传感气经典振动测试技术综述

1、1.1.旋转机械振动的测试方案旋转机械振动的测试方案 2.2.旋转机械的转速检测旋转机械的转速检测3.3.涡流式位移传感器涡流式位移传感器4.4.惯性式速度传感器惯性式速度传感器5.5.压电式加速度传感器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。备能否正常工作主要取决于转子能否正常运转。转子又通过轴承转子又通过轴承( (

2、滑动轴承或滚动轴承滑动轴承或滚动轴承) )支承在轴支承在轴承座及机壳或基础之上，构成了所谓的转子承座及机壳或基础之上，构成了所谓的转子支支承系统，旋转机械的绝大多数机械故障都与转子承系统，旋转机械的绝大多数机械故障都与转子及其组件及其组件( (齿轮、轴承齿轮、轴承) )直接相关，大约占直接相关，大约占7070。l支撑系统也会发生故障。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。监测主要从监测转子的振动来发现故障。监测转子比监测轴承座或机壳的振动信息更为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

3、感得多。轴颈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的振动常常可以比轴承座的振动大几倍到十几倍。十几倍。测试对象和部位的选择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。外壳和轴承座要明显得多。测试对象和部位的选择测试对象和部位

4、的选择l监测转子轴的振动常常要比测量轴承座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：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。加工条安装前一般需要加工设备外壳。加工条件件l保证传感器与轴颈之间没有其它物体。保证传感器与轴颈之间没有其它物体。测试对象和部位的选择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、小设备来备实行连续监视。而对低速中、小设

5、备来说，常常不具备这种条件。在此情况下，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可以选择在机壳或轴承座上放置传感器进行测试。行测试。l建议：对旋转机械来说，能测量转子就应建议：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。测量外壳或轴承座等措施。测试对象和部位的选择测试对象和部位的选择测试点的确定测试点的确定l旋转机械的振动测试，一般测量三个方向，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

6、方向上有不同的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。直方向，不对中在轴向反映较强。l对于径向的两个测点，一般是互相垂直安装，水对于径向的两个测点，一般是互相垂直安装，水平方向测点以在轴中心高度处为好。习惯的办法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，是在水平、垂直方向上测定，测试点的确定测试点的确定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意的是，一旦测点确定，就应经常在同一测点测量

7、，测点应做出记号测点的偏移将导致测测量，测点应做出记号测点的偏移将导致测量值的极大误差。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。下图是某厂故障为前提，合理安排测点。下图是某厂CO2CO2压缩机优化测点分布图。压缩机优化测点分布图。测试点的确定测试点的确定测试点的确定测试点的确定传感器选用传感器选用l电涡流位移传感器电涡流位移传感器 l惯性式速度传感器惯性式速度传感器l压电式加速度传感器压电式加速度传感器 涡流式位移传感器涡流式位移传

8、感器l1特点与应用特点与应用 l2工作原理工作原理l3传感器的结构传感器的结构 l4测量电路测量电路l5传感器的安装传感器的安装 1 1 特点与应用特点与应用l非接触式测量，适合于测量转子相对非接触式测量，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。与转轴表面曲直接接触。 1 1 特点与应用特点与应用l零频率响应，频率响应范围宽零频率响应，频率响

9、应范围宽(0(0l0kHz)l0kHz)、线性度好、灵敏度不随初始、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流式位移传感器广泛用于各类转于的振动监测。动监测。1 1 特点与应用特点与应用2 2 工作原理工作原理l在传感器的端部有一线圈，在传感器的端部有一线圈，线圈中有频率较高线圈中有频率较高(1(12MH2)2MH2)的交变电压通过。当的交变电压通过。当线圈平面靠近某一导体面

10、线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通量穿过时，由于线圈磁通量穿过导体，使导体的表面层感导体，使导体的表面层感应出一涡流应出一涡流i ie e，而，而i ie e所形成所形成的磁通量的磁通量e e又穿过原线圈。又穿过原线圈。l这样，原线圈与涡流这样，原线圈与涡流“线圈线圈”形成了有一定形成了有一定耦合的互感。涡流系数耦合的互感。涡流系数的大小与二者之间的距的大小与二者之间的距离及导体的材料有关。离及导体的材料有关。2 2 工作原理工作原理3 3 传感器的结构传感器的结构3 3 传感器的结构传感器的结构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

11、一线圈 4一保护套 5一填科 6一螺毋 7一电缆4 4 测量电路测量电路5 5 传感器的安装传感器的安装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以内，否则，在非线性段的灵敏度变化将带来测量上的误差和波形失真。一般讲将平均间隙测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

12、幅，如下图。有较大的动态振幅，如下图。5 5 传感器的安装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 5 传感器的安装传感器的安装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。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。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

13、殊定制。输出灵敏度也不相同。特殊材质特殊定制。5 5 传感器的安装传感器的安装5 5 传感器的安装传感器的安装5 5 传感器的安装传感器的安装5 5 传感器的安装传感器的安装5 5 传感器的安装传感器的安装6 6 旋转机械的转速检测旋转机械的转速检测旋转机械振动中，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 6 旋转机械

