传感气经典振动测试技术.

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1、1.旋转机械振动的测试方案 2.旋转机械的转速检测 3.涡流式位移传感器 4.惯性式速度传感器 5.压电式加速度传感器 旋转机械的振动测试 振动工程研究所 李 凌 均 旋转机械振动的测试方案 l测试对象和部位的选择 l测试点的确定 l传感器选用 测试对象和部位的选择 l在旋转机械中，转子是设备的核心部件，整个 设备能否正常工作主要取决于转子能否正常运转 。转子又通过轴承(滑动轴承或滚动轴承)支承在 轴承座及机壳或基础之上，构成了所谓的转子 支承系统，旋转机械的绝大多数机械故障都与转 子及其组件(齿轮、轴承)直接相关，大约占70 。 l支撑系统也会发生故障。 l主要从监测转子的振动来发现故障。监

2、 测转子比监测轴承座或机壳的振动信息更 为直接和有效。在出现故障时，转子上振 动的变化比轴承座及外壳要敏感得多。轴 颈的振动常常可以比轴承座的振动大几倍 到十几倍。 测试对象和部位的选择 l对于滚动轴承而言，轴颈与轴承之间 只有极小的间隙，因此轴的相对振动量 值较小、但当滚动轴承出现严重磨损或 损坏时，其振动值将明显增加。同理， 齿轮本身出现故障时，轴系的振动反映 比外壳和轴承座要明显得多。 测试对象和部位的选择 l监测转子轴的振动常常要比测量轴承 座或外壳的振动需要更高的监测条件： l能够合理地安装传感器。位置限制 l安装前一般需要加工设备外壳。加工 条件 l保证传感器与轴颈之间没有其它物体

3、 。 测试对象和部位的选择 l在高速大型旋转设备上，传感器的安 装位置常常是在制造时就留下的，目的是 对设备实行连续监视。而对低速中、小设 备来说，常常不具备这种条件。在此情况 下，可以选择在机壳或轴承座上放置传感 器进行测试。 l建议：对旋转机械来说，能测量转子 就应尽可能测量转子，在不具备条件时可 采取测量外壳或轴承座等措施。 测试对象和部位的选择 测试点的确定 l旋转机械的振动测试，一般测量三个方向 ，即水平方向、垂直方向和轴向方向，这是 因为不同的故障在不同的测量方向上有不同 的反映，比如，不平衡在水平方向，松动在 垂直方向，不对中在轴向反映较强。 l对于径向的两个测点，一般是互相垂直

4、安装， 水平方向测点以在轴中心高度处为好。习惯的办 法是在水平、垂直方向上测定， 测试点的确定 l若测量轴承座，一般也是测三个方向。需 要注意的是，一旦测点确定，就应经常在同一 测点测量，测点应做出记号测点的偏移将导 致测量值的极大误差。 l对于大型的旋转设备，在进行测点布局时 ，要兼顾经济、效率等方面的要求，以捕捉机 组的故障为前提，合理安排测点。下图是某厂 CO2压缩机优化测点分布图。 测试点的确定 测试点的确定 传感器选用 l电涡流位移传感器 l惯性式速度传感器 l压电式加速度传感器 涡流式位移传感器 l1特点与应用 l2工作原理 l3传感器的结构 l4测量电路 l5传感器的安装 1 特

5、点与应用 l非接触式测量，适合于测量转子相 对于轴承的相对位移，包括轴的平均 位置及振动位移。涡流式位移传感器 是利用转轴表面与传感器探头端部间 的间隙变化来接收振动的，从而避免 了与转轴表面曲直接接触。 1 特点与应用 l零频率响应，频率响应范围宽(0 l0kHz)、线性度好、灵敏度不随初始 间隙的大小改变等优点，不仅可以用 来测出转轴轴心的振动位移，而且还 可测出转轴轴心的静态位置的偏离。 目前涡流式位移传感器广泛用于各类 转于的振动监测。 1 特点与应用 2 工作原理 l在传感器的端部有一线 圈，线圈中有频率较高(1 2MH2)的交变电压通过。 当线圈平面靠近某一导体 面时，由于线圈磁通

