動圈式磁感應傳感器在軸承振動測量中的應用

王進漢，李興林，趙麗雅，張衛(wèi)明，陸源

(杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

1 動圈式磁感應傳感器的工作原理

動圈式磁感應傳感器是一種無需外接輔助電源就能將被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易測電信號的無源傳感器。如圖1所示，動圈式磁感應傳感器主要由磁軛、永久磁鐵、線圈、補償線圈、彈簧、金屬骨架等組成，其利用電磁感應原理將被測物體的振動信號轉(zhuǎn)換成電信號。

圖1 動圈式磁感應傳感器的典型結(jié)構圖Fig.1 Typical structure diagram of moving-coil type magnetic induction sensor

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場，而磁路中的工作氣隙固定不變，則氣隙中的磁通也恒定不變。工作時，金屬骨架通過延伸測頭與被測物體接觸，當被測物體振動時，金屬骨架會隨之振動，此時金屬骨架上的線圈也隨之運動，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生的感應電動勢為

(1)

式中：B0為工作氣隙磁感應強度；l為每匝線圈平均長度；v為相對運動速度；W為線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)。磁路氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應電動勢，這就是動圈式磁感應傳感器能夠?qū)⒄駝铀俣绒D(zhuǎn)變成為電量進行測振的原理[1-2]。

2 基于動圈式磁感應傳感器的振動測試方案

2.1 整體方案設計

典型的振動測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由動圈式磁感應傳感器及振動測量儀組成。振動源的振動信號由傳感器拾取，再通過傳感器連接線送入振動測量儀，由振動測量儀實現(xiàn)對信號的采集、分析和處理。

圖2 振動測試系統(tǒng)Fig.2 Vibration test system

2.2 動圈式磁感應傳感器

在振動測量系統(tǒng)中，動圈式磁感應傳感器的作用是將拾取到的振動信號轉(zhuǎn)變成相應的電信號。為精確地對拾取到的振動量進行轉(zhuǎn)換測量，對動圈式磁感應傳感器的特性提出以下要求：1)頻率響應范圍大，能覆蓋低頻和高頻；2)諧振頻率高，10 kHz以上；3)頻響范圍內(nèi)的線性度好，小于5%；4)抗干擾能力強；5)外部構造結(jié)實耐磨，工作穩(wěn)定可靠。

在配合測試系統(tǒng)使用時，應特別注意動圈式磁感應傳感器的靈敏度性能指標，即

(2)

針對軸承振動的測量，自主研發(fā)了BVT系列動圈式磁感應傳感器(下文用BVT-S表示)，其結(jié)構原理如圖3所示。動圈繞制在輕質(zhì)的硬鋁合金屬骨架上，骨架下端鑲有耐磨性能優(yōu)越的紅寶石測頭，測頭與軸承外圈接觸，通過測頭拾取軸承外圈的徑向振動速度V,并在傳感器輸出端輸出與V成正比的輸出電壓U，實現(xiàn)非電量的電測量。

圖3 動圈式磁感應傳感器的結(jié)構原理Fig.3 Structure principle of moving-coil type magnetic induction sensor

骨架由二片非常薄的彈簧片支承，通過調(diào)整動圈質(zhì)量m、彈簧片剛度K和長度L，攻克了速度型傳感器諧振頻率大于10 kHz的技術難點，實測值均在12 kHz左右。另外，由于彈簧片厚度非常小，能使傳感器的測力小于0.7 N，解決了微型軸承測振時由于測力過大而造成被測軸承外圈自由振動受到約束的技術難點。并通過結(jié)構的創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了測力可調(diào)的功能，解決了傳感器高頻跟隨特性滿足不了測振要求的技術難點。

BVT-S與國外同類產(chǎn)品(BCC-1型)的性能對比見表1，頻響特性曲線如圖4所示。對比可知：兩者的諧振頻率基本一致，均達到12 kHz左右；在8～10 kHz的范圍內(nèi)，BCC-1的浮動接近4 dB，而BVT-S的浮動僅3 dB左右，說明其整體性能已達到國際先進水平。

表1 傳感器性能對比Tab.1 Comparison of performances for sensors

圖4 傳感器的頻響特性曲線Fig.4 Frequency response characteristic curves of sensors

2.3 速度型軸承振動測量儀

速度型軸承振動測量儀是振動測試系統(tǒng)的重要組成，其通過電纜與動圈式磁感應傳感器相連，可以對傳感器拾取的振動信號進行直接測量與實時顯示，也可以外接相應的分析軟件和控制模塊進行相應的信號分析和信號輸出[3]。

3 軸承振動的測量

軸承振動測量的原理如圖5所示。被測軸承的振動由置壓在軸承外圈上的速度型傳感器拾取并轉(zhuǎn)換成相應的電信號送入電箱，經(jīng)電箱的前置放大器和主放大器后輸送給帶通濾波器和監(jiān)聽電路。帶通濾波器將50 ～10 000 Hz頻率范圍的信號輸送給有效值電路；監(jiān)聽電路將輸入的信號再放大后推動揚聲器發(fā)出被測軸承實時噪聲。在有效值電路中，信號經(jīng)處理后分別送到低、中、高頻表頭，顯示出被測軸承的實時振動速度值。

圖5 軸承振動測量的原理圖Fig.5 Schematic diagram of bearing vibration measurement

現(xiàn)場測量驗證的儀器采用BVT系列軸承振動測量儀，被測軸承為6004-2RSH和6306E/C4，2種型號軸承各取10套，分別采用BVT-S及BCC-1傳感器配合振動測量儀進行振動測量，結(jié)果見表2和表3。由表2和表3可知：2種型號軸承的2組數(shù)據(jù)基本吻合，且軸承的振動值均符合標準值范圍[4-6]：6004(低頻≤310 μm/s；中頻≤140 μm/s；高頻≤220 μm/s)；6306(低頻≤460 μm/s；中頻≤210 μm/s；高頻≤370 μm/s)。

表2 6004軸承振動測試結(jié)果Tab.2 Vibration test results of bearing 6004

表3 6306軸承振動測試結(jié)果Tab.3 Vibration test results of bearing 6306

4 結(jié)束語

動圈式磁感應傳感器輸出阻抗低，輸出信號正比于振動速度的電信號，只要經(jīng)過適當?shù)姆e分和微分電路，就能方便地得到振動的振幅和加速度，在各個領域的振動測試中得到了廣泛的應用。與軸承測振儀組成軸承振動測試系統(tǒng)，可以為軸承的振動測量或監(jiān)測提供一種手段，為需要解決軸承振動現(xiàn)象的工程提供可靠的試驗數(shù)據(jù)和技術支持；還可以對測得的軸承振動值進行分析，發(fā)現(xiàn)軸承振動值的變化趨勢，為軸承在線振動檢測提供參考，從而分析軸承的缺陷原因。