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机械设备状态监测:传感器

  一般来说,在线状态监测系统成员主要包含传感器、数据I/O(数据采集器)、处理(管理)器、实时在线监测软件、历史数据分析软件这五大块。随着技术的不断进步与完善,这几个功能块经常会彼此融合,产生一些集成化性质的解决方案。比如传感器与数据采集器的融合,数据采集器与处理器的融合,在线监测软件与历史数据分析软件的融合。然而,无论以何种方式进行融合,其功能块整体不变。因此,本手册将会以最基础的功能划分进行讲解。

  2.1传感器

  根据API670标准,传感器类型可以大体分为如下四类:

  

 

  根据功能(原理)来分,可以分为位移(电涡流)传感器、加速度(压电式)传感器、转速(磁电式)传感器、温度(热电阻/热电偶)传感器。根据常见传感器的分类也从侧面可以看出,机器状态监测主要监测数据便是位移、加速度/速度、转速、温度。

  2.1.1电涡流传感器

  一般来说,除了常见的测量轴振动、轴位移、摆度等数据外,还有一种罪常见的应用便是液膜轴承的测量。

  电涡流传感器的原理其实并不复杂,他利用的是法拉第电磁感应原理。块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流。

  电涡流传感器至少有两部分组成——探头部分和调理电路部分。调理电路所在部分通常被称为前置放大器,它给探头线圈施加高频振荡电流,让线圈产生交变磁场。如果被测物体为金属导体,并在此交变磁场中做切割磁力线运动,就会在它内部产生电流,同时生成一个方向相反的交变磁场。同样道理,这个交变磁场又会反过来影响探头线圈,探头线圈的电流会因为阻抗而改变幅度和相位,反馈给前置放大器。经过前置器处理后,便得到了电压与位移之间的线性关系。

  如果不考虑变送器,那么常规电涡流传感器将分为三个部分。

  

 

  非接触式传感器(探头):非接触式传感器采用封装线配置,通过向目标材料引入涡流,并在目标表面移动时测量电流变化来读取相关设备的位置。目标靠近或远离探头时,目标损耗的能量会随之增加或减少。调制信号的电压与探头和目标之间的间隙成正比,因此通过调制信号的变化即可检测出能量损耗的变化。该信号被送入监视系统,从而连续而精确地测量出与目标表面相对距离。尖端直径决定探头的特性。一般而言,尖端越粗,探头的检测范围就越大。探头长度和螺纹尺寸等其它特性可根据应用需要选择。

  延长电缆:延长电缆通过增加前置器和非接触式传感器之间的距离使探头的放置更加灵活。有多种特氟龙绝缘和铠装同轴延长电缆可供选择,使得传感器系统能满足大部分安装情况的要求。延长电缆与所选探头系统在电气特性方面相互匹配。

  前置器:前置器系统的外壳绝缘,可采用 DIN 导轨安装或面板安装。不锈钢探头前置器发出的射频可为探头系统供电。前置器是负责在系统工作范围内进行信号调节并保证精确线性关系的主要元件。

  传感器电缆长度与延长电缆长度相加之和必须等于探头系统的总长度。传感器电缆长度+ 延长电缆长度= 系统长度

  固定方式:电涡流传感器由于其为非接触式传感器,所以对安装要求相对较严格,根据其用途,常见的安装方式如下图示意(轴振、相位、位移、轴承)。

  

 

  2.1.2压电式传感器

  加速度传感器,技术来源于加速度计。是利用被测物体产生振动的激振力作用于振动敏感元件,从而测量出激振力的大小,进一步计算得出加速度大小。早期的敏感元件就是弹簧,后期衍生出形变电阻、压电元件等,有时也采用电容式测量。由于成本低、频响范围大,现在测量壳振或者瓦振时,经常会采用压电式传感器。

  根据百度百科记载。“压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”,具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等”。

  压电式加速度传感器通常包含探头、接插件、屏蔽线缆三部分组成。由于接插件和屏蔽线为常见组件,所以不再一一讨论,需要注意的是该类信号为带载电压信号,所以很容易受到电磁干扰影响,因此有时需要做屏蔽及接地处理。

  

 

  压电传感器的安装相对比较简单,所以经常会应用于一些改造型施工现场。通常来说,传感器的安装会采用螺钉式安装,也就是利用转接螺钉或者沉头螺栓将传感器紧固在被测物体表面,但是有时由于开孔条件受限,所以会采用一些其他的安装方式,比如粘贴、焊接、磁力座等。安装方式的不同,其频响范围会受到影响,频响曲线如图所示:

  

 

  2.1.3磁电式传感器

  磁电式转速传感器在进行中低频转速测量时,由于其成本低廉且精度尚可,所以经常在很多场合应用。同时磁电式传感器还有一个十分优秀的特点就是无需供电,所以对于大多需要TTL信号输入测量转速且不具备供电条件时,这种传感器甚至成为了无可替代的最佳选择。

  

 

  磁电式转速传感器采用磁电感应原理,一般测量对象为测速盘或者键相槽。当通过传感器线圈的磁力线发生变化,在传感器线圈中产生周期性的电压,利用电压脉冲的信号间隔,实现速度的测量或键相的捕捉。

  磁电式传感器的安装和电涡流传感器类似,这里就不再详细介绍。

  2.1.4温度传感器

  温度的信号采集应用于诸多自控场合,因此,其传感器方式以及信号解析也都变得极为常见,至于采用热电阻、热电偶、温度变送器或者热敏元件等,这里就不在一一解释了。需要说明的是,对于机械状态监测,主要关心的几个温度测量量:

  对于温度,在状态监测时主要考量实时温度、温差以及温度变化率三个物理量,而对于测量对象通常包括:轴温、轴承座温度、机壳温度以及电机绕阻温度等。

  至于温度的测量如何配合故障诊断的计算,将会在后续的篇章中进行展开。

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