机器状态监测与诊断振动状态监测 第1部分：总则（摘选）（二）

2005-08-31发布 2006-04-01实施

5.2.6.2 轴相对箱体的相对运动

GB/T 11348系列标准对不同类别机器的旋转轴宽带振动位移测量提供了具体方法和仪器。

使用两个非接触式传感器可最好地测量相对振动，布置这些传感器测量在同一横向平面上旋转轴或旋转部件与固定部件之间的径向相对运动。图6给出了这样一种非接触式传感器系统的典型设置。

在每个轴承处，传感器通常相互垂直地安装在轴承内或尽可能靠近轴承座。有些场合，例如在有挠性轴的机器上，把传感器装在轴承以外的位置上也是适当的。

在任何情况下，传感器应该安装在对机器的动态力有足够的灵敏度的位置。虽然传感器可以设置在任何角度位置上，但普遍采用垂直和水平安装，或者采用与垂直和水平成±45°安装，这取决于是否易于接近旋转轴。如果已知机器足够的信息，也可使用单个传感器。然而，这时某些分析技术就不能使用，例如轴心轨迹分析和Smax等。

5.2.6.3 轴的绝对运动

有些类型的机器，例如具有软的转子支承结构和/或挠性转子，或在邻近转子固有频率的转速下运行的机器，要求测量轴的绝对运动。图7和图8提供了测量轴的绝对运动的例子。优先选用的方法是使用非接触式传感器和惯性传感器的复合，如图7所示。虽然图8所示的轴振触头可在某些情况下使用，但应注意方法具有有限的频率范围并且该方法不能提供轴的径向位置。

5.2.7 扭转振动

旋转机器扭转振动的例行监测目前还不普遍。也许将来会较频率地使用，特别是对于监测变频交流驱动的机器。典型应用于少数发电厂，对大型汽轮发电机组扭转动力学和输电网络中电气振荡相互作用的剧烈程度进行深入的研究。这包括监测由于电网瞬态扰动（例如故障、短路）引起的汽轮发电机组轴扭转响应和来自电网连续作用的稳态激励（例如输电线路不平衡）。这种监测装置是很专业和很昂贵的，而且要求连接至计算机，将汽轮发电机组轴上若干部位处得到的机械信息进行数据处理，以确定机器内最危险部位的疲劳寿命损耗（参见C.3）。

在需要测量扭转振动时，通常是在选定的传感器位置测量机器转速的变化。普遍使用的传感器系统如下：

——轴自由端装扭振仪器测量扭振角速度，扭振角速度信号可由电路积分得到扭振位移幅值；

——轴自由端或轴中部的齿轮和装在固定结构上的电磁传感器的组合，此传感器提供被测齿轮瞬时扭振速度的信号，此信号通常适配以得到扭振位移信号；

——轴中部或自由端装有径向光栅的圆盘和光学传感器的组合，它测量靶线瞬时速度和相位的变化，此信号经电子适配得到扭振位移信号；

——轴上装设应变片，直接测量扭转应变的交变分量；

——激光系统。

无论用哪种测量类型，都要求用数学模拟将在某个选定位置得到的测量信息转换为所关心的其他位置的响应估计。一般来说，机械测量转换为应力响应和疲劳寿命损耗是很复杂的，需要用更先进的分析方法。

注：使用的软硬件系统和扭转振动分析在许多技术文献中说明，本部分不再规定。

5.2.8 信号适配系统

由振动传感器获得的信号，一般要求某种程度的适配以得到有用的测量结果。信号适配功能包括将传感器的输出信号转换成可测量的量，例如电流或电压，以及将信号处理成要求测量的适当形式。

适配处理的一般例子是放大/衰减、滤波、定标、直流偏置和积分。

依据测量系统的复杂性，必要的信号适配电路可以是：

——传感器的组成部分；

——测量仪器的组成部分；

——在传感器和测量仪器之间的信号通道中分开的独立仪器；

——上述形式的组合。

在简单系统中，信号适配装于传感器或测量仪器（或二者）之中，使用者对信号适配器的设置和功能不能选择或仅有很少选择。然而，在较复杂的仪器装置中，对信号适配具有较宽的可调范围和较多的功能选择，应注意精确记录所有的设置，使得后续的测量等同于原先设置下的测量。比较信号适配器在不同设置下的测量结果，将导致状态评定非常严重的误差，因为随后测量量的变化可能被错误地认为是机器状态变化所造成的。

