2005-08-31發(fā)布 2006-04-01實施

5.2.6.2 軸相對箱體的相對運動

GB/T 11348系列標準對不同類別機器的旋轉軸寬帶振動位移測量提供了具體方法和儀器。

使用兩個非接觸式傳感器可最好地測量相對振動，布置這些傳感器測量在同一橫向平面上旋轉軸或旋轉部件與固定部件之間的徑向相對運動。圖6給出了這樣一種非接觸式傳感器系統(tǒng)的典型設置。

在每個軸承處，傳感器通常相互垂直地安裝在軸承內或盡可能靠近軸承座。有些場合，例如在有撓性軸的機器上，把傳感器裝在軸承以外的位置上也是適當?shù)摹?/p>

在任何情況下，傳感器應該安裝在對機器的動態(tài)力有足夠的靈敏度的位置。雖然傳感器可以設置在任何角度位置上，但普遍采用垂直和水平安裝，或者采用與垂直和水平成±45°安裝，這取決于是否易于接近旋轉軸。如果已知機器足夠的信息，也可使用單個傳感器。然而，這時某些分析技術就不能使用，例如軸心軌跡分析和Smax等。

5.2.6.3 軸的絕對運動

有些類型的機器，例如具有軟的轉子支承結構和/或撓性轉子，或在鄰近轉子固有頻率的轉速下運行的機器，要求測量軸的絕對運動。圖7和圖8提供了測量軸的絕對運動的例子。優(yōu)先選用的方法是使用非接觸式傳感器和慣性傳感器的復合，如圖7所示。雖然圖8所示的軸振觸頭可在某些情況下使用，但應注意方法具有有限的頻率范圍并且該方法不能提供軸的徑向位置。

5.2.7 扭轉振動

旋轉機器扭轉振動的例行監(jiān)測目前還不普遍。也許將來會較頻率地使用，特別是對于監(jiān)測變頻交流驅動的機器。典型應用于少數(shù)發(fā)電廠，對大型汽輪發(fā)電機組扭轉動力學和輸電網(wǎng)絡中電氣振蕩相互作用的劇烈程度進行深入的研究。這包括監(jiān)測由于電網(wǎng)瞬態(tài)擾動（例如故障、短路）引起的汽輪發(fā)電機組軸扭轉響應和來自電網(wǎng)連續(xù)作用的穩(wěn)態(tài)激勵（例如輸電線路不平衡）。這種監(jiān)測裝置是很專業(yè)和很昂貴的，而且要求連接至計算機，將汽輪發(fā)電機組軸上若干部位處得到的機械信息進行數(shù)據(jù)處理，以確定機器內最危險部位的疲勞壽命損耗（參見C.3）。

在需要測量扭轉振動時，通常是在選定的傳感器位置測量機器轉速的變化。普遍使用的傳感器系統(tǒng)如下：

——軸自由端裝扭振儀器測量扭振角速度，扭振角速度信號可由電路積分得到扭振位移幅值；

——軸自由端或軸中部的齒輪和裝在固定結構上的電磁傳感器的組合，此傳感器提供被測齒輪瞬時扭振速度的信號，此信號通常適配以得到扭振位移信號；

——軸中部或自由端裝有徑向光柵的圓盤和光學傳感器的組合，它測量靶線瞬時速度和相位的變化，此信號經(jīng)電子適配得到扭振位移信號；

——軸上裝設應變片，直接測量扭轉應變的交變分量；

——激光系統(tǒng)。

無論用哪種測量類型，都要求用數(shù)學模擬將在某個選定位置得到的測量信息轉換為所關心的其他位置的響應估計。一般來說，機械測量轉換為應力響應和疲勞壽命損耗是很復雜的，需要用更先進的分析方法。

注：使用的軟硬件系統(tǒng)和扭轉振動分析在許多技術文獻中說明，本部分不再規(guī)定。

5.2.8 信號適配系統(tǒng)

由振動傳感器獲得的信號，一般要求某種程度的適配以得到有用的測量結果。信號適配功能包括將傳感器的輸出信號轉換成可測量的量，例如電流或電壓，以及將信號處理成要求測量的適當形式。

