振动加速度传感器安装的故障排除

发布时间：2022-01-29

刘林

（卓微科技）

基于振动加速度传感器的监测系统(通常叫做状态监测系统），简称CMS(Condition Monitor System）可以对机械设备进行振动信号监测，以验证机械设备是否正确的安装和运行。测试方法确保了数据的完整性，并可以识别大多数机械相关问题。

本文所讨论的振动加速度传感器是专指内嵌电路（ICP或IEPE）的压电式加速度传感器，此类传感器可能是机械状态监测领域商业应用中Z重要Z常用的传感器（另一类是用于监测振动位移的电涡流传感器）。

本文涉及的故障排除技术非常简单实用，大多数监控系统、数据采集仪或简单的振动测试设备都可以应用。通过测量传感器的偏置电压，可以检测到许多安装问题和传感器问题。偏置电压将指示电缆线路不良和传感器故障。许多在线系统都提供传感器偏置电压的趋势监测图。其他的一些问题也可以通过分析时间波形和FFT（快速傅里叶变换）频谱图来检测到。下一节将解释传感器的使用以及它与偏置电压、时间波形（也叫时域波形）和FFT响应的关系。以下章节将根据不同的故障表现进行分类，Z后给出了一个故障排查图。

振动加速度传感器的运行和响应

大多数振动加速度传感器故障都可以通过测量传感器放大器的偏置电压来诊断。如果偏置电压在正确的范围内，则传感器很大可能是正常工作的。大多数布线故障也可以通过测量偏置电压来区分。检查偏置电压后，时间波形和FFT频谱图将进一步验证故障诊断或确认是否正常。

交流耦合和直流偏置电压 

传感器的输出是与振动成正比的交流信号。该交流信号叠加在直流偏置电压上，此偏置电压也称为偏压输出电压(BOV)或有时称为静止电压。信号的直流分量由电源中的2mA恒流二极管产生。该直流电压需要被测量设备中的耦合电容所隔离，从而留下交流输出信号。大多数振动数据采集器、监视器和传感器电源单元都包含一个用于交流耦合的内部隔直流电容器。如果不包括在内，则必须在现场安装隔直流电容器。

偏置电压是多少？

大多数振动加速度传感器、压电式速度传感器和许多压力传感器都有偏置输出。偏置输出是用于测量动态交流信号的双线传感器的特征。振动和压力是动态信号随时间变化的例子。

BOV可以解释如下：外部电源为振动加速度传感器提供一个直流电压。此电源电压通常为18至30伏直流电。振动加速度传感器放大器电路设计将此电压（或“偏差”电压）建立到预设电平。这个BOV通常是12VDC，当然它可能根据传感器制造商和设计而不同。振动加速度传感器的规格表将提供每种振动加速度传感器型号的BOV信息。BOV由放大器设计决定，不可调。

只要输入电源在指定的范围内，无论对振动加速度传感器的输入功率如何，BOV都将保持不变。例如，如果BOV为12VDC，输入电源指定为18至30V，则如果输入功率为18VDC，BOV将为12VDC。如果输入功率增加到30VDC，BOV将保持在12VDC。BOV是由振动加速度传感器中的放大器电路与来自独立电源或分析仪或数据采集器的恒流源的相互作用来设置的。

图1是一个表示电路原理的图。由“仪器电源”和BOV表示的线路是一个具有两个功能的导体。因此，即使电源提供了更高的输入电压，BOV也是在连接振动加速度传感器到数据采集器或分析仪的电缆上测量的输出电压电平。

BOV将动态振动信号传送到分析仪。交流信号以BOV电平为中心线开始高低波动，并受到电源电平和电源地的限制。例如，如果电源电平为24伏，则交流信号的摆动将被限制在不超过24V，且不小于接地（0V）。这些都是理论上的极限。实际应用中，这种摆动的限制发生在电源地上方1.5V左右以及电源水平以下1.5V，如图2所示。

大多数便携式数据采集器和在线系统向传感器提供24V电源。所选传感器的标称BOV应约为电源电压的一半，以Z大限度地增加在正负方向上的摆动量。大多数双线传感器会产生8-14V的偏置。当振动信号幅度超过电源电压和电源地的限制范围(超量程)时，就会发生截断。截断振动信号会扭曲波形。换句话说，截断的信号不再是传感器试图测量的振动的真实信号。

测量BOV

恒流二极管(CCD)限制了提供?传感器的电流。它为传感器提供恒定电流而不受供电电压的影响。因为使用不受限的电源电流将损坏大多数具有内部放大电路的传感器，因此，大多数商业上可用的数据采集?和振动监测器都有包括一个CCD，以调节提供给传感器的电源。

