1、第十章 汽輪機(jī)的平安監(jiān)視系統(tǒng)第一節(jié) 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)概述一、 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的意義和內(nèi)容二、 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的組成及原理三、 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的布置四、 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用與開展第二節(jié) 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的傳感器一、 傳感器概述二、 電渦流式位移傳感器三、 磁電式速度傳感器四、 壓電式加速度傳感器五、 復(fù)合式振動(dòng)傳感器六、 線性差動(dòng)變壓器式傳感器七、 轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器八、 鍵相器第三節(jié) 本特利3500監(jiān)視系統(tǒng)一、3500監(jiān)視系統(tǒng)的主要功能二、電源模塊3500/15三、轉(zhuǎn)速監(jiān)視模塊3500/50四、位移監(jiān)視模塊3500/40五、脹差監(jiān)視模塊3500/45六、鍵相器模塊3500/2

2、5七、超速保護(hù)模塊3500/53第十章汽輪機(jī)的平安監(jiān)視系統(tǒng)TSI第一節(jié) 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)概述一、 汽輪機(jī)平安監(jiān)視的意義和內(nèi)容現(xiàn)代汽輪機(jī)是一種在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速條件下工作的大型精密機(jī)器，隨著機(jī)組容量的不斷增大，蒸汽參數(shù)越來(lái)越高，熱力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，人們對(duì)機(jī)組平安運(yùn)行的要求也不斷提高。為了確保汽輪機(jī)組的平安運(yùn)行，目前在汽輪機(jī)組上都裝有各種類型的平安保護(hù)裝置，用來(lái)對(duì)各種重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)。為了提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，大型汽輪機(jī)的級(jí)間間隙、軸封間隙選擇的都比擬小。在啟、停和運(yùn)行過(guò)程中，如果操作、控制不當(dāng)，很容易造成汽輪機(jī)動(dòng)靜部件互相摩擦，引起葉片損壞、主軸彎曲、推力瓦燒毀甚至飛車等嚴(yán)重事故。為保證

3、汽輪機(jī)組平安、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須對(duì)汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備、系統(tǒng)的重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的長(zhǎng)期監(jiān)視。當(dāng)參數(shù)越限時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)參數(shù)超過(guò)極限值危及機(jī)組平安時(shí)，發(fā)出緊急停機(jī)信號(hào)，保護(hù)裝置動(dòng)作，關(guān)閉主汽門，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)也簡(jiǎn)稱為TSITurbine Supervisory Instrumentation，就是這樣一種集監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能于一體的長(zhǎng)期監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)。汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的內(nèi)容很多，且隨機(jī)組不一而各有差異，一般對(duì)主機(jī)的平安監(jiān)視工程有：（1） 轉(zhuǎn)速監(jiān)視 連續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時(shí)給出報(bào)警信號(hào)或者停機(jī)信號(hào)。（2） 零轉(zhuǎn)速監(jiān)視 觸發(fā)自動(dòng)盤車的機(jī)組零轉(zhuǎn)速監(jiān)視。連續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的零轉(zhuǎn)速狀態(tài)，

4、當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警繼電器動(dòng)作投入盤車裝置。（3） 軸向位移監(jiān)視 連續(xù)監(jiān)視推力盤到推力軸承的相對(duì)位置，以保護(hù)轉(zhuǎn)子與靜子部件之間不發(fā)生摩擦，當(dāng)軸向位移過(guò)大時(shí)發(fā)出報(bào)警或者停機(jī)信號(hào)。（4） 軸彎曲偏心度監(jiān)視 用于監(jiān)視轉(zhuǎn)子偏心度和峰峰值和瞬時(shí)值。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速低于600 rpm時(shí)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈測(cè)量一次偏心度峰-峰值，防止轉(zhuǎn)子偏心度過(guò)大。（5） 缸脹監(jiān)視 連續(xù)監(jiān)測(cè)汽缸相對(duì)于根底上一基準(zhǔn)點(diǎn)一般為滑銷系統(tǒng)的絕對(duì)死點(diǎn)的膨脹量，通常采用線性差動(dòng)位移傳感器LVDT進(jìn)行測(cè)量。（6） 差脹監(jiān)視 連續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于汽缸上一基準(zhǔn)點(diǎn)一般為推力軸承的膨脹量，通常采用電渦流傳感器進(jìn)行測(cè)量。（7） 機(jī)組振動(dòng)監(jiān)視 監(jiān)視轉(zhuǎn)子相對(duì)

5、于軸承座的相對(duì)振動(dòng)，監(jiān)視軸承座的絕對(duì)振動(dòng)，通常采用電渦流傳感器和速度傳感器進(jìn)行測(cè)量。（8） 相位監(jiān)視 連續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的相位情況，信號(hào)取自鍵相信號(hào)和任一測(cè)點(diǎn)的軸相對(duì)振動(dòng)信號(hào)。在上述平安監(jiān)視工程中，還可以分成監(jiān)視和保護(hù)兩大類。在監(jiān)視工程中，只對(duì)被監(jiān)視的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)視，當(dāng)被監(jiān)視的參數(shù)超標(biāo)時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警、提醒操作人員注意，并采取及時(shí)的措施予以糾正。在保護(hù)工程中，當(dāng)被監(jiān)視的參數(shù)超標(biāo)、到達(dá)機(jī)組的遮斷水平時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)能準(zhǔn)確、可靠和及時(shí)地動(dòng)作，自動(dòng)進(jìn)行機(jī)組的控制或停機(jī)，確保機(jī)組的平安。二、汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的組成及原理無(wú)論是進(jìn)口的TSI還是國(guó)產(chǎn)的TSI，是分立器件組成的TSI還是由集

6、成電路組成的TSI，從結(jié)構(gòu)與原理上來(lái)說(shuō)都是大同小異。圖10-1為我國(guó)引進(jìn)美國(guó)本特利內(nèi)華達(dá)公司Bently Nevada生產(chǎn)的汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)TSI。圖10-1 350MW汽輪機(jī)的平安監(jiān)視系統(tǒng)圖1系統(tǒng)的組成該系統(tǒng)主要由三大局部組成：1測(cè)量元件及其放大器。統(tǒng)稱變送器，包括用于測(cè)量各種被測(cè)參數(shù)的傳感器和相應(yīng)的前置放大器，它們分別布置在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近。2機(jī)箱。布置在集控室內(nèi)。機(jī)箱內(nèi)裝有電源和各有關(guān)監(jiān)視器，分別對(duì)來(lái)自傳感器和前置放大器的信號(hào)進(jìn)行處理，給出各監(jiān)視參數(shù)的指示值和記錄信號(hào)，并在監(jiān)視參數(shù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以引起操作人員注意或觸發(fā)自動(dòng)遮斷機(jī)組。3TSI報(bào)警信號(hào)板。當(dāng)參數(shù)處于報(bào)警和遮斷水平時(shí)，運(yùn)行

