主轴振动测量系统

通过研究主轴振动可以认识其运行状态。接触式测量方法会对主轴振动状态

造成影响，降低结果的准确程度。为了减小对振动系统的影响，对于读取状态信

息的传感器，应以非接触的方式为宜。可检测振动信号的传感器主要有:电涡流式位移传感器、电容式位移传感器、

加速度传感器，其中可进行非接触式测量的主要是:电涡流式位移传感器、电容

式位移传感器。电容式传感器的后续电路复杂，在存在较强电磁干扰的现场，使

用的电缆较长，杂散电容对测量结果产生影响，成本较高。不适合对机床主轴的

振动。电涡流传感器可以实现非接触式测量，且有灵敏度高、抗干扰能力强、低频

特性好、响应速度快、工作稳定可靠等优点，具有很宽的使用范围

和线形范围，在旋转类机械设备振动信号采集中得到广泛的应用，技术比较成熟。

本文拟采用电涡流式传感器完成对主轴的振动信号的采集。

振动监测和故障诊断的核心问题是

适当的选择及安装传感器，以便能获得

机械振动及其它状态数据。对于旋转设备来说，径向的振动的测量多是在长y方向上

安装两个非接触式的涡流传感器;

对于主轴组件来说，其径向是振动的敏感方向，可在主轴的径向安装两个互为90的涡流传感器，以获取主轴的振动信息。

电涡流位移传感器的工作

原理是电涡流效应。当接通传感

器系统电源时，在前置器内会产

生一个高频电流信号，该信号通

过电缆送到探头的内部，在头部

周围产生交变磁场Hl。如图3.5

所示。如果在磁场Hl的范围内

没有金属导体材料接近，则发射

图3.5涡流效应示意图

到这一范围内的能量会全部释放;反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则

交变磁场Hl将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与Hl

相反的交变磁场场。由于丛的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和

相位，即改变了线圈的有效阻抗。假定金属导体是均质的，则线圈一金属导体系

统的物理性能通常可由金属导体的磁导率夕、电导率占、尺寸因子;、线圈与金属

导体距离d、线圈激励电流强度I和频率f等参数来描述。

因此线圈的阻抗可用如下函数来表示:

于尸了召，占，r，d，I，力 (3.1)

对于特定的传感器，线圈的尺寸因子;、线圈的激励电流强度I和频率f恒定

不变;对一于特定的测试对象，金属导体的磁导率户、电导率沙值定不变，那么阻

抗Z就成为距离d的单值函数。由麦克斯韦尔公式可以求得此函数为一非线性函

数，其曲线为“S’’形曲线，在一定范围内可以近似为一线性函数。

3:31.2检测电路

线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路处理后

转换成电压或电流输出。如图3.6。采用并联谐振法，由前置器中一个固定电容CO

和探头线圈L、并联与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振荡幅度Ux与线

圈阻抗成比例，因此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距d改变。Ux经检波

滤波、放大，非线性修正后输出电压U0。

检检波滤波波线性修正哗

万f-------------一

斗泌刃那万、\\被赊属导体

图3.6电涡流传感器检测电路框图

灵敏度影响因素

(l)被测物体表面尺寸的影响探头线圈产生的磁场范围是一定的，在被测

物体表面形成的涡流场也是一定的。试验表明，当被测面为平面时，以正对探头

中心线的点为中心，被测面直径应当大于探头头部直径1.5倍以上;当被测体为圆

轴而且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍

以上，否则灵敏度就会下降[36]。本课题的研究对象直径为叻88.882mm，探头的直

径为功Slnln，其比值大于1.5倍，符合检测要求。

(2)被测物体表面加工状况的影响不规则的被测体表面会给实际的测量造

成附加误差，特别是对于振动测量，这个附加误差信号与实际的振动信号叠加在

一起，很难进行分离，因此被测表面应该光洁。通常，对于振动测量表面粗糙度

Ra要求在0.4一 0.8om之间(AP1670标准推荐值)，一般需要对被测面进行衍磨

或抛光136】;本课题研究对象的表面粗糙度为 Ra=O.5om，符合检测要求;