大多数电池电源都包含一个2mA的CCD，以确保足够长的电池使用时间。电缆线供电的电源（这里不考虑能耗）应包含6∽10mA的CCD，这使他们能够驱动长电缆。100°C以上的环境情况，Z好将电流限制在6mA以下，以减少自身的发热。大多数数据采集器提供2mA供电电流到传感器(通常采集电缆<30米)；大多数在线系统提供4-6mA恒流源供电。如果使用没有电流限制的电源，则CCD应与电源的电压输出串联放置，并确保适当的二极管极性。如果用电压表探测限流电源，则将在CCD之前测量电源电压。将在连接到传感器的CCD的一侧测量偏置电压。图3显示了包含在2∽10mA之间的固定CCD的传感器电源的示意图。

应定期测量BOV，以检查传感器的运行情况。Z好的测量设备是电压表，然而，如果传感器来自不同的来源（数据采集器以外）供电，大多数便携式数据采集器可以测量BOV。当使用数据采集器作为电压表时，将使用直流电压输入设置。示波器也 可以通过选择直流耦合输入来测量BOV。许多在线系统可以监测BOV的趋势变化，BOV趋势图提供了传感器运行状态的记录。如果传感器断路或缓慢出现故障，BOV数据可以显示事件发生的时间。

BOV还将指示电缆和连接器的状况。如果BOV电平测量值等于电源电压，则传感器可能是断开或电源接反。测量值为0伏表示系统中存在短路。一个不稳定的偏置电压可能表明连接不良，但也可能由信号被截断或严重的电磁干扰引起。

时间波形和FFT频谱用于传感器故障分析

传感器的时间波形可以用示波器、数据采集器和在线振动监测系统来测量。观察时间波形可以立即发现截断信号，它通常看起来一边（正信号或负信号）被截断或削平，另一边是正常的。严重截断的信号会导致波形看起来跳跃，连接不良也会导致类似的跳跃读数。

FFT频谱图是另一种快速指示信号质量的方法。通常信号中存在工频（1倍工作时转速频率）振动时，表明其正常运行。信号中一个大的“滑雪坡”的存在可以表明传感器过载导致的信号失真。然而，一个通过积分计算振动速度或振动位移的含有“噪声”的振动加速度传感器也可能产生“滑雪坡”。

通过分析FFT，也可以检测到电缆故障。供电电源的频率（在中国为50Hz）的倍数信号通常表示屏蔽或接地不当。如果时间和频率测量值读取为零，则表示传感器断开或不工作。

故障指示 

开路偏置故障：电源电压（18-30V） 

当测量的BOV等于电源电压时，表示传感器被断开或反向供电。在大多数情况下，问题出在连接器或电缆。首先检查接线盒、数据采集器或监控系统处的电缆端子接头。如果电缆连接到端子板，确保电线是稳固牢靠并连接了正确的端子。接下来，检查与传感器的电缆连接。许多时候，传感器必须断开以进行被监测机组的维护，然而维护结束后，有时忘记了重新连接传感器。如果检测到有故障的连接器，可以拆卸或更换连接器。如果每个端子显示良好，检查所有其他端子、联接处和连接器。还要确保电缆没有被压坏或切断。

如果电缆路线和连接看起来良好，请进一步测试电缆的连续性。可以通过短路电缆一端的屏蔽线，用欧姆计测量另一端来测试电缆的连续性。

根据电缆的长度，从每根导线到屏蔽层应测量几个欧姆到不超过几百欧姆。如果电缆和所有连接正常，则传感器存在故障。然而，传感器内部的故障非常罕见。

短路偏置故障：0V

当偏差测量0伏时，电源故障或系统短路通常是问题。首先，确保电源已接通并连接。如果电源接通，请检查电缆是否短路。就像开路故障一样，传感器内部也很少有短路。Z常见的故障位置是在接线盒终端。检查以确保磨损的屏蔽层没有在信号导线上短路。很多时候，被压碎的电缆可以产生短路。使用欧姆计检查引线之间的电气隔离。断开所有其他设备的电缆，并测量所有信号引线和屏蔽层之间的电缆。当测量电缆导线之间的电阻时，欧姆计应测量到无限大或至少超过50兆欧。

传感器：低偏置电压，高偏置电压

除上述规定外的超出技术指标的读数通常表示传感器损坏。传感器损坏的常见来源是暴露于高温、过度冲击、供电错误和静电放电。温度过高是传感器故障的Z常见原因。失火时传感器通常被破坏，根据传感器内部的故障原因显示不同的偏置电压读数。长期温度故障的特点是偏置电压缓慢上升或下降。在许多情况下，随着温度的降低，偏置电压恢复到正常。然而，对放大器的损坏是永久性的，并且传感器放大器可能会继续恶化。图4显示了纸机干燥机部分中传感器因长期高温BOV下降而失效的偏置趋势图。

