动圈式磁感应传感器在轴承振动测量中的应用

王进汉，李兴林，赵丽雅，张卫明，陆源

(杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022)

1 动圈式磁感应传感器的工作原理

动圈式磁感应传感器是一种无需外接辅助电源就能将被测对象的机械量转换成易测电信号的无源传感器。如图1所示，动圈式磁感应传感器主要由磁轭、永久磁铁、线圈、补偿线圈、弹簧、金属骨架等组成，其利用电磁感应原理将被测物体的振动信号转换成电信号。

图1 动圈式磁感应传感器的典型结构图Fig.1 Typical structure diagram of moving-coil type magnetic induction sensor

磁路系统产生恒定的磁场，而磁路中的工作气隙固定不变，则气隙中的磁通也恒定不变。工作时，金属骨架通过延伸测头与被测物体接触，当被测物体振动时，金属骨架会随之振动，此时金属骨架上的线圈也随之运动，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生的感应电动势为

(1)

式中：B0为工作气隙磁感应强度；l为每匝线圈平均长度；v为相对运动速度；W为线圈在工作气隙磁场中的匝数。磁路气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，这就是动圈式磁感应传感器能够将振动速度转变成为电量进行测振的原理[1-2]。

2 基于动圈式磁感应传感器的振动测试方案

2.1 整体方案设计

典型的振动测试系统如图2所示，主要由动圈式磁感应传感器及振动测量仪组成。振动源的振动信号由传感器拾取，再通过传感器连接线送入振动测量仪，由振动测量仪实现对信号的采集、分析和处理。

图2 振动测试系统Fig.2 Vibration test system

2.2 动圈式磁感应传感器

在振动测量系统中，动圈式磁感应传感器的作用是将拾取到的振动信号转变成相应的电信号。为精确地对拾取到的振动量进行转换测量，对动圈式磁感应传感器的特性提出以下要求：1)频率响应范围大，能覆盖低频和高频；2)谐振频率高，10 kHz以上；3)频响范围内的线性度好，小于5%；4)抗干扰能力强；5)外部构造结实耐磨，工作稳定可靠。

在配合测试系统使用时，应特别注意动圈式磁感应传感器的灵敏度性能指标，即

(2)

针对轴承振动的测量，自主研发了BVT系列动圈式磁感应传感器(下文用BVT-S表示)，其结构原理如图3所示。动圈绕制在轻质的硬铝合金属骨架上，骨架下端镶有耐磨性能优越的红宝石测头，测头与轴承外圈接触，通过测头拾取轴承外圈的径向振动速度V,并在传感器输出端输出与V成正比的输出电压U，实现非电量的电测量。

图3 动圈式磁感应传感器的结构原理Fig.3 Structure principle of moving-coil type magnetic induction sensor

骨架由二片非常薄的弹簧片支承，通过调整动圈质量m、弹簧片刚度K和长度L，攻克了速度型传感器谐振频率大于10 kHz的技术难点，实测值均在12 kHz左右。另外，由于弹簧片厚度非常小，能使传感器的测力小于0.7 N，解决了微型轴承测振时由于测力过大而造成被测轴承外圈自由振动受到约束的技术难点。并通过结构的创新设计，实现了测力可调的功能，解决了传感器高频跟随特性满足不了测振要求的技术难点。

BVT-S与国外同类产品(BCC-1型)的性能对比见表1，频响特性曲线如图4所示。对比可知：两者的谐振频率基本一致，均达到12 kHz左右；在8～10 kHz的范围内，BCC-1的浮动接近4 dB，而BVT-S的浮动仅3 dB左右，说明其整体性能已达到国际先进水平。

表1 传感器性能对比Tab.1 Comparison of performances for sensors

图4 传感器的频响特性曲线Fig.4 Frequency response characteristic curves of sensors

2.3 速度型轴承振动测量仪

速度型轴承振动测量仪是振动测试系统的重要组成，其通过电缆与动圈式磁感应传感器相连，可以对传感器拾取的振动信号进行直接测量与实时显示，也可以外接相应的分析软件和控制模块进行相应的信号分析和信号输出[3]。

3 轴承振动的测量

轴承振动测量的原理如图5所示。被测轴承的振动由置压在轴承外圈上的速度型传感器拾取并转换成相应的电信号送入电箱，经电箱的前置放大器和主放大器后输送给带通滤波器和监听电路。带通滤波器将50 ～10 000 Hz频率范围的信号输送给有效值电路；监听电路将输入的信号再放大后推动扬声器发出被测轴承实时噪声。在有效值电路中，信号经处理后分别送到低、中、高频表头，显示出被测轴承的实时振动速度值。

图5 轴承振动测量的原理图Fig.5 Schematic diagram of bearing vibration measurement

现场测量验证的仪器采用BVT系列轴承振动测量仪，被测轴承为6004-2RSH和6306E/C4，2种型号轴承各取10套，分别采用BVT-S及BCC-1传感器配合振动测量仪进行振动测量，结果见表2和表3。由表2和表3可知：2种型号轴承的2组数据基本吻合，且轴承的振动值均符合标准值范围[4-6]：6004(低频≤310 μm/s；中频≤140 μm/s；高频≤220 μm/s)；6306(低频≤460 μm/s；中频≤210 μm/s；高频≤370 μm/s)。

表2 6004轴承振动测试结果Tab.2 Vibration test results of bearing 6004

表3 6306轴承振动测试结果Tab.3 Vibration test results of bearing 6306

4 结束语

动圈式磁感应传感器输出阻抗低，输出信号正比于振动速度的电信号，只要经过适当的积分和微分电路，就能方便地得到振动的振幅和加速度，在各个领域的振动测试中得到了广泛的应用。与轴承测振仪组成轴承振动测试系统，可以为轴承的振动测量或监测提供一种手段，为需要解决轴承振动现象的工程提供可靠的试验数据和技术支持；还可以对测得的轴承振动值进行分析，发现轴承振动值的变化趋势，为轴承在线振动检测提供参考，从而分析轴承的缺陷原因。