机械故障诊断技术3_振动信号测取技术

利用压电效应，制成压电式加速度传感器，
可用于检测机械运转中的加速度振动信号；
利用电致伸缩效应，制成超声波探头，可用
于探测构件内部缺陷。
图3—1 加速度计
压电式加速度传感器的内部结构
图3—2 压电式加速度计 a)中心压缩型 b)环形剪切型 c)三角剪切型
压电式加速度传感器的测量电路
由于电荷是非常微弱的量，且因为漏电阻的存在， 使之不能传输较长的距离。通常厂家提供的专用低噪 声电缆只有3～5米，最长不过10米。因此需要在被测 设备附近布置前置放大器，将电荷量放大数千倍后， 再传输给显示计量仪表。
前置放大器电路有两种形式：其一是电阻反馈的电 压放大器，另一种是电容反馈的电荷放大器。
电荷放大器是工业测量现场使用最多的前置放大器。 但电路复杂，数千倍的放大倍数，对各级放大器的性 能稳定性提出了极高的要求，因而价格较贵。
目前，新型的压电式加速度传感器采用了内置IC电路的方案，由于内部 空间极小，内置IC电路实际完成阻抗变换的功能，需一个20mA的恒流源对其 供电。测量电路如图3—3所示。
磁电式速度传感器有绝对式和相对式两种，前者测量 被测对象的绝对振动速度，后者测量两个运动部件之间的 相对振动速度。
1．磁电式绝对速度传感器
图3—6 磁电式绝对速度传感器 1—弹簧片、2—壳体、3—阻尼环、4—永磁铁、5—线圈、6—心轴、7—弹簧
铜制的阻尼环一方面可增加惯性系统的质量，降源自文库固 有频率；另一方面又利用闭合铜环在磁场中运动时所产生 的磁阻尼力，使振动系统具有合理的阻尼，从而减小共振 对测量精度的影响。
2．磁电式相对速度传感器
图3—7 磁电式绝对速度传感器 1—壳体、2—心轴壳体、3—弹簧片、4—永磁铁、5—线圈、6—弹簧片、7—引出线
磁电式速度传感器的选用
在选择速度传感器时首先要注意传感器的最低工作频率，它告诉我 们被测设备的频谱图中低于这个频率的信号是失真的，可信度低。
其次是传感器的灵敏度，例如20mv/mm/s（美国本特利公司）、100 mv/mm/s（德国申克公司），这个参数用于将测得的电压值换算成速度 值，也是估计传感器最大输出电压的重要参数。
压电式加速度传感器的安装
此外，低噪声专用电缆 的敷设也要注意。对于内置 IC的集成加速度传感器，由 于恒流供电阻抗变换方式， 对电缆的敷设要求不高。但 非集成式加速度传感器，因 电缆与机壳构成耦合电容， 是电压干扰的进入通道，所 以要求该电容不随机壳的振 动而变化。因此电缆必需紧 贴机壳固定，使耦合电容值 最小且不变。
需要注意的是，隔直电容与后面的电阻构成一个高通滤波器，因此电容 C与电阻R的值决定了该测量系统频率响应特性曲线的最低信号频率。
压电式加速度传感器的安装要求
图3—4 加速度计的幅频特性
图3—4的左边是幅频特性曲线，它反映信号的频率在1Hz到3KHz这一 段，加速度计能比较好的复现信号的波形。
幅频特性曲线告诉我们，测量装置对信号中不同的频率波形有不同的 放大倍数。为了测得的电信号波形能真实地复现振动波形，就必需使所测 信号中最高的频率位于幅频特性曲线上的水平段。为此，要使安装后的加 速度计特性具有足够高的共振频率。
图3—3 ICP型加速度计测量电路
可以将内置IC电路看成一个随加速度值变动的电阻，加速度值升高，电 阻值也线性升高，由于恒电流供电，20mA电流不能通过仪表端的隔直电容， 通过变电阻的电流是常数，因此在变电阻的两端产生电压变化，这个电压因 此也随加速度变化。变化的电压可以通过隔直电容输入给放大器A，最后输 出测量电压。
由于要克服自重的影响，速度传感器分为水平安装（H型）与垂直 安装（V型）两种。垂直安装的速度传感器与水平安装的速度传感器 内部机械结构参数是不同的，在使用时必须注意，不能混用。
3．3 位移传感器
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线 性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面 的距离。它是一种非接触的线性化测量传感器。 用于高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，
第三章 振动信号测取技术
机械设备故障诊断与医学诊断有许多相似之处，机械设 备出现故障（隐患）时，会反映出各种征兆，诸如振动、温 度、压力等信号的变化。但不是所有信号对任何故障隐患都 很敏感，如对齿轮箱来说，若是轴承出现破损，振动信号的 变化要比温度信号敏感；若是润滑不足，则温度信号就比振 动信号敏感。这就是说设备在不同的运行状态下（故障也是 一类运行状态），其特征信息的敏感程度是不同的。特征信 息的获取，不仅与所选择的信号内容有关，而且与传感器的 类型、传感器的精度和测点位置有关。
3．1 加速度传感器
某些物质如石英晶体，在受到冲击性外力作用后，不仅几何尺寸发
生变化，而且其内部发生极化，相对的表面出现电荷，形成电场。外力
消失后，又恢复原状。这种现象叫做压电效应。
将这种物质置于电场中，其几何尺寸也会发
生变化，叫做电致伸缩效应。
多数人工压电陶瓷的压电常数比石英晶体大
数百倍，也就是说灵敏度要高得多。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量 范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗 干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等 优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊 断中得到广泛应用。
涡流传感器工作原理
探头线圈
前置放大器
振荡器
检波电路
放大器
涡电流
电缆
图3—9 涡流传感器工作原理图
当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发 生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的 振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一等处理转化成电压 （电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上 所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即 一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。
3．2 速度传感器
速度传感器又称为磁电式变换器，有时也叫作“电动 力式变换器”或“感应式变换器”，它利用电磁感应原理， 将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它的工作不需 要电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信 号输出，是一种典型的发生器型变换器。由于它的输出功 率较大，因而大大简化了后续电路，且性能稳定，又具有 一定的工作带宽(一般为10～1000Hz)，所以获得了较普遍 的应用。