適配處理的一般例子是放大/衰減、濾波、定標、直流偏置和積分。

依據(jù)測量系統(tǒng)的復雜性，必要的信號適配電路可以是：

——傳感器的組成部分；

——測量儀器的組成部分；

——在傳感器和測量儀器之間的信號通道中分開的獨立儀器；

——上述形式的組合。

在簡單系統(tǒng)中，信號適配裝于傳感器或測量儀器（或二者）之中，使用者對信號適配器的設置和功能不能選擇或僅有很少選擇。然而，在較復雜的儀器裝置中，對信號適配具有較寬的可調范圍和較多的功能選擇，應注意精確記錄所有的設置，使得后續(xù)的測量等同于原先設置下的測量。比較信號適配器在不同設置下的測量結果，將導致狀態(tài)評定非常嚴重的誤差，因為隨后測量量的變化可能被錯誤地認為是機器狀態(tài)變化所造成的。

當在傳感器和測量儀器之間使用外接的信號適配器時，必須知道信號電平和儀器的動態(tài)范圍，以避免測量失真。

另外，信號適配器的頻率響應特性與所用的儀器完全匹配以獲得正確的結果。

注：信號處理和分析的信息在GB/T 19873的第2部分給出。

5.3 測量量

5.3.1 概述

振動可以以直線或角度的位移、速度或加速度的形式量化。除在本部分其他章節(jié)中討論的特殊情況外，監(jiān)測機器固定部件的振動狀態(tài)，推薦的測量量是振動速度。監(jiān)測旋轉部件的相對位置和運動，推薦的測量量是位移。滾動軸承和齒輪的狀態(tài)監(jiān)測，因為它們可能在高頻呈現(xiàn)故障，故推薦的測量量是加速度。在任何情況下，測量量的選擇主要取決于預期的激勵頻率。

當機器由靜止投入運行時，具有油膜軸承支承的軸，其軸心位置可能有直流的或靜態(tài)的偏移，雖然此位移不直接是振動分量，但它是振動位移傳感器提供的一個值，應予記錄。由于在初定位后沒有運動，因此它提供了基準位置，由此位置可測量機器軸的動態(tài)振動特性。

5.3.2 幅值范圍

測量的幅值范圍應以被監(jiān)測的具體機器以前的經(jīng)驗或評定準則作為基礎來選擇，應覆蓋從最低到最高的預期幅值。如果以前沒有經(jīng)驗，參照可使用的標準（例如GB/T 6075或GB/T 11348系列標準）用于速度測量推薦的幅值范圍。

測試設備的本底噪聲應比最小振動測量值低10dB，或小于其三分之一，同時保證能調節(jié)比最大預期信號至少高10dB的信號。

5.3.3 頻率范圍

可靠的狀態(tài)監(jiān)測要求測量裝置應覆蓋寬的頻率范圍，使之不僅能包括軸的旋轉頻率及其諧波，而且還能包括由其他部件，例如軸承、齒輪、密封、葉片、導葉等產(chǎn)生的頻率。如有可能，測量的頻率范圍應適合被監(jiān)測具體機器的要求，但通常不應大于傳感器的最大線性范圍。

傳感器的最大線性范圍是指在規(guī)定的測量精度內，傳感器的校準靈敏度是一常數(shù)的頻率和幅值范圍。對測量精度進一步的說明，參見5.4。

系統(tǒng)的線性頻率范圍一般應覆蓋從0.2倍最低旋轉頻率到所關注的最高激勵頻率的3.5倍（一般不超過10kHz）。典型的最高激勵頻率是旋轉頻率乘以葉片、輪齒或導葉等的數(shù)目，或者可能是滾動軸承頻率之一。對于泵，氣蝕激勵的振動也可能產(chǎn)生并超出此頻率范圍。

對機械適用性來說，10kHz是適當?shù)?。然而，對診斷很高頻率的信號，例如齒輪、滾動軸承等，10kHz可能不夠，有時甚至會超過傳感器線性工作范圍，如圖9所示。這些情況下，雖然個別高頻信號的幅值可能不完全準確，但此信號也可提供有價值的信息。

