机械量测量综述

《机械量测量综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械量测量综述（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 机械量测量 位移、振动和转速均属于机械量，对电厂热力系 统中的诸如汽轮机等转动机械，这些机械量的测量十 分重要。近年来我国在研制自己的监测仪表系统的同 时，还引进了诸如美国本特利公司7000系列和德国菲利 浦公司的RMS700系列等旋转机械监视保护系统。这些 仪表与系统均已在火电厂使用，它们的投入提高了大 型汽轮机组的运行安全性。在这些装置中参数的测量 、显示都是与报警、保护联系在一起的，它们处于同 一装置中。 第一节 位移测量 位移测量的方法很多，主要有机械式、液压式、电感式、差 动变压器式和电涡流式等几种。 一、电感式位移测量装置 该装置采用了互感式原理，从结构上可看成由电感式位移传感

2、器和位移指示仪表组成。 电感式位移传感器的构造 1-铁芯；2-转子凸缘 二、差动变压器 差动变压器能把位移信号转换成交流电压信号，因 此可作为测量轴向位移的传感器。美国本特利7200系列 的线性差动变压器就是在此基础上完善后推出的，可作 为测轴向位移和转子与汽缸之间的胀差的传感器。线性 差动变压器（LVDT）的结构示意图如图所示。 线性差动变压器 线性差动变压器的输出 三、电涡流式传感器 电涡流检测技术是较为通用的检测技术。电涡流传 感器具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受 污染介质影响以及抗干扰能力强等优点。它在火电厂被 广泛用来测量汽轮机的轴向位移、振动、转速及主轴偏 心度等参数。

3、电涡流传感器在其他部门与领域也有广泛 的应用。 电涡流式传感器的结构原理示意如图所示。 它一般做成扁平空心线圈形式。当线圈中通 以高频交流电，并接近被测金属导体表面时， 线圈产生的交流磁场将在金属导体中感应而产 生交流电势，形成电流。此电流的流线在金属 中构成闭合回路，通常称为电涡流。该涡流也 会产生交变磁场、交变磁通。由于该磁通与线 圈的激磁磁通的方向相反，它的存在使线圈的 磁场强弱产生变化，线圈的电感随之改变。进 一步分析可知，线圈电感的改变程度与线圈的 几何形状、尺寸、激磁电流强度i和频率f、金属 导体材料的电阻率和磁导率以及线圈与金属 之间的距离d等多个因素有关。对于具体的传感 器，线

4、圈的形状与尺寸，i和f均是确定的，对确 定的被测金属，和也是定值，因此线圈的电 感L将只随线圈与金属导体间的距离d改变，两 者间具有单值对应关系。 我们把整个传感器等效成一个变压器，而把空心线圈看成变 压器的初级绕组，其电感与电阻分别为L1和R1，金属导体中的电 涡流回路看成是变压器的次级绕组，其等效电阻与电感分别以R和 L表示，线圈与金属之间的互感系数为M，则可作出图77所示的 等效电路，并可列出方程 可解得线圈的等效阻抗为 线圈的品质因数为 上述分析说明：电涡流传感器的等效阻抗 Z、等效电感L和 品质因数均随传感器与被测物体的距离变化，当其他因素确定 时，它们之间会存在一对应的关系。因此，

5、电涡流传感器可 把位移信号转换成线圈阻抗、电感和Q值这三种参数的变化信 号。 电涡流传感器的结构形式比较简单，其主要元件由线圈和框架组成。 线圈形状大多为扁平形，框架的形状则以被测对象而定，有圆柱形、环形等 。CZF1型涡流传感器的结构，其框架用聚四氟乙烯制成，线圈绕在框架的 槽内。 CZF1型传感器结构图 1-线圈；2-框架；3-框架衬套；4-支架；5-电缆；6-插头 调幅式测量原理示意图 回路谐振曲线图 电涡流传感器的输出特性 电涡流式传感器使用注意事项 被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被 测体和小于三倍传感器直径的被测表面影响传 感器输出特性。传感器出厂时使用45#钢标定， 被测对象不

6、符合规定时应重新标定（型号不同 的钢材灵敏度误差小于10%）。应当保持传感器 探头周围有足够的空间，在3倍探头直径范围内 ，不应由金属体，传感器安装应远离转动体台 阶面，这样可避免周围金属结构的干扰，准确 测量振动值。传感器可在有酸碱腐蚀的环境中 使用。 见图安装两个邻近传感器时应保证传感头之 间有足够的距离以防止交叉失真（如图a），一 般应保留40mm的间隙。在径向轴承附近安装传 感器时（如图b），传感器中心线与轴承座表面 的距离应大于三倍传感头直径，同时避免把传 感器安装在不显示任何振动的结点上（如图c） 。 （a） （b） （c） 图 电涡流式传感器安装图 在安装传感器之前，保证螺纹孔中

7、不能有 异物，且螺纹良好。当把传感头拧入机架固定 时，传感器引线应随传感头自由旋转，不应有 扭力；传感器的托架应选择钢材等坚固件，且 其共振频率应大于10倍的被测体转速。 安装中 的接地问题（如图所示） 图 电涡流式传感器接地安装图 返回返回 第二节 振动测量 汽轮机振动的监测项目主要有：轴承的振动、转 子（轴）与轴承间的相对振动及转子的绝对振动。 一、磁电式测振方法 磁电式振动传感器采用一定的力学结构并利用了电 磁感应原理，它将振动的速度转换成线圈的感应电动势 作为传感器的输出信号。此类传感器又分多个种类，按 力学原理可分成惯性式和直接式；按活动部件可分为动 线圈式和动磁钢式。这里介绍国内应

