動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器在軸承振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

王進(jìn)漢，李興林，趙麗雅，張衛(wèi)明，陸源

(杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

1 動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的工作原理

動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器是一種無(wú)需外接輔助電源就能將被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易測(cè)電信號(hào)的無(wú)源傳感器。如圖1所示，動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器主要由磁軛、永久磁鐵、線圈、補(bǔ)償線圈、彈簧、金屬骨架等組成，其利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)物體的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

圖1 動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的典型結(jié)構(gòu)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(chǎng)，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(shí)，金屬骨架通過(guò)延伸測(cè)頭與被測(cè)物體接觸，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，金屬骨架會(huì)隨之振動(dòng)，此時(shí)金屬骨架上的線圈也隨之運(yùn)動(dòng)，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(1)

式中：B0為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l為每匝線圈平均長(zhǎng)度；v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；W為線圈在工作氣隙磁場(chǎng)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(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器能夠?qū)⒄駝?dòng)速度轉(zhuǎn)變成為電量進(jìn)行測(cè)振的原理[1-2]。

2 基于動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

典型的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，主要由動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器及振動(dòng)測(cè)量?jī)x組成。振動(dòng)源的振動(dòng)信號(hào)由傳感器拾取，再通過(guò)傳感器連接線送入振動(dòng)測(cè)量?jī)x，由振動(dòng)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、分析和處理。

圖2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Vibration test system

2.2 動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器

在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的作用是將拾取到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。為精確地對(duì)拾取到的振動(dòng)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量，對(duì)動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的特性提出以下要求：1)頻率響應(yīng)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(qiáng)；5)外部構(gòu)造結(jié)實(shí)耐磨，工作穩(wěn)定可靠。

在配合測(cè)試系統(tǒng)使用時(shí)，應(yīng)特別注意動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的靈敏度性能指標(biāo)，即

(2)

針對(duì)軸承振動(dòng)的測(cè)量，自主研發(fā)了BVT系列動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器(下文用BVT-S表示)，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。動(dòng)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(cè)頭，測(cè)頭與軸承外圈接觸，通過(guò)測(cè)頭拾取軸承外圈的徑向振動(dòng)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(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)量。

圖3 動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)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(guò)調(diào)整動(dòng)圈質(zhì)量m、彈簧片剛度K和長(zhǎng)度L，攻克了速度型傳感器諧振頻率大于10 kHz的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)測(cè)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(cè)力小于0.7 N，解決了微型軸承測(cè)振時(shí)由于測(cè)力過(guò)大而造成被測(cè)軸承外圈自由振動(dòng)受到約束的技術(shù)難點(diǎn)。并通過(guò)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)力可調(diào)的功能，解決了傳感器高頻跟隨特性滿(mǎn)足不了測(cè)振要求的技術(shù)難點(diǎn)。

BVT-S與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品(BCC-1型)的性能對(duì)比見(jiàn)表1，頻響特性曲線如圖4所示。對(duì)比可知：兩者的諧振頻率基本一致，均達(dá)到12 kHz左右；在8～10 kHz的范圍內(nèi)，BCC-1的浮動(dòng)接近4 dB，而B(niǎo)VT-S的浮動(dòng)僅3 dB左右，說(shuō)明其整體性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

表1 傳感器性能對(duì)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(dòng)測(cè)量?jī)x

速度型軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x是振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的重要組成，其通過(guò)電纜與動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器相連，可以對(duì)傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行直接測(cè)量與實(shí)時(shí)顯示，也可以外接相應(yīng)的分析軟件和控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)分析和信號(hào)輸出[3]。

3 軸承振動(dòng)的測(cè)量

軸承振動(dòng)測(cè)量的原理如圖5所示。被測(cè)軸承的振動(dòng)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(yīng)的電信號(hào)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(tīng)電路。帶通濾波器將50 ～10 000 Hz頻率范圍的信號(hào)輸送給有效值電路；監(jiān)聽(tīng)電路將輸入的信號(hào)再放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出被測(cè)軸承實(shí)時(shí)噪聲。在有效值電路中，信號(hào)經(jīng)處理后分別送到低、中、高頻表頭，顯示出被測(cè)軸承的實(shí)時(shí)振動(dòng)速度值。

圖5 軸承振動(dòng)測(cè)量的原理圖Fig.5 Schematic diagram of bearing vibration measurement

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證的儀器采用BVT系列軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x，被測(cè)軸承為6004-2RSH和6306E/C4，2種型號(hào)軸承各取10套，分別采用BVT-S及BCC-1傳感器配合振動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。由表2和表3可知：2種型號(hào)軸承的2組數(shù)據(jù)基本吻合，且軸承的振動(dòng)值均符合標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Vibration test results of bearing 6004

表3 6306軸承振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Vibration test results of bearing 6306

4 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)圈式磁感應(yīng)傳感器輸出阻抗低，輸出信號(hào)正比于振動(dòng)速度的電信號(hào)，只要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆e分和微分電路，就能方便地得到振動(dòng)的振幅和加速度，在各個(gè)領(lǐng)域的振動(dòng)測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用。與軸承測(cè)振儀組成軸承振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可以為軸承的振動(dòng)測(cè)量或監(jiān)測(cè)提供一種手段，為需要解決軸承振動(dòng)現(xiàn)象的工程提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持；還可以對(duì)測(cè)得的軸承振動(dòng)值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承振動(dòng)值的變化趨勢(shì)，為軸承在線振動(dòng)檢測(cè)提供參考，從而分析軸承的缺陷原因。