7、人員可從該依賴板上迅速獲得故障類型和故障部位的信息，該板要求布置在集控室內(nèi)的醒目處。該系統(tǒng)的監(jiān)視參數(shù)有：轉(zhuǎn)速監(jiān)視、零轉(zhuǎn)速監(jiān)視、軸向位移監(jiān)視、軸彎曲偏心度監(jiān)視、缸脹監(jiān)視、差脹監(jiān)視、機(jī)組振動(dòng)監(jiān)視、相位監(jiān)視等。 2. TSI的工作原理無(wú)論哪一種TSI監(jiān)視系統(tǒng)，從其結(jié)構(gòu)原理看，均可簡(jiǎn)化由圖10-2所示的系統(tǒng)組成。圖10-2 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的工作原理圖1傳感器。即常稱的測(cè)量元件，其作用是將被測(cè)對(duì)象的諸如轉(zhuǎn)速、軸向位移、膨脹、偏心和振動(dòng)等實(shí)際物理量，經(jīng)測(cè)量后轉(zhuǎn)換成電氣參數(shù)，如阻抗、頻率、電感和品質(zhì)因素等。2前置器。它的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，故又稱變送器，其任務(wù)是將上述電氣參數(shù)轉(zhuǎn)換成具有一定值的電壓、電流

8、、矩形波開方波信號(hào)送入信息處理器。它與傳感器組成測(cè)量電路，由于被測(cè)對(duì)象處于如高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)或電場(chǎng)干擾等惡劣環(huán)境，在布置上兩者間往往有較大的距離，需要通過(guò)一定的電纜相連，因此，中間聯(lián)線應(yīng)有屏蔽隔離問題。前置器由高頻振蕩器、檢波器、濾波器、直流放大器、線性網(wǎng)絡(luò)與輸出放在器等組成。經(jīng)這些處理后在輸出端得到與被測(cè)對(duì)象和傳感器間成比例的電壓信號(hào)，一般情況下，要求該輸出電壓在DC-4-20V范圍內(nèi)，具有良好的線性關(guān)系。3信息處理器。它是一些以微型處理器為核心的綜合處理裝置。通過(guò)各種模塊軟件，對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)度變換，設(shè)置檢測(cè)周期、報(bào)警和遮斷值，報(bào)警優(yōu)先，邏輯處理、系統(tǒng)自檢和綜合管理等，最后輸出進(jìn)入終端設(shè)

9、備。4終端設(shè)備。它由顯示器、記錄儀、報(bào)警器和測(cè)試儀等組成。其任務(wù)是將處理后的直流電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成與實(shí)際對(duì)象的物理量數(shù)值和單位一致信號(hào)，讓運(yùn)行人員直觀地在顯示器上觀察；在記錄儀上記錄；在某物理量超標(biāo)時(shí)，在報(bào)警器上發(fā)出聲光報(bào)警；嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，觸發(fā)遮斷機(jī)組等、確保機(jī)組的平安。三、汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的布置圖10-3為300MW汽輪機(jī)平安監(jiān)視儀表的主要測(cè)點(diǎn)布置示意圖。為了突出起見，圖中的測(cè)點(diǎn)除了數(shù)量較大的、一般的溫度和壓力測(cè)點(diǎn)外，幾乎涵蓋了前面介紹的全部重要的平安監(jiān)視工程，它比擬明確和真實(shí)地反映了重要測(cè)點(diǎn)布置的部位。圖10-3 汽輪機(jī)平安監(jiān)視儀表的主要測(cè)點(diǎn)布置示意圖該系統(tǒng)配置的主要特點(diǎn)是：1系統(tǒng)組態(tài)比擬先

10、進(jìn)和合理。整個(gè)TSI系統(tǒng)是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)，用平安鎖和組態(tài)加密碼的手段，可使系統(tǒng)組態(tài)不易被更改，保證運(yùn)行的可靠；系統(tǒng)能按儔序列，實(shí)現(xiàn)第一報(bào)警功能；系統(tǒng)的選項(xiàng)設(shè)置齊全；可使日常維護(hù)工作全部通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，操作人員只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，便可完成全部維護(hù)工作。2系統(tǒng)功能齊全、工作可靠性高。功能齊全是多方面的，例如在整個(gè)系統(tǒng)中增設(shè)一臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)視器，用以監(jiān)視TSI系統(tǒng)的工作情況，它本身就是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)，兼具有上電抑制、自動(dòng)報(bào)警或遮斷、復(fù)位控制、顯示供電電壓是否正常、顯示傳感器回路工作是否正常、設(shè)定各監(jiān)視器報(bào)警參數(shù)和提供鍵相信號(hào)等。系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)監(jiān)視器都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，不僅監(jiān)視器的互換性好，減少備件，而且通過(guò)執(zhí)行監(jiān)

11、視器的保護(hù)功能，使某個(gè)監(jiān)視器發(fā)生故障時(shí)，其他的監(jiān)視器仍可正常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。3結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理。整個(gè)3500系統(tǒng)，框架尺寸較小，可容納多種監(jiān)視通道，可處理高達(dá)56個(gè)通道測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。所選用的插板式組件，便于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展等。4系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)。其表現(xiàn)是多方面的，如報(bào)警值是采用數(shù)字程序設(shè)定，易于調(diào)整，且重復(fù)性好，沒有采用電位器設(shè)定時(shí)產(chǎn)生接觸不良的情況，自檢報(bào)警整定時(shí)，將儲(chǔ)存器內(nèi)存儲(chǔ)的整定值調(diào)出顯示即可。系統(tǒng)采用的編程跳線器，通過(guò)組態(tài)可在現(xiàn)場(chǎng)變換監(jiān)視器的參數(shù)，如改變曉行夜宿器的作用、改變記錄輸出物范圍、改變報(bào)警延遲時(shí)間等，使系統(tǒng)具有很大的靈活性。5系統(tǒng)兼容和可擴(kuò)展性好。例如3500系統(tǒng)

12、與本特利公司怕有的傳感器都兼容；與其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理儀DDM連接時(shí)，也不需另計(jì)算機(jī)接口板，是一種較好的計(jì)算機(jī)監(jiān)視和故障診斷的前端系統(tǒng)；監(jiān)視器硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)和插板式組件，便于調(diào)整、維修和擴(kuò)展；系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)兼容并支持x Windos協(xié)議，便于操作人員的熟悉和掌握等。6系統(tǒng)具有較好的旁通和自檢功能。例如“通道旁路可使失效通道很快退出系統(tǒng)；“危險(xiǎn)旁路可在某一通道進(jìn)行檢修時(shí)，不會(huì)影響其他通道的正常工作，也不致因其他偶然因素而引起“危險(xiǎn)繼電器的動(dòng)作；系統(tǒng)的上電自檢、周期性自檢和用記請(qǐng)求自檢等三種自檢功能，對(duì)保證系統(tǒng)工作的可靠性，具有很重要的意義。四、汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用與開展我國(guó)引進(jìn)的汽輪機(jī)平安監(jiān)視

13、系統(tǒng)TSI，有美國(guó)本特利系統(tǒng)、德國(guó)飛利浦系列等多種產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，用于測(cè)量機(jī)組參數(shù)的工程大致相同，只是在測(cè)量手段和相應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成方面有所區(qū)別。早期引進(jìn)的TSI系統(tǒng)，采用較多的是本特利7200系列，后來(lái)被3300系列所取代，它們對(duì)汽輪機(jī)的監(jiān)視功能還是一致的，區(qū)別主要在于7200系列是采用模擬電子電路和數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的監(jiān)視功能，而3300系統(tǒng)那么是采用單片微處理機(jī)為根底的數(shù)字平安監(jiān)視系統(tǒng)。而后進(jìn)一步開展的本特利3500系統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)，除了繼承3300系列裝置的可靠性外，最突出的就是采用模塊化結(jié)構(gòu)，機(jī)組的日常維護(hù)工作全部通過(guò)計(jì)算機(jī)的組態(tài)完成，主要包括框架接口模塊選項(xiàng)設(shè)置、鍵相器選項(xiàng)設(shè)置、監(jiān)視器選

