第六章機械量測量儀表

主要內容6.1概述6.2電渦流式傳感器6.3電容式位移檢測方法6.4轉速檢測6.5振動檢測6.6電感式傳感器的典型應用6.1概述

機械量通常包括各種幾何量和力學量，如長度、位移、厚度、轉矩、轉速、振動和力等。本章主要討論機組控制中常用的位移、振動和轉速三種機械量的測量方法及測量儀表。機械量測量儀表一般由傳感器、測量電路、顯示(或記錄)器和電源組成,如圖6-1所示。

圖6-1機械量測量儀表框圖

測量電路包括變換、放大等，把傳感器的輸出信號轉換成電信號；顯示單元以模擬形式、數字形式，或以圖像形式給出被測量的數值。機械量測量儀表可按測量對象和測量原理分類。按測量對象可分為位移測量儀表、厚度測量儀表、轉矩測量儀表等。按測量原理位移測量儀表可分為電容式、電感式、光電式、超聲波式、射線式等。

表6-1各種機械量檢測參數可采用的測量原理這里討論的是過程控制中大型轉動設備(如汽輪機、壓縮機等)軸的位移。汽輪機在啟停和運行中，如果轉子軸推力軸瓦已燒壞，則轉子就要發生前后竄動，因而引起轉子軸的軸向位移增大，使汽輪機內部動、靜部件間發生摩擦和碰撞，導致大批葉片折斷，隔板和葉輪碎裂，造成嚴重事故。因此，一般汽輪機都設置了軸向位移的監測和保護裝置，電渦流傳感器的檢測探頭與轉子軸端面保持一定的初始距離。當汽輪機轉子軸產生軸向位移時，傳感器的輸出電壓與軸向位移成比例。當位移值超過規定的允許值時，傳感器的輸出電壓可控制報警電路發出報警信號。

本章重點介紹廣泛應用于大型轉動設備(如汽輪機、壓縮機等)軸位移、軸振動測量儀表—“電渦流式傳感器”返回6.2電渦流式傳感器

電渦流式傳感器屬于電感式傳感器的一種，是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化，從而導致線圈電感量改變這一物理現象來實現測量的。

6.2.1原理與特性

如下圖6-2所示，一個扁平線圈置于金屬導體附近，當線圈中通有交變電流I1時，線圈周圍就產生一個交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導體就產生電渦流I2，電渦流也將產生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發生變化。

圖6-2電渦流傳感器原理圖

一般講，線圈的阻抗變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離有關。如果控制上述參數中的一個參數改變，而其余參恒定不變，則阻抗就成為這個變化參數的單值函數。如其他參數不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導體間的距離大小變化。

在電感式位移檢測方法中最常見的是渦流式電感位移檢測器，如圖6-3所示是電渦流式傳感器檢測探頭，探頭端部裝有高度密封的、發射高頻信號的線圈。由于被測物體的端部（一般為轉動機器的軸）距離線圈很近，僅有幾mm，線圈通電后產生一個高頻磁場，軸的表面在磁場的作用下產生渦流電流。同樣，渦流電流也會產生磁場，其場強大小與距離有關，該場強抵消由線圈產生的

磁場強度，影響檢測線圈的等效阻抗，而等效阻抗與線圈電感量有關，因此就測得位移量。圖6-3渦流檢測探頭

6.2.2高頻反射式電渦流傳感器

這種傳感器的結構很簡單，主要由一個固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內。圖6-4為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。

圖6-4高頻反射式電渦流傳感器電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，被測物體的物理性質，以及它的尺寸和開關都與總的測量裝置特性有關。一般來說，被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度也越高。為了充分有效地利用電渦流效應，當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，否則靈敏度要降低。6.2.3電渦流式傳感器測量電路

6.2.3.1電橋電路圖6-5電橋法測量電路原理圖電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化。圖6-5是電橋法的電原理圖，圖中線圈A和B為傳感器線圈。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。6.2.3.2諧振法