6、量穿 过导体，使导体的表面层 感应出一涡流ie，而ie所形 成的磁通量e又穿过原线圈 。 l这样，原线圈与涡流“ 线圈”形成了有一定耦合 的互感。涡流系数的大 小与二者之间的距离及 导体的材料有关。 2 工作原理 3 传感器的结构 3 传感器的结构 l下图是CZF3型传感器的实际结构图。 9CZF3型传感器的实际结构图。 1一壳体 2一框架 3一线圈 4一保护套 5一填科 6一螺毋 7一电缆 4 测量电路 5 传感器的安装 l安装涡流式位移传感器时，首先应注意的 是平均间隙的选取，为了保证测量的准确性， 要求平均间隙加上振动间隙，也即总间隙应在 线段以内，否则，在非线性段的灵敏度变化将 带来测

7、量上的误差和波形失真。一般讲将平均 间隙选在线段的中点，这样，在平均间隙两端 容许有较大的动态振幅，如下图。 5 传感器的安装 涡流式传感器的安装及动作位置 a) 涡流式传感器和旋转轴 b) 涡流式传感器的平均间隙 5 传感器的安装 l安装传感器时另一个重要的问题是在传感 器端部附近除了被测物体表明外，不应该有 其它导体与之靠近。应按产品说明书安装。 l另一方面，还应考虑到被测转子的材料特 性。因为同一传感器测量不同材质的物体时 ，其输出灵敏度也不相同。特殊材质特殊定 制。 5 传感器的安装 5 传感器的安装 5 传感器的安装 5 传感器的安装 5 传感器的安装 6 旋转机械的转速检测 旋转机

8、械振动中，最为明显的特征为振动是以 转速为周期的周期振动，因此，无论是从分析振 动信号还是掌握设备的运行状态等方面来说，准 确测量旋转机械的转速都具有十分重要的意义。 检测转速首先要获得与转速同步的脉冲信号。 涡流传感器要求在轴上标记线处开一条几毫米深 的键槽，设定前置器的输出为负电压的脉冲信号 如图所示。一般来讲，键糟开的宽，脉冲也宽。 6 旋转机械的转速检测 只要测得两个脉冲间的时间t，即可求得转 子的瞬时转动角速度或频率f。 键糟凸台的几何尺寸，不同的监测系统和被 测转子都有一定的相应要求，例如本特利公司 7300系列和3000系列监测系统要求键槽和凸台 的宽度大于7mm，深度大于1.5

9、mm，长度大于 10mm，以保证产生最小5v的峰值脉冲信号。 6 旋转机械的转速检测 由于键槽有一定的宽度，因此参考脉 冲信号有一定的宽度，这时转速测量取 值应明确是以脉冲前沿或后沿为触发参 考。 旋转机械的键相信号对旋转机械的振 动测量具有重要意义，除了测量转速以 外，它还可以作为相位参考脉冲信号， 也是旋转机械中常用的整周期采样方法 的基础。 6 旋转机械的转速检测 为了获得理想的键相脉冲信号，应注意： 1) 键相位的涡流传感器应径向安装。 2) 选择键槽的长度时应考虑转子的轴向推动量 。 3) 涡流传感器与轴表面之间的间隙应按轴平滑 表面定，不按缺口定。 4) 键槽的长度应沿与转子中心线

10、相平行的方向 测量，宽度应与轴中心线相垂直。 5) 对于高速转子，应设法消除因键槽产生的不 平衡。 6 旋转机械的转速检测 电涡流传感器的典型应用 电涡流传感器的典型应用 惯性式速度传感器 l1. 特点与应用 l2. 结构工作原理 l3. 传感器的安装 1 特点与应用 l特点:具有较高的速度灵敏度（100500mV/cm/s ），能输出较强的信号功率，不易受电磁场干扰， 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。这种传感器的频率范围一般在11kHz ，它勿需设置专门的前置放大器，测量线路简单， 加之安装、使用简单. l应用:旋转机械的轴承、机壳、基础等非转动部 件的稳态振动测量

