劉林
（卓微科技）
基于振動(dòng)加速度傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(通常叫做狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱(chēng)CMS(Condition Monitor System）可以對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證機(jī)械設(shè)備是否正確的安裝和運(yùn)行。測(cè)試方法確保了數(shù)據(jù)的完整性，并可以識(shí)別大多數(shù)機(jī)械相關(guān)問(wèn)題。
本文所討論的振動(dòng)加速度傳感器是專(zhuān)指內(nèi)嵌電路（ICP或IEPE）的壓電式加速度傳感器，此類(lèi)傳感器可能是機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用中Z重要Z常用的傳感器（另一類(lèi)是用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移的電渦流傳感器）。
本文涉及的故障排除技術(shù)非常簡(jiǎn)單實(shí)用，大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀或簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備都可以應(yīng)用。通過(guò)測(cè)量傳感器的偏置電壓，可以檢測(cè)到許多安裝問(wèn)題和傳感器問(wèn)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(shì)監(jiān)測(cè)圖。其他的一些問(wèn)題也可以通過(guò)分析時(shí)間波形和FFT（快速傅里葉變換）頻譜圖來(lái)檢測(cè)到。下一節(jié)將解釋傳感器的使用以及它與偏置電壓、時(shí)間波形（也叫時(shí)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(lèi)，Z后給出了一個(gè)故障排查圖。
振動(dòng)加速度傳感器的運(yùn)行和響應(yīng)
大多數(shù)振動(dòng)加速度傳感器故障都可以通過(guò)測(cè)量傳感器放大器的偏置電壓來(lái)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(guò)測(cè)量偏置電壓來(lái)區(qū)分。檢查偏置電壓后，時(shí)間波形和FFT頻譜圖將進(jìn)一步驗(yàn)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(dòng)成正比的交流信號(hào)。該交流信號(hào)疊加在直流偏置電壓上，此偏置電壓也稱(chēng)為偏壓輸出電壓(BOV)或有時(shí)稱(chēng)為靜止電壓。信號(hào)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(cè)量設(shè)備中的耦合電容所隔離，從而留下交流輸出信號(hào)。大多數(shù)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)視器和傳感器電源單元都包含一個(gè)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(chǎng)安裝隔直流電容器。
偏置電壓是多少？
大多數(shù)振動(dòng)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(cè)量動(dòng)態(tài)交流信號(hào)的雙線傳感器的特征。振動(dòng)和壓力是動(dòng)態(tài)信號(hào)隨時(shí)間變化的例子。
BOV可以解釋如下：外部電源為振動(dòng)加速度傳感器提供一個(gè)直流電壓。此電源電壓通常為18至30伏直流電。振動(dòng)加速度傳感器放大器電路設(shè)計(jì)將此電壓（或“偏差”電壓）建立到預(yù)設(shè)電平。這個(gè)BOV通常是12VDC，當(dāng)然它可能根據(jù)傳感器制造商和設(shè)計(jì)而不同。振動(dòng)加速度傳感器的規(guī)格表將提供每種振動(dòng)加速度傳感器型號(hào)的BOV信息。BOV由放大器設(shè)計(jì)決定，不可調(diào)。
只要輸入電源在指定的范圍內(nèi)，無(wú)論對(duì)振動(dòng)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(dòng)加速度傳感器中的放大器電路與來(lái)自獨(dú)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(lái)設(shè)置的。
圖1是一個(gè)表示電路原理的圖。由“儀器電源”和BOV表示的線路是一個(gè)具有兩個(gè)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(dòng)加速度傳感器到數(shù)據(jù)采集器或分析儀的電纜上測(cè)量的輸出電壓電平。
BOV將動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)傳送到分析儀。交流信號(hào)以BOV電平為中心線開(kāi)始高低波動(dòng)，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(hào)的擺動(dòng)將被限制在不超過(guò)24V，且不小于接地（0V）。這些都是理論上的極限。實(shí)際應(yīng)用中，這種擺動(dòng)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(chēng)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(dòng)量。大多數(shù)雙線傳感器會(huì)產(chǎn)生8-14V的偏置。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)幅度超過(guò)電源電壓和電源地的限制范圍(超量程)時(shí)，就會(huì)發(fā)生截?cái)�。截�(cái)嗾駝?dòng)信號(hào)會(huì)扭曲波形。換句話(huà)說(shuō)，截?cái)嗟男盘?hào)不再是傳感器試圖測(cè)量的振動(dòng)的真實(shí)信號(hào)。
