測速齒輪損傷對不同測速傳感器測速結果影響的分析

呂躍躍，趙友有，楊壯豪

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在大型轉動機械的轉速測量工作中，測速探頭搭配測速齒輪的測速方式是最常用、最成熟的技術方案。測速齒輪常隨轉動設備一同供貨，更換測速齒輪存在價格昂貴、定制周期長等問題。此外，部分測速齒輪通過轉動機械的轉子軸頭銑得，無法更換且修復困難。

本文以工程應用中的測速齒輪損傷引發的測速不穩為切入點，分別對MPU、電渦流和霍爾式傳感器在測速齒輪損傷條件下的測速效果進行試驗，并分析齒輪損傷對測速結果的影響機理，給出齒輪損傷情況下的測速傳感器選型建議，提高測速方案的穩定性、準確性和可靠性。

1 現存問題描述

在國內某大型轉機的測速環節中，選擇霍爾式傳感器搭配測速齒輪的技術方案，如圖1 所示。由于測速齒輪損傷，測速結果出現大幅波動，測試結果如圖2 所示。

圖1 測速方案簡圖Fig.1 A short picture of the speed measurement scheme

圖3 轉速試驗系統結構簡圖Fig.3 A brief diagram of the structure of the speed test system

通過改變傳感器安裝間隙等優化方法，問題未能消除。

2 離線試驗

2.1 試驗概述

試驗系統示意圖如圖3 所示。將試件安裝至轉速校驗臺上，安裝測速探頭，并將測速探頭分別接至測速裝置和快速記錄儀；測速裝置通過以太網連接至調試筆記本，實時監測實測轉速。通過調試筆記本的轉速曲線和快速記錄儀的探頭波形記錄曲線，用以分析試件損傷、校驗臺轉速以及不同探頭類型對測速結果的影響。

2.2 試驗結果

2.2.1 電渦流探頭試驗情況

由試驗及現場應用經驗，電渦流探頭在試件損傷的情況下測速結果較好。本次試驗測速結果與探頭波形如圖4和圖5 所示。

試驗表明，在整個試驗過程中，測速結果誤差在±1RPM 以內。

圖2 現有測速結果Fig.2 Existing speed measurement results

圖4 電渦流探頭測速結果Fig.4 Electric vortex probe speed results

圖5 電渦流探頭輸出波形Fig.5 Electric vortex probe output waveform

2.2.2 霍爾探頭試驗情況

由于電渦流探頭測速結果良好，為對比分析，將電渦流探頭和霍爾探頭同時接進轉速測量裝置進行試驗，測速結果和探頭波形分別如圖6 和圖7 所示。當低轉速時，轉速測量裝置的測速結果誤差約為±60RPM；隨著轉速升高，測速結果逐漸改善；當升至3000RPM 時，測速誤差約為±35RPM。試件修復齒波形良好，損傷齒波形畸變明顯。

圖6 霍爾探頭測速結果Fig.6 Hall probe speed measurement results

圖8 MPU輸出波形Fig.8 MPU output waveform

2.2.3 MPU試驗情況

由于電渦流探頭測速結果良好，為對比分析，將電渦流探頭和MPU 同時接進轉速測量裝置進行試驗，測速結果及探頭波形分別如圖9 和圖8 所示。

當低轉速時，轉速測量裝置無法檢測MPU 的有效信號，故轉速恒為0RPM；當轉速升至1500RPM 時，轉速測量裝置可以檢測MPU 的有效信號， 但轉速波動較大。當實際轉速為1500RPM 時，測速結果偏差約為±80RPM。隨著轉速的升高，測速誤差逐漸減小。至3000RPM 時，測速誤差約為±5RPM。

3000RPM 時MPU 波形輸出如圖8 所示，由圖可知該波形多次出現異常過零現象，且損傷齒處波形畸變嚴重。

3 原因分析

3.1 MPU探頭

MPU 結構簡圖如圖10 所示，其主要部件有永磁體、極片、線圈等。當極片正對測速齒輪凸面時，極片中磁通量最大；當極片正對凹面時，磁通量最小。隨著齒輪的轉動，極片中的磁通不斷變化，從而在線圈中感應出電動勢，并經信號引線送出。該電動勢可反映測速齒輪的轉動情況，經轉速測量裝置預處理后可調理為規整的頻率信號，進而計算出實際轉速[6]。

