劉林
（卓微科技）
基于振動加速度傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)(通常叫做狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)），簡稱CMS(Condition Monitor System）可以對機械設(shè)備進(jìn)行振動信號監(jiān)測，以驗證機械設(shè)備是否正確的安裝和運行。測試方法確保了數(shù)據(jù)的完整性，并可以識別大多數(shù)機械相關(guān)問題。
本文所討論的振動加速度傳感器是專指內(nèi)嵌電路（ICP或IEPE）的壓電式加速度傳感器，此類傳感器可能是機械狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用中Z重要Z常用的傳感器（另一類是用于監(jiān)測振動位移的電渦流傳感器）。
本文涉及的故障排除技術(shù)非常簡單實用，大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀或簡單的振動測試設(shè)備都可以應(yīng)用。通過測量傳感器的偏置電壓，可以檢測到許多安裝問題和傳感器問題。偏置電壓將指示電纜線路不良和傳感器故障。許多在線系統(tǒng)都提供傳感器偏置電壓的趨勢監(jiān)測圖。其他的一些問題也可以通過分析時間波形和FFT（快速傅里葉變換）頻譜圖來檢測到。下一節(jié)將解釋傳感器的使用以及它與偏置電壓、時間波形（也叫時域波形）和FFT響應(yīng)的關(guān)系。以下章節(jié)將根據(jù)不同的故障表現(xiàn)進(jìn)行分類，Z后給出了一個故障排查圖。
振動加速度傳感器的運行和響應(yīng)
大多數(shù)振動加速度傳感器故障都可以通過測量傳感器放大器的偏置電壓來診斷。如果偏置電壓在正確的范圍內(nèi)，則傳感器很大可能是正常工作的。大多數(shù)布線故障也可以通過測量偏置電壓來區(qū)分。檢查偏置電壓后，時間波形和FFT頻譜圖將進(jìn)一步驗證故障診斷或確認(rèn)是否正常。
交流耦合和直流偏置電壓
傳感器的輸出是與振動成正比的交流信號。該交流信號疊加在直流偏置電壓上，此偏置電壓也稱為偏壓輸出電壓(BOV)或有時稱為靜止電壓。信號的直流分量由電源中的2mA恒流二極管產(chǎn)生。該直流電壓需要被測量設(shè)備中的耦合電容所隔離，從而留下交流輸出信號。大多數(shù)振動數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)視器和傳感器電源單元都包含一個用于交流耦合的內(nèi)部隔直流電容器。如果不包括在內(nèi)，則必須在現(xiàn)場安裝隔直流電容器。
偏置電壓是多少？
大多數(shù)振動加速度傳感器、壓電式速度傳感器和許多壓力傳感器都有偏置輸出。偏置輸出是用于測量動態(tài)交流信號的雙線傳感器的特征。振動和壓力是動態(tài)信號隨時間變化的例子。
BOV可以解釋如下：外部電源為振動加速度傳感器提供一個直流電壓。此電源電壓通常為18至30伏直流電。振動加速度傳感器放大器電路設(shè)計將此電壓（或“偏差”電壓）建立到預(yù)設(shè)電平。這個BOV通常是12VDC，當(dāng)然它可能根據(jù)傳感器制造商和設(shè)計而不同。振動加速度傳感器的規(guī)格表將提供每種振動加速度傳感器型號的BOV信息。BOV由放大器設(shè)計決定，不可調(diào)。
只要輸入電源在指定的范圍內(nèi)，無論對振動加速度傳感器的輸入功率如何，BOV都將保持不變。例如，如果BOV為12VDC，輸入電源指定為18至30V，則如果輸入功率為18VDC，BOV將為12VDC。如果輸入功率增加到30VDC，BOV將保持在12VDC。BOV是由振動加速度傳感器中的放大器電路與來自獨立電源或分析儀或數(shù)據(jù)采集器的恒流源的相互作用來設(shè)置的。