当在传感器和测量仪器之间使用外接的信号适配器时，必须知道信号电平和仪器的动态范围，以避免测量失真。

另外，信号适配器的频率响应特性与所用的仪器完全匹配以获得正确的结果。

注：信号处理和分析的信息在GB/T 19873的第2部分给出。

5.3 测量量

5.3.1 概述

振动可以以直线或角度的位移、速度或加速度的形式量化。除在本部分其他章节中讨论的特殊情况外，监测机器固定部件的振动状态，推荐的测量量是振动速度。监测旋转部件的相对位置和运动，推荐的测量量是位移。滚动轴承和齿轮的状态监测，因为它们可能在高频呈现故障，故推荐的测量量是加速度。在任何情况下，测量量的选择主要取决于预期的激励频率。

当机器由静止投入运行时，具有油膜轴承支承的轴，其轴心位置可能有直流的或静态的偏移，虽然此位移不直接是振动分量，但它是振动位移传感器提供的一个值，应予记录。由于在初定位后没有运动，因此它提供了基准位置，由此位置可测量机器轴的动态振动特性。

5.3.2 幅值范围

测量的幅值范围应以被监测的具体机器以前的经验或评定准则作为基础来选择，应覆盖从最低到最高的预期幅值。如果以前没有经验，参照可使用的标准（例如GB/T 6075或GB/T 11348系列标准）用于速度测量推荐的幅值范围。

测试设备的本底噪声应比最小振动测量值低10dB，或小于其三分之一，同时保证能调节比最大预期信号至少高10dB的信号。

5.3.3 频率范围

可靠的状态监测要求测量装置应覆盖宽的频率范围，使之不仅能包括轴的旋转频率及其谐波，而且还能包括由其他部件，例如轴承、齿轮、密封、叶片、导叶等产生的频率。如有可能，测量的频率范围应适合被监测具体机器的要求，但通常不应大于传感器的最大线性范围。

传感器的最大线性范围是指在规定的测量精度内，传感器的校准灵敏度是一常数的频率和幅值范围。对测量精度进一步的说明，参见5.4。

系统的线性频率范围一般应覆盖从0.2倍最低旋转频率到所关注的最高激励频率的3.5倍（一般不超过10kHz）。典型的最高激励频率是旋转频率乘以叶片、轮齿或导叶等的数目，或者可能是滚动轴承频率之一。对于泵，气蚀激励的振动也可能产生并超出此频率范围。

对机械适用性来说，10kHz是适当的。然而，对诊断很高频率的信号，例如齿轮、滚动轴承等，10kHz可能不够，有时甚至会超过传感器线性工作范围，如图9所示。这些情况下，虽然个别高频信号的幅值可能不完全准确，但此信号也可提供有价值的信息。

注：关于很高频率分析的更多信息在GB/T 19873的第2部分给出。

5.3.4 相位

在评定信号时，两振动源之间的相位角是一个重要的参考量。相位是一个正弦信号至另一个同频正弦振动信号或者一个振动信号至固定参考物的角度差或时间差的一种量度。对于状态监测，普遍使用的是相位滞后。当轴上某参考点通过时能产生一个信号的某一固定传感器用作相应参考物。相位滞后相应于轴上参考点和振动信号最大或过零之间的延迟时间。相位参考物也可用于同步时间平均。

相位参考点的物理位置常称为触发位置，它是任选的。如可使用轴上键槽，推荐将其作为相位参考点。没有键槽时，只要存在每转一次且能产生明显信号的轴上任何突变点，都可以用作永久性的相位参考点。

相位测量最普遍的使用是确定和校正不平衡。另外，相位测量可用于故障检测，通过机器部件之间相对运动测量、热的矢量分析、不对中检验、转子裂纹、交叉耦合作用的确定和机器共振的识别等来实现。

当测量两位置之间的相位时，应使用同样的传感器和相配的信号适配装置，以避免仪器的相位误差。否则应对差异做出补偿。

5.4 测量精度和重复性

在本方法下可接受的测量分为两个类型，如图9所示。

类型1：在所要求的测量幅值和频率范围内，有校准灵敏度±5%的测量允差。

类型2：在所要求的测量幅值和频率范围内，有校准灵敏度±10%的测量允差。

在所要求的幅值和频率范围内，校准灵敏度变化大于10%的测量不符合本方法，除非采取专门的预防措施使它们在要求的公差内。根据本方法进行的测量应说明使用了相应于类型1或类型2的规定。