圖7 霍爾探頭輸出波形Fig.7 Hall probe output waveform

圖9 MPU探頭波形與測速結果Fig.9 MPU probe waveform and speed measurement results

圖10 MPU結構簡圖Fig.10 MPU Structure brief

根據圖8 可知，修復齒對應波形的邊沿特性和正常齒的邊沿特性基本一致，未修復齒的邊沿特性則存在明顯的畸變現象。

MPU 的測量原理為磁/電感應，即當穿過線圈的磁通變化時，線圈會感應出電壓，且磁通變化越快，感應電壓越大。由于磁通的變化率可通過轉速體現，故轉速越快，輸出電壓越大。

圖11 MPU相對于試件的位置示意圖Fig.11 Map of the position of the MPU relative to the specimen

圖13 MPU異常過零現象Fig.13 MPU abnormal zero ingress

圖12 MPU正常過零Fig.12 MPU normal crossing zero

圖14 MPU損傷齒波Fig.14 MPU damaged tooth waveform

3.1.1 轉速測量裝置在低轉速下無MPU測速結果的原因分析

轉速測量裝置中MPU 測速通道的有效電壓為1Vrms ～35Vrms[2]。當低轉速時，由于磁通變化率小，感應電壓較低，故轉速測量裝置無MPU 的測量轉速；隨著實際轉速的逐漸升高，感應電壓逐漸增大，當某一齒對應的感應電壓超過最低值時，轉速測量裝置的MPU 監測通道能夠測量到轉速信號。由于齒輪加工及安裝的一致性不高，故在此狀況下漏齒現象嚴重，對外表現為測速結果大幅波動；根據圖 8 可知，損傷齒對應的感應電壓過低，漏齒頻繁，加劇了低轉速下的測速跳變現象。隨著轉速逐漸升高，漏齒現象逐漸消除，測速結果趨向穩定。

3.1.2 MPU波形分析

1）正常過零現象

MPU 處試件凹面的示意圖如圖11A 所示。由于凹面為平面， 故當探頭軸線和凹面垂直時磁通最小，且此時磁通變化率為0。由于試件逆時針旋轉，故在此過程中磁通量先減小后增大，對應感應電動勢由負值變為正值，從而形成正常過零現象，如圖12 所示。

2）試件凸面異常過零現象

MPU 正對試件凸面的示意圖如圖 11B 所示。由于凸面為圓弧，故理想情況下當MPU 在圓弧面內時，磁通恒定不變，感應電動勢為0V。但由于凸面并非理想圓弧，且轉動過程中必然存在偏心情況，加之電磁干擾影響，該過程中磁通在小幅波動，對外表現為感應電動勢在0V 附近波動，即異常過零現象，如圖13 所示。

3）試件損傷缺陷影響分析

如圖11C 所示，當MPU 經過損傷處時，由于損傷缺陷，導致凸面下凹，磁通量提前降低；當探頭自損傷處轉至凹面時，磁通變化量小，進而導致磁通變化率低，對外表現為該處峰值較小，如圖14 所示。

3.2 霍爾探頭

霍爾探頭的測量原理如圖15 所示[1]，其核心部件為一個霍爾三級管（Q1）。當試件凹面正對Q1 基極時，Q1 斷開，此時輸出端（Signal）約為供電電壓（Vin）；當凸面正對Q1 基極時，Q1 導通，此時Signal 的電壓為Q1 分壓值，約為0V。隨著測速齒輪的轉動，Signal 輸出規整的頻率信號，可直接用于轉速測量裝置計算實際轉速。

圖15 霍爾探頭原理圖Fig.15 Hall probe schematic

圖17 電渦流探頭測速原理Fig.17 The speed measurement principle of the electric vortex probe

圖16 霍爾探頭和電渦流探頭比對結果Fig.16 Hall probe vs. electric vortex probe comparison results

圖18 “轉速測量裝置+電渦流探頭”測量原理Fig.18 "Speed measurement device and electric vortex probe" measurement principle

