会影响输出 在 传感器磁场穿透范围内有内部缺陷 也会影响信号输出的正确性 线性范围和温度范围 必须保证在规定范围内使用 由于安装导致信号干扰的因素 交叉干扰 探头安装不合理 探头固定刚度不足 前置器输入或输出接头松动 对 3300 3500 系列 A 不小于 25mm 对 7200 系列 A 不小于 40mm 小于这个最小尺 寸 容易产生交叉偶合干扰 在国产 DH 型风机上安装传感器时 由于轴径纵向长度太短 同时安装键相传感器时就会发生这种干扰 表现为正常振动信号上叠加了脉冲信号 使得 监测仪表读数偏大 经常出现报警黄灯甚至危险红灯 安装传感器时 探头端部必须伸出来 并保证与轴的正确间隙 以面传感器产生的磁 场受到安装孔的影响 否则会导致传感器读数不准 传感器垂直方向的支撑刚度必须足够高 不能在运行中产生振动 图中箭头所指的地方必须连接牢固 现在已经有的产品改为锁紧式设计 还有其它类型的传感器 如复合式绝对位移传感器 胀差传感器 压电速度传感器 应变式加速度传感器等等 都可以根据不同的使用要求进行选择 压电速度传感器胀差传感器复合式传感器 在一些场合 如电厂的球磨机 水泥厂的转窑 炼钢厂的转炉 煤矿 的天轮等 机器的转速很低 但负荷很大 采用常规的振动监测法诊断故 障就不像中高速机械那样敏感 测量其受力变化反而更直接 可以选择应 变式加速度传感器 配合动态应变仪进行调理放大 获取所需信号 图 4 1 涡流传感器输出及其温度漂移曲线 在高温环境下使用的电涡流传感器 必须考虑其温度漂移指标 否则系统 输出的信号无法正确反映机器振动的真实信息 甚至获得错误的信息 若没有把握决定选择的传感器是否满足需要 最好能够在生产厂家进行温 度漂移试验 信号随不同温度的信号输出除满足一定误差要求外 还应满足线 性输出的要求 图 4 2 速度传感器频率响应曲线 图 4 3 速度传感器频响相位延迟曲线 选择电涡流传感器时要注意其温度漂移指标 特别是应用于高温环境下时 更应注意 国产的电涡流传感器在常温或较低工作温度下的性能是没有问题的 但多数温度漂移指标 不合格 这样就会导致输出的信号线性非常差 数据的准确性无法保证 速度传感器国内生产商不少 目前可以满足基本振动监测要求 可以根据需要进行选 择 如果是采用永久性安装 最好选择压电速度传感器 以保证其可靠性和较宽的频率响 应 便携仪器配套的速度传感器 一般是临时监测用 采用普通惯性式速度传感器就可满 足需要 传感器的选择主要依据以下三个因素 1 测试对象的运转情况与什么参数有关 适合什么类型的传感器 2 机械阻抗 支撑刚度 的影响 振动信号能否较好地传递到机壳上 测量部位的 特性 轴承类型等 3 频率范围要求 较低的频率或总振动水平测量可采用速度传感器 分析高频域振 动 叶片 滚动轴承或齿轮故障 结构频率响应等采用加速度传感器 对传感器的类型确定后 采用正确的安装方式 就能正确地完成测试任务 图 4 4 速度传感器频响曲线 图 4 5 加速度传感器频响曲线 常用机械选择传感器的方法 机器类型传感器建议安装位置 使用滑动轴承的蒸 汽轮机 压缩机及 大型机泵 非接触式位 移传感器 轴承径向互成 90 安装 并在每一机器推力轴承侧安 装轴向位移传感器 一般为双传感器 在每一转速段 安装键相传感器 中型机泵 位移或速度 传感器 在轴承径向水平 垂直方向安装 使用滑动轴承的电 机或风机 位移或速度 传感器 在每一轴承径向安装 并最少安装一个轴向位移传感 器来检测轴向压力磨损 使用滚动轴承的电 机 泵 压缩机 速度或加速 度传感器 可在每一轴承水平 垂直 轴向三个方向安装 尽可 能安装在最大受力处 使用滚动轴承的齿 轮箱 加速度传感 器 传感器的安装尽可能接近每一个轴承 使用滑动轴承的齿 轮箱 非接触式位 移传感器 轴承径向互成 90 安装 并在推力轴承侧安装轴向位 移传感器 附加说明 速度传感器一般采用钢制螺拴或磁铁安装 加速度传感器安装方式较多 不同的安装方式具有不同的高频响应 采用钢 制螺拴安装时 能达到传感器设计高频范围 其它的方式均会影响高频响应 应当在特殊场合应用时予以注意 使用加速度传感器测振时 要特别注意连接电缆的噪声问题和接地问题 工 作中的拉伸 压缩和动态弯曲均会引入噪声 引起 颤动噪声 干扰 测量 系统必须保证 一点接地 或使用绝缘层将传感器与被测物体表面隔离 测量小结构物体时 如小型叶片 应使用质量较小的加速度传感器 必须保 证传感器的质量远小于被测物体的质量 否则会引起很大的误差 若确因条 件限制时 必须对测量结果予以修正 选择加速度传感器时 必须满足加速度使用的上限频率 传感器说明书中有 此指标 应大大小于加速度传感器的一阶共振频率 取决于不同的安装方式 一般其使用上限频率应小于传感器一阶共振频率的 2 5 3 倍以上 这样才能 保证测量精度 非接触式位移传感器因其放大部分为非线性放大 具有一定的阻抗要求 因 此其延伸电缆的长度不能随意改变 替换时应注意选择相同的型号和相同的 延伸电缆长度 以保证其灵敏度的相同 附录 常用振动标准 1 振动烈度标准 ISO2372 ISO3945 振动烈度ISO2372 ISO3945 范围 级 级 级 级刚性基础柔性基础 0 28 0 45 0 71 A 1 12 A 1 8 B