11、。 l当穿过某一线 圈的磁通量发生 变化时,会产生感 应电动势,其感应 电动势的大小与 线圈磁通量的变 化速度成正比,也 即与线圈的运动 速度成正比。 2 结构及工作原理 l当线圈在磁场中运动时，其输出电压与线圈切 割磁力线的速度成正比。 l由基础运动所引起的强迫振动，当 时，质量块在绝对空间中近乎静止，从而被测物 体(它和壳体固连在一起)与质量块的相对位移、 相对速度就分别近乎其绝对位移和绝对速度，因 此，绝对式速度传感器实际上是先由惯性系统将 被测物体的振动速度转换成质量块对壳体的相对 速度，再利用电磁变换原理将这个相对速度转换 成输出电压。 2 结构及工作原理 2 结构及工作原理 3.传

12、感器的安装 l惯性式速度传感器既可以测量垂直方向的 振动，又可以测量水平方向的振动。 l按照测振方向合理地安装在测点位置上。 l为了保证接触和被测物体的振动传递良好 ，传感器要紧固在被测物表面，不能紧固的要 用手扶持，且不能摇晃。手持测振时，需将拾 振器接杆拧在外壳上端。 压电式加速度传感器 l1特点及应用 l2工作原理 l3传感器的结构 l4传感器的安装 1特点及应用 l特点: l是利用某些晶体材料(比如压电陶瓷锆钛 酸铅PbZrO3-PbTiO3等)的正压电效应作为机 电变换器而制成的加速度传感器。这种传感 器具有极宽的频带0.110kH)，本身质量较 小(250g)，有很大的动态范围。

13、1特点及应用 应用： 适合于轻型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，也推荐使用 加速度传感器。一般说来，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能适应这种情况 下的测量。 2 传感器的结构 3 传感器的安装 加速度传感器的安装特别重要，比如安装刚 度不足(用顶杆接触或厚层胶粘等)特导致安装 谐振频率大幅度下降，这样，在测量高频振动 时，将产生严重的失真。 由于加速度传感器属高内阻抗传感器，极易 受电磁场

14、、摩擦电等的干扰，因此在测量时， 待别是在现场测量时，必须特别注意屏蔽、布 线和接地等环节。 3 传感器的安装 3 传感器的安装 l这是压电式传感器加电荷放大器的频率范围 示意图。图中所示的振幅下限及相位下限一般 由电荷放大器决定；相位上限及振幅上限由传 感器的固有频率及安装谐振频率决定。既无频 率失真又无相移的区域如图中影线所示的频带 范围。 3 传感器的安装 电涡流传感器优缺点比较 v直接测量转子的动态运动，信号真实度高； v标定简单，只需千分表和数字电压表即可完 成静态标定； v直接以工程单位测量位移，表达意义明确； v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1

15、000米； v频率响应宽，达到DC到10kHz； v无活动部件，高可靠性； v模块化设计，更换方便灵活。 v对转子表面质量要求高，不能有划痕、 锈蚀、凸起的斑点和磁场； v对某些转子材料（合金）敏感，可能需 要特别标定； v需要外部直流电源； v对某些机器来说，安装比较困难； v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； v测量的是相对振动。 电涡流传感器优缺点比较 速度传感器优缺点比较 v安装方便、快捷，可安装在机器外部，如轴承座部 位； v在中等频率范围内（15Hz到1kHz）具有较强输出信 号； v无需外部电源； v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

16、运行状态； v使用磁性座可临时安装使用； v成本低，便宜； v速度有效值（振动烈度）以作为评价机器的国际标 准应用工程单位。 v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； v寿命短，易损坏； v传感器任何结构的故障都需整体更换传感器 ； v标定困难，需要从机器上卸下，适用振动台 标定； v低频段幅值和相位误差大； v体积较大，重量高。 速度传感器优缺点比较 加速度传感器优缺点比较 v安装方便，可安装在机器外部，如 轴承座部位；适合于临时测量 v无需外加电源 v对高频测量，特别是2kHZ以上的测 量非常有用； v无移动部件，良好的可靠性； v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。 v相对轻量设计。 v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； v安装质量对性能影响较大； v标定困难，同样需要从机器上卸下，适用振 动台标定； v不适用于一些低转速设备，低频下信噪比极 低； v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