第8章机械量测量

主

要

内

容8.1概述8.2振动和加速度的测量8.3位移测量8.4转速测量1234机械量测量是指非电量测量，测量范围涉及尺寸、位移、速度和力学量等几个方面。尺寸包括：长、宽、高；位移包括：直线位移和角位移；速度包括：直线速度、角速度和转速；力学量包括：力、力矩、加速度和振动。机械量不仅是各种运动控制系统的重要参数，也是电厂许多测量与控制系统中的非电量传感器及变送器的中间参数。

8.1概述在电厂中涉及到的如振动、膨胀、转速、位移等量所处的环境比较复杂，对各种机械量传感器的要求也存在很大的区别。典型的机械量测量传感器有电阻、电容、电感、涡流以及磁电、压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线等。目前，随着传感器技术的发展，一些新型传感器不断出现，如电荷耦合器件图像传感器、光纤传感器以及基于微电子机械系统（MEMS）技术的传感器等。同一个参数可以用不同类型的传感器测量；某一种原理的传感器可以用来测量不同的参数。测量内容：基本参数：振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位。机构或部件的动态特征：以某种激振力作用在被测体上，使它产生受迫振动。测量输入（激振力）和输出（被测件振动响应），从而确定被测件的固有频率、阻尼、刚度和振型等参数。

8.2振动测量

8.2振动测量8.2.1压电式测振传感器利用压电效应将振动参数转变为电信号压电材料：压电晶体（石英晶体，二氧化硅）、压电陶瓷、高分子压电材料。压电效应某些电介质物体，在沿一定方向对其施加力使之变形时，其内部会产生极化现象，使物体的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态。物体产生的电荷量与外力的大小成正比，电荷的极性随外力方向改变而变化，这种现象称为压电效应。式中，—为电荷量；—为压电常数；—为作用面积；—为压力。

8.2振动测量图8-2。传感器与被测物体一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。惯性力作用于压电元件上，因而产生电荷，当传感器选定，为常数，则传感器输出电荷为为轴方向的压电系数。所以只要测出加速度传感器输出的电荷大小，就可求出的大小。图示为一种压电式压力传感器的结构8.2.2电磁式测振传感器图8-3。利用电磁感应原理测量振动。传感器与被测物体一起振动，内部可动部分相对于外壳产生相对运动，使线圈在工作气隙中切割磁力线产生感应电动势，此电势大小正比于被测物体的振动速度。核电厂汽轮机主轴或轴承的振动测量使用此种传感器。基本原理：置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中作切割磁力线的块状金属导体，则在此块状金属导体内将会产生漩涡状的感应电流的现象称为电涡流效应，该漩涡状的感应电流的流线会形成闭合回路，称为电涡流，简称涡流。

8.2.3电涡流式测振传感器电涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度r以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流角频率f等参数有关。传感器等效阻抗发生变化利用电涡流传感器可以实现对位移、材料厚度、金属表面温度、应力、速度以及材料损伤等进行非接触式的连续测量，这种方法灵敏度高、频率响应范围宽，体积小等一系列优点，适合测金属物体的小位移。测振传感器，如图8-4。整个汽轮机轴系共有12个轴承，对应每只轴承，分别在左右安装两个轴振动测量探头，安装位置与垂直方向成正负45度角。每台机组共有24个轴振动测量探头。涡流式的。涡流型位移传感器，如图8-9每台机组共有4个涡流式轴向位移检测探头，分别安装在四块推力块上。运行中，轴向位移大小就是推力块工作面（乌金层）的磨损下程度，改变探头与工作面的距离，涡流探头就会输出对应的电信号，有效的监测轴向位移量的大小。电涡流式转速传感器在高压缸转轴外端处同轴安装了一个60齿的测速齿轮，4个涡流式汽轮机监测速度探头和另外五个汽轮机调节速度探头分别安装在齿轮正上方。当测速齿轮施转时，探头与测速齿轮间的空气间隙就会随探头对应齿顶或齿根位置而变化，从而在齿轮表面所产生的涡流大小也不同。电涡流式传感器典型应用电涡流传感器测量电路首先将传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振回路，谐振频率为：线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路主要有调幅和调频两种。

电涡流探头外形交变磁场电涡流涂层厚度仪8.3位移测量位移测量包括直线位移和角位移两种。常见的位移传感器有电容式、电感式、差动变压器式、光纤式和CCD图像传感器等。随着电子技术的发展，一些新型高精度、大尺寸、数字式位移传感器和相继问世，如光栅、磁栅和感应同步器等。电容式传感器电容式传感器可分为变极距、

变面积和变介电常数型变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)