3.3 霍爾探頭試驗結果分析

根據圖7 可知，修復齒對應波形的邊沿特性和正常齒的邊沿特性基本一致，未修復齒的邊沿特性則存在明顯的畸變現象。

由于霍爾探頭的輸出波形為邊緣陡峭的頻率信號，故轉速測量裝置中的閾值調整方法無法完成有效的波形預處理功能，進而導致轉速測量裝置測量結果波動?；魻枺ㄋ{）和電渦流探頭（紅）的波形對比結果如圖16 所示。

3.4 電渦流探頭

本文中的電渦流探頭是一種距離測量傳感器，其原理如圖17 所示[4,5]。電渦流探頭由前置器、延長電纜和探頭3 部分組成。前置器通過其內部振蕩器產生高頻電流，通過延長電纜送至探頭線圈。由于電磁感應，線圈產生交變磁場并作用于被測體。由于渦流效應，被測體上感應出交變渦流。交變渦流感應出交變磁場，并反作用于探頭線圈，引起線圈上交變電流的幅值和相位變化（變化程度受探頭與被測體距離影響）。檢測電路監測該幅值和相位變化，經放大器等運算電路得到反映探頭與被測體距離的電壓信號。

當被測體是一個轉動的齒輪時，輸出端測得的波形是一個反映齒輪徑向輪廓和探頭距離的連續波形。該波形可反映測速齒輪的轉動情況，經轉速測量裝置預處理后可調理為規整的頻率信號，進而計算出實際轉速。

3.5 電渦流探頭試驗結果分析

根據圖5 可知，試件修復后，修復齒對應波形的邊沿特性和正常齒的邊沿特性基本一致，未修復齒的邊沿特性則存在明顯的畸變現象。

電渦流探頭連續測量探頭與試件徑向輪廓的距離，并以電壓的形式實時輸出至轉速測量裝置。在波形畸變的情況下，測速結果依然能夠保持穩定的原因為轉速測量裝置能夠根據波形畸變情況，手動設置閾值電壓，如圖18 所示。測速探頭的波形進入轉速測量裝置后進行預處理，即將波形和閾值電壓進行比較，當波形電壓高于閾值電壓時，比較結果為高；反之，則為低，從而得到規整的頻率信號。轉速測量裝置的轉速計算環節根據預處理后的規整頻率信號進行轉速計算。由于閾值電壓可調，可根據波形的畸變程度上下調整，從而降低甚至消除波形畸變的影響。

表1 探頭測速效果比較Table 1 Comparison of probe speed measurement results

4 結論

4.1 電渦流探頭

電渦流探頭為位移測量傳感器，其輸出信號為連續電壓信號。其輸出信號經轉速測量裝置的預處理環節后，能夠輸出規整的波形，消除試件缺陷的影響，進而獲得良好的測速效果。

電渦流探頭的缺點為元件數量多，單一元件損壞可能影響整體測量功能，故障率較高。

4.2 霍爾探頭

霍爾探頭以霍爾元件為核心，體積小、壽命長、靈敏度高、抗干擾能力強，輸出信號穩定。此外，該有源探頭的測量過程不受轉速影響，能夠實現全轉速范圍內的高精度轉速波形拾取。霍爾探頭的開、關觸發環節集成于探頭內部，觸發閾值無法調整。其輸出波形接近方波，邊沿陡峭，故無法通過外部方法補償，靈活性略低。實踐證明，當測速齒輪損傷時，測速結果易受影響。另，霍爾探頭能夠加工的最大線徑較?。s0.3mm2），當反復拆裝時，容易造成信號線斷裂。

4.3 MPU

MPU 是汽輪機測速系統中應用最為廣泛和成熟的探頭類型，其核心部件為線圈，具有故障率低、無需供電等優點。

由于MPU 是通過磁/電感應的原理產生波形，故其在低轉速下或齒輪損傷情況下測速表現較差。MPU 通過磁/電感應獲得的電壓負載能力低，當遠距離傳輸或復雜電磁環境下使用時，波形易受干擾。在本試驗中，MPU 波形輸出出現多次異常過零現象。隨著轉速的增加，不排除測速結果大幅跳變的可能。此外，根據Woodward 官方文檔[3]，MPU 不推薦用于本項目中的齒輪類型。

上述3 種探頭優、缺點概述如表1 所示。