机械量测量仪表

第六章机械量测量仪表

主要内容6.1概述6.2电涡流式传感器6.3电容式位移检测方法6.4转速检测6.5振动检测6.6电感式传感器的典型应用6.1概述

机械量通常包括各种几何量和力学量，如长度、位移、厚度、转矩、转速、振动和力等。本章主要讨论机组控制中常用的位移、振动和转速三种机械量的测量方法及测量仪表。机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显示(或记录)器和电源组成,如图6-1所示。

图6-1机械量测量仪表框图

测量电路包括变换、放大等，把传感器的输出信号转换成电信号；显示单元以模拟形式、数字形式，或以图像形式给出被测量的数值。机械量测量仪表可按测量对象和测量原理分类。按测量对象可分为位移测量仪表、厚度测量仪表、转矩测量仪表等。按测量原理位移测量仪表可分为电容式、电感式、光电式、超声波式、射线式等。

表6-1各种机械量检测参数可采用的测量原理这里讨论的是过程控制中大型转动设备(如汽轮机、压缩机等)轴的位移。汽轮机在启停和运行中，如果转子轴推力轴瓦已烧坏，则转子就要发生前后窜动，因而引起转子轴的轴向位移增大，使汽轮机内部动、静部件间发生摩擦和碰撞，导致大批叶片折断，隔板和叶轮碎裂，造成严重事故。因此，一般汽轮机都设置了轴向位移的监测和保护装置，电涡流传感器的检测探头与转子轴端面保持一定的初始距离。当汽轮机转子轴产生轴向位移时，传感器的输出电压与轴向位移成比例。当位移值超过规定的允许值时，传感器的输出电压可控制报警电路发出报警信号。