电感式位移传感器基本概念：

电感式传感器是利用电感元件把位移的变化转换成电感的自感系数L或互感系数M

的变化，再由测量电路转换为电压或电流信号。它可把各种位移、压力、流量等参数转换成电量输出。即：要解决的问题：

1、如何设计传感器（如何使得）

2、它们之间的关系是否线性(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器差动变压器位移测量仪表在核电站中的应用燃料元件轴向膨胀或收缩的测量燃料元件弯曲度的测量控制棒或燃料元件振动的测量控制棒棒位的测量阀门位置指示各种构件相对位置的检验基于应变片的电阻在由位移产生的压力作用下其阻值产生变化，通过测阻值的变化来反映被测物体的位移大小。应变式位移传感器8.4转速测量转速在电力系统的参数检测与控制系统中也是经常出现的物理量，锅炉给粉量（用给粉机转速表示）的控制、汽轮机转速的调节等都是通过转速测量与控制系统完成的。用于转速检测的传感器根据应用场合不同有码盘检测法、光电检测法、霍尔元件检测法等。8.4.1电容式转速器图8-10电容极板与齿轮相对时电容量大，而电容极板与齿隙相对时电容量最小。齿轮旋转，电容量发生周期性变化，在测量电路中产生一系列脉冲，此脉冲的频率正比于齿轮的转数。4.3.1光电转速传感器光电传感器的功能：简单说就是利用光电效应把光信号转换成电信号。

光信号反应的是测量参数的变化。光信号（红外、可见、紫外）电信号（电压、电流、电阻等）。通常将这种制作光电传感器的材料称为光敏材料，光电传感器主要用于非接触测量。光电效应分为：外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应与相应的器件在光线作用下物体产生电信号的现象被称为光电效应。物体内的电子逸出表面向外发射光电子称为外光电效应或光电发射效应。光电管就是典型的利用外光电效应制成的光电器件。光线照射下，阴极电子向阳极运动，形成光电流。通常情况下，当光照很微弱时，光电管所产生的光电流很小(零点儿个微安)，为提高灵敏度，常应用光电倍增管，对光电流进行放大，其积分灵敏度可达每流明几安倍。内光电效应与相应的器件半导体材料受到光照射时，吸收入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，导电性增加，阻值降低的现象称为内光电效应。包括：光电导效应和光生伏特效应两种应用内光电效应制成的器件包括光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管等。

光生伏特效应光导电材料绝缘衬低引线电极引线光敏电阻外观RG符号光敏电阻光敏电阻就是利用电阻阻值在光照下变化的原理做成的传感器。把光敏电阻连接到下图电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。RGRLEI光敏电阻特点：光敏的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。暗电阻无光照条件下的电阻亮电阻一定光照条件下的电阻暗电流暗电阻条件下的电流亮电流亮电阻条件下的电流光电流=亮电流—暗电流光电池和光敏晶体管工作情况类似：半导体材料在光照条件下会产生电动势。光敏二极管结构和一般二极管相似，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，RL

光PNUO反向电阻大，几乎截止光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系光电转速传感器及应用基本原理：当转轴转动时，光线经调制后投射至光电器件，转换成相应的电脉冲信号，经过整形、放大后变成标准脉冲信号，计算出脉冲信号频率后，就可以推算出转速。

光电转速传感器是利用光电转换原理测量转速的非接触式传感器，有投射式和反射式两种测量方式。光电数字式转速表工作原理图3212

31特点：结构简单，使用方便缺点：受环境光照情况影响外壳密封，采用红外光线或者激光作为光源。光源和光敏器件光电传感器不仅可以测量转速，还可以完成很多参数的测量，如：烟尘浊度监测当烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化平行光源光电探测放大显示刻度校正 报警器烟道4.3.2磁敏转速传感器

在转速测量中，也有利用磁敏传感器作为检测手段的转速测量仪表，如汽车里程表的转速测量等。磁敏传感器是将电磁量转换成电信号的传感器，它主要用于检测磁场。如利用电流磁效应的磁阻元件、霍尔元件等。

4.3.3码盘转速测量码盘转速测量就是利用码盘窗口明暗信号的变化，将转速转换成序列计数脉冲的一种转速测量方法。码盘式转速测量直接将转速信号转换成脉冲信号，按结构分为接触式、光电式、和电磁式。按工作原理可分成码盘式（绝对码盘）和脉冲盘式（增量码盘）。绝对码盘结构图光电编码器示意图绝对码盘是把旋转轴的旋转角度采用二进制编码输出，它可以检测绝对角度。增量码盘时随旋转角度输出一列连续脉冲波的码盘，通过累计脉冲个数测量旋转角速度。光电码盘2/6/202341

绝对式码盘与增量式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘

绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志2/6/202342绝对式接触式编码器演示4个电刷

4位二进制码盘

+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n

4.4力学量测量在电厂自动控制系统中，汽轮机运行中的振动和加速度也是经常用到的机械量，对这些参数进行测量也是机械量测量的重点。物体的振动可以通过检测位移的方法进行测量，而加速度是根据牛顿第二定律F=ma，通过测得已知质量为m的物体上的惯性力而计算出来的。差动变压器法电涡流法应变片法硅微加工加速度传感器

加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。硅微加工加速度传感器原理

1—加速度测试单元

2—信号处理电路