14、項(xiàng)設(shè)置、通道選項(xiàng)設(shè)置、通信模塊選項(xiàng)設(shè)置和報(bào)警設(shè)置點(diǎn)選項(xiàng)設(shè)置等，這些優(yōu)化改良措施，不僅使維護(hù)工作量減少，系統(tǒng)可靠性高，而且使用更靈活，便于擴(kuò)展。在國(guó)產(chǎn)化方面，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所相繼開發(fā)了8000系列和9000系列TSI系統(tǒng)。8000系列TSI的傳感器和電氣參數(shù)，與本特利7200系統(tǒng)相同且可互換，而機(jī)箱框架和各通道板那么與飛利浦RMS700系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同也可互換，因此，8000系列的信號(hào)處理，根本上屬于模擬電路系統(tǒng)。而9000系列的TSI系統(tǒng)，那么前進(jìn)了一步，采用了英特爾公司的單片機(jī)芯片，開展了以微處理機(jī)為根底的成套TSI系統(tǒng)。第二節(jié) 汽輪機(jī)平安監(jiān)視系統(tǒng)的傳感器一、傳感器概述傳感器是汽輪機(jī)

15、平安監(jiān)視系統(tǒng)中的首要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器提供必要的運(yùn)行信息,人們就發(fā)現(xiàn)不了機(jī)器所處的危險(xiǎn)或者不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)。同樣，沒有穩(wěn)定可靠、精確靈敏的傳感器就談不上完成有效的監(jiān)視和準(zhǔn)確的診斷工作。傳感器是一種獲取信息的裝置。其含義是: 借助于檢測(cè)元件接收一種形式變化的信息,并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息,可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量,而轉(zhuǎn)換后的信息也可以是多種形式, 目前傳感器轉(zhuǎn)換的大多為電量信號(hào)。因而從狹義上講,傳感器的定義為：把外界輸入的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)的裝置。所以一般也稱傳感器為變換器、換能器和探測(cè)器 ,其輸出的電量信號(hào)最終輸送給后續(xù)配套的測(cè)量電路及終

16、端裝置 ,以便進(jìn)行記錄、顯示或信號(hào)分析等。1. 傳感器的組成傳感器一般由敏感器件及其輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核心 , 它的作用是直接感受被測(cè)物理量 , 并將信號(hào)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換輸出。一般把信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路歸為輔助器件 , 它們是一些把敏感器件輸出的量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并為后續(xù)處理效勞的裝置。隨著集成電路制造技術(shù)的開展 , 現(xiàn)在已經(jīng)能把一些信號(hào)調(diào)理電路和傳感器集成在一起 , 構(gòu)成集成傳感器。現(xiàn)代進(jìn)一步的開展是將傳感器和微處理器相結(jié)合 , 裝在一個(gè)檢測(cè)器中形成一種新型的 " 智能傳感器 " ，它將具有一定的信號(hào)調(diào)理、信號(hào)分析、誤差校正、環(huán)境適應(yīng)等能力 , 甚至具有一定的識(shí)別、

17、識(shí)別、判斷的功能。2. 傳感器的分類傳感器的種類繁多 , 應(yīng)用范圍極其廣泛 。作為火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，使用最多的傳感器為振動(dòng)測(cè)量傳感器。在現(xiàn)代振動(dòng)測(cè)量中所用的傳感器已不是傳統(tǒng)概念上獨(dú)立的機(jī)械測(cè)量裝置 , 而僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié) , 且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。一般說(shuō)來(lái) , 由傳感器直接變換的電量許多并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄或分析儀器所接受。因此針對(duì)不同變換原理的傳感器 , 必須配以專門的測(cè)量電路。因此振動(dòng)測(cè)量傳感器按其功能一般有以下幾種分類 ,如表 10-1 所示。表 10-1 振動(dòng)測(cè)量傳感器的分類按機(jī)械接收原理分按機(jī)電變換原理分按所測(cè)機(jī)械量分相對(duì)式非接觸式，頂桿

18、式絕對(duì)式慣性式電動(dòng)式磁電式壓電式電渦流式電感式電容式電阻式位移傳感器速度傳感器加速度傳感器力傳感器應(yīng)變傳感器扭振傳感器扭矩傳感器傳感器的選擇是受許多因素影響的，主要考慮兩個(gè)方面 : 一是傳感器性能 ；二是被測(cè)對(duì)象的條件和要求。只有兩者很好地結(jié)合 , 才能獲得最正確效果。最正確的傳感器應(yīng)該是這樣的 , 即當(dāng)機(jī)器振動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生很小的變化 , 便能產(chǎn)生一個(gè)很大的信號(hào)輸出變化。理想的傳感器應(yīng)該是既能夠用于機(jī)器的監(jiān)視又能用于故障診斷分析。傳感器的選擇還要涉及到許多其他因素,包括機(jī)器設(shè)備在工廠生產(chǎn)過(guò)程中的重要性, 測(cè)量該參數(shù)的目的 ( 機(jī)器監(jiān)視或要求監(jiān)視與診斷的能力 ), 人員和工廠的平安性 , 保險(xiǎn)范圍以

19、及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求來(lái)看 , 振動(dòng)測(cè)量傳感器按其測(cè)量參數(shù)的種類，其選型通常分為三種主要的類型 : 1） 使用電渦流式位移傳感器測(cè)量軸的相對(duì)振動(dòng) ; 2） 使用速度傳感器或加速度傳感器測(cè)量軸承座的絕對(duì)振動(dòng) ; 3） 使用復(fù)合式振動(dòng)傳感器測(cè)量軸的絕對(duì)振動(dòng)。對(duì)于某一具體機(jī)械設(shè)備 , 選擇哪種傳感器取決于機(jī)器的振動(dòng)特性。以上三種主要的傳感器不僅可以測(cè)量振動(dòng)參數(shù) , 也可以用來(lái)測(cè)量其他參數(shù)。比方電渦流式位移傳感器既可以測(cè)量汽輪發(fā)電機(jī)軸的徑向相對(duì)振動(dòng)，也可用來(lái)測(cè)量軸的軸向位移、脹差、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子偏心等。除了這幾種常見的振動(dòng)測(cè)量傳感器以外 ,為了監(jiān)視汽輪發(fā)電機(jī)組的其它重要的參數(shù) , 還需要用到一些

20、特殊的傳感器 , 比方測(cè)量汽缸膨脹的線性差動(dòng)變壓器式傳感器；精確測(cè)量轉(zhuǎn)速的磁阻傳感器、磁敏傳感器等等。二、電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器是通過(guò)傳感器端部與被測(cè)物體之間的距離變化來(lái)測(cè)量物體的振動(dòng)或位移的。它是一種相對(duì)式非接觸測(cè)量的傳感器 , 非接觸測(cè)量與接觸式測(cè)量相比,能更準(zhǔn)確地搜集到轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀況的各種參數(shù),因而得到了廣泛的應(yīng)用。電渦流式位移傳感器具有頻率范圍寬 (010KHz) 、線性工作范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受介質(zhì)影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn) ,它可作為電廠主要的傳感器，用于汽輪機(jī)軸的位移、振動(dòng)、偏心、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量與監(jiān)視。一套完整的電渦流傳感由探頭、延長(zhǎng)電纜及前