注：關于很高頻率分析的更多信息在GB/T 19873的第2部分給出。

5.3.4 相位

在評定信號時，兩振動源之間的相位角是一個重要的參考量。相位是一個正弦信號至另一個同頻正弦振動信號或者一個振動信號至固定參考物的角度差或時間差的一種量度。對于狀態(tài)監(jiān)測，普遍使用的是相位滯后。當軸上某參考點通過時能產(chǎn)生一個信號的某一固定傳感器用作相應參考物。相位滯后相應于軸上參考點和振動信號最大或過零之間的延遲時間。相位參考物也可用于同步時間平均。

相位參考點的物理位置常稱為觸發(fā)位置，它是任選的。如可使用軸上鍵槽，推薦將其作為相位參考點。沒有鍵槽時，只要存在每轉一次且能產(chǎn)生明顯信號的軸上任何突變點，都可以用作永久性的相位參考點。

相位測量最普遍的使用是確定和校正不平衡。另外，相位測量可用于故障檢測，通過機器部件之間相對運動測量、熱的矢量分析、不對中檢驗、轉子裂紋、交叉耦合作用的確定和機器共振的識別等來實現(xiàn)。

當測量兩位置之間的相位時，應使用同樣的傳感器和相配的信號適配裝置，以避免儀器的相位誤差。否則應對差異做出補償。

5.4 測量精度和重復性

在本方法下可接受的測量分為兩個類型，如圖9所示。

類型1：在所要求的測量幅值和頻率范圍內，有校準靈敏度±5%的測量允差。

類型2：在所要求的測量幅值和頻率范圍內，有校準靈敏度±10%的測量允差。

在所要求的幅值和頻率范圍內，校準靈敏度變化大于10%的測量不符合本方法，除非采取專門的預防措施使它們在要求的公差內。根據(jù)本方法進行的測量應說明使用了相應于類型1或類型2的規(guī)定。

同樣重要或在某些情況下更為重要的是數(shù)據(jù)的重復性。因此，應該用同樣的儀器、安裝方法、靈敏度和校準來獲取數(shù)據(jù)，否則，機器狀態(tài)信號的比較和趨勢可能被誤導，除非能進行精確補償。

也應注意，圖9的響應曲線是一般形狀的曲線，以下描述的每種類型傳感器有不同的特性，對于所選用的每種傳感器應得到實際的響應曲線。

6 傳感器

6.1 傳感器類型

對于振動狀態(tài)監(jiān)測，有以下兩種基本類型的傳感器：

a）慣性式傳感器，一般裝在機器結構上，其輸出為結構絕對振動的度量；

b）相對位移傳感器，測量機器旋轉件和非旋轉件之間的振動位移和平均位置。

有些機器可能需要其他類型的傳感器，例如應變計。但在狀態(tài)監(jiān)測中它們用的不普遍。

6.2 傳感器的選擇

6.2.1 概述

依據(jù)具體應用，選擇合適的傳感器。一般來說，用于狀態(tài)監(jiān)測的傳感器有：

——加速度計，其輸出能處理得到3個參數(shù)（加速度、速度和位移）中的任意一個；

——速度傳感器，其輸出能積分得到位移；

——非接觸式傳感器，其輸出直接正比于機器旋轉件和非旋轉件之間的相對位移。

圖10包含了這3種類型傳感器的選擇指南及其動態(tài)范圍與頻率的關系。圖上表示的范圍包括了狀態(tài)監(jiān)測的大多數(shù)應用。在特殊情況下，個別傳感器的范圍可以擴大，主要用于診斷。