測(cè)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?yàn)槭褂貌皇芟薜碾娫措娏鲗p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(dòng)監(jiān)測(cè)器都有包括一個(gè)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(gè)2mA的CCD，以確保足夠長(zhǎng)的電池使用時(shí)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(dòng)長(zhǎng)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(méi)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(cè)限流電源，則將在CCD之前測(cè)量電源電壓。將在連接到傳感器的CCD的一側(cè)測(cè)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(cè)量BOV，以檢查傳感器的運(yùn)行情況。Z好的測(cè)量設(shè)備是電壓表，然而，如果傳感器來(lái)自不同的來(lái)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(cè)量BOV。當(dāng)使用數(shù)據(jù)采集器作為電壓表時(shí)，將使用直流電壓輸入設(shè)置。示波器也 可以通過(guò)選擇直流耦合輸入來(lái)測(cè)量BOV。許多在線系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)BOV的趨勢(shì)變化，BOV趨勢(shì)圖提供了傳感器運(yùn)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(shí)間。
BOV還將指示電纜和連接器的狀況。如果BOV電平測(cè)量值等于電源電壓，則傳感器可能是斷開(kāi)或電源接反。測(cè)量值為0伏表示系統(tǒng)中存在短路。一個(gè)不穩(wěn)定的偏置電壓可能表明連接不良，但也可能由信號(hào)被截?cái)嗷驀?yán)重的電磁干擾引起。
時(shí)間波形和FFT頻譜用于傳感器故障分析
傳感器的時(shí)間波形可以用示波器、數(shù)據(jù)采集器和在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。觀察時(shí)間波形可以立即發(fā)現(xiàn)截?cái)嘈盘?hào)，它通�？雌饋�(lái)一邊（正信號(hào)或負(fù)信號(hào)）被截?cái)嗷蛳髌�，另一邊是正常的。�?yán)重截?cái)嗟男盘?hào)會(huì)導(dǎo)致波形看起來(lái)跳躍，連接不良也會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似的跳躍讀數(shù)。
FFT頻譜圖是另一種快速指示信號(hào)質(zhì)量的方法。通常信號(hào)中存在工頻（1倍工作時(shí)轉(zhuǎn)速頻率）振動(dòng)時(shí)，表明其正常運(yùn)行。信號(hào)中一個(gè)大的“滑雪坡”的存在可以表明傳感器過(guò)載導(dǎo)致的信號(hào)失真。然而，一個(gè)通過(guò)積分計(jì)算振動(dòng)速度或振動(dòng)位移的含有“噪聲”的振動(dòng)加速度傳感器也可能產(chǎn)生“滑雪坡”。
通過(guò)分析FFT，也可以檢測(cè)到電纜故障。供電電源的頻率（在中國(guó)為50Hz）的倍數(shù)信號(hào)通常表示屏蔽或接地不當(dāng)。如果時(shí)間和頻率測(cè)量值讀取為零，則表示傳感器斷開(kāi)或不工作。
故障指示
開(kāi)路偏置故障：電源電壓（18-30V）
當(dāng)測(cè)量的BOV等于電源電壓時(shí)，表示傳感器被斷開(kāi)或反向供電。在大多數(shù)情況下，問(wèn)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(lái)，檢查與傳感器的電纜連接。許多時(shí)候，傳感器必須斷開(kāi)以進(jìn)行被監(jiān)測(cè)機(jī)組的維護(hù)，然而維護(hù)結(jié)束后，有時(shí)忘記了重新連接傳感器。如果檢測(cè)到有故障的連接器，可以拆卸或更換連接器。如果每個(gè)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(méi)有被壓壞或切斷。
如果電纜路線和連接看起來(lái)良好，請(qǐng)進(jìn)一步測(cè)試電纜的連續(xù)性�？梢酝ㄟ^(guò)短路電纜一端的屏蔽線，用歐姆計(jì)測(cè)量另一端來(lái)測(cè)試電纜的連續(xù)性。
根據(jù)電纜的長(zhǎng)度，從每根導(dǎo)線到屏蔽層應(yīng)測(cè)量幾個(gè)歐姆到不超過(guò)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(jiàn)。
短路偏置故障：0V
當(dāng)偏差測(cè)量0伏時(shí)，電源故障或系統(tǒng)短路通常是問(wèn)題。首先，確保電源已接通并連接。如果電源接通，請(qǐng)檢查電纜是否短路。就像開(kāi)路故障一樣，傳感器內(nèi)部也很少有短路。Z常見(jiàn)的故障位置是在接線盒終端。檢查以確保磨損的屏蔽層沒(méi)有在信號(hào)導(dǎo)線上短路。很多時(shí)候，被壓碎的電纜可以產(chǎn)生短路。使用歐姆計(jì)檢查引線之間的電氣隔離。斷開(kāi)所有其他設(shè)備的電纜，并測(cè)量所有信號(hào)引線和屏蔽層之間的電纜。當(dāng)測(cè)量電纜導(dǎo)線之間的電阻時(shí)，歐姆計(jì)應(yīng)測(cè)量到無(wú)限大或至少超過(guò)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(jiàn)來(lái)源是暴露于高溫、過(guò)度沖擊、供電錯(cuò)誤和靜電放電。溫度過(guò)高是傳感器故障的Z常見(jiàn)原因。失火時(shí)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(zhǎng)期溫度故障的特點(diǎn)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(duì)放大器的損壞是永久性的，并且傳感器放大器可能會(huì)繼續(xù)惡化。圖4顯示了紙機(jī)干燥機(jī)部分中傳感器因長(zhǎng)期高溫BOV下降而失效的偏置趨勢(shì)圖。