21、置器組成，如圖10-4所示。2.工作原理電渦流式位移傳感器的工作原理如圖 10-5 所示。當(dāng)通有交變電流 i 的線圈靠近導(dǎo)體外表時(shí) , 由于交變磁場(chǎng)的作用 , 在導(dǎo)體外表層就感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) , 并產(chǎn)生閉合環(huán)流ie, 稱為電渦流。電渦流式位移傳感器中有一線圈 , 當(dāng)這個(gè)傳感器線圈通以高頻12 M Hz鼓勵(lì)電流 i 時(shí) , 其周圍就產(chǎn)生一高頻交變磁場(chǎng) ,磁通量為 i. 當(dāng)被測(cè)的導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí) ,由于受到高頻交變磁場(chǎng)的作用 ,在其外表產(chǎn)生電渦流ie,這個(gè)電渦流產(chǎn)生的磁通e 又穿過(guò)原來(lái)的線圈. , 根據(jù)電磁感應(yīng)定律 , 它總是抵抗主磁場(chǎng)的變化。因此 , 傳感器線圈與渦流相當(dāng)于存在互感的兩個(gè)線圈 ,互

22、感的大小與原線圈和導(dǎo)體外表的間隙 d 有關(guān) , 其等效電路如圖 10-6(a ) 所示 。圖中 R 、 L 為原線圈的電阻和自感,Re、Le為電渦流回路的等效電阻與自感。并且可以證明 : 當(dāng)電流的頻率很高時(shí) , 即Re?Le時(shí) , 圖中的 R 、 L 近似為： 10-110-210-3式中： K 為耦合系數(shù) ;M 為互感系數(shù)。耦合系數(shù) K 決定于原線圈與導(dǎo)體外表的距離 d , 即 K=f(d) ，K值一般在01之間變化。當(dāng)距離增加時(shí)，耦合減弱，K值減少。具體變化如下：d K L這樣間隙 d 的變化就轉(zhuǎn)換為 L 的 變化 , 然后再通過(guò)測(cè)量線路將 L 的變化轉(zhuǎn)換為電壓ui的變化。因此 , 只要測(cè)

23、定ui 的變化也就間接地求出了間隙 d 的變化。這就是非接觸電渦流式位移傳感器的工作原理 。為了測(cè)定L(d) 的變化 , 并建立輸出電壓 ul 與間隙 d 的變化關(guān)系,在圖 10-6(b) 的等效簡(jiǎn)化電路中并聯(lián)一電容 C ，這樣就構(gòu)成一個(gè)R、L、C的 諧振回路 , 其諧振頻率 ( 即阻抗 Z 達(dá)最大值的頻率 )為：10-4將隨 d 的變化而變化。即當(dāng)間隙距離 d 增加時(shí) , 諧振頻率將降低 ; 反之 ,當(dāng)間隙距離 d 減小時(shí) , 諧振頻率將增大。為了將位移的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)以便進(jìn)行測(cè)量 ,在振蕩電壓ui與諧振回路之間引進(jìn)一個(gè)分壓電阻 Rc, 如圖10-7所示 , 當(dāng) Rc 遠(yuǎn)大于諧振回

24、路的阻抗值 Z 時(shí) , 輸出電壓的幅值近似為:10-5由此可見，當(dāng) Rc一定時(shí)，那么輸出電壓 ul 決定于諧振回路的阻抗值 Z 。當(dāng)輸入電壓ui 的頻率fi 等于振蕩回路的諧振頻率時(shí) , 那么 Z 具有極大值 , 此時(shí)輸出電壓的幅值也到達(dá)極大值 ; 當(dāng)fi大于或小于時(shí) , 輸出ul 都將減小。對(duì)應(yīng)不同的 d , 就有一相應(yīng)的 u 和, 其輸出電壓幅值ul隨振蕩頻率變化的曲線如圖10-8(a) 所示 。如果將振蕩輸人電壓ui 的頻率值嚴(yán)格穩(wěn)定在 f0 處 , 將得到對(duì)應(yīng)于 d = ,d =d1,d =d2 時(shí)與輸出電壓 u1l，u12 之間的數(shù)值相互之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10-8(b) 所示。圖中

25、直線段局部就是有效的線性測(cè)量局部。為了得到更長(zhǎng)的直線段 , 在圖10-7b的阻抗回路上并聯(lián)一個(gè)微調(diào)電容 C' , 以調(diào)整諧振回路的參數(shù) , 找到安裝傳感器的最適宜的諧振位置。3. 測(cè)量線路電渦流式位移傳感器的根本測(cè)量線路如圖 10-9 所示 。它通常是由晶體振蕩器、高頻放大器、檢波器和濾波器組成 。晶體振蕩器提供的是高頻振蕩輸入信號(hào) , 當(dāng)傳感器用于振動(dòng)測(cè)量時(shí) , 傳感器輸入的是隨振動(dòng)間隙d變化的高頻載波調(diào)制信號(hào) ，經(jīng)高頻放大器放大、檢波器檢波，最后經(jīng)過(guò)濾波輸出的是帶有直流偏置成分的交變電壓信號(hào)。其中直流局部相當(dāng)于平均間隙d0 , 其直流電壓與位移d成正比；交流局部相當(dāng)于振動(dòng)幅值A(chǔ)的變

26、化。其波形的輸入、輸出 如圖 10-10所示。三、磁電式速度傳感器以振動(dòng)體的振動(dòng)速度為測(cè)量目標(biāo)的傳感器稱為速度傳感器，速度傳感器屬于接觸式傳感器 。速度傳感器具有較高的速度靈敏度( 1050mV/mm /s )和較低的輸出阻抗(13K) , 能輸出較強(qiáng)的信號(hào)功率 , 所以它不易受電磁場(chǎng)的干擾 , 比照擬復(fù)雜、需很長(zhǎng)導(dǎo)線的現(xiàn)場(chǎng) , 仍然能夠獲得較高的信噪比,傳感器自身不需要電源供應(yīng).傳感器的頻率范圍一般在 10HzlKHz，它勿需配置專門的前置放大器 , 測(cè)量線路簡(jiǎn)單 , 加之安裝、使用方便 ，因此廣泛地應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承座、機(jī)殼、或者根底等非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)測(cè)量。此類傳感器的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限

27、，尺寸和重量較大 , 在測(cè)量時(shí)傳感器的全部重量都必須附加在被測(cè)振動(dòng)物體上 , 這對(duì)某些振動(dòng)測(cè)量結(jié)果的可靠性將產(chǎn)生較大的附加質(zhì)量影響。常用的速度傳感器為磁電式傳感器也有稱為電動(dòng)式傳感器，它測(cè)量的是被測(cè)振動(dòng)體相對(duì)于大地或慣性空間的運(yùn)動(dòng) , 因此亦稱之為慣性式傳感器。2. 工作原理速度傳感器基于電磁感應(yīng)原理 , 即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在固定的磁場(chǎng)里切割磁力線時(shí) , 導(dǎo)體兩端就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì) 。速度傳感器的力學(xué)模型包含一個(gè)慣性質(zhì)量 m, 彈簧 K 和阻尼器 C 組成，如圖 10-11 所示。當(dāng)傳感器置于被測(cè)體上時(shí) , 它便隨之以 y=yosint 的規(guī)律上下振動(dòng)。根據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)理論可求出質(zhì)量 m 相對(duì)于外殼振動(dòng)的

