#4第四章传感器的使用

1、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

2、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0.210000HZ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02000HZ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

3、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度中的一个量；机传感器至少有 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

4、考坐标的不同，可分为相对式和绝 对式（惯性式）；按是否和被测物体接触，可分为接触式和非接触式；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 式使用较多）、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 器使用最广 ，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， 随着外壳和振动物体一起振动， 同时， 由于内部由弹簧固定着的线圈不能和磁铁同步运动， 磁铁的磁力线被线圈以

5、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和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： 传感器的输出电压和被测物体的振动速度成正比。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，随壳体和物体一起振动，而由弹簧片 2 和线圈 3 组成 的弹簧 质量元件，和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

6、势的大小 和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， 线圈和磁 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和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

7、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。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和外力的大小成正比， 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

8、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，和 物体一起振动，由压 紧弹簧 1 和惯性质量 块 2 组成的弹簧 质 量元件，和基座的振 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 和惯性力成正比 。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， 质量块和基座之间的相 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

9、出电压 和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，在实际测量中使用最广泛。 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。

10、 即 传感器和被测物体的接 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，探头定的间隙， 用支架固定在轴承的瓦座上对着转子被测表面， 但并不接触， 留有 或机壳上，通过延伸电缆和机壳外的前置 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， 和谐振电容、 前置器 内的石英振荡器，构成高频（ 12MHz ） 电流振荡回路， 在头部线圈周围产生高频

11、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，转子和探头之间的 间隙 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 的单值函数 。测出电感量的变化， 即可知道转子和探头的间隙变化。 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 电压和探头和转子之间的间隙 成正比 ， 因此称为间隙电压。间隙电压 U 又可分为直

12、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。和接触式传感器（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

13、心轨迹、轴心位置、差胀、等等的测 量，用途十分广泛。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：常用振动传感器主要性能及优缺点类型项目电涡流式位移传感器（本特利 3300、 3500 系列）磁电式速度传感器（绝对式 CD-1 ）压电式加速度传感器（YD42,YE14103）灵敏度7.87 mVm460 mV （ mms）20pc g频率范围010000Hz10500Hz110000Hz线性范围2mm 1mm1000g适用范围轴振动、轴位移、转速、 相位、轴心轨迹等多种测量轴承座、机壳、基础等非转动部件的振动测量高频、冲击信号的测 量，如齿轮、滚动轴承优点非接触式测

14、量灵敏度高，线性范围大频响范围宽，具零频响 应，可测静态值高电压、低阻抗输出， 适于远距离传送工作可靠，适应环境可静态标定，校准方便灵敏度高输出阻抗小，输出信 号大，电气性能稳定， 不易受外部噪声干扰不需外加电源简单、方便灵敏度高体积小、重量轻频响范围宽，适于 高频、冲击信号的检测耐温、耐蚀性较好缺点应，对可被测测静部态件值的缺陷敏感，易存在机械及电气偏差需要外部电源安装较复杂频响范围有限体积、重量较大弹簧易疲劳损坏 易受高温、磁场影响 标定较麻烦对安装状况敏感内阻抗高，放大器 前电缆易受电磁干扰标定较困难优点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

15、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 定状态的重要标志，如来自不对电涡流传感器优缺点比较一览表缺点1、电气或机械引起的初始偏差； 和转子材料 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；5、一般用于临时监测时， 无法快速安装， 即3、4、5、6、7、8、9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、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

16、， 和之相连结的 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。中、流体或空气动力影响等，均可 得到体现； 标定简单，只需千分表和数字电压 表即可完成静态标定； 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； 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； 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； 频率响应宽，达到 DC到 10kHz； 无活动部件，高可靠性； 模块化涉及，更换方便灵活。速度传感器优缺点比较一览表缺点1、

17、 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 正常使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。优点 安装方便、快捷，可安装在机器外 部，如轴承座部位； 在中等频率范围内（ 15Hz 到 1kHz） 具有较强输出信号； 无需外部电源； 和电涡流传感

18、器配合可测量转子 绝对振动； 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； 使用磁性座可临时安装； 有高温型可用于高温环境下的振 动测量； 速度可方便地积分为位移，用以评 价机器总体振动状态； 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 准使用工程单位。1、 安装方便，可安装在机器外部，如 轴承座部位；2、 对高频测量，特别是 2kHZ 以上的 测量非常有用；3、 无移动部件，良好的可靠性；4、 具有高温型号可选择；5、 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。6、 相对轻量设计。但有资料认为， 在某些场合如确定共振峰值时

