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1、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 x 为振动物体的绝对位移， x 为质量块的绝对位移。则质量块与
2、振动物体之间的相对 0m位移 x 为tx = x 一 x t m 0根据运动学原理得到d 2 xm mdt 2dx=一 c t kxdtd 2 xm mdt 2d=c (xdt m一 x )一 k(x 一 x )0m 0式中 m 、 c 与 k 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P = 代入上式，得 dt(mP 2 + cP + k) xm=(cP + k) x0由上式即可求出输入 x 与输出 x 的相对值。若求其传递函数，则有0mcP + kx 一 xm0
3、( P )=x00振动系统的固有频率。-m ( P )=xmP 2 + cP + k0-P 2P2 + 2 P + 200式中 = C阻尼比;2弋mk当振动物体作简谐振动时，即当输入信号为正弦波时，以P = jw代入上式，即可得到频率响应函数为x 一 x .-m0 ( j W )=x0w()2w0ww1 - ()2 + 2 j(疋ww00上式为复频函数，其振幅比B为wx-厂x - xm0-xx00B()2w0 一1WW1 - ()22 + 2(工2WW0 0令X =频率比，得W0X2B =-：1 - X 22 + 2 疋2由此可见，振幅比B是频率比X和阻尼比匚的函数。同时，相位角9也是这些量的
4、函数，即9 = - arctg2 X1- X 2当振动物体的频率w等于传感器的固有频率w时，系统出现共振，这时有09 = 90即系统共振时，振幅B只与阻尼比匚有关。阻尼越小，振幅比B越大。当振动物体的频率o比传感器的固有频率o高得多时，质量（也称地震质量）m与0振动物体之间的相对位移x就接近等于振动物体的绝对位移x。在这种情况下，传感器的t0 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
5、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
6、E为E = BLv式中 B 磁场强度；L 感应线圈导线长度；v 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（VD
7、C）,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
8、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 pm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0 50或50mmX50mm的永磁吸盘，其
9、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 pm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 120 C 以下，温度过高会使传感器绝缘损坏和退磁，使
10、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
11、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
12、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。
13、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
14、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V 表示主轴相对于轴承座的振动矢量；V表示轴承座相对于自由空间的振动矢s - bb - g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V 为s-gV = V + Vs-g b-gs-b
15、其振动矢量关系图如图5-17所示。图 5-17 振动矢量图图中V 与V 之间存在相位差申，这是由油膜及轴承结构等因素决定的。如能测得s - gb - gV 和V ，即可得出V ，实现主轴相对于自由空间的振动测量。s-bb-gs-g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AH,通过鉴定前置器转换为电压变化A VI,经放大后获得振动信号变化量VI；速度传 感器所测4 V经VD转换器（积分器），把速度信号变换为位移信号A 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
