劉林（lín）

（卓（zhuó）微科技）

基（jī）於振動加（jiā）速度傳感器的監測係統(通常叫做狀態（tài）監測（cè）係統（tǒng）），簡稱CMS(Condition Monitor System）可以對機械設備進行振動信號監測，以驗證機械設備（bèi）是否正（zhèng）確的安裝（zhuāng）和運行。測試方法確保了數據（jù）的（de）完（wán）整性，並可以識別大多數機械相關（guān）問題。

本文所討論的振動加速度傳感器是專（zhuān）指內（nèi）嵌電路（lù）（ICP或IEPE）的壓電式加速（sù）度傳感器，此類（lèi）傳感器可能是機械狀態監測領域商業應用中Z重要Z常用的傳（chuán）感器（另一類是用於監測振動位移的電渦流傳感器）。

本文涉及的故障排除技術非（fēi）常簡單實用，大多數監控係統、數據（jù）采集儀或簡單（dān）的振動測試設備（bèi）都可以應用。通過（guò）測量傳感器的（de）偏置電壓，可以檢測到許（xǔ）多安裝問題和傳感（gǎn）器（qì）問題。偏置電壓將指示電纜線路不良和傳感（gǎn）器故障（zhàng）。許多在線係統（tǒng）都提供傳感器偏（piān）置電壓的趨勢監測圖。其他的一些（xiē）問題也可以通過分析時間波形（xíng）和FFT（快速傅裏葉變換）頻譜圖來（lái）檢測到。下一節將解釋傳感器的使用以及它與偏置電（diàn）壓、時（shí）間波形（也叫時域波形）和FFT響應的關係。以（yǐ）下章節將根據不同的故障表現進行分類，Z後給（gěi）出了一（yī）個故障排查圖。

振動加速度傳感器的運行和響應

大（dà）多數振動加速度傳感器故障都可以通過測量傳感器放大器（qì）的偏（piān）置電壓來診斷。如果偏置電（diàn）壓在正確的範圍內，則傳感器很大可能是正常工作的。大多數布線故障也可（kě）以通過測量偏置電壓來區（qū）分。檢查偏置電壓後，時間波形和FFT頻譜圖將進一步驗證故障診（zhěn）斷或確（què）認（rèn）是否正常。

交流（liú）耦合和直流偏置電壓 

傳感器的輸出是與振動成正比的交流信號。該（gāi）交流信號疊（dié）加在直流偏置電壓上，此偏置電壓也稱為偏壓（yā）輸出電壓(BOV)或有時稱為靜止電壓。信號的直流分量由電源中的2mA恒流二極管產生。該直流電壓需要被測量設備中的耦合（hé）電容所隔（gé）離，從而留下交流輸出信號。大多數振動數據采集器、監視器和傳感器電源單元都包含一個（gè）用於交流耦合的內部隔直流電（diàn）容器（qì）。如果不（bú）包括在內，則必須在現場安裝隔直（zhí）流電容器。

偏（piān）置電壓是多少？

大多數振動（dòng）加速度傳感器、壓電式速度傳感器和許（xǔ）多壓力傳感器都有偏置輸出（chū）。偏置輸出是用於測量動態交（jiāo）流信號的雙線傳感器的特征。振動和壓（yā）力是動態信號隨時間變化的例子。

BOV可以解釋如下：外部電（diàn）源為（wéi）振動加速度傳感器提供一個直（zhí）流電壓。此電源（yuán）電壓通常為18至30伏直流電。振動加速度傳感器放（fàng）大器電路設計將（jiāng）此電壓（或“偏差”電壓）建立到（dào）預設電平。這個BOV通（tōng）常（cháng）是12VDC，當（dāng）然它可（kě）能根據傳感器製造商和設計而不同。振動加速度傳感器的規格表將提供每種（zhǒng）振（zhèn）動加速度傳感（gǎn）器型號的BOV信息。BOV由放大器設計決定，不可調。