28、微分方程為：10-610-7其幅頻特性為：10-8式中：B為相對(duì)振幅；A為測(cè)量振幅；為傳感器的固有頻率；為相對(duì)阻尼系數(shù)。圖10-12為速度傳感器的幅頻特性曲線。從圖中可以看出，當(dāng)/?1 時(shí)，B/A趨向于1。即當(dāng)傳感器的固有頻率比被測(cè)振動(dòng)體的振動(dòng)頻率低得很多時(shí) , 質(zhì)量塊與振動(dòng)體之間的相對(duì)振動(dòng)就接近于振動(dòng)體的絕對(duì)振動(dòng)。磁電式速度傳感器的工作過(guò)程如下 , 參見圖10-11，慣性質(zhì)量 m 下 面有一線圈 L , 當(dāng)傳感器與被測(cè)物體一起振動(dòng)時(shí) , 質(zhì)量m 相對(duì)于外殼的運(yùn)動(dòng)為 x =bsint-, 亦即在永久磁鐵的磁路縫隙中按此規(guī)律運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理 , 線圈上產(chǎn)生了與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 dx/dt 成正

29、比的電動(dòng)勢(shì) E ,即10-9式中 ： B一磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 ;L一單線圈的有效長(zhǎng)度 ;v一線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 ;一線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；一一線圈匝數(shù)。由此可知 , 當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)一定時(shí), B、L 均為常數(shù) , 因此 , 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 與線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度 dx/dt成正比。測(cè)得 E 值再根據(jù)的換算關(guān)系就可求得所測(cè)振動(dòng)速度之值。2 結(jié)構(gòu)形式絕對(duì)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖10-13 所示。傳感器的磁鋼 4 與殼體 2 固定在一起。芯軸5 穿過(guò)磁鋼的中心孔 , 并由左右兩片柔軟的圓形彈簧片 7 支承在殼體上。芯軸的一端固定著一個(gè)線圈 3; 另一端固定一個(gè)圓筒形銅杯 ( 阻尼杯 6)

30、。這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器 , 其慣性元件 ( 質(zhì)量 m) 是線圈組件、阻尼杯和芯軸。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率 時(shí) , 線圈接近靜止不動(dòng) , 而磁鋼那么跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)。因此 ,線圈與磁鋼之間就有相對(duì)運(yùn)動(dòng) , 其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度等于物體的振動(dòng)速度。線圈以相對(duì)速度切割磁力線 , 傳感器 就有正比于振動(dòng)速度的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)輸出 , 所以這類傳感器稱為速度式傳感器。又因?yàn)槠湔駝?dòng)的相對(duì)速度是相對(duì)于空間某一靜止點(diǎn)而言 , 故又稱為絕對(duì)式速度傳感器 , 或稱地震式速度傳感器。為了使傳感器有比擬寬的可用頻率范圍 , 在工作線圈的對(duì)面安裝了一個(gè)用紫銅制成的阻尼環(huán)。 通過(guò)適宜的幾何尺寸 , 可以得到理想的無(wú)量

31、綱衰減系數(shù) C =0.7 。阻尼環(huán)實(shí)際上就是一個(gè)在磁場(chǎng)里運(yùn)動(dòng)的短路環(huán)。在工作時(shí) , 此短路環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個(gè)電流又隨同阻尼環(huán)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) , 從而產(chǎn)生電磁力 , 此力同可動(dòng)局部的運(yùn)動(dòng)方向相反 , 呈阻力形式出現(xiàn) , 其大小與可動(dòng)局部的運(yùn)動(dòng)速度成正比。 因此 ,它是該系統(tǒng)中的線性阻尼力。速度傳感器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比 , 因此對(duì)于那些以振動(dòng)速度的大小作為監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械 , 速度傳感器的輸出電壓可直接提供分析和處理。；而對(duì)于那些以位移幅值作為監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械 , 那么需要對(duì)傳感器的電壓輸出進(jìn)行積分處理 , 使得經(jīng)過(guò)積分線路后的輸出電壓正比于振動(dòng)位移。積分線路有兩種類型可提供選擇：一種是無(wú)源積

32、分如圖10-14a 所示 ；另一種是有源積分 , 如圖10-14b所示。無(wú)源積分是一種近似積分 , 它是以對(duì)輸入信號(hào)大幅度削減為代價(jià) , 它在低頻段積分特性較差 , 并且有嚴(yán)重的相移。但無(wú)源積分線路極其簡(jiǎn)單 , 所以還是在一定范圍內(nèi)被采用。無(wú)源積分電路主要存在兩點(diǎn)缺乏：一是電路無(wú)放大作用，信號(hào)經(jīng)過(guò)積分以后幅值衰減很大；二是頻率范圍較窄，受到了低端截止頻率的限制，影響了對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量。為了彌補(bǔ)這些缺乏，在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中廣泛采用了有源積分電路。所謂有源積分，就是在積分電路中有電源供應(yīng)，同時(shí)可使用運(yùn)算放大器進(jìn)行積分放大處理。四、壓電式加速度傳感器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量和故障診斷分析中，加速度傳感器也

33、經(jīng)常被使用，現(xiàn)場(chǎng)使用較多的是壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、頻率范圍寬(5Hz2OKHz )等優(yōu)點(diǎn)，因此比擬適合于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承座及殼體的振動(dòng)加速度測(cè)量。此外 , 對(duì)于監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承及氣流脈沖等引起的高頻機(jī)械噪聲、汽輪機(jī)的葉片測(cè)頻等, 也推薦使用加速度傳感器。該傳感器的缺點(diǎn)是對(duì)低頻振動(dòng)的測(cè)量較為困難。壓電式加速度傳感器是利用特殊晶體材料如石英、陶瓷等的正壓電效應(yīng)作為機(jī)電變換器而制成的,壓電式加速度傳感器是一種可逆型換能器 , 它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 , 又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。通常，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中 , 振動(dòng)頻率越高 , 其相應(yīng)的振動(dòng)位移的幅值也越小 ,

34、 而其振動(dòng)加速度幅值仍有一定的量級(jí) , 此時(shí)用速度傳感器或電渦流式位移傳感器顯得靈敏度不夠 , 但加速度傳感器就比擬適應(yīng)這種情況下的測(cè)量。最簡(jiǎn)單的壓電式加速度傳感器的工作原理如圖10-15所示。圖10-15(a )為六面體壓電晶體片 , 在壓電晶體片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍 , 形成金屬膜 , 構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶體片受到壓力 F 的作用時(shí) , 分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷并形成電場(chǎng)。因此 , 壓電式傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器 , 也可以看成是一個(gè)電容器。其電容量為：C=。A/ 10-10式中：為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)石英晶體的；0 為真空中介電常數(shù) ；10-11為兩極