过度的冲击、电源不当和静电放电会永久损坏无保护传感器的放大器。工业传感器通常包?保护设备，以防止这类故障。

不稳定的偏置电压和时间波形

对于正常工作的传感器，偏置电压应保持稳定和不变。偏置电压的移动表明一个非常低的频率信号，没有被直流计滤掉。在极少数情况下，这表示实际的低频信号，但在大多数情况下，这表明存在故障。造成不稳定偏置电压的主要原因是热瞬变、连接不良、接地回路和信号过载。这些故障在时间波形中也可见为信号的不稳定的跳跃或尖峰。热瞬变导致传感器外壳材料的热膨胀不均匀。这可以被传感器检测为一个低频信号。当使用低频传感器时，这个问题Z为明显。

不良或受污染的连接也会导致低频偏置和接触噪声。寻找有腐蚀、肮脏或松动的连接。必要时修理或更换连接件。非导电性硅脂应始终应用于连接器上，以减少污染。

当电缆屏蔽在两个不同电位点接地时，形成接地回路。请注意，必须总是把屏蔽接在一端（单点接地）！接地回路的一个简单测试是断开电缆一端的屏蔽板。如果问题消失了，它可能是一个接地回路故障。图5a和图5b显示了易受地面回路影响的连接和屏蔽仅固定在一端的正确安装。

有时，由快速热转移、雷击和冲击所产生的虚假峰值会使传感器过载，并导致偏置电压的瞬间变化。偏置电压的变化可以触发报警并使得保护系统停机。为了防止触发警报和停机，通常可以对触发信号进行较长时间的延迟编程或硬连接到监控系统中。该延迟处理的方法可以阻止系统采取行动，直到传感器干扰信号消失，以避免此类误报警。

高频、高振幅的振动信号也会使传感器过载，在严重的情况下会导致偏移和不稳定的时间波形。然而，过载问题通常是通过观察截断的时域波形和大的滑雪坡频谱来检测到的。

截断时间波形：传感器过载

截断（削波）时间波形表示信号被限幅。限幅会导致放大器饱和并过载。导致传感器过载的一些常见的机械原因是严重的泵汽蚀、蒸汽释放、来自松动或往复式部件，甚至是齿轮啮合的冲击。

减少限幅削波信号的一种方法是使用更高的电源电压，并确保偏置电压位于电源电压和接地电压之间。例如，如果您使用18伏电源和12伏偏置，剪切将比使用24伏电源更容易发生。

然而，偏置电压和电源很少是可调节。

超过200英尺（约60.96米）的长电缆也可以降低高频时的振幅摆动，在一些应用中可能是一个问题。Z简单的解决方案是使用一个较低灵敏度的传感器。灵敏度为10mV/g的传感器的振幅范围将是类似的1V/g传感器的100倍。

 “滑雪坡”频谱

传感器过载也可能产生“滑雪坡”光谱。如果放大器饱和，则会发生互调失真。这将导致低频噪声，也被称为溢出失真。图6a显示了一个正常的振动频谱图。图6b显示了当信号由于振动过大而超量程时会发生什么。

安装谐振共振频谱

安装谐振可能会错误地显示高频机械故障，如齿轮啮合和轴承问题。当使用探针尖端和磁性底座时，这个问题更有可能发生，必须小心防止测量的安装共振峰被错误地识别为机器产生的峰。将传感器安装在薄板上，如机器保护板，也可以降低安装共振从而更容易导致错误的诊断。图8显示了几种常见的安装技术的安装共振。因安装谐振频率导致的测量频率范围大致如下：

使用安装在不同位置的传感器进行重新测量，能有效区分机器振动和安装共振。然而，如果机器信号与安装结构的共振一致或有谐波关系，则会发生大大增加的信号。这可能会导致传感器过载，这将表现为一个由“滑雪坡”主导的频谱。

频谱中的电气线频率谐波

交流线路电源线频率信号的谐波通常表示来自电机、电力线和其他发射设备的干扰。首先，确保传感器屏蔽已接地（仅在一端）。如果屏蔽效果良好，请检查电缆线路。良好的现场安装是将信号电缆槽与电力线电缆槽分开至少12英寸（约30.48cm）。如果信号电缆桥架必须靠近电源电缆桥架，它们应以直角交叉，以减少磁耦合信号的可能性。此外，使用屏蔽双绞线将有助于减少信号电缆的任何电磁耦合噪声。例如，如果电源电缆为440伏，而来自传感器的振动信号处于毫伏水平，则任何串扰都会严重损坏数据。

故障排查表

下面是具有12伏偏置电压传感器的故障排查图。对于具有其他偏置电压的传感器，同样?原理也适用——只是稳定的偏置电压范围有所不同。

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