隻要輸入電源在指定的範圍內，無論對振動加速度傳感器的輸入功率（lǜ）如何，BOV都將保持不變。例如，如果BOV為12VDC，輸入電源指定為（wéi）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（dào）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自獨立電源或分析儀（yí）或數據采集器的恒（héng）流（liú）源的相互（hù）作用來設置的。

圖1是一個（gè）表示電路原理的圖。由“儀器電源”和BOV表示的線路是一個具有兩個功能的導體。因此，即使電源提供了更高的輸入電壓，BOV也是在連接振動加速度傳感器到數據采集器或分析儀的電纜上測量的輸出電壓電平。

BOV將動態振（zhèn）動信號（hào）傳送到分析儀。交流信號以BOV電平為中心線開（kāi）始高低波動，並受到電源電平和電源地的限製。例如，如果電源電平（píng）為24伏，則交流信（xìn）號的擺動將被（bèi）限（xiàn）製在不（bú）超過24V，且（qiě）不小於接地（0V）。這些都是理論上的極限。實際應用中，這種擺動的限（xiàn）製發（fā）生在（zài）電源地上（shàng）方1.5V左右以及電（diàn）源（yuán）水平以下1.5V，如圖2所示。

大多數便攜式數據采集器和在線係統向傳感器提供24V電（diàn）源。所選傳感器的標（biāo）稱BOV應約為電源電壓的一半（bàn），以Z大限（xiàn）度地增加在正負方向上的擺動量。大多數雙（shuāng）線傳感（gǎn）器會（huì）產生8-14V的偏置。當振動信號幅度超過電源（yuán）電壓和電源地的限製範圍(超量程)時，就會發生截斷。截斷振動信號會扭曲波形。換（huàn）句話說，截斷的信號不再是傳感器試圖測量的振動的（de）真實信號。

測量BOV

恒（héng）流二極管(CCD)限製了提供?傳感器的電流。它為傳感器提供（gòng）恒定電流而不受供電電壓的影響。因為使用不受限的電源電流將損壞大多數具有內部（bù）放大電路的傳感器，因此，大多數商業上可用（yòng）的（de）數據采集?和振動監（jiān）測器都有包括一個CCD，以調節提供給傳感器的電源。

大多數電池電源（yuán）都包含一個2mA的CCD，以確保足夠長的電池使用時（shí）間（jiān）。電纜線（xiàn）供電的電源（這裏不考慮能耗）應包含6∽10mA的CCD，這使他們能夠驅動長電（diàn）纜。100°C以上的（de）環境情況，Z好將電流限製在6mA以下，以減少自身的發熱。大多數（shù）數據采集器提供2mA供電電流（liú）到傳感器(通常采集電纜<30米)；大多數在線（xiàn）係統（tǒng）提供4-6mA恒流源供電。如果使用沒有電（diàn）流限製的電源，則CCD應與電源的電壓輸（shū）出串聯放置，並確（què）保適當的二極管極性。如果用電壓表探測限流電源，則將在CCD之前測量電源電壓。將在連接到傳感器的CCD的一側測量偏置電壓。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。

應定（dìng）期測量BOV，以檢查傳感器的運行情況。Z好的（de）測量（liàng）設備是電壓表（biǎo），然而，如果傳感器來自（zì）不同（tóng）的來源（yuán）（數據采集器以外）供電，大多數便攜式數據采集器可以測量BOV。當（dāng）使用數據采集器作為電壓表時，將使用直流電壓輸入設置。示波器也 可以通過選擇（zé）直流耦合輸入（rù）來（lái）測量BOV。許多在線係統可以監測BOV的趨勢（shì）變（biàn）化，BOV趨勢圖提（tí）供了傳感器運行狀態的記錄（lù）。如果傳感器斷路或緩慢出現故障，BOV數據可以顯示事件發生的時間（jiān）。

