第三讲传感器系统

第三讲传感器系统第一节一、传感器的应用为了运行的安全性和经济性，旋转机械需要应用各种各样的传感器。没有传感器提供必要的信息，就发现不了机器所处的危险和不经济运行状态。TSI系统传感器的设计和制造，与机器的测量参数相一致，这些测量参数是根据机器的维修方案决定的。为了增加机组运行二、传感器的类型及选择传感器的选择是受许多因素影响的，主要考虑两个方面：一是传感器性能；二是被测对象的条件和要求。只有两者很好地结合，才能获得最佳效果。最佳的传感器应该是这样的：当机组的机械（如振动）状态产生很小的变化时，便能产生一个很大的信号输出变化。理想的传感器应该是既能够用于机器的监视又能用于故障诊断。对于振动监测，由于大多数机器传感器的选择还要涉及到其它许多因素，这些因素包括机器在工厂生产过程中的重要性（停机所造成的损失），测量该参数的目的(机器监视或要求监视与诊断的能力)、人员和工厂的安全性，保险范围以及工业标准。从力学观点看，振动传感器系统按其测量参数的类型通常分为三种：趋近式探头（电涡流）传感器系统测量轴的相对振动；绝对式传感器(速度和加速度式，也称为电磁式、地震式传感器))测量轴承箱体的绝对振动；复合式探头测量轴的绝对振动。对于某一具体机器，选择哪种理想传感器关键取决于机器的振动特性。以上叙述的三种传感器不仅可以测量振动参数，也可以用来测量其它参数。比如电涡流传感器可用来测量轴向位移、胀差、转速以及转子偏心等。为测量更多的参数，除了这几种传感器，还需要别的传感器，比如测量缸胀的线性变量差动互感器LVDT。第二节电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，本节主要介绍应用广泛的高频反射式电涡流传感器。一、组成及工作原理1．组成电涡流传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成。图1是探头放大的外形图。它的外形与普通螺栓十分相似，头部有扁平的感应线圈，把它固定在不锈钢螺栓一端，感应线圈的引线从螺栓另一端与高频电缆相连。2．工作原理当头部线圈通上高频（1-2MHz）电流i时，线圈L周围就产生了高频电磁场。如果线圈附近有一金属板，金属板内就要产生感应电流ei。这种电流在金属板内是闭合的，所以叫做涡流，见图5-3。根据焦耳—楞次定律，电涡流ei产生的电磁场与感应线圈的电磁场方向相反，这两个磁场相互叠加，改变了线圈的电感。电感的变化程度，与线圈的外形尺寸、线圈及金属板之间的距离d、金属体材料的电阻率、导磁率、激励电流强度i、频率f及线圈的几何形状r等参数有关。假定金属体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈的电感L可用如下函数来表示：),,,,,(drfiFL当被测材料一定时，、为常数；具体仪表中，i、f为定值；传感器制成后，r也为常数。可见，如果控制、、i、f、r恒定不变，那么电感L就成为距d的单值函数。假如把传感器与被测体间的距离d保持不变，则传感器的输出值将与被测体材料的电阻率、导磁率成函数关系，利用这个关系可以用来测量金属材料的导电率、导磁率、硬度等参数，以及检测裂纹。由以上分析可知，电涡流传感器可以把传感器与被测体间的距离d值变换成传感器线圈的等效电感值或阻抗值，也可以转换成线圈的品质因数。因为被测物体向传感器接近时，线圈的损耗功率增大，其品质因数Q值就下降。3．测量方法位移d的变化，引起电感L变化，使传感器的输出频率发生变化，即)(dFf。将位移量d转换成频率信号后通过频率计数器进行测量，或通过频率—电压转换，用电压值显示频率数，电涡流传感器配以相应的前置放大器，就可将被测的非电量信号转换成电压信号。再经过监测仪表，向指示器、记录器提供信号，以便进行指示和记录，同时进行报警判别。当被测值达到报警值时，发出报警信号，达到危险值时发出停机信号，实行停机保护。前置放大器一般由石英晶体振荡器、跟随器、放大器、检波器和滤波器等组成。图5-7所示为前置放大器电路。现将测量位移或振幅时检波器的输入输出信号分析如下：1）位移测量：当传感器用于位移测量时，输入到检波器的信号是等幅的高频电压信号，如图5-8所示。由于采用有恒定频率f的载波调幅波测量位移，输入到检波器前的信号是等幅的高频电压信号（见图5-8，a），可表示为tfUumi2sin电涡流传感器测量位移时的输出特性如图5-9所示。2）振动测量：当传感器用于振幅测量时，输入到检波器的信号就成为一调幅波，如图5-10所示。经检波后的输出信号有两部分组成：一是与振动频率xf和振幅A有关的交流电压信号u；二是与位移d成正比的直流电压信号dU。检波和滤波后的输出电压即为前置器的输出信号，它输往相应的监视器，进行指示、记录或报警。图5-8测量位移时检波器输入输出信号的波形图（a）输入信号；（b）输出信号图5-9测量位移的转换特性图图5-10测量振幅时检波器输入输出信号的波形图涡流传感器由于测量线性范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，特别是非接触测量等优点，而得到了广泛的应用。它可作为主要的传感器用于转速、位移、振动、偏心等的测量与监视。