本章重点介绍广泛应用于大型转动设备(如汽轮机、压缩机等)轴位移、轴振动测量仪表—“电涡流式传感器”返回6.2电涡流式传感器

电涡流式传感器属于电感式传感器的一种，是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。

6.2.1原理与特性

如下图6-2所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。

图6-2电电涡涡流流传传感感器器原原理理图图一般般讲讲，，线线圈圈的的阻阻抗抗变变化化与与导导体体的的电电导导率率、、磁磁导导率率、、几几何何形形状状，，线线圈圈的的几几何何参参数数，，激激励励电电流流频频率率以以及及线线圈圈到到被被测测导导体体间间的的距距离离有有关关。。如如果果控控制制上上述述参参数数中中的的一一个个参参数数改改变变，，而而其其余余参参恒恒定定不不变变，，则则阻阻抗抗就就成成为为这这个个变变化化参参数数的的单单值值函函数数。。如如其其他他参参数数不不变变，，阻阻抗抗的的变变化化就就可可以以反反映映线线圈圈到到被被测测金金属属导导体体间间的的距距离离大大小小变变化化。。在电电感感式式位位移移检检测测方方法法中中最最常常见见的的是是涡涡流流式式电电感感位位移移检检测测器器，，如如图图6-3所所示示是是电电涡涡流流式式传传感感器器检检测测探探头头，，探探头头端端部部装装有有高高度度密密封封的的、、发发射射高高频频信信号号的的线线圈圈。。由由于于被被测测物物体体的的端端部部（（一一般般为为转转动动机机器器的的轴轴））距距离离线线圈圈很很近近，，仅仅有有几几mm，，线线圈圈通通电电后后产产生生一一个个高高频频磁磁场场，，轴轴的的表表面面在在磁磁场场的的作作用用下下产产生生涡涡流流电电流流。。同同样样，，涡涡流流电电流流也也会会产产生生磁磁场场，，其其场场强强大大小小与与距距离离有有关关，，该该场场强强抵抵消消由由线线圈圈产产生生的的磁场场强强度度，，影影响响检检测测线线圈圈的的等等效效阻阻抗抗，，而而等等效效阻阻抗抗与与线线圈圈电电感感量量有有关关，，因因此此就就测测得得位位移移量量。。图6-3涡涡流流检检测测探探头头6.2.2高高频频反反射射式式电电涡涡流流传传感感器器这种种传传感感器器的的结结构构很很简简单单，，主主要要由由一一个个固固定定在在框框架架上上的的扁扁平平线线圈圈组组成成。。线线圈圈可可以以粘粘贴贴在在框框架架的的端端部部，，也也可可以以绕绕在在框框架架端端部部的的槽槽内内。。图图6-4为为某某种种型型号号的的高高频频反反射射式式电电涡涡流流传传感感器器。。图6-4高高频频反反射射式式电电涡涡流流传传感感器器电涡涡流流传传感感器器的的线线圈圈与与被被测测金金属属导导体体间间是是磁磁性性耦耦合合，，电电涡涡流流传传感感器器是是利利用用这这种种耦耦合合程程度度的的变变化化来来进进行行测测量量的的。。因因此此，，被被测测物物体体的的物物理理性性质质，，以以及及它它的的尺尺寸寸和和开开关关都都与与总总的的测测量量装装置置特特性性有有关关。。一一般般来来说说，，被被测测物物的的电电导导率率越越高高，，传传感感器器的的灵灵敏敏度度也也越越高高。。为了了充充分分有有效效地地利利用用电电涡涡流流效效应应，，当当被被测测物物体体是是圆圆柱柱体体时时，，被被测测导导体体直直径径必必须须为为线线圈圈直直径径的的3.5倍倍以以上上，，否否则则灵灵敏敏度度要要降降低低。。6.2.3电电涡涡流流式式传传感感器器测测量量电电路路6.2.3.1电电桥桥电电路路图6-5电电桥桥法法测测量量电电路路原原理理图图电桥桥法法是是将将传传感感器器线线圈圈的的阻阻抗抗变变化化转转化化为为电电压压或或电电流流的的变变化化。。图图6-5是是电电桥桥法法的的电电原原理理图图，，图图中中线线圈圈A和和B为为传传感感器器线线圈圈。。传传感感器器线线圈圈的的阻阻抗抗作作为为电电桥桥的的桥桥臂臂，，起起始始状状态态，，使使电电桥桥平平衡衡。。在在进进行行测测量量时时，，由由于于传传感感器器线线圈圈的的阻阻抗抗发发生生变变化化，，使使电电桥桥失失去去平平衡衡，，将将电电桥桥不不平平衡衡造造成成的的输输出出信信号号进进行行放放大大并并检检波波，，就就可可得得到到与与被被测测量量成成正正比比的的输输出出。。电电桥桥法法主主要要用用于于两两个个电电涡涡流流线线圈圈组组成成的的差差动动式式传传感感器器。。6.2.3.2谐谐振振法法这种种方方法法是是将将传传感感器器线线圈圈的的等等效效电电感感的的变变化化转转换换为为电电压压或或电电流流的的变变化化。。