注：下圖給出的值是典型的例子，特殊的傳感器可有不同的、特別寬的范圍。

6.2.2 加速度計

6.2.2.1 概述

加速度計是一種慣性式傳感器，產(chǎn)生正比于被測物體機械振動加速度的輸出信號，一般來說，加速度計安裝在機器的固定（非旋轉）結構上。加速度計可能有不同的安裝共振頻率，典型的是1kHz以上。一般來說，推薦安裝后的加速度計線性范圍應覆蓋所關注的頻率。通常是將加速度計的輸出積分得到速度信號。然而，在兩次積分得到位移時應小心、謹慎，特別在低頻時更應注意。

6.2.2.2 典型使用范圍

以下是加速度計典型的頻率、質量、幅值和溫度范圍：

——頻率范圍0.1Hz至30kHz；

——典型的用于狀態(tài)監(jiān)測的傳感器的質量范圍從10g至200g；

——特殊用途的加速度計測量的幅值可比圖10所示的幅值小100倍；

——具有內置電荷放大器的溫度范圍高達125℃；

——使用外部電荷放大器的溫度范圍高達250℃。

6.2.2.3 使用特點

加速度計有各種不同的尺寸，有寬的動態(tài)范圍（1至106）及寬的頻率范圍。它們優(yōu)先用在安裝面積小的小物體、高溫或強磁場中。外置電荷放大器的缺點是對絕緣不良、溫度波動大和連接電纜運動敏感。

6.2.3 速度傳感器

6.2.3.1 概述

速度傳感器產(chǎn)生的電壓信號正比于被測物體的機械振動速度。一般來說，速度傳感器裝在機器的固定（非旋轉）結構上。當希望測量位移時，通常將速度傳感器的輸出積分得到位移輸出。

速度傳感器的質量—彈簧系統(tǒng)有一個內在的共振頻率，稱作固有頻率，大約是4Hz至20Hz。當被測振動頻率大大低于傳感器固有頻率時，傳感器輸出正比于加速度，它是加速度的一階導數(shù)，而不是速度；當被測振動頻率范圍靠近傳感器固有頻率時，傳感器的輸出取決于內阻尼。在大多數(shù)情況下，只是在大大高于該固有頻率時，真實速度和相位才有確切的比例關系。

如果必須在低于其固有頻率下使用速度傳感器，應適當?shù)匦省，F(xiàn)代電磁式速度傳感器，其固有頻率在10Hz以上，內裝的適配電路可在低于固有頻率的頻率（低至1Hz）范圍內校準靈敏度。

6.2.3.2 典型的使用范圍

速度傳感器典型的頻率、溫度和質量范圍如下：

——頻率范圍1Hz至2000Hz；

——溫度范圍從-50℃到200℃；

——典型的質量從50g至200g。

6.2.3.3 使用特點

速度傳感器特別適用于低頻振動測量。用于監(jiān)測的大多數(shù)速度傳感器固有頻率在10Hz以上。

速度傳感器的優(yōu)點是在信號源阻抗低時有相對高的輸出電壓。因此，傳感器對絕緣不良和電場相對不敏感。然而，由于內部有運動部件，如果超過其額定工作范圍，對機械損傷和磨損敏感。它們對在垂直于測量軸線的平面內的大振動也很敏感，并且由于運動部件的約束可能給出錯誤的讀數(shù)。

具有單個線圈的電磁式傳感器對環(huán)境磁場很靈敏，需要良好的防磁屏蔽。即使有屏蔽，在開口式電機上進行測量時仍能觀察到嚴重的干擾?，F(xiàn)在大多數(shù)電動式傳感器有兩個線圈，大大降低了對環(huán)境磁場的靈敏度，允許減少防磁屏蔽而且質量較小。

6.2.4 軸位移傳感器

6.2.4.1 概述

在旋轉機器中，特別是大型關鍵性的渦輪機械及支承結構的質量比轉子質量大的機器，可能需要測量轉子和定子結構之間的相對位移。趨近式傳感器是非接觸式裝置，它能直接測量旋轉軸相對固定軸承或機器殼體的振動位移和位置。趨近式傳感器給出對應于振動運動的交流分量和對應于位置的直流分量。

當趨近式傳感器和裝在殼體上的慣性傳感器組合在一起使用時，慣性式傳感器的信號積分得到殼體位移，將這兩個位移信號矢量相加能得到旋轉軸的絕對位移測量。如果慣性式和趨近式傳感器的位移不同，應該用與傳感器配用信號適配裝置補償。