同样重要或在某些情况下更为重要的是数据的重复性。因此，应该用同样的仪器、安装方法、灵敏度和校准来获取数据，否则，机器状态信号的比较和趋势可能被误导，除非能进行精确补偿。

也应注意，图9的响应曲线是一般形状的曲线，以下描述的每种类型传感器有不同的特性，对于所选用的每种传感器应得到实际的响应曲线。

6 传感器

6.1 传感器类型

对于振动状态监测，有以下两种基本类型的传感器：

a）惯性式传感器，一般装在机器结构上，其输出为结构绝对振动的度量；

b）相对位移传感器，测量机器旋转件和非旋转件之间的振动位移和平均位置。

有些机器可能需要其他类型的传感器，例如应变计。但在状态监测中它们用的不普遍。

6.2 传感器的选择

6.2.1 概述

依据具体应用，选择合适的传感器。一般来说，用于状态监测的传感器有：

——加速度计，其输出能处理得到3个参数（加速度、速度和位移）中的任意一个；

——速度传感器，其输出能积分得到位移；

——非接触式传感器，其输出直接正比于机器旋转件和非旋转件之间的相对位移。

图10包含了这3种类型传感器的选择指南及其动态范围与频率的关系。图上表示的范围包括了状态监测的大多数应用。在特殊情况下，个别传感器的范围可以扩大，主要用于诊断。

注：下图给出的值是典型的例子，特殊的传感器可有不同的、特别宽的范围。

6.2.2 加速度计

6.2.2.1 概述

加速度计是一种惯性式传感器，产生正比于被测物体机械振动加速度的输出信号，一般来说，加速度计安装在机器的固定（非旋转）结构上。加速度计可能有不同的安装共振频率，典型的是1kHz以上。一般来说，推荐安装后的加速度计线性范围应覆盖所关注的频率。通常是将加速度计的输出积分得到速度信号。然而，在两次积分得到位移时应小心、谨慎，特别在低频时更应注意。

6.2.2.2 典型使用范围

以下是加速度计典型的频率、质量、幅值和温度范围：

——频率范围0.1Hz至30kHz；

——典型的用于状态监测的传感器的质量范围从10g至200g；

——特殊用途的加速度计测量的幅值可比图10所示的幅值小100倍；

——具有内置电荷放大器的温度范围高达125℃；

——使用外部电荷放大器的温度范围高达250℃。

6.2.2.3 使用特点

加速度计有各种不同的尺寸，有宽的动态范围（1至106）及宽的频率范围。它们优先用在安装面积小的小物体、高温或强磁场中。外置电荷放大器的缺点是对绝缘不良、温度波动大和连接电缆运动敏感。

6.2.3 速度传感器

6.2.3.1 概述

速度传感器产生的电压信号正比于被测物体的机械振动速度。一般来说，速度传感器装在机器的固定（非旋转）结构上。当希望测量位移时，通常将速度传感器的输出积分得到位移输出。

速度传感器的质量—弹簧系统有一个内在的共振频率，称作固有频率，大约是4Hz至20Hz。当被测振动频率大大低于传感器固有频率时，传感器输出正比于加速度，它是加速度的一阶导数，而不是速度；当被测振动频率范围靠近传感器固有频率时，传感器的输出取决于内阻尼。在大多数情况下，只是在大大高于该固有频率时，真实速度和相位才有确切的比例关系。

如果必须在低于其固有频率下使用速度传感器，应适当地校准。现代电磁式速度传感器，其固有频率在10Hz以上，内装的适配电路可在低于固有频率的频率（低至1Hz）范围内校准灵敏度。

6.2.3.2 典型的使用范围

速度传感器典型的频率、温度和质量范围如下：

——频率范围1Hz至2000Hz；

——温度范围从-50℃到200℃；

——典型的质量从50g至200g。

6.2.3.3 使用特点

速度传感器特别适用于低频振动测量。用于监测的大多数速度传感器固有频率在10Hz以上。

速度传感器的优点是在信号源阻抗低时有相对高的输出电压。因此，传感器对绝缘不良和电场相对不敏感。然而，由于内部有运动部件，如果超过其额定工作范围，对机械损伤和磨损敏感。它们对在垂直于测量轴线的平面内的大振动也很敏感，并且由于运动部件的约束可能给出错误的读数。