传传感感器器线线圈圈与与电电容容并并联联组组成成LC并并联联谐谐振振回回路路。。并联联谐谐振振回回路路的的谐谐振振频频率率为为:（6-1））且谐谐振振时时回回路路的的等等效效阻阻抗抗最最大大，，等等于于式中中，，R’’为为回回路路的的等等效效损损耗耗电电阻阻。。当电电感感L发发生生变变化化时时，，回回路路的的等等效效阻阻抗抗和和谐谐振振频频率率都都将将随随L的的变变化化而而变变化化，，因因此此可可以以利利用用测测量量回回路路阻阻抗抗的的方方法法或或测测量量回回路路谐谐振振频频率率的的方方法法间间接接测测出出传传感感器器的的被被测测值值。。（6-2））调频频式式测测量量电电路路的的原原理理是是被被测测量量变变化化引引起起传传感感器器线线圈圈电电感感的的变变化化，，而而电电感感的的变变化化导导致致振振荡荡频频率率发发生生变变化化，，频频率率变变化化间间接接反反映映了了被被测测量量的的变变化化。。见见图图6-7电电涡涡流流式式传传感感器器外外形形图图。。图6-7ST-1电电涡涡流流式式传传感感器器外外形形图图6.2.4电电涡涡流流式式传传感感器器使使用用注注意意事事项项被测测物物体体的的表表面面要要光光滑滑、、平平坦坦。。非非钢钢材材被被测测体体和和小小于于三三倍倍传传感感器器直直径径的的被被测测表表面面影影响响传传感感器器输输出出特特性性。。传传感感器器出出厂厂时时使使用用45#钢钢标标定定，，被被测测对对象象不不符符合合规规定定时时应应重重新新标标定定（（型型号号不不同同的的钢钢材材灵灵敏敏度度误误差差小小于于10%））。。应应当当保保持持传传感感器器探探头头周周围围有有足足够够的的空空间间，，在在3倍倍探探头头直直径径范范围围内内，，不不应应由由金金属属体体，，传传感感器器安安装装应应远远离离转转动动体体台台阶阶面面，，这这样样可可避避免免周周围围金金属属结结构构的的干干扰扰，，准准确确测测量量振振动动值值。。传传感感器器可可在在有有酸酸碱碱腐腐蚀蚀的的环环境境中中使使用用。。见图图6-8安安装装两两个个邻邻近近传传感感器器时时应应保保证证传传感感头头之之间间有有足足够够的的距距离离以以防防止止交交叉叉失失真真（（如如图图a）），，一一般般应应保保留留40mm的的间间隙隙。。在在径径向向轴轴承承附附近近安安装装传传感感器器时时（（如如图图b）），，传传感感器器中中心心线线与与轴轴承承座座表表面面的的距距离离应应大大于于三三倍倍传传感感头头直直径径，，同同时时避避免免把把传传感感器器安安装装在在不不显显示示任任何何振振动动的的结结点点上上（（如如图图c））。。（a））（（b））（（c））图6-8电电涡涡流流式式传传感感器器安安装装图图在安安装装传传感感器器之之前前，，保保证证螺螺纹纹孔孔中中不不能能有有异异物物，，且且螺螺纹纹良良好好。。当当把把传传感感头头拧拧入入机机架架固固定定时时，，传传感感器器引引线线应应随随传传感感头头自自由由旋旋转转，，不不应应有有扭扭力力；；传传感感器器的的托托架架应应选选择择钢钢材材等等坚坚固固件件，，且且其其共共振振频频率率应应大大于于10倍倍的的被被测测体体转转速速。。安安装装中中的的接接地地问问题题（（如如图图6-9所所示示））图6-9电电涡涡流流式式传传感感器器接接地地安安装装图图返回回6.3电电容容式式位位移移检检测测方方法法平行行极极板板电电容容器器的的电电容容为为式中中，，C为为电电容容量量；；εε为为极极板板介介质质的的介介电电常常数数；；S为为极极板板面面积积；；d为为极极板板J间间距距离离。。在在介介电电常常数数εε和和S一一定定的的情情况况下下，，极极板板距距离离与与电电容容量量成成反反比比。。因因此此可可将将一一块块极极板板固固定定，，另另一一块块极极板板与与被被测测物物体体相相连连，，那那么么被被测测物物体体的的位位移移使使得得极极板板距距离离变变化化，，（6-4））从而而使使电电容容量量变变化化。。为为了了提提高高检检测测元元件件的的灵灵敏敏度度，，常常采采用用差差动动电电容容式式位位移移检检测测结结构构，，在在两两个个固固定定极极板板之之间间设设置置可可动动极极板板，，使使固固定定极极板板对对中中间间可可动动极极板板成成对对称称结结构构,构构成成两两个个大大小小相相同同的的电电容容。。可可动动极极板板装装在在被被测测物物体体上上。。当当被被测测物物体体位位移移x后后，，一一个个电电容容量量增增加加，，另另一一个个电电容容量量减减小小，，将将差差动动电电容容接接入入一一个个变变压压器器电电桥桥电电路路，，所所示示，，就就可可以以得得到到与与被被测测位位移移成成比比例例的的电电压压输输出出信信号号。。