這種方法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉換為電壓或電流的變化。傳感器線圈與電容并聯組成LC并聯諧振回路。并聯諧振回路的諧振頻率為:

（6-1）

且諧振時回路的等效阻抗最大，等于式中，R’為回路的等效損耗電阻。當電感L發生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。（6-2）

調頻式測量電路的原理是被測量變化引起傳感器線圈電感的變化，而電感的變化導致振蕩頻率發生變化，頻率變化間接反映了被測量的變化。見圖6-7電渦流式傳感器外形圖。

圖6-7ST-1電渦流式傳感器外形圖

6.2.4電渦流式傳感器使用注意事項

被測物體的表面要光滑、平坦。非鋼材被測體和小于三倍傳感器直徑的被測表面影響傳感器輸出特性。傳感器出廠時使用45#鋼標定，被測對象不符合規定時應重新標定（型號不同的鋼材靈敏度誤差小于10%）。應當保持傳感器探頭周圍有足夠的空間，在3倍探頭直徑范圍內，不應由金屬體，傳感器安裝應遠離轉動體臺階面，這樣可避免周圍金屬結構的干擾，準確測量振動值。傳感器可在有酸堿腐蝕的環境中使用。

見圖6-8安裝兩個鄰近傳感器時應保證傳感頭之間有足夠的距離以防止交叉失真（如圖a），一般應保留40mm的間隙。在徑向軸承附近安裝傳感器時（如圖b），傳感器中心線與軸承座表面的距離應大于三倍傳感頭直徑，同時避免把傳感器安裝在不顯示任何振動的結點上（如圖c）。

（a）（b）（c）

圖6-8電渦流式傳感器安裝圖

在安裝傳感器之前，保證螺紋孔中不能有異物，且螺紋良好。當把傳感頭擰入機架固定時，傳感器引線應隨傳感頭自由旋轉，不應有扭力；傳感器的托架應選擇鋼材等堅固件，且其共振頻率應大于10倍的被測體轉速。安裝中的接地問題（如圖6-9所示）

圖6-9電渦流式傳感器接地安裝圖返回6.3電容式位移檢測方法

平行極板電容器的電容為式中，C為電容量；ε為極板介質的介電常數；S為極板面積；d為極板J間距離。在介電常數ε和S一定的情況下，極板距離與電容量成反比。因此可將一塊極板固定，另一塊極板與被測物體相連，那么被測物體的位移使得極板距離變化，（6-4）

從而使電容量變化。為了提高檢測元件的靈敏度，常采用差動電容式位移檢測結構，在兩個固定極板之間設置可動極板，使固定極板對中間可動極板成對稱結構,構成兩個大小相同的電容。可動極板裝在被測物體上。當被測物體位移x后，一個電容量增加，另一個電容量減小，將差動電容接入一個變壓器電橋電路，所示，就可以得到與被測位移成比例的電壓輸出信號。返回6.4轉速檢測

在發動機、壓縮機、透平機和泵等轉動設備中，轉速是表征設備運行好壞的重要變量,特別是轉動設備的臨界速度，它是系統的振動頻率與轉動設備固有頻率發生共振的速度。檢測轉速的方法通常是將轉速轉換為位移，或者將轉速轉換為脈沖信號。

6.4.1離心式轉速表

其工作原理基于與回轉軸偏置的重錘在回轉時產生的離心力Q與回轉軸的角速度ω的平方成正比，即式中，m為重錘的質量；r為重錘至被測軸的垂直距離。圖6-11是其測量原理圖。

(6-5)

圖6-11離心式轉速表原理圖

當轉動軸以ω的角速度轉動時，重錘產生離心力Q，轉速越大離心力越大，壓迫彈簧使它縮短，因而彈簧被壓縮的位移與轉速成正比。測出彈簧位移就得知轉速。離心式轉速表是機械式的，慣性較大，測量精度受到一定限制，但體積小且攜帶方便，不需要能源，因此應用比較廣泛。（動畫）6.4.2光電式轉速傳感器