另外，它也用于测量厚度，表面温度，温度变化率，利用涡流传感器测量位移或振幅时，输出电压与距离d的单值函数关系是在其它条件不变的假设下得被测体的面积比传感器相对应的面积大很多时，传感器的灵敏度不受影响，当被测体面积为传感器线圈的一半时，其灵敏度减少一半；更小时，灵敏度将显著下降，以一被测体为圆柱体为例，当其直径d1为传感器直径d2的3.5倍以上时，不影响被测结果，若d1/d2=1时，灵敏度降至70%实验表明：工作表面热处理对测量结果没有影响，工件表面镀铬后，会使灵敏度增加，镀铬厚度不均匀，会引起读数的跳动，因此尽可能不要测镀铬的表面，即使镀铬均匀，也须进行静态校验；被测体表面的光洁度对测量结果基本上没有影响，被测体的材质对灵敏度有正确安装传感器是准确测量的前提，任何一种影响电涡流效应因素的出现，均会造成测量的结果不可信，使用中必须考虑这些因素的影响。1．对工作温度的要求一般涡流传感器最高容许温度Co180，目前国产涡流传感器最高容许温度大部分是在Co120以下，实际上工作温度超过Co70，不仅灵敏度会显著降低，还会造成传感器的损坏，因此测量汽轮机高、中、低转轴振动时，传感器必须安装在轴瓦内，只有特制的高温涡流传感器才容许安装在汽封附近。2．对被测体的要求为防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出，安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间。若被测体与传感器间不允许留有空间，可采用绝缘材料灌封。若在测试过程中在某一部位需要同时安装两个或两上以上传感器，为避免交叉干扰，两个传感器之间应保持一定的距离。φ5mm探头安装时，应保证端部之间的距离不少于1.5英寸(38.1mm)另外，被测体表面积应为探头直径的3倍以上；表面不应有锤击，撞伤以及小孔和缝隙等，不允许表面电镀。被测体材料应与探头、前置器标定的材料一致，否则需重校。3探头通过支架固定在轴承座上，支架应有足够的刚度以提高其自振频率，避免或减小被测体振动时支架的受激自振。一般而言，支架的自振频率至少应为机器旋转速度的10倍。支架分为永久性、半永久性和临时性三种。永久性固定支架用于油介质密封的被测系统。例如：在高压腔内或密封环外测油膜厚度，安装时传感器用高性能粘接剂灌封，干固后连同轴或轴瓦一起精加工，直至达到工艺要求。半永久性固定用于一般位移振动测量，为便于调整间隙，常设计成可调式，一旦调试完毕，常用螺丝拧紧。临时性固定一般用于实验或简单现场测试，常用磁力表架。虽然探头的中心线以垂直位置变化15°，对变送器系统的特性无影响，但支架支撑的探头，位置应与被监视的表面垂直。4．对初始间隙的要求各种型号电涡流传感器应在一定的间隙电压（传感器顶部与被测物体之间间隙，在仪表上指示一般是电压）值下，其读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙。如图5-11所示的电涡流传感器特性曲线，静态最大量程不能大于2.5mm，动态下为了获得较好的线性度，其工作间隙应在0.3～2.8mm范围内，即仪表指示间隙电压为2～16V。转子旋转和机组带负荷后，转子相对于传感器将发生位移。如把传感器装在轴承顶部，其间隙将减少；如装在轴承水平方向，其间隙取决于转子旋转方向；当转向一定时，其间隙取决于安装在右侧还是左侧。为了获得合适的工作间隙值，在安装时应估算转子从静态到转动状态机组带负荷后轴颈位移值和位移方向，以便在调整初始间隙时给予考虑。根据现场使用经验，转子从静态到工作转速，轴颈抬高大约为轴瓦间隙的1/2；水平方向位移与轴瓦形式、轴瓦两侧间隙和机组滑销系统工作状况有关，一般位移值为0.05～0.20mm，位移方向如图5-12所示，传感器安装在右侧水平位置，转子旋转后，间隙c增大；装在左侧，d减少。轴颈在轴瓦内发生位移除与转速有关外，还与机组有功负荷有关，对于质量较小的汽机高压转子和带减速器的转轴，在部分进汽和齿轮传递力矩作用下，会把轴颈推向轴瓦的一侧，其位移值有可能接近于轴瓦的直径间隙。在调整传感器初始间隙时，除了要考虑上述这些因素外，还要考虑最大振动值和转子原始晃摆值。传感器初始间隙应大于转轴可能发生的最大振幅和转轴原始晃摆值的1/2。图5-11一般电涡流传感器静态、动态曲线1—静态；2—动态图5-12轴颈水平位移方向与传感器安装位置有关5．安装步骤1)探头插入安装孔之前，应保证孔内无杂物，探头能自由转动而不会与导线缠绕。2)为避免擦伤探头端部或监视表面，可用非金属测隙规测定探头的间隙。3)也可采用连接探头导线到接长电缆及前置器的电气方法整定探头间隙。当探头间隙已调整适合后，旋紧防松螺母。此时应注意，过份旋紧会使螺纹损坏。探头被固定后，探头的导线亦需牢固。延长电缆的长度(指探头至前置器之间的距离)，应与前置器所需的长度一致。任意地加长或缩短均将导致测量误差。前置器应置于铸铝的盒子内，以免机械损坏及污染。不允许盒子上附有多余的电缆，在不改变探头到前置器电缆长度的前提下，允许在同一个盒内装有多个前置器，以降低安装成本，简化从前置器到监视器的电缆布线。采用适当的隔离和屏蔽接地，将信号所受的干扰降至最低限度。信号电缆的屏蔽层只允许单端接地，以避免形成接地回路。