返回回6.4转转速速检检测测在发动机机、压缩缩机、透透平机和和泵等转转动设备备中，转转速是表表征设备备运行好好坏的重重要变量量,特特别是转转动设备备的临界界速度，，它是系系统的振振动频率率与转动动设备固固有频率率发生共共振的速速度。检检测转速速的方法法通常是是将转速速转换为为位移，，或者将将转速转转换为脉脉冲信号号。6.4.1离离心式式转速表表其工作原原理基于于与回转转轴偏置置的重锤锤在回转转时产生生的离心心力Q与与回转轴轴的角速速度ω的的平方成成正比，，即式中，m为重锤锤的质量量；r为为重锤至至被测轴轴的垂直直距离。。图6-11是是其测量量原理图图。(6-5)图6-11离离心式式转速表表原理图图当转动轴轴以ω的的角速度度转动时时，重锤锤产生离离心力Q，转速速越大离离心力越越大，压压迫弹簧簧使它缩缩短，因因而弹簧簧被压缩缩的位移移与转速速成正比比。测出出弹簧位位移就得得知转速速。离心心式转速速表是机机械式的的，惯性性较大，，测量精精度受到到一定限限制，但但体积小小且携带带方便，，不需要要能源，，因此应应用比较较广泛。。（动画））6.4.2光光电式式转速传传感器光电式转转速传感感器工作作在脉冲冲状态下下，它将将轴的转转速变换换成相应应频率的的脉冲，，然后测测出脉冲冲频率就就测得转转速。图图6-12所示示的是一一种直射射式光电电转速传传感器的的结构原原理。图6-12直直射式式光电转转速传感感器的结结构原理理从光源发发出的光光通过开开孔盘和和缝隙照照射到光光敏元件件上，使使光敏元元件感光光。开孔孔盘装在在转动轴轴上随转转轴一起起转动，，盘上有有一定数数量的小小孔。当当开孔盘盘转动一一周，光光敏元件件感光的的次数与与盘的开开孔数相相等，因因此产生生相应数数量的电电脉冲信信号。但但是因受受到开孔孔盘尺寸寸的限制制，开孔孔数不能能太大，，所以对对传感器器的结构构进行改改进，如如图6-13所所示。6-13传传感器指示盘与与旋转盘盘具有相相同间距距的缝隙隙，当旋旋转盘转转动时，，转过一一条缝隙隙，光线线就产生生一次明明暗变化,使光光敏元件件感光一一次。用用这种结结构可以以大大增增加转盘盘上的缝缝隙数，，因此每每转的脉脉冲数相相应增加加。将脉脉冲数通通过测量量电路处处理，最最终输出出与转速速对应的的电信号号。与离离心式转转速表相相比，光光电式转转速传感感器测量量精度高高，其输输出信号号可供计计算机使使用。返回6.5振振动检测测旋转机械运运行时，必必须监视转转轴的振幅幅、轴的不不平衡引起起的径向移移动，这些些都与振动动有关。检检测位移、、速度的原原理都可用用于检测振振动。目前前振动检测测仪表有机机械式、电电阻应变片片式、压电电式、磁电电式、电容容式、涡流流式等。其其中涡流式式测振方法法应用最普普遍。在测振动时时经常在轴轴的径向按按水平和垂垂直位置装装有多个涡涡流检测探探头组成一一个测振系系统，其结构如图6-14所所示。检测测各自部位位、方向的的位移量。。将各个探探头测得的的信息综合合处理后，，就可得到到所需的振振动信息，，如振幅、、振动方向向、振动频频率等，从从而判断出出旋转机械械运行是否否正常。图6-14测振系系统示意图图返回6.6电电感式传传感器的典典型应用电感式传感感器主要用用于测量微微位移，凡凡是能转换换成位移量量变化的参参数，如压压力、力、、压差、加加速度、振振动、应变变、流量、、厚度、液液位等都可可以用电感感式传感器器来进行测测量。6.6.1位移移测量（1）induNCDT系系列位移传传感器图6-15是induNCDT系列位位移传感器器的外形图图，它主要要用于位移移，振动，，转速测量量。传感器器的前置放放大器被集集成安装在在传感器壳壳体里，其其输出信号号与测量位位移成正比比。在传感感器测量量量程内线性性精度优于于±2%。。图6-15induNCDT系列位位移传感器器的外形图图（2）AP035系列差动动变压器式式位移传感感器AP035差动变变压器式位位移传感器器是由差动动差动变压压器和基本本电路组成成。它可对对生产过程程中位移、、形变参数数进行快速速、准确可可靠地测量量，并可配配用微机和和其他装置置进行打印印或自动控控制。本传传感器还具具有灵敏度度高、稳定定性好、连连续工作时时间长等一一系列优点点。主要技技术参数：：测量范围：：±20ｍｍｍ。基本误差：：０.５％％。输出讯号：：±１０ＶＶ。传感器工作作环境：温温度：-2０℃～～+７０℃℃相对湿湿度：５％％RH～９９０RH％％灵敏度：0.45v/mm。。传感器供电电电源为DC15V，外形尺尺寸φ22×228。