19、不应以有效值来计量， 应以峰值或峰 峰值来计量。 笔者认为， 在衡量运行条件相对稳定的机器振动时， 采用有效值是合 适的，在衡量非稳定状态时，使用峰值来确定振动的严重程度可能更合适。 按照惯例，振动位移以峰峰值计量，振动速度以有效值（烈度）计量，振动加速度 以单峰值计量。但测量往复压缩机振动时振动速度以峰值计量更合理。 在使用惯性式速度传感器时应注意其规定使用方向， 有些型号的传感器对使用方向 有严格的要求，主要是内部设计结构不同。加速度传感器优缺点比较一览表缺点1、提供转子的动态运动信息非常有限， 适用 于低机械阻抗设计的机器；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

20、动的影响， 影响因 素如管道、 基础、 相邻的机器等； 安装位 置选择必须仔细， 以最大程度地降低外部 影响；3、安装不好时会引入噪声，需要仔细安装， 当手持测量时， 响应范围非常有限， 一般 仅能达到 500Hz；4、无法修理或部分更换，需整体更换；5、标定困难， 同样需要从机器上卸下， 适用 振动台标定；6、不适用于一些低转速设备， 低频下信噪比 极低；7、双积分成位移时，低频段误差大；8、一般在监测时需要滤波器， 不同的机器需 要的滤波范围也不同；9、需要外部电源；10、某些情况下因冲击、跌落在水泥地上易造成损坏。附注普通压电加速度传感器需要信号输入调节，即要求使用电荷放大器，为了 避免

21、这类麻烦，一般采用 ICP 加速度传感器，即集成电路加速度传感器， 只要测量仪器解决了传感器的供电问题就可以了。 若测量仪器没有设计给 ICP 传感器供电，可以选择小型单通道恒流源（电池供电）给ICP 传感器供电，解决临时监测问题。振动传感器频率响应范围0/DC惯性武速度传感魁I加連度传虏器|O/DC606006K60K600K6M10 10030019005151KI| 120Kj2KI60K120K1K100K3001800r3r600K 1.8M10K30K606006K1 10 10060K600K-411K10KI6MI100KCPMHz将殊涉E可达到的响filTK传感器的安装， 直

22、接影响到信号输出的正确和否， 特别是电涡流传感器， 由于安装比较 困难， 在一些结构紧凑的机器上安装更是复杂， 需要特别注意。 虽然电涡流传感器的安装和 从事设备状态监测和故障诊断人员没有直接的关系，但因安装位置、间隙、支撑刚度、牢固 程度等等， 都会对信号输出造成干扰或虚假信号。 了解电涡流传感器安装的基本要求， 对设 备状态监测和故障诊断是有帮助的。影响电涡流传感器输出的因素有： 转子材质。对大多转子材质来说，电涡流输出的灵敏度是相似的，即我们常说的 8mV m ，但对一些特殊钢材来说，传感器输出的灵敏度会变化； 转子轴颈的表面状态。 表面粗糙度或表面处理工艺不同， 输出信号不同。 表面镀

23、层 的厚度若很薄， 传感器磁场穿透后感受到两层不同的材质， 就会影响输出。 在传感 器磁场穿透范围内有内部缺陷，也会影响信号输出的正确性； 线性范围和温度范围。必须保证在规定范围内使用。由于安装导致信号干扰的因素：交叉干扰；探头安装不合理； 探头固定刚度不足； 前置器输入或输出接头松动。对 3300 3500系列， A不小于 25mm；对7200 系列，A不小于 40mm。小于这个最小尺寸， 容易产生交叉偶合干扰。在国产DH型风机上安装传感器时，由于轴径纵向长度太短，同时安装键相传感器时就会发生这种干扰， 表现为正常振动信号上叠加了脉冲信号， 使得监测仪 表读数偏大，经常出现报警黄灯甚至危险红

24、灯。安装传感器时， 探头端部必须伸出来， 并保证和轴的正确间隙， 以面传感器产生的磁场 受到安装孔的影响。否则会导致传感器读数不准。传感器垂直方向的支撑刚度必须足够高，不能在运行中产生振动。图中箭头所指的地方必须连接牢固 。现在已经有的产品改为锁紧式设计。压电速度传感器、应还有其它类型的传感器， 如复合式绝对位移传感器、胀差传感器、变式加速度传感器等等，都可以根据不同的使用要求进行选择。压电速度传感器胀差传感器复合式传感器在一些场合，如电厂的球磨机、水泥厂的转窑、炼钢厂的转炉、煤矿的天轮等，机器的转速很低，但负荷很大，采用常规的振动监测法诊断故障就图 4-1 、涡流传感器输出及其温度漂移曲线在