過(guò)度的沖擊、電源不當(dāng)和靜電放電會(huì)永久損壞無(wú)保護(hù)傳感器的放大器。工業(yè)傳感器通常包?保護(hù)設(shè)備，以防止這類(lèi)故障。
不穩(wěn)定的偏置電壓和時(shí)間波形
對(duì)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(dòng)表明一個(gè)非常低的頻率信號(hào)，沒(méi)有被直流計(jì)濾掉。在極少數(shù)情況下，這表示實(shí)際的低頻信號(hào)，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(hào)過(guò)載。這些故障在時(shí)間波形中也可見(jiàn)為信號(hào)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(cè)為一個(gè)低頻信號(hào)。當(dāng)使用低頻傳感器時(shí)，這個(gè)問(wèn)題Z為明顯。
不良或受污染的連接也會(huì)導(dǎo)致低頻偏置和接觸噪聲。尋找有腐蝕、骯臟或松動(dòng)的連接。必要時(shí)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(gè)不同電位點(diǎn)接地時(shí)，形成接地回路。請(qǐng)注意，必須總是把屏蔽接在一端（單點(diǎn)接地）！接地回路的一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試是斷開(kāi)電纜一端的屏蔽板。如果問(wèn)題消失了，它可能是一個(gè)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(shí)，由快速熱轉(zhuǎn)移、雷擊和沖擊所產(chǎn)生的虛假峰值會(huì)使傳感器過(guò)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(bào)警并使得保護(hù)系統(tǒng)停機(jī)。為了防止觸發(fā)警報(bào)和停機(jī)，通�？梢詫�(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)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(dòng)，直到傳感器干擾信號(hào)消失，以避免此類(lèi)誤報(bào)警。
高頻、高振幅的振動(dòng)信號(hào)也會(huì)使傳感器過(guò)載，在嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致偏移和不穩(wěn)定的時(shí)間波形。然而，過(guò)載問(wèn)題通常是通過(guò)觀察截?cái)嗟臅r(shí)域波形和大的滑雪坡頻譜來(lái)檢測(cè)到的。
截?cái)鄷r(shí)間波形：傳感器過(guò)載
截?cái)啵ㄏ鞑ǎ⿻r(shí)間波形表示信號(hào)被限幅。限幅會(huì)導(dǎo)致放大器飽和并過(guò)載。導(dǎo)致傳感器過(guò)載的一些常見(jiàn)的機(jī)械原因是嚴(yán)重的泵汽蝕、蒸汽釋放、來(lái)自松動(dòng)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(hào)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(guò)200英尺（約60.96米）的長(zhǎng)電纜也可以降低高頻時(shí)的振幅擺動(dòng)，在一些應(yīng)用中可能是一個(gè)問(wèn)題。Z簡(jiǎn)單的解決方案是使用一個(gè)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(lèi)似的1V/g傳感器的100倍。
“滑雪坡”頻譜
傳感器過(guò)載也可能產(chǎn)生“滑雪坡”光譜。如果放大器飽和，則會(huì)發(fā)生互調(diào)失真。這將導(dǎo)致低頻噪聲，也被稱(chēng)為溢出失真。圖6a顯示了一個(gè)正常的振動(dòng)頻譜圖。圖6b顯示了當(dāng)信號(hào)由于振動(dòng)過(guò)大而超量程時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
安裝諧振共振頻譜
安裝諧振可能會(huì)錯(cuò)誤地顯示高頻機(jī)械故障，如齒輪嚙合和軸承問(wèn)題。當(dāng)使用探針尖端和磁性底座時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更有可能發(fā)生，必須小心防止測(cè)量的安裝共振峰被錯(cuò)誤地識(shí)別為機(jī)器產(chǎn)生的峰。將傳感器安裝在薄板上，如機(jī)器保護(hù)板，也可以降低安裝共振從而更容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的診斷。圖8顯示了幾種常見(jiàn)的安裝技術(shù)的安裝共振。因安裝諧振頻率導(dǎo)致的測(cè)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(cè)量，能有效區(qū)分機(jī)器振動(dòng)和安裝共振。然而，如果機(jī)器信號(hào)與安裝結(jié)構(gòu)的共振一致或有諧波關(guān)系，則會(huì)發(fā)生大大增加的信號(hào)。這可能會(huì)導(dǎo)致傳感器過(guò)載，這將表現(xiàn)為一個(gè)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(hào)的諧波通常表示來(lái)自電機(jī)、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(qǐng)檢查電纜線路。良好的現(xiàn)場(chǎng)安裝是將信號(hào)電纜槽與電力線電纜槽分開(kāi)至少12英寸（約30.48cm）。如果信號(hào)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(hào)的可能性。此外，使用屏蔽雙絞線將有助于減少信號(hào)電纜的任何電磁耦合噪聲。例如，如果電源電纜為440伏，而來(lái)自傳感器的振動(dòng)信號(hào)處于毫伏水平，則任何串?dāng)_都會(huì)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(duì)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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