6.2.4.2 電渦流原理

最普遍使用的是采用電渦流原理的趨近式傳感器：當線圈中通入高頻交流電流產(chǎn)生高頻磁場，將導電材料（例如機器的軸）放入此磁場中，由高頻磁場能量損耗在該材料中產(chǎn)生渦流。使與線圈耦合的振蕩器電路產(chǎn)生的電壓正比于傳感器與軸之間的距離。振蕩器可以內置于傳感器中，也可以是外部元件。

6.2.4.3 典型的使用范圍

位移傳感器典型的頻率、測量和溫度范圍如下：

——頻率范圍：直流至10kHz；

——測量范圍：1mm至10mm；

——典型溫度范圍：-50℃至200℃；

——具有內裝振蕩器的典型溫度范圍：-50℃至125℃。

6.2.4.4 使用特點

一般來說，所有參數(shù)都受環(huán)境溫度變化的影響。例如使用電路補償熱膨脹，通?？墒惯@種影響保持在能接受的限值之內。

另外，當使用趨近式傳感器時，應采取下述預防措施：

a）傳感器頭部附近周圍應該沒有導電材料；

b）被測區(qū)域應該沒有導電材料的附著物，沒有突變；

c）當測量不同材料的軸時，傳感器應重新校準；

d）軸材質不均勻、軸鍍層、剩磁產(chǎn)生的信號疊加在振動信號上（電氣偏擺）。應注意：軸表面不規(guī)則（不圓度、溝槽等）會影響測量結果（機械偏擺）；

e）利用軸表面均衡技術，例如噴丸硬化、噴砂處理、滾壓、感應淬火或研磨技術時，可使電氣偏擺最小。

6.3 傳感器的安裝

6.3.1 概述

機器振動的正確測量主要取決于將運動精確地傳遞至傳感器。固定安裝傳感器的保真范圍最寬。在一些情況下，手持傳感器就足夠了。

對于加速度傳感器安裝方法的完整描述及它們對性能的影響參見GB/T 14412。一般指南如下：

安裝固定傳感器較好的方法是剛性的機械緊固，通常在傳感器和機器上鉆孔攻絲，用螺栓把二者連接起來。螺栓安裝能傳遞高頻信號，信號損失小或沒有損失。安裝傳感器的機器表面應光滑、平整和清潔，推薦在所有的配合面上涂一層薄薄的硅油脂或等效物，以改善響應信號，特別是高頻信號的傳遞能力和準確度。

在螺栓安裝不實用或不便實施的地方，可用粘結劑將傳感器固接到機器表面。應使用固化時剛度大的粘結劑，而不用彈性粘結劑，因為后者會降低信號傳遞的保真度。

另一種普遍使用的非強行插入的傳感器固定方法是用永磁座，安裝表面的平直度是使用本方法的關鍵。用粘結劑或磁座兩種方法僅能承受有限的頻率、溫度和幅值。因此，在狀態(tài)監(jiān)測時應小心選用。

6.3.2 傳感器安裝的影響

在有些情況下，可能需要把傳感器裝在支架上，然后把支架裝在機器上。這種情況下，特別要注意的是所有的機械安裝要牢固。另外，被安裝的傳感器和支架的線性范圍應覆蓋所關注的頻率。

在不適合永久性安裝傳感器的地方，可使用手持傳感器。手持傳感器的頻率受限制，一般不推薦用于1kHz以上。使用手持傳感器可能會對精度或重復性有影響，此外，一些較高頻率的機構運動用手持傳感器測量無效，甚至用手持傳感器不能檢測。

為了說明上述的各種安裝方法對傳感器性能的影響，以具有內在共振頻率30kHz的加速度計為例，安裝后共振頻率的降如表1所示。

表1 安裝對傳感器性能的影響

速度傳感器安裝方法不同，同樣會降性能。然而，目前還沒有標準對降低的值量化。

（待續(xù)）