35、間距， 即晶體片厚度m；A為壓電晶體片的工作面面積 m ²。如果施加于壓電晶體片的外力不變 , 積聚在極板上的電荷又無(wú)泄漏 , 那么在外力繼續(xù)作用時(shí) , 電荷量將保持不變。這時(shí)在極板上積聚的電荷與力的關(guān)系為：q=DF 10-12式中：q為電荷量；F為作用力 ； D為壓電常數(shù) , 與材質(zhì)及切片的方向有關(guān)。由此說(shuō)明 , 電荷量與作用力成正比。同時(shí)，在振動(dòng)測(cè)量中，由于F = m·a，其中a為加速度。即加速度與作用外力成正比，因此壓電式傳感器就是一個(gè)根本的加速度傳感器。當(dāng)然 , 在作用力終止時(shí) , 電荷就隨之消失。顯然 , 假設(shè)要測(cè)得力值 F, 主要問題是如何測(cè)得電荷值。值得注意的

36、是利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí) , 必須采取一定的措施 , 使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下 , 電荷可以得到不斷補(bǔ)充 , 可以供應(yīng)測(cè)量電路一定的電流 , 故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中 , 由于單片的輸出電荷很小 , 因此 , 組成壓電式傳感器的晶片不止一片 , 而常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種 , 即并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)方法如 圖10-15 b 所示 , 兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上 , 正電荷集中在兩側(cè)的電極上。并接時(shí) , 傳感器的電容量大 , 輸出電荷量大 , 時(shí)間常數(shù)大 , 故這種傳感器適用于測(cè)量緩變

37、信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。串聯(lián)方法如圖10-15(c) 所示 , 正電荷集中于上極板 , 負(fù)電荷集中于下極板 , 串聯(lián)時(shí) , 傳感器本身的電容量小 , 響應(yīng)較快 , 輸出電壓大 , 故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。壓電傳感器是一個(gè)具有一定電量的電荷源, 如圖10-15(d) 所示。 電容器上的開路電壓eo 與電荷 q 及傳感器電容ca 存在以下關(guān)系： eo=q/ca 10-13當(dāng)壓電傳感器接入測(cè)量電路時(shí) , 聯(lián)接電纜的寄生電容就形成傳感器的并聯(lián)電容 Cc, 后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中的漏電阻就形成泄漏電阻R0。為防止漏電造成電荷損失 , 通常要求：10-14因此傳感器可

38、以視為開路。圖10-16為壓電式加速度傳感器的根本結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由基座、兩片壓電晶片、質(zhì)量塊、彈簧等組成。基座固定在被測(cè)物體上，基座的振動(dòng)使質(zhì)量塊產(chǎn)生與加速度方向相反的慣性力，慣性力作用在壓電晶片上，使兩片壓電晶片的外表產(chǎn)生交變電壓輸出，其輸出電壓與加速度成正比。3.測(cè)量線路由于壓電式加速度傳感器的輸出電信號(hào)很微弱 , 通常先把傳感器信號(hào)輸入到高輸入阻抗的前置放大器中 , 經(jīng)過(guò)阻抗變換以后 , 方可用一般的放大檢波電路進(jìn)行處理。前置放大器的作用有兩點(diǎn) ： 其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 ; 其二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式， 一種是用電阻反響的電壓放大

39、器 , 其輸出電壓與輸入電壓 ( 即傳感器的輸出)成正比 ；另一種是用帶電容板反響的電荷放大器 , 其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大 , 幾乎可以忽略不計(jì) , 故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。電荷放大器的電路簡(jiǎn)圖如圖10-17所示 , 由于忽略了漏電阻 , 所以電荷量為：10-15 ey = - k ei ， 10-16式中：ei 為放大器輸入端電壓 ;ey 為放大器輸出端電壓 ；k 為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；Ci 為放大器輸入電容；Cf 為電荷放大器的反響電容。由上式可得：10-17如果放大器開環(huán)增益足夠大 , 那么 kCf ?(C+Cf),故上式可簡(jiǎn)化為：

40、 ey-q/Cf 10-18由此說(shuō)明 , 在一定情況下 , 電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比 , 并且與電纜分布無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。典型的壓電加速度傳感器的頻率特性曲線如圖 10-18 所示。該曲線的橫坐標(biāo)是對(duì)數(shù)刻度的頻率值 , 而縱坐標(biāo)那么是相對(duì)電壓靈敏度 就是被標(biāo)定的加速度傳感器的電壓靈敏度和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的電壓靈敏度之比。從圖中可以看出壓電加速度式傳感器工作頻率范圍很寬 , 只有在加速度傳感器的固有頻率 fn 附近靈敏度才發(fā)生急劇變化因此就傳感器本身而言 , 固有頻率 fn 是其主要參數(shù)

41、。通常一般幾何尺寸較小的傳感器有較高的固有頻率 , 但靈敏度較低 。就一項(xiàng)精確的測(cè)量而言 , 寧肯選取較小靈敏度的加速度傳感器也要保證有足夠?qū)挼挠行ьl率范圍。五、復(fù)合式振動(dòng)傳感器1. 主要性能單個(gè)振動(dòng)傳感器一般只能測(cè)量汽輪機(jī)軸承座的振動(dòng)或者測(cè)量主軸與軸承座之間的相對(duì)振動(dòng)。近年來(lái)開展了一種復(fù)合式振動(dòng)傳感器 , 它由一個(gè)電渦流式位移傳感器和一個(gè)速度傳感器組合而成 , 放在同一個(gè)殼體內(nèi) ,如圖10-19 所示。它具有非接觸測(cè)量、無(wú)磨損、牢固可靠的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)量軸的絕對(duì)振動(dòng)、軸相對(duì)于軸承座的振動(dòng)、軸承座的絕對(duì)振動(dòng)。在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究中 , 用復(fù)合式傳感器同時(shí)測(cè)量軸和殼體的振動(dòng) , 就能得知?dú)んw的振動(dòng)

42、是由轉(zhuǎn)子的振動(dòng)還是由殼體的諧振所引起 , 或存在其它外界影響因素。此外 , 比擬軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與軸承座的絕對(duì)運(yùn)動(dòng) , 可以分析系統(tǒng)的機(jī)械阻抗。在確定軸承阻尼、支承剛度、慣性參數(shù)及機(jī)械系統(tǒng)特性時(shí) , 也需要測(cè)出兩種運(yùn)動(dòng)成分的幅值和相位關(guān)系。既然機(jī)組的振動(dòng)伴隨著運(yùn)行而存在 , 轉(zhuǎn)子自然是引起振動(dòng)的主要原因 , 當(dāng)振動(dòng)異常時(shí) , 反映在主軸上的振動(dòng)要比軸承座的振動(dòng)變化明顯得多 , 因此 , 監(jiān)視主軸的絕對(duì)振動(dòng)顯得尤為重要。這也說(shuō)明了目前機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)視已從監(jiān)視軸承開展到直接監(jiān)視軸相對(duì)于自由空間的振動(dòng) ( 即軸的絕對(duì)振動(dòng) ) 的緣由。圖10-20為一種實(shí)際的復(fù)合式振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)。2. 工作原理一般電渦流式