6.6.2振振动检测测RS9300低频振振动传感器器是属于惯惯性式传感感器，其外外形如图6-16。。图6-16RS9300低频振动动传感器它是利用磁磁电感应原原理把振动动信号变换换成电信号号。主要由由磁路系统统、惯性质质量、弹簧簧阻尼等部部分组成。。在传感器器壳体中刚刚性地固定定着磁铁，，惯性质量量（线圈组组件）用弹弹簧元件悬悬挂于壳体体上。工作作时，将传传感器安装装在机器上上，在机器器振动时，，在传感器器工作频率率范围内，，线圈与磁磁铁相对运运动、切割割磁力线，，在线圈内内产生感应应电压，该该电压信号号正比于被被测物体的的振动速度度值，对该该信号进行行积分放大大处理即可可得到位移移信号。RS9300低频速速度位移振振动传感器器（内部带带部分器，，输出位移移电压信号号）适用于于水轮发电电机组低频频转动机械械，测量频频响范围0.5HZ-200HZ(-3dB)，抗干扰扰性能强，，能长期稳稳定可靠地地工作于恶恶劣环境中中。（1）使用用特点：a.传传感器有很很低的使用用频率，可可以适用于于低转速的的转动机器器。b.相对对于其它类类型的振动动传感器而而言，RS9300传感器有较低低的输出阻阻抗，较好好的信噪比比。它同一一般通用交交流电压表表或示波器器配合就能能工作。对对输出插头头和传输电电缆也无特特殊要求，，使用方便便。c.传感感器设计中中取消了有有摩擦的活活动元件，，因此使用用寿命相对对很长。传传感器有一一定抗横向向振动能力力（不大于于10g））。（2）技术术指标a.频响范范围：0.5Hz～～200Hz(-3dB)b.灵敏度度：8mV/μm±±5%、5mV/μm±5%、4mV/μμm±5%(或根根据用户要要求调整)c.量程：：±1mm（±2mm、±3mm等等）d.线性度度：<2%e.最大输输出电压：：8V（单单峰）f.使用温温度范围，，-30℃℃-80℃℃g.工作方方向：H水水平型型V垂垂直型型h.工作电电源：±12VDCi.安装方方式：在在Φ56的的圆周角上上用2个M5螺钉固固定6.6.3JZW、JZZ型轴位移移、轴振动动监视仪JZW、JZZ型轴轴位移、轴轴振动监视视仪是一种种非接触式式测量仪器器。包括涡涡流式传感感器、前置置器、监视视仪和定标标器等部分分。可用于于透平机械械、机床、、鼓风机、、压缩机以以及其它旋旋转机械，，非接触地地测量和监监视轴的位位移和振动动。如果将将电信号输输入报警器器，则可以以按我们事事先设定好好的位置进进行报警。。监视仪具有有视野广阔阔的表头显显示，并有有输出插孔孔，可供数数字电压表表、振子示示波器、射射线示波器器、X一一Y记录录仪、频谱谱分析仪等等进行观察察、记录和和分析。仪仪器的报警警输出可连连接连锁保保护系统，，可实现对对旋转机组组的安全保保护。图6-17JZW一1型轴轴位移、轴轴振动监视视整机连接接图JZW、JZZ型轴轴位移、轴轴振动监视视仪的基本本工作原理理是，线圈圈通有高频频电流时，，在其周围围便产生高高频电磁场场。将它靠靠近金属物物体时，在在金属表面面产生涡流流，涡流产产生的电磁磁场抵消原原来的磁场场，改变原原线圈的阻阻抗，经前前置器转换换放大输出出电压或电电流信号，，发送到控控制间的监监视仪上，，实现了轴轴位移和振振动的测量量。如果将将电信号输输入报警器器，则可以以按我们事事先设定好好的位置进进行报警。。6.6.46652机机组检测保保护仪表（1）简介介EntekIRD6652监测保保护表。他他可用于对对6652检测表进进行安装，，测试，组组态或使用用。EntekIRD6600系列保保护表是用用于关键机机组的模块块式保护系系统的一部部分，每一一快检测表表采用独立立的电源，，继电器和和输入端子子模块，可可作为独立立系统使用用。作为保保护检测仪仪表，6600仪表表满足并在许多方方面超过了了AOI670标准准。每种6600检检测表可完完成不同的的任务，为为机组提供供各种不同同的保护功功能。（2）应用用6652可可进行多种种组态对转转动设备进进行振动监监测。这包包括对采用用滑动轴承承的机组进进行轴振动动监测。尤尤其适合转转子质量相相对机组壳壳体质量较较小的情况况。这对适适合机组安安装刚度较较大，较轻轻的转子无无法提供足足够的能量量在轴承座座上激发足足够的振动动。（3）前面面板描述图6-186652机组组检测保护护仪表面板板图6652V2前面面板显示如如下：它由由两个易读读取的棒图图来显示两两个输入通通道的相对对满量程的的值。在棒棒图上方，，数字指示示每5秒钟钟自动切换换两个通道道的实际值值。在棒图图上放有一一个短线显显示当前显显示的通道道。在显示窗下下面有三个个BNC接接头，其中中两个是对对应振动通通道的缓冲冲输，另一一个用于转