BOV還將指示電纜和連接器的狀況。如果BOV電平測量值等於電（diàn）源電（diàn）壓，則傳感（gǎn）器可能是斷開或電源接反。測量值為（wéi）0伏表示（shì）係（xì）統中存在短路（lù）。一個不穩（wěn）定（dìng）的偏置（zhì）電壓（yā）可能表明連接不良，但也可能由信號被截斷或嚴重的電磁幹擾引起。

時間波形和（hé）FFT頻譜用（yòng）於傳感（gǎn）器故障分析

傳（chuán）感器的時間波形可以用示波器、數據采集器和在線振（zhèn）動（dòng）監測係統來測（cè）量。觀察時間波形（xíng）可以立即發（fā）現截斷信號，它通常看起來一邊（正信號或負信號）被截斷或（huò）削平，另（lìng）一邊是（shì）正常的。嚴重截斷的信號會導致波形（xíng）看起來跳躍，連接不良也會導致類似的跳躍讀數。

FFT頻譜圖是另一種快速指示（shì）信號質量的方法。通常信號（hào）中存在工頻（1倍工作（zuò）時轉速頻率）振動時，表明其正常運（yùn）行。信號中一個大的“滑雪（xuě）坡”的存在可以表明傳感器過載導致的（de）信號失真。然而，一個通過積分計算振動速度或振動位移的含有“噪聲”的（de）振動加速度傳感器也可能產生“滑雪坡”。

通過分析FFT，也可以檢測到電（diàn）纜故障。供電電源的頻率（在中國為50Hz）的倍數信號通常表示屏蔽或（huò）接地不當。如果時間（jiān）和頻率測（cè）量值讀取為零，則表示傳感器斷開或不工（gōng）作。

故障指示 

開路偏置故障：電源（yuán）電壓（18-30V） 

當測量的BOV等於電源電壓時，表示（shì）傳感器被斷開或反向供電。在大多數情況下，問（wèn）題出（chū）在連接器或電纜。首先檢查接線盒、數據采（cǎi）集器或監控係統處的電（diàn）纜端（duān）子接頭。如果電（diàn）纜連接到端子板，確保電線是穩固牢靠並連接（jiē）了正確的端子。接（jiē）下來，檢查與傳感器的電纜連接。許多時候，傳（chuán）感（gǎn）器必須斷開以進行被監測機組的維護，然而維護結束後，有時忘記了重（chóng）新連接傳感器。如果檢（jiǎn）測到有故障的連接器，可以拆卸或（huò）更換（huàn）連接器。如果每個端（duān）子顯（xiǎn）示（shì）良（liáng）好，檢查所有其（qí）他端子、聯接處和連接器。還要確保電纜沒有（yǒu）被壓壞或切斷。

如（rú）果電纜路線和連接（jiē）看起來良好，請進一步測試電纜的連續性。可以通過短路電纜一端的屏蔽線，用歐姆計測量（liàng）另一端來（lái）測試電纜的連續（xù）性。

根據電纜的長（zhǎng）度（dù），從每根導線到屏蔽層應測量（liàng）幾個歐姆到不超過幾（jǐ）百歐（ōu）姆。如果電纜和所有連接（jiē）正常（cháng），則傳感器存（cún）在故（gù）障。然而，傳感器（qì）內部的故障非常罕見。

短路（lù）偏置故障（zhàng）：0V

當偏差測量0伏時，電源故障或係統短路通常是問題。首（shǒu）先，確保電源已接通並連接。如果電源接通，請檢查電纜是否短路。就像開路故障一（yī）樣（yàng），傳感器內（nèi）部也（yě）很少有短路。Z常（cháng）見的故障位置是在接線（xiàn）盒終端。檢查以確保（bǎo）磨損的屏蔽層沒有在信號導線上短路。很多時候（hòu），被壓碎的電纜可以產（chǎn）生（shēng）短路。使（shǐ）用歐姆計（jì）檢查引線之間的電氣隔離（lí）。斷開所有其他設備的電（diàn）纜，並測（cè）量所有信號引線和（hé）屏蔽層之間的電纜。當測量電（diàn）纜導線之間的電阻時，歐姆計應測量到無限大或至少超（chāo）過50兆歐。