43、位移傳感器用于測(cè)量主軸相對(duì)于軸承座的振動(dòng) , 即主軸的相對(duì)振動(dòng) , 而速度傳感器用于測(cè)量軸承座的絕對(duì)振動(dòng)。速度傳感器輸出的速度信號(hào)經(jīng) V-D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 , 變?yōu)榻^對(duì)振動(dòng)的信號(hào) , 與電渦流式位移傳感器輸出的相對(duì)振動(dòng)信號(hào)一起輸入合成器 , 在合成器內(nèi)進(jìn)行矢量相加 , 然后輸出主軸的絕對(duì)振動(dòng)信號(hào)。如圖10-21所示，假設(shè) A1 表示主軸相對(duì)于軸承座的振動(dòng)矢量 ;A2表示軸承座相對(duì)于自由空間的振動(dòng)矢量 ,兩者相位相差為，采用矢量和的方法可以求出主軸的絕對(duì)振動(dòng)值A(chǔ)，圖10-22示意了復(fù)合式傳感器的測(cè)量原理框圖。電渦流式位移傳感器所得到的位移變化量 D, 經(jīng)前置器轉(zhuǎn)換為電壓變化V1, 經(jīng)放大后獲得振動(dòng)

44、信號(hào)變化量 V1; 速度傳感器所測(cè)V 經(jīng) V-D 轉(zhuǎn)換器 ( 積分器 ), 把速度信號(hào)變換為位移信號(hào)V2, 經(jīng)放大后獲得振動(dòng)位移信號(hào)電壓 V2。為了得到正確的幅值和相位關(guān)系 , 在頻響范圍的低頻端進(jìn)行相位補(bǔ)償。兩個(gè)振動(dòng)位移信號(hào)電壓 V1 和 V2 同時(shí)輸入到加法器上 , 加法器輸出端輸出的便是軸的絕對(duì)振動(dòng)位移信號(hào) , 再經(jīng)過(guò)高通濾波 , 峰一峰值檢波后傳送給記錄儀表。復(fù)合式振動(dòng)傳感器多用在蒸汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、大型鼓風(fēng)機(jī)、大型泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)上。為了測(cè)得準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào) , 復(fù)合式振動(dòng)傳感器應(yīng)該牢固地安裝在軸承座上 , 其測(cè)量方向應(yīng)與振動(dòng)信號(hào)最大的方向一致 , 被測(cè)轉(zhuǎn)軸外表要光滑。六、線性差

45、動(dòng)變壓器式傳感器1. 主要性能線性差動(dòng)變壓器式傳感器簡(jiǎn)稱LVDT，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后 , 次級(jí)線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓。傳感器工作時(shí)，被測(cè)量物體的移動(dòng)直接引起變壓器的鐵芯位置改變，從而導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生相應(yīng)變化。即差動(dòng)變壓器能把位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)。線性差動(dòng)變壓器式傳感器具有精度高, 線圈變化范圍大 ( 可擴(kuò)大到土 loomm, 視結(jié)構(gòu)而定 )， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn) , 被廣泛應(yīng)用于直線位移、壓力、液位等參量的測(cè)量。線性差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理如圖10-23所示。初級(jí)繞組L0由交流電源勵(lì)磁，交流電的頻率約1KHz稱為勵(lì)磁頻率。兩個(gè)次

46、極繞組L1、L2接成差動(dòng)形式，它們是反相串聯(lián)連接，其輸出電壓e是兩個(gè)繞組交流感應(yīng)電壓的差值，所以稱為差動(dòng)變壓器。在圖10-23中，當(dāng)鐵芯的位置居中時(shí)，兩個(gè)次極繞組磁路的磁阻相等，由于互感作用，兩個(gè)次極繞組的感應(yīng)電壓e1和e2相等，相位相反，因此輸出電壓e = e1 - e2 = 0，此時(shí)鐵芯位移為零。當(dāng)鐵芯由中間位置向左移時(shí) , 次極繞組L1的磁路氣隙減小，即磁路的磁阻減小，由于互感作用，次極繞組L1與初級(jí)繞組L0耦合的互感系數(shù)增加，次極繞組L1的感應(yīng)電壓增大；同時(shí)，次極繞組L2的磁路氣隙增加，磁路的磁阻增大，次極繞組L2與初級(jí)繞組L0耦合的互感系數(shù)減小，次極繞組L2的感應(yīng)電壓變小，即e1 &

47、gt; e2，其輸出電壓e=el- e2>0。同理，當(dāng)鐵芯由中間位置向右移時(shí), e1< e2，e= e2- e1>0。其輸出電壓e的大小在一定的范圍內(nèi)與鐵芯的位移成線性關(guān)系，超過(guò)范圍那么輸出電壓飽和，變?yōu)榉蔷€性。圖10-24 為輸出信號(hào)與鐵芯位移的特性曲線圖。圖中分別示意三種不同量程的線性差動(dòng)變壓器式傳感器的特性曲線。當(dāng)鐵芯在中間位置時(shí) , 輸出信號(hào)為零 , 當(dāng)鐵芯左右移動(dòng)時(shí) , 輸出信號(hào)經(jīng)解調(diào)為正、負(fù)直流電壓信號(hào) , 并與鐵芯位移具有線性關(guān)系。三條曲線的量程分別為025mm,05Omm,0100mm,其靈敏度分別為mm,0.4 V/mm 和。差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交

48、流量 , 如用交流電壓表指示 , 那么輸出值只能反響鐵芯位移的大小 , 而不能反響移動(dòng)的極性 ; 其次 , 交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)剩余電壓 , 零點(diǎn)剩余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱 , 以及初級(jí)線圈銅電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以 , 即使活動(dòng)鐵芯位于中間位置時(shí) , 輸出也不為零。鑒于這些原因 , 差動(dòng)變壓器式傳感器的后續(xù)電路應(yīng)采用既能反響鐵芯位移極性 , 又能補(bǔ)償零點(diǎn)剩余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。圖10-25所示為用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理 , 當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí) , 鐵芯處于中間位置 , 調(diào)節(jié)電阻 R, 使零點(diǎn)剩余電壓減小 ；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí) , 鐵

49、芯移上或移下 , 其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。七、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有許多種，所使用的傳感器也有很多，常用的傳感器有光電傳感器 、電渦流式位移傳感器、磁阻式傳感器、磁敏式傳感器等。而作為現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用的主要是電渦流式位移傳感器、磁阻式傳感器、磁敏式傳感器。電渦流式位移傳感器在前面已經(jīng)作過(guò)介紹，這里主要介紹磁阻式傳感器和磁敏式傳感器。磁阻式測(cè)速傳感器由磁阻傳感器和測(cè)速齒輪組成。如圖 10-26所示，在被測(cè)軸上安裝一個(gè)由導(dǎo)磁材料制成的齒輪，沿著齒輪圓周垂直的方向安裝一個(gè)磁阻傳感器。該傳感器由永久磁鋼和感應(yīng)線圈構(gòu)成。它的工作原理是