14、的转速检测旋转机械的转速检测只要测得两个脉冲间的时间只要测得两个脉冲间的时间t t，即可求得转子，即可求得转子的瞬时转动角速度的瞬时转动角速度或频率或频率f f。键糟凸台的几何尺寸，不同的监测系统和被测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，例如本特利公司转子都有一定的相应要求，例如本特利公司73007300系列和系列和30003000系列监测系统要求键槽和凸台系列监测系统要求键槽和凸台的宽度大于的宽度大于7mm7mm，深度大于，深度大于1.5mm1.5mm，长度大于，长度大于10mm10mm，以保证产生最小，以保证产生最小5v5v的峰值脉冲信号。的峰值脉冲信号。6 6

15、 旋转机械的转速检测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。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，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。转机械中常用的整周期采样方法的基础。6 6 旋转机械的转速检测旋转机械的转速检测为了获得理想的键相脉冲信号

16、，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 6 旋转机械的转速检测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惯性式速度传感器l1. 1. 特点与应用特点与应用l2. 2. 结构工作原理结构工作原理l3. 3. 传感器的安装传感器的安装1 1 特点与应用特点与应用l特点特

17、点:具有较高的速度灵敏度（具有较高的速度灵敏度（100100500mV/cm/s500mV/cm/s），），能输出较强的信号功率，不易受电磁场干扰，对比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信噪比。这种传感器的频率范围一般在1 11kHz1kHz，它，它勿需设置专门的前置放大器，测量线路简单，加之勿需设置专门的前置放大器，测量线路简单，加之安装、使用简单安装、使用简单. .l应用应用:旋转机械的轴承、机壳、基础等非转动部件的旋转机械的轴承、机壳、基础等非转动部件的稳态

18、振动测量。稳态振动测量。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 2 结构及工作原理结构及工作原理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。磁力线的速度成正比。l由基础运动所引起的强迫振动，当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，从而被测物时，质量块在绝对空间中近乎静止，从而被测物体体( (它和壳体固连在一起它和壳体固连在一起) )与质量块的相对位移、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，因相

19、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。成输出电压。n2 2 结构及工作原理结构及工作原理2 2 结构及工作原理结构及工作原理3.3.传感器的安装传感器的安装l惯性式速度传感器既可以测量垂直方向的振动，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。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。按

20、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。接杆拧在外壳上端。压电式加速度传感器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 1特点及应用特点及应用l特点特点: :l是利用某些晶体材料是利用某些晶体材料( (比如压电陶瓷锆钛酸比如压电陶瓷锆钛酸铅铅PbZrO3-PbTiO3PbZrO3-PbTiO3等等) )的正压

21、电效应作为机电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具有极宽的频带0.10.110kH)10kH)，本身质量较小，本身质量较小(2(250g)50g)，有很大的动态范围。，有很大的动态范围。1特点及应用特点及应用应用：应用：适合于轻型高速旋转机械的轴承座及壳体的振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，振动频率越传感器。一般说

22、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。传感器就比较能适应这种情况下的测量。2 2 传感器的结构传感器的结构3 3 传感器的安装传感器的安装加速度传感器的安装特别重要，比如安装刚度加速度传感器的安装特别重要，比如安装刚度不足不足( (用顶杆接触或厚层胶粘等用顶杆接触或厚层胶粘等) )特导致安装谐振特导致安装谐振频率大幅度下降，

23、这样，在测量高频振动时，将频率大幅度下降，这样，在测量高频振动时，将产生严重的失真。产生严重的失真。由于加速度传感器属高内阻抗传感器，极易受由于加速度传感器属高内阻抗传感器，极易受电磁场、摩擦电等的干扰，因此在测量时，待别电磁场、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、布线和接是在现场测量时，必须特别注意屏蔽、布线和接地等环节。地等环节。3 3 传感器的安装传感器的安装3 3 传感器的安装传感器的安装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

24、无相移的区域如图中影线所示的频带范围。3 3 传感器的安装传感器的安装电涡流传感器优缺点比较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；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标定简单，只需千分表和数字电压表即可完成静态标定；静态标定；v直接以工程单位测量位移，表达意义明确；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传感器系统的电缆长度可达10001000米；米；v频率响应宽，达到频率响应宽，达到DCDC到到10kHz10kHz；v无

25、活动部件，高可靠性；无活动部件，高可靠性；v模块化设计，更换方便灵活。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；蚀、凸起的斑点和磁场；v对某些转子材料（合金）敏感，可能需要对某些转子材料（合金）敏感，可能需要特别标定；特别标定；v需要外部直流电源；需要外部直流电源；v对某些机器来说，安装比较困难；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；器也需永久性固定安装；v测量的是相对振动。测量的是相对振动。 电涡流传感器优缺点比较电涡流传感

26、器优缺点比较 速度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；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（在中等频率范围内（15Hz15Hz到到1kHz1kHz）具有较强输出信号；）具有较强输出信号；v无需外部电源；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；价其运行状态；v使用磁性座可临时安装使用；使用磁性座可临时安装使用；v成本低，便宜；成本低，便宜；速度有效值（振动烈度）以作为评价机器的国际标准应速度有效值（振动烈度）以作为评价机器的国际标准应用工程单位。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、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；基础、相邻的机器等；v寿命短，易损坏；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；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，适用振动台标标定困难，需要从机器上卸下，适用振动台标定；定；v低频段幅值和相位误差大；低频段幅值和相位误差大；v体积较大，重量高。体积较大，重量高。 速度传感器优缺点比较速度传感器优缺点比较 加速度传感器