傳感器：低偏置電（diàn）壓，高偏置電壓

除上述規定外的（de）超出技術指標的讀數通常表示傳感器損壞。傳感器（qì）損壞的常見來源是暴露於高溫、過度衝擊、供電錯誤和（hé）靜電放電。溫（wēn）度過高是（shì）傳感器故障的Z常見原因。失火（huǒ）時（shí）傳感器通常被破壞，根據傳感器內部的故障原因顯示不（bú）同的偏置電壓讀數。長期溫度故障的特點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，偏置電壓恢複到正常。然而，對放大器的損壞是永（yǒng）久性的（de），並且傳感器放大器可能會繼續惡化。圖4顯示了紙機幹燥機部分中傳（chuán）感器因長期高溫BOV下降而失效的偏置趨勢圖（tú）。

過度的衝擊、電源不當和靜電（diàn）放電會永久損（sǔn）壞無保護傳（chuán）感器的放大器。工業（yè）傳感器通常包?保護設備，以防止這類故障。

不穩定的偏置電壓和（hé）時間波形

對於正常工作的傳感器，偏置電壓應保持穩定和不變。偏置電壓的移動表明（míng）一個非常低的頻率信號，沒有被直流計（jì）濾掉（diào）。在極少（shǎo）數情況下，這表（biǎo）示實際的低頻信號，但在大多數情況下，這表明存在故障。造成不穩定（dìng）偏置電壓的主（zhǔ）要原因是熱瞬變、連接不良、接（jiē）地回路和信號過載。這些故障在時間波形中也可見為（wéi）信號的不穩定的跳躍或尖峰。熱瞬變導致（zhì）傳感器外殼材料的（de）熱膨脹（zhàng）不均勻。這可以被傳感（gǎn）器檢測為一個低頻信號。當使用低（dī）頻傳感器時，這個問題Z為明顯。

不（bú）良或受汙染的（de）連接也會導致低頻（pín）偏置和接觸噪聲（shēng）。尋（xún）找有腐蝕、肮髒或鬆動的連接。必（bì）要時修理或更換連接件。非（fēi）導電性矽脂應始終應用於連接器上，以減少汙染。

當電纜屏蔽在兩個（gè）不同電位點接地時，形成接地回路。請注意（yì），必須總是把屏蔽接在一端（單點接地）！接地回路的一（yī）個簡單（dān）測試是斷開電纜一端的屏蔽板。如果問題消失（shī）了（le），它可能是一個接地回路故障（zhàng）。圖5a和圖5b顯示了易（yì）受地麵回路影響的（de）連接（jiē）和（hé）屏蔽僅固定在一端的正確（què）安裝。

有時，由快速熱（rè）轉移、雷擊和（hé）衝擊所產生的虛假峰值會使傳感器過（guò）載，並導致偏置電壓的瞬間變化（huà）。偏置電壓的變化可以觸發報警並使得保護係統停機。為了防止觸（chù）發警報和停機，通常（cháng）可以（yǐ）對觸發信號進行較長時間的（de）延遲編程或硬連接到監控係統中。該延遲處（chù）理的（de）方法可以阻止係統（tǒng）采取行動，直到傳感器幹（gàn）擾信號消失，以避免此類誤報警。

高頻、高振幅的振（zhèn）動信號也會（huì）使傳感（gǎn）器過載，在嚴重的情況下會導致偏移和不穩定的時間波形。然而，過（guò）載問（wèn）題通常是通過觀察截斷的時域波形（xíng）和大的（de）滑雪坡頻譜來檢測到的。