圖1是一個表示電路原理的圖。由“儀器電源”和BOV表示的線路是一個具有兩個功能的導(dǎo)體。因此，即使電源提供了更高的輸入電壓，BOV也是在連接振動加速度傳感器到數(shù)據(jù)采集器或分析儀的電纜上測量的輸出電壓電平。
BOV將動態(tài)振動信號傳送到分析儀。交流信號以BOV電平為中心線開始高低波動，并受到電源電平和電源地的限制。例如，如果電源電平為24伏，則交流信號的擺動將被限制在不超過24V，且不小于接地（0V）。這些都是理論上的極限。實際應(yīng)用中，這種擺動的限制發(fā)生在電源地上方1.5V左右以及電源水平以下1.5V，如圖2所示。
大多數(shù)便攜式數(shù)據(jù)采集器和在線系統(tǒng)向傳感器提供24V電源。所選傳感器的標(biāo)稱BOV應(yīng)約為電源電壓的一半，以Z大限度地增加在正負(fù)方向上的擺動量。大多數(shù)雙線傳感器會產(chǎn)生8-14V的偏置。當(dāng)振動信號幅度超過電源電壓和電源地的限制范圍(超量程)時，就會發(fā)生截斷。截斷振動信號會扭曲波形。換句話說，截斷的信號不再是傳感器試圖測量的振動的真實信號。
測量BOV
恒流二極管(CCD)限制了提供?傳感器的電流。它為傳感器提供恒定電流而不受供電電壓的影響。因為使用不受限的電源電流將損壞大多數(shù)具有內(nèi)部放大電路的傳感器，因此，大多數(shù)商業(yè)上可用的數(shù)據(jù)采集?和振動監(jiān)測器都有包括一個CCD，以調(diào)節(jié)提供給傳感器的電源。
大多數(shù)電池電源都包含一個2mA的CCD，以確保足夠長的電池使用時間。電纜線供電的電源（這里不考慮能耗）應(yīng)包含6∽10mA的CCD，這使他們能夠驅(qū)動長電纜。100°C以上的環(huán)境情況，Z好將電流限制在6mA以下，以減少自身的發(fā)熱。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集器提供2mA供電電流到傳感器(通常采集電纜<30米)；大多數(shù)在線系統(tǒng)提供4-6mA恒流源供電。如果使用沒有電流限制的電源，則CCD應(yīng)與電源的電壓輸出串聯(lián)放置，并確保適當(dāng)?shù)亩䴓O管極性。如果用電壓表探測限流電源，則將在CCD之前測量電源電壓。將在連接到傳感器的CCD的一側(cè)測量偏置電壓。圖3顯示了包含在2∽10mA之間的固定CCD的傳感器電源的示意圖。
應(yīng)定期測量BOV，以檢查傳感器的運行情況。Z好的測量設(shè)備是電壓表，然而，如果傳感器來自不同的來源（數(shù)據(jù)采集器以外）供電，大多數(shù)便攜式數(shù)據(jù)采集器可以測量BOV。當(dāng)使用數(shù)據(jù)采集器作為電壓表時，將使用直流電壓輸入設(shè)置。示波器也 可以通過選擇直流耦合輸入來測量BOV。許多在線系統(tǒng)可以監(jiān)測BOV的趨勢變化，BOV趨勢圖提供了傳感器運行狀態(tài)的記錄。如果傳感器斷路或緩慢出現(xiàn)故障，BOV數(shù)據(jù)可以顯示事件發(fā)生的時間。
BOV還將指示電纜和連接器的狀況。如果BOV電平測量值等于電源電壓，則傳感器可能是斷開或電源接反。測量值為0伏表示系統(tǒng)中存在短路。一個不穩(wěn)定的偏置電壓可能表明連接不良，但也可能由信號被截斷或嚴(yán)重的電磁干擾引起。
時間波形和FFT頻譜用于傳感器故障分析
傳感器的時間波形可以用示波器、數(shù)據(jù)采集器和在線振動監(jiān)測系統(tǒng)來測量。觀察時間波形可以立即發(fā)現(xiàn)截斷信號，它通常看起來一邊（正信號或負(fù)信號）被截斷或削平，另一邊是正常的。嚴(yán)重截斷的信號會導(dǎo)致波形看起來跳躍，連接不良也會導(dǎo)致類似的跳躍讀數(shù)。