(3)被测物体材料的影响传感器特性与被测体的电导率和磁导率有关，当

被测体为导磁材料(如结构钢等)时，由于磁效应和涡流效应同时存在，而且磁

效应与涡流效应相反，要抵消部分涡流效应，使得传感器感应灵敏度低;而当被

测体为非导磁或弱导磁材料(如铜、铝、合金钢等)时，由于磁效应弱，相对来

说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高;

被测体表面残磁效应的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，由于

加工过程中形成的残磁效应，以及淬火不均匀，硬度不均匀，结晶结构不均匀等

都会影响传感器特性，”1670标准推荐被测体表面残磁不超过 0.5pT。当需要更

高的测量精度时，应该用实际被测体进行校准;

(5)各探头间的距离探头头部线圈中的电流会在头部周围会产生磁场，因

此在安装时要注意两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会互相干扰，

在输出信号上叠加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相

令区干扰。

相邻干扰与被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式等有关。通常情况

下探头之间的最小距离见表3.1;

(6)探头与安装面之间的距离探头头部发射的磁场在径向和轴向都有一定

的扩散。因此在安装时，就必须考虑安装面金属导体材料的影响，应保证探头头

部与安装面之间不小于一定的距离，工程塑料头部体要完全露出安装面，否则应

将安装面加工成平底孔或倒角。

传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化。信号调理环节把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集，控

制过程，执行计算、显示、读出等用途的数字信号;并对其信号进行初步处理，

使之符合计算机分析的要求

振动传感器检测到的振动信号包含交流和直流分量。交流信号反映振动的瞬

变情况，直流分量则反映了转子的轴心位置。采用适当的电路将反映不同工况特

征的交、直流信号分离开来并分别进行采样，从而使特征信号准确、客观地体现

设备运行工况。交流信号主要应用于振动的谱分析、统计分析以及轴心轨迹分析;

直流信号则用于轴心位置的在线监视。频谱、轴心轨迹和轴心位置都是故障诊断

的重要特征量。

为了消除检测到的特征信号的噪声污染及其对各种后续分析带来的负面影

响，需采用特定的滤波器对检测信号进行滤波。滤波器可分为低通、高通、带通

和带阻四类，每一种滤波器相当于对信号进行不同的频域加窗处理。合理选择滤

波器的类型及其参数，保留对故障诊断有用的频率成分，滤掉杂波或噪声

3.3.4.3信号放大

一般A/D转换要求输入士5V范围内的电压信号，超出该范围则会产生截波，

因此经A/D转换之前，需将信号放大到该范围内。此外，为保证转换精度，过小

的模拟电压也是不合适的。

A/D转换是信号工况监测与故障诊断系统中的重要环节，它将检测到的模拟信

号转换成数字信号，以便于计算机分析与处理。A/D转换包括取样和量化两个步骤。

取样将模拟信号按一定的时间间隔逐点取其瞬时值。量化是指从一组有限个离散

电平中取一个近似采样点的实际电平幅值，这些离散电平为量化电平，每个量化

电平对应一个二进制码。经A/D转换一取样和量化后的信号即为数字信号，可由计

算机进行后续分析。

3.3.4.5数据综合采集

目前信号采集方式己实现模块化。多种集成电路芯片焊接在一块电路板上，

使用者可以根据需要选择不同的功能、型号的采集、处理板卡，实现信号的采样、

保持、滤波、转换和传输等功能。数据采集板卡是计算机与外部的接口，它的主

要作用是将外部的模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号。是联系控制分析

计算机和传感器的中枢。

在本系统的设计中，数据采集卡接收从前一部分(信号调理模块)所传来的

信号，对其进行综合处理。如图3.11。根据转速的大小对整个系统的采样进行综

合协调;通过通道选择子功能模块将信号分时进行转换、输送;将模拟信号转化

成计算机可以识别的数字信号，并进行初步的非正常量的消除、滤波等处理后，

输入到分析计算机中。