8、用广泛的惯性动磁 钢式振动传感器。 磁电式振动传感器结构示意图 传感器的力学模型 1-引线； 2-壳体； 3-线圈； 4-磁钢； 1-集中质量；2-弹簧；3-阻 5-芯轴； 6-弹簧片；7-弹簧片 尼器；4-传感器外壳 被测物体的振动最终通过线圈进行检测。当壳体随被测物体 一起振动时，线圈对磁钢作相对运动，其相对运动的速度与被测物 体的振动速度相等。线圈将以此相对速度切割磁力线，产生与此速 度成正比的感应电动势，并以此作为输出信号。此电动势为 式中B磁场气隙中的磁感应强度，T； L线圈导线的总长度，m； dzdt线圈与磁钢之间的相对直线运动的速度，ms。 由于传感器输出的电势与振动速度成正比，

9、用此信号就可监测 运动的速度，这种传感器又称为速度传感器。如需要测量振动幅值 （Xm或Zm）的大小，就应加一个积分器，对输出电势 E进行积分 。如积分结果以E表示，则 图所示是一种积分放大器的原理框图。Ui为速度传 感器的输出电势，R1和C1组成了积分电路，经积分后的 信号再进行放大，然后由V1检波。检出的脉动直流信号 由R2、C2组成的滤波器滤波成平滑的直流，最后送到指 示表，指示出振动的幅值。 积分放大器的工作原理图 二、电涡流式振动传感器 用电涡流传感器测汽轮机主轴振动的安装示意图。 传感器通过支架固定在机体上，并尽可能靠近轴承座。 传感器上加交流电源时，由于电涡流的作用，传感器线 圈的

10、等效阻抗、等效电感会随它与主轴之间距离而改变 。 电涡流传感器安装图 1-主轴；2-传感器；3 、4-支架；5-机体 第三节 转速的测量 测量转速的方法有很多种，常用的有离心式、测 速发电机式、磁阻式、磁敏式和电涡流式等。 一、磁阻式测速方法 磁阻式测速传感器由测速齿轮和磁阻传感器组成，如图 所示。在被测轴上安装一个由导磁材料制成的齿轮，正 对齿顶方向或在齿侧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。 磁阻式测速传感器示意图 1-感应线圈；2-软铁磁轭；3-永久磁钢；4-支架 当汽轮机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，

11、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 式中 W线圈的匝数； 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 式中Z齿轮的齿数； n转速。 如齿轮做成 z=60，则 f=n，即交流信号的频率就等于被测的转速。 二、磁敏式测速传感器 当长方形半导体薄片（即霍尔片）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

12、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。 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5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 磁敏式转速测量装置示 意 （a）结构；（b）电气线

13、 路 1-测速齿轮；2-传感器；3-磁敏电阻；4-稳压器；5-触发电路；6-放大电 路 三、电涡流法测转速 电涡流法测转速的原理与测位移、振动情况相同。用电涡流传 感器测转速，要在被测转动轴上开一条或几条槽，或在轴上安装一 个有齿的圆盘，并在紧靠它的位置安装电涡流传感器。每当轴上的 一根槽或圆盘上的一个齿通过电涡流传感器一次，传感器的涡流作 用就变化一次，使传感器线圈的有效阻抗、有效电感随之变化一次 。随着轴的转动，传感器线圈的有效阻抗、有效电感将会作周期性 变化，经过测量电路的处理，最终输出周期性变化的脉冲信号，其 频率为 n式中Z糟数或齿数。 n当制成 z=60时，f=n，电脉冲信号的频率

14、就等于轴的转速。 四、离心式转速表 其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回转 时产生的离心力Q与回转轴的角速度的平方成 正比，即 式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴 的垂直距离。图6-11是其测量原理图。 (6-5) 图6-11 离心式转速表原理图 当转动轴以的角速度转动时，重锤产生离 心力Q，转速越大离心力越大，压迫弹簧使它缩 短，因而弹簧被压缩的位移与转速成正比。测出 弹簧位移就得知转速。离心式转速表是机械式的 ，惯性较大，测量精度受到一定限制，但体积小 且携带方便，不需要能源，因此应用比较广泛。 五、光电式转速传感器 光电式转速传感器工作在脉冲状态下，它 将轴的转速变换成相应频率的脉冲

15、，然后测出 脉冲频率就测得转速。图6-12所示的是一种直 射式光电转速传感器的结构原理。 图6-12 直射式光电转速传感器的结构原理 从光源发出的光通过开孔盘和缝隙照射到光 敏元件上，使光敏元件感光。开孔盘装在转动 轴上随转轴一起转动，盘上有一定数量的小孔 。当开孔盘转动一周，光敏元件感光的次数与 盘的开孔数相等，因此产生相应数量的电脉冲 信号。但是因受到开孔盘尺寸的限制，开孔数 不能太大，所以对传感器的结构进行改进，如 图6-13所示。 6-13 传感器 指示盘与旋转盘具有相同间距的缝隙，当旋转指示盘与旋转盘具有相同间距的缝隙，当旋转 盘转动时，转过一条缝隙，光线就产生一次明暗变盘转动时，转过一条缝隙，光线就产生一次明暗变 化,使光敏元件感光一次。用这种结构可以大大 增加转盘上的缝隙数，因此每转的脉冲数相应 增加。将脉冲数通过测量电路处理，最终输出 与转速对应的电信号。与离心式转速表相比， 光电式转速传感器测量精度高，其输出信号可 供计算机使用。 返回返回