FFT頻譜圖是另一種快速指示信號質(zhì)量的方法。通常信號中存在工頻（1倍工作時轉(zhuǎn)速頻率）振動時，表明其正常運行。信號中一個大的“滑雪坡”的存在可以表明傳感器過載導(dǎo)致的信號失真。然而，一個通過積分計算振動速度或振動位移的含有“噪聲”的振動加速度傳感器也可能產(chǎn)生“滑雪坡”。
通過分析FFT，也可以檢測到電纜故障。供電電源的頻率（在中國為50Hz）的倍數(shù)信號通常表示屏蔽或接地不當(dāng)。如果時間和頻率測量值讀取為零，則表示傳感器斷開或不工作。
故障指示
開路偏置故障：電源電壓（18-30V）
當(dāng)測量的BOV等于電源電壓時，表示傳感器被斷開或反向供電。在大多數(shù)情況下，問題出在連接器或電纜。首先檢查接線盒、數(shù)據(jù)采集器或監(jiān)控系統(tǒng)處的電纜端子接頭。如果電纜連接到端子板，確保電線是穩(wěn)固牢靠并連接了正確的端子。接下來，檢查與傳感器的電纜連接。許多時候，傳感器必須斷開以進(jìn)行被監(jiān)測機組的維護，然而維護結(jié)束后，有時忘記了重新連接傳感器。如果檢測到有故障的連接器，可以拆卸或更換連接器。如果每個端子顯示良好，檢查所有其他端子、聯(lián)接處和連接器。還要確保電纜沒有被壓壞或切斷。
如果電纜路線和連接看起來良好，請進(jìn)一步測試電纜的連續(xù)性。可以通過短路電纜一端的屏蔽線，用歐姆計測量另一端來測試電纜的連續(xù)性。
根據(jù)電纜的長度，從每根導(dǎo)線到屏蔽層應(yīng)測量幾個歐姆到不超過幾百歐姆。如果電纜和所有連接正常，則傳感器存在故障。然而，傳感器內(nèi)部的故障非常罕見。
短路偏置故障：0V
當(dāng)偏差測量0伏時，電源故障或系統(tǒng)短路通常是問題。首先，確保電源已接通并連接。如果電源接通，請檢查電纜是否短路。就像開路故障一樣，傳感器內(nèi)部也很少有短路。Z常見的故障位置是在接線盒終端。檢查以確保磨損的屏蔽層沒有在信號導(dǎo)線上短路。很多時候，被壓碎的電纜可以產(chǎn)生短路。使用歐姆計檢查引線之間的電氣隔離。斷開所有其他設(shè)備的電纜，并測量所有信號引線和屏蔽層之間的電纜。當(dāng)測量電纜導(dǎo)線之間的電阻時，歐姆計應(yīng)測量到無限大或至少超過50兆歐。
傳感器：低偏置電壓，高偏置電壓
除上述規(guī)定外的超出技術(shù)指標(biāo)的讀數(shù)通常表示傳感器損壞。傳感器損壞的常見來源是暴露于高溫、過度沖擊、供電錯誤和靜電放電。溫度過高是傳感器故障的Z常見原因。失火時傳感器通常被破壞，根據(jù)傳感器內(nèi)部的故障原因顯示不同的偏置電壓讀數(shù)。長期溫度故障的特點是偏置電壓緩慢上升或下降。在許多情況下，隨著溫度的降低，偏置電壓恢復(fù)到正常。然而，對放大器的損壞是永久性的，并且傳感器放大器可能會繼續(xù)惡化。圖4顯示了紙機干燥機部分中傳感器因長期高溫BOV下降而失效的偏置趨勢圖。
過度的沖擊、電源不當(dāng)和靜電放電會永久損壞無保護傳感器的放大器。工業(yè)傳感器通常包?保護設(shè)備，以防止這類故障。
不穩(wěn)定的偏置電壓和時間波形
對于正常工作的傳感器，偏置電壓應(yīng)保持穩(wěn)定和不變。偏置電壓的移動表明一個非常低的頻率信號，沒有被直流計濾掉。在極少數(shù)情況下，這表示實際的低頻信號，但在大多數(shù)情況下，這表明存在故障。造成不穩(wěn)定偏置電壓的主要原因是熱瞬變、連接不良、接地回路和信號過載。這些故障在時間波形中也可見為信號的不穩(wěn)定的跳躍或尖峰。熱瞬變導(dǎo)致傳感器外殼材料的熱膨脹不均勻。這可以被傳感器檢測為一個低頻信號。當(dāng)使用低頻傳感器時，這個問題Z為明顯。
不良或受污染的連接也會導(dǎo)致低頻偏置和接觸噪聲。尋找有腐蝕、骯臟或松動的連接。必要時修理或更換連接件。非導(dǎo)電性硅脂應(yīng)始終應(yīng)用于連接器上，以減少污染。