截斷時間波形（xíng）：傳感器（qì）過載

截（jié）斷（削波）時間波形表（biǎo）示信號被（bèi）限幅。限幅（fú）會導致（zhì）放大器飽和並過載。導致傳感器過載的一些常見的機械原因是嚴（yán）重的泵汽蝕、蒸汽釋放、來（lái）自鬆動或往（wǎng）複式部件，甚至是齒輪齧合的衝擊。

減少（shǎo）限幅削波信（xìn）號的一種方法是（shì）使用更（gèng）高（gāo）的電源電壓，並確保偏置電壓（yā）位（wèi）於電（diàn）源（yuán）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（qiē）將比使（shǐ）用24伏電源更容易發生。

然而，偏置電壓和電源很少是可調節。

超過200英尺（約60.96米）的長電纜（lǎn）也（yě）可以降低（dī）高頻時的振幅擺動，在一些應用中可能是一個問題。Z簡單的解決方案是使用一個較低靈敏度的傳感器（qì）。靈敏度為10mV/g的傳感器的振（zhèn）幅範圍將是類似的1V/g傳感器的100倍。

 “滑雪（xuě）坡”頻譜

傳感器過載也可（kě）能產（chǎn）生“滑（huá）雪坡”光譜。如（rú）果放大器飽和，則會發生互調失真（zhēn）。這將（jiāng）導致低頻噪聲，也（yě）被稱為溢出失真。圖6a顯示了一個正常的振動頻譜圖。圖6b顯示了當信號由於振動過大而超量程時會發（fā）生什麽。

安裝諧振共振頻譜（pǔ）

安裝諧振可能會錯誤地顯示高頻機（jī）械故障，如齒輪齧合和軸承問題。當使用探針尖端和磁性底座時，這個問題更有可能發生，必須小心防止測量（liàng）的安裝共振峰被錯誤地識別為機器（qì）產（chǎn）生的峰。將傳感器（qì）安裝在（zài）薄板上，如機器保護板（bǎn），也可以降低安裝共振從而更容易導致錯誤的診斷。圖8顯示（shì）了幾種常見的安裝技術的安裝（zhuāng）共振。因安裝諧振（zhèn）頻率導（dǎo）致的測量頻率範圍大致如下：

使用安（ān）裝在不同位置的傳感器（qì）進行重新測量，能有效區分機器振動和安裝共振。然而，如果機器信號與安裝結構的共振一致（zhì）或（huò）有諧（xié）波關係，則（zé）會（huì）發生大大增加的信號。這（zhè）可（kě）能會（huì）導致傳感器過載，這將表現為一個由“滑雪坡”主導的頻譜。

頻譜中的電氣線頻率諧波

交流線路電源線頻率信號的諧波通常（cháng）表示來自電機、電力線（xiàn）和其他發射設備的幹擾。首先，確保傳（chuán）感器屏蔽已接地（僅在一端）。如果屏蔽效果良（liáng）好，請檢查電纜線路。良好的現場安（ān）裝是將信號電纜（lǎn）槽與（yǔ）電力線電纜槽分開至少12英寸（約30.48cm）。如（rú）果信號電纜橋架必須靠近電源（yuán）電纜（lǎn）橋架，它們應以直角交叉，以減少磁耦合信號（hào）的可能性（xìng）。此（cǐ）外，使用屏蔽雙絞線將（jiāng）有助於減少信號電（diàn）纜的任何電磁耦合噪（zào）聲。例如，如果電源電纜為440伏，而來自傳感器的振動信（xìn）號（hào）處於毫伏水（shuǐ）平，則任何串擾都（dōu）會嚴重損壞數據。

故障排查表

下麵是具有（yǒu）12伏偏置電壓傳（chuán）感器的（de）故障排查（chá）圖。對於具有其他偏置電壓（yā）的傳感器，同樣?原理也適用——隻是穩定的（de）偏置電壓範圍有所不同。

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