25、高温环境下使用的电涡流传感器， 必须考虑其温度漂移指标， 否则系统输出的信号无法正确反映机器振动的真实信息，甚至获得错误的信息。若没有把握决定选择的传感器是否满足需要， 最好能够在生产厂家进行温度图 4-2 、速度传感器频率响应曲线图 4-3 、速度传感器频响相位延迟曲线选择电涡流传感器时要注意其温度漂移指标，特别是使用于高温环境下时，更应注意。 国产的电涡流传感器在常温或较低工作温度下的性能是没有问题的， 但多数温度漂移指标不 合格，这样就会导致输出的信号线性非常差，数据的准确性无法保证。速度传感器国内生产商不少， 目前可以满足基本振动监测要求， 可以根据需要进行选择。 如果是采用永久性安装

26、， 最好选择压电速度传感器， 以保证其可靠性和较宽的频率响应。 便 携仪器配套的速度传感器，一般是临时监测用，采用普通惯性式速度传感器就可满足需要。传感器的选择主要依据以下三个因素：1、测试对象的运转情况和什么参数有关，适合什么类型的传感器；2、机械阻抗（支撑刚度）的影响，振动信号能否较好地传递到机壳上，测量部位的特 性（轴承类型等） ；3、频率范围要求。较低的频率或总振动水平测量可采用速度传感器，分析高频域振动 （叶片、滚动轴承或齿轮故障） 、结构频率响应等采用加速度传感器。对传感器的类型确定后，采用正确的安装方式，就能正确地完成测试任务。图 4-4 、速度传感器频响曲线图 4-5 、加速度

27、传感器频响曲线常用机械选择传感器的方法机器类型传感器建议安装位置使用滑动轴承的蒸轴承径向互成 90 安装，并在每一机器推力轴承侧安装非接触式位汽轮机、压缩机及轴向位移传感器（一般为双传感器） ，在每一转速段安移传感器大型机泵装键相传感器。中型机泵位移或速度在轴承径向水平、垂直方向安装。传感器使用滑动轴承的电位移或速度在每一轴承径向安装， 并最少安装一个轴向位移传感器机或风机传感器来检测轴向压力磨损。使用滚动轴承的电速度或加速可在每一轴承水平、 垂直、 轴向三个方向安装， 尽可能机、泵、压缩机度传感器安装在最大受力处。使用滚动轴承的齿加速度传感传感器的安装尽可能接近每一个轴承。轮箱器使用滑动轴承

28、的齿非接触式位轴承径向互成 90 安装，并在推力轴承侧安装轴向位移轮箱移传感器传感器。附加说明：速度传感器一般采用钢制螺拴或磁铁安装；加速度传感器安装方式较多， 不同的安装方式具有不同的高频响应。 采用钢制 螺拴安装时， 能达到传感器设计高频范围， 其它的方式均会影响高频响应， 应 当在特殊场合使用时予以注意；使用加速度传感器测振时， 要特别注意连接电缆的噪声问题和接地问题。 工作 中的拉伸、压缩和动态弯曲均会引入噪声，引起“颤动噪声”干扰；测量系统 必须保证“一点接地” ，或使用绝缘层将传感器和被测物体表面隔离； 测量小结构物体时（如小型叶片） ，应使用质量较小的加速度传感器，必须保 证传感器的质量远小于被测物体的质量， 否则会引起很大的误差， 若确因条件 限制时，必须对测量结果予以修正；选择加速度传感器时， 必须满足加速度使用的上限频率 （传感器说明书中有此 指标）应大大小于加速度传感器的一阶共振频率（取决于不同的安装方式） ， 一般其使用上限频率应小于传感器一阶共振频率的2.5 3 倍以上，这样才能因此保证测量精度；非接触式位移传感器因其放大部分为非线性放大， 具有一定的阻抗要求， 其延伸电缆的长度不能随意改变， 替换时应注意选择相同的型号和相同的延伸 电缆长度，以保证其灵敏度的相同。附录：常用振动标准1、 振动烈度标准（ ISO237