當(dāng)電纜屏蔽在兩個不同電位點接地時，形成接地回路。請注意，必須總是把屏蔽接在一端（單點接地）！接地回路的一個簡單測試是斷開電纜一端的屏蔽板。如果問題消失了，它可能是一個接地回路故障。圖5a和圖5b顯示了易受地面回路影響的連接和屏蔽僅固定在一端的正確安裝。
有時，由快速熱轉(zhuǎn)移、雷擊和沖擊所產(chǎn)生的虛假峰值會使傳感器過載，并導(dǎo)致偏置電壓的瞬間變化。偏置電壓的變化可以觸發(fā)報警并使得保護系統(tǒng)停機。為了防止觸發(fā)警報和停機，通常可以對觸發(fā)信號進(jìn)行較長時間的延遲編程或硬連接到監(jiān)控系統(tǒng)中。該延遲處理的方法可以阻止系統(tǒng)采取行動，直到傳感器干擾信號消失，以避免此類誤報警。
高頻、高振幅的振動信號也會使傳感器過載，在嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致偏移和不穩(wěn)定的時間波形。然而，過載問題通常是通過觀察截斷的時域波形和大的滑雪坡頻譜來檢測到的。
截斷時間波形：傳感器過載
截斷（削波）時間波形表示信號被限幅。限幅會導(dǎo)致放大器飽和并過載。導(dǎo)致傳感器過載的一些常見的機械原因是嚴(yán)重的泵汽蝕、蒸汽釋放、來自松動或往復(fù)式部件，甚至是齒輪嚙合的沖擊。
減少限幅削波信號的一種方法是使用更高的電源電壓，并確保偏置電壓位于電源電壓和接地電壓之間。例如，如果您使用18伏電源和12伏偏置，剪切將比使用24伏電源更容易發(fā)生。
然而，偏置電壓和電源很少是可調(diào)節(jié)。
超過200英尺（約60.96米）的長電纜也可以降低高頻時的振幅擺動，在一些應(yīng)用中可能是一個問題。Z簡單的解決方案是使用一個較低靈敏度的傳感器。靈敏度為10mV/g的傳感器的振幅范圍將是類似的1V/g傳感器的100倍。
“滑雪坡”頻譜
傳感器過載也可能產(chǎn)生“滑雪坡”光譜。如果放大器飽和，則會發(fā)生互調(diào)失真。這將導(dǎo)致低頻噪聲，也被稱為溢出失真。圖6a顯示了一個正常的振動頻譜圖。圖6b顯示了當(dāng)信號由于振動過大而超量程時會發(fā)生什么。
安裝諧振共振頻譜
安裝諧振可能會錯誤地顯示高頻機械故障，如齒輪嚙合和軸承問題。當(dāng)使用探針尖端和磁性底座時，這個問題更有可能發(fā)生，必須小心防止測量的安裝共振峰被錯誤地識別為機器產(chǎn)生的峰。將傳感器安裝在薄板上，如機器保護板，也可以降低安裝共振從而更容易導(dǎo)致錯誤的診斷。圖8顯示了幾種常見的安裝技術(shù)的安裝共振。因安裝諧振頻率導(dǎo)致的測量頻率范圍大致如下：
使用安裝在不同位置的傳感器進(jìn)行重新測量，能有效區(qū)分機器振動和安裝共振。然而，如果機器信號與安裝結(jié)構(gòu)的共振一致或有諧波關(guān)系，則會發(fā)生大大增加的信號。這可能會導(dǎo)致傳感器過載，這將表現(xiàn)為一個由“滑雪坡”主導(dǎo)的頻譜。
頻譜中的電氣線頻率諧波
交流線路電源線頻率信號的諧波通常表示來自電機、電力線和其他發(fā)射設(shè)備的干擾。首先，確保傳感器屏蔽已接地（僅在一端）。如果屏蔽效果良好，請檢查電纜線路。良好的現(xiàn)場安裝是將信號電纜槽與電力線電纜槽分開至少12英寸（約30.48cm）。如果信號電纜橋架必須靠近電源電纜橋架，它們應(yīng)以直角交叉，以減少磁耦合信號的可能性。此外，使用屏蔽雙絞線將有助于減少信號電纜的任何電磁耦合噪聲。例如，如果電源電纜為440伏，而來自傳感器的振動信號處于毫伏水平，則任何串?dāng)_都會嚴(yán)重?fù)p壞數(shù)據(jù)。
故障排查表
下面是具有12伏偏置電壓傳感器的故障排查圖。對于具有其他偏置電壓的傳感器，同樣?原理也適用——只是穩(wěn)定的偏置電壓范圍有所不同。
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