光電式轉速傳感器工作在脈沖狀態下，它將軸的轉速變換成相應頻率的脈沖，然后測出脈沖頻率就測得轉速。圖6-12所示的是一種直射式光電轉速傳感器的結構原理。

圖6-12直射式光電轉速傳感器的結構原理

從光源發出的光通過開孔盤和縫隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光。開孔盤裝在轉動軸上隨轉軸一起轉動，盤上有一定數量的小孔。當開孔盤轉動一周，光敏元件感光的次數與盤的開孔數相等，因此產生相應數量的電脈沖信號。但是因受到開孔盤尺寸的限制，開孔數不能太大，所以對傳感器的結構進行改進，如圖6-13所示。6-13傳感器

指示盤與旋轉盤具有相同間距的縫隙，當旋轉盤轉動時，轉過一條縫隙，光線就產生一次明暗變化,使光敏元件感光一次。用這種結構可以大大增加轉盤上的縫隙數，因此每轉的脈沖數相應增加。將脈沖數通過測量電路處理，最終輸出與轉速對應的電信號。與離心式轉速表相比，光電式轉速傳感器測量精度高，其輸出信號可供計算機使用。

返回6.5振動檢測

旋轉機械運行時，必須監視轉軸的振幅、軸的不平衡引起的徑向移動，這些都與振動有關。檢測位移、速度的原理都可用于檢測振動。目前振動檢測儀表有機械式、電阻應變片式、壓電式、磁電式、電容式、渦流式等。其中渦流式測振方法應用最普遍。在測振動時經常在軸的徑向按水平和垂直位置裝有多個渦流檢測探頭組成一個測振系統，其結構如圖6-14所示。檢測各自部位、方向的位移量。將各個探頭測得的信息綜合處理后，就可得到所需的振動信息，如振幅、振動方向、振動頻率等，從而判斷出旋轉機械運行是否正常。圖6-14測振系統示意圖

返回6.6電感式傳感器的典型應用

電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉換成位移量變化的參數，如壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。

6.6.1位移測量

（1）induNCDT系列位移傳感器圖6-15是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動，轉速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內線性精度優于±2%。

圖6-15induNCDT系列位移傳感器的外形圖

（2）AP035系列差動變壓器式位移傳感器AP035差動變壓器式位移傳感器是由差動差動變壓器和基本電路組成。它可對生產過程中位移、形變參數進行快速、準確可靠地測量，并可配用微機和其他裝置進行打印或自動控制。本傳感器還具有靈敏度高、穩定性好、連續工作時間長等一系列優點。主要技術參數：測量范圍：±20ｍｍ。基本誤差：０.５％。輸出訊號：±１０Ｖ。傳感器工作環境：溫度：-2０℃～+７０℃相對濕度：５％RH～９０RH％靈敏度：0.45v/mm。傳感器供電電源為DC15V，外形尺寸φ22×228。6.6.2振動檢測

RS9300低頻振動傳感器是屬于慣性式傳感器，其外形如圖6-16。

圖6-16RS9300低頻振動傳感器它是利用磁電感應原理把振動信號變換成電信號。主要由磁路系統、慣性質量、彈簧阻尼等部分組成。在傳感器殼體中剛性地固定著磁鐵，慣性質量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。工作時，將傳感器安裝在機器上，在機器振動時，在傳感器工作頻率范圍內，線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，在線圈內產生感應電壓，該電壓信號正比于被測物體的振動速度值，對該信號進行積分放大處理即可得到位移信號。RS9300低頻速度位移振動傳感器（內部帶部分器，輸出位移電壓信號）適用于水輪發電機組低頻轉動機械，測量頻響范圍0.5HZ-200HZ(-3dB)，抗干擾性能強，能長期穩定可靠地工作于惡劣環境中。（1）使用特點：a.

傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉速的轉動機器。b.相對于其它類型的振動傳感器而言，RS9300傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比。它同一般通用交流電壓表或示波器配合就能工作。對輸出插頭和傳輸電纜也無