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第四章传感器使用基础1、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，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量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的构造如下图所示。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，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，尺寸和重量较大，弹簧片容易发生疲劳损坏。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的惯性力作用而产生电荷，电荷量的大小与惯性力成正比。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的优点是，体积小，重量轻，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δ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δ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。该电压与探头和转子之间的间隙δ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、频响范围宽、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、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；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7.87mV／μm±4％60mV／（mm／s）20pc／g频率范围0~10000Hz10~500Hz1~10000Hz线性范围2mm±1mm1000g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①非接触式测量①灵敏度高①灵敏度高②灵敏度高，线性范围大②输出阻抗小，输出信②体积小、重量轻③频响范围宽，具零频响号大，电气性能稳定，③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④高电压、低阻抗输出，③不需外加电源④耐温、耐蚀性较好适于远距离传送④简单、方便⑤工作可靠，适应环境⑥可静态标定，校准方便应，可测静态值①对被测部件的缺陷敏感，①频响范围有限①对安装状况敏感易存在机械及电气偏差②体积、重量较大②内阻抗高，放大器缺点②需要外部电源③弹簧易疲劳损坏前电缆易受电磁干扰③安装较复杂④易受高温、磁场影响③标定较困难⑤标定较麻烦定状态的重要标志，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。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