50、：線圈與磁鐵固定不動(dòng) ,當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)測(cè)速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) , 每當(dāng)齒輪的一個(gè)齒的頂部轉(zhuǎn)到磁阻傳感器的位置時(shí) , 磁路的氣隙最小 , 磁阻最小 , 磁通最大。齒頂通過(guò)后齒槽轉(zhuǎn)到傳感器位置 , 這時(shí)磁路的氣隙變得最大 ,磁阻最大 , 磁通變?yōu)樽钚　Ｃ拷?jīng)過(guò)一個(gè)齒 , 磁通就變化一次。磁通的交變使線圈產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) , 其值為10-19式中：W 一線圈的匝數(shù) ;一穿過(guò)線圈的磁通。因?yàn)閷?duì)確定的傳感器 ,W為定值 ,d/dt將只決定于軸的轉(zhuǎn)速 , 所以 E 與轉(zhuǎn)速有對(duì)應(yīng)關(guān)系。傳感器線圈產(chǎn)生的交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為：10-20式中 z 一齒輪的齒數(shù)；n一轉(zhuǎn)速，單位為每分鐘轉(zhuǎn)(rpm)。假設(shè)將齒輪做成 z=6

51、0, 那么 f=n, 即交流信號(hào)的頻率就等于被測(cè)的轉(zhuǎn)速。磁阻式測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，無(wú)需工作電源就可以直接使用。其缺乏之處就是輸出電壓的峰值不恒定，低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出電壓較小，高轉(zhuǎn)速時(shí)輸出電壓較大。2. 磁敏式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器磁敏傳感器具有將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成電量輸出的功能。當(dāng)長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片( 霍爾片)受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí) , 不僅會(huì)出現(xiàn)霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電勢(shì) , 還會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象 , 即所處的磁場(chǎng)越強(qiáng) , 半導(dǎo)體片的電阻率越大 , 電阻也越大 , 這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)可制成磁阻器件 , 又稱為磁敏電阻。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、頻響寬、無(wú)接觸、壽命長(zhǎng)的

52、優(yōu)點(diǎn)。磁敏電阻是磁敏式測(cè)速傳感器的核心元件。磁敏式傳感器內(nèi)裝有一個(gè)永久磁鋼 , 在磁鋼上 裝有兩個(gè)互相串聯(lián)的磁敏電阻。當(dāng)由導(dǎo)磁性材料制成的測(cè)速齒輪緊靠傳感器的位置旋 轉(zhuǎn)時(shí)，如圖 10-27a所示。 隨著齒頂?shù)慕咏c離開 , 傳感器內(nèi)部的磁場(chǎng)受到干擾 , 磁力線產(chǎn)生偏移 , 磁敏電阻的阻值將隨之變化。由于兩個(gè)磁敏電阻 Rl 和 R2 所處的幾何位置不同 , 兩者電阻的變化情況也就不同。可以設(shè)計(jì)制造成這樣的結(jié)果：一個(gè)電阻增加時(shí) , 另一個(gè)電阻減小。而在電路上把兩個(gè)磁敏電阻 R1 和 R2 與兩個(gè)固定電阻 R3 和 R4 接成如圖 10-27 b 所示的差動(dòng)電橋。當(dāng)測(cè)速齒輪隨主軸旋轉(zhuǎn) , 某一個(gè)齒的

53、頂部接近傳感器時(shí) , 由于磁場(chǎng)的變化 , 兩個(gè)磁敏電阻 R1 和 R2 的阻值均發(fā)生變化 , 一個(gè)增大 , 另一個(gè)減小。使電橋失去平衡 , 輸出電壓信號(hào) ； 當(dāng)該齒離開傳感器時(shí) , 磁場(chǎng)向反方向改變 , 兩磁敏電阻向反方向變化 , 電橋向反方向不平衡 , 輸出極性相反的電壓信號(hào)。每當(dāng)一個(gè)齒經(jīng)過(guò)傳感器一次 , 橋路輸出電壓信號(hào)就變化一次。此交變的輸出電壓經(jīng)觸發(fā)電路和快速推挽直流放大器, 變成一個(gè)邊緣很陡的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)的頻率為10-21式中： z 一齒輪的齒數(shù)；n一轉(zhuǎn)速，單位為每分鐘轉(zhuǎn)(rpm)。西德飛利浦公司的 RMS700 系列轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置即屬于此種 , 它的齒輪齒數(shù) z=60, 因此

54、 f=n, 即輸出脈沖信號(hào)的頻率就等于被測(cè)轉(zhuǎn)速。利用數(shù)字轉(zhuǎn)速表可直接作轉(zhuǎn)速指示 ; 也可以通過(guò)頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路 , 輸出 0lOV或0lOmA或420mA的直流電信號(hào) , 進(jìn)行轉(zhuǎn)速指示與記錄。這種磁敏式測(cè)速裝置的測(cè)量范圍很寬 (O2OKHz), 分辨率也高。八、鍵相器鍵相器是一種標(biāo)記振動(dòng)信號(hào)矢量最根本的傳感器裝置，簡(jiǎn)單的說(shuō)它的作用就是提供測(cè)量振動(dòng)信號(hào)相位的參考基準(zhǔn)。精確的相位測(cè)量在轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡試驗(yàn)、確定轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速以及分析某些機(jī)械故障時(shí)都非常重要。汽輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)分析方法中, 常用的軸心軌跡分析、頻譜圖分析、波特圖分析及極坐標(biāo)圖分析等都離不開相位。測(cè)量振動(dòng)相位有許多方法 , 早先采用的有

55、劃線法、示波器法 , 后來(lái)采用閃光測(cè)相法 , 目前采用最多的是標(biāo)準(zhǔn)脈沖法。要正確地測(cè)量振動(dòng)相位 , 最關(guān)鍵的是正確地取得標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。要獲得標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào) , 可使用光電傳感器、磁敏傳感器、電渦流式位移傳感器等 , 光電傳感器具有使用方便、安裝簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生新的不平衡的優(yōu)點(diǎn)，但是存在抗光、熱干擾能力差、反光帶易失效等缺點(diǎn)，因此它比擬適合于巡回檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡使用。磁敏傳感器的使用要求被測(cè)量物體的上面具有磁性材料，加工及安裝均不方便。而電渦流式位移傳感器具有抗干擾性能好，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)測(cè)量普遍使用電渦流式位移傳感器作為鍵相器。使用電渦流式位移傳感器作為鍵相器，要求在軸上參考位置

56、處開出一條鍵槽。鍵槽的幾何尺寸對(duì)不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和被測(cè)轉(zhuǎn)子都有一定的要求，例如本特利公司7200系列和3300系列的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求鍵槽或者凸臺(tái)的寬度大于7mm，深度大于，長(zhǎng)度大于10mm，以保證產(chǎn)生最小5V的峰值脈沖信號(hào)。對(duì)于電渦流式位移傳感器來(lái)說(shuō) ,如果在轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個(gè)凹槽或凸臺(tái), 轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周 , 電渦流式位移傳感器便輸出一個(gè)負(fù)的或正的脈沖信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的相位角定義如圖9-29所示。以同步采集的脈沖信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)同步分量的時(shí)域波形為例觀察，從鍵相脈沖信號(hào)的前沿開始到振動(dòng)信號(hào)同步分量的第一個(gè)正峰值點(diǎn)振動(dòng)高點(diǎn)之間的角度，就是該振動(dòng)信號(hào)的相位角，如圖10-28a，該相位角為滯后角，一般定義滯后角為正角。對(duì)應(yīng)到實(shí)際轉(zhuǎn)軸上，相應(yīng)的含義就是：將軸上相位標(biāo)記的前沿對(duì)準(zhǔn)鍵相傳感器