具有单个线圈的电磁式传感器对环境磁场很灵敏，需要良好的防磁屏蔽。即使有屏蔽，在开口式电机上进行测量时仍能观察到严重的干扰。现在大多数电动式传感器有两个线圈，大大降低了对环境磁场的灵敏度，允许减少防磁屏蔽而且质量较小。

6.2.4 轴位移传感器

6.2.4.1 概述

在旋转机器中，特别是大型关键性的涡轮机械及支承结构的质量比转子质量大的机器，可能需要测量转子和定子结构之间的相对位移。趋近式传感器是非接触式装置，它能直接测量旋转轴相对固定轴承或机器壳体的振动位移和位置。趋近式传感器给出对应于振动运动的交流分量和对应于位置的直流分量。

当趋近式传感器和装在壳体上的惯性传感器组合在一起使用时，惯性式传感器的信号积分得到壳体位移，将这两个位移信号矢量相加能得到旋转轴的绝对位移测量。如果惯性式和趋近式传感器的位移不同，应该用与传感器配用信号适配装置补偿。

6.2.4.2 电涡流原理

最普遍使用的是采用电涡流原理的趋近式传感器：当线圈中通入高频交流电流产生高频磁场，将导电材料（例如机器的轴）放入此磁场中，由高频磁场能量损耗在该材料中产生涡流。使与线圈耦合的振荡器电路产生的电压正比于传感器与轴之间的距离。振荡器可以内置于传感器中，也可以是外部元件。

6.2.4.3 典型的使用范围

位移传感器典型的频率、测量和温度范围如下：

——频率范围：直流至10kHz；

——测量范围：1mm至10mm；

——典型温度范围：-50℃至200℃；

——具有内装振荡器的典型温度范围：-50℃至125℃。

6.2.4.4 使用特点

一般来说，所有参数都受环境温度变化的影响。例如使用电路补偿热膨胀，通常可使这种影响保持在能接受的限值之内。

另外，当使用趋近式传感器时，应采取下述预防措施：

a）传感器头部附近周围应该没有导电材料；

b）被测区域应该没有导电材料的附着物，没有突变；

c）当测量不同材料的轴时，传感器应重新校准；

d）轴材质不均匀、轴镀层、剩磁产生的信号叠加在振动信号上（电气偏摆）。应注意：轴表面不规则（不圆度、沟槽等）会影响测量结果（机械偏摆）；

e）利用轴表面均衡技术，例如喷丸硬化、喷砂处理、滚压、感应淬火或研磨技术时，可使电气偏摆最小。

6.3 传感器的安装

6.3.1 概述

机器振动的正确测量主要取决于将运动精确地传递至传感器。固定安装传感器的保真范围最宽。在一些情况下，手持传感器就足够了。

对于加速度传感器安装方法的完整描述及它们对性能的影响参见GB/T 14412。一般指南如下：

安装固定传感器较好的方法是刚性的机械紧固，通常在传感器和机器上钻孔攻丝，用螺栓把二者连接起来。螺栓安装能传递高频信号，信号损失小或没有损失。安装传感器的机器表面应光滑、平整和清洁，推荐在所有的配合面上涂一层薄薄的硅油脂或等效物，以改善响应信号，特别是高频信号的传递能力和准确度。

在螺栓安装不实用或不便实施的地方，可用粘结剂将传感器固接到机器表面。应使用固化时刚度大的粘结剂，而不用弹性粘结剂，因为后者会降低信号传递的保真度。

另一种普遍使用的非强行插入的传感器固定方法是用永磁座，安装表面的平直度是使用本方法的关键。用粘结剂或磁座两种方法仅能承受有限的频率、温度和幅值。因此，在状态监测时应小心选用。

6.3.2 传感器安装的影响

在有些情况下，可能需要把传感器装在支架上，然后把支架装在机器上。这种情况下，特别要注意的是所有的机械安装要牢固。另外，被安装的传感器和支架的线性范围应覆盖所关注的频率。

在不适合永久性安装传感器的地方，可使用手持传感器。手持传感器的频率受限制，一般不推荐用于1kHz以上。使用手持传感器可能会对精度或重复性有影响，此外，一些较高频率的机构运动用手持传感器测量无效，甚至用手持传感器不能检测。

为了说明上述的各种安装方法对传感器性能的影响，以具有内在共振频率30kHz的加速度计为例，安装后共振频率的降如表1所示。

表1 安装对传感器性能的影响

速度传感器安装方法不同，同样会降性能。然而，目前还没有标准对降低的值量化。

（待续）