旋转机械振动监测用全差分传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种旋转机械振动监测用全差分传感器，包括底部开有一螺孔9的基座1、顶部安装有引线接头3的屏蔽罩2、由质量块固定螺钉8通过质量块5紧固在基座1上部凹槽中的振动冲击敏感元件6、由电荷放大器固定螺钉7固定于基座1顶部的电荷放大器4，传感器通过螺孔9安装在旋转机械的被监测部位，振动冲击敏感元件6拾取旋转机械运行状态信号并差分输出至电荷放大器4，电荷放大器4的工作电源及其差分输出信号通过引线接头3连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动冲击敏感元件6、电荷放大器4安装在由基座1、屏蔽罩2和引线接头3组成的密封金属腔体内部，能有效抑制旋转机械状态监测工况环境的强电磁干扰，使旋转机械运行状态监测结果更加准确可靠。
【专利说明】
旋转机械振动监测用全差分传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于振动监测传感器，尤其是一种用于旋转机械振动监测的全差分振动冲击传感器。
【背景技术】
[0002]大型旋转机械长期处于高速、重载的工作状态，由于其工作面接触应力的长期反复作用，极易引起轴承疲劳、裂纹和压痕等故障，导致轴承发热、转轴断裂，给旋转机械带来额外的冲击振动，继而产生“热轴”或者其他故障;为此，必需对大型旋转机械的关键部件进行状态监测与故障诊断。由于大型旋转机械运行工况复杂，关键部件工作环境恶劣、干扰因素繁多，常易受到冲击、摩擦等外部作用，这是大型旋转机械状态监测传感器的设计与制作中难以解决的问题。
[0003]在对旋转机械进行状态监测与故障诊断时，监测装置及传感器所受到的电磁干扰主要有:(I)旋转机械启动、停止的干扰:旋转机械的启动、停止的操作时，会产生一系列高频率、前沿陡峭的瞬变电磁脉冲，并以阻尼振荡波的形式向周围空间传导和辐射能量，对监测装置构成阻尼振荡波干扰和阻尼振荡磁场干扰。(2)储能元件产生的干扰:旋转机械运行时由于储能元件的存在，电容两端的电压、电感中的电流均不能发生突变，在运行状态变化过程中，会产生一个衰减振荡的暂态过电压;这些暂态过电压产生的振荡波通过互感器等传导耦合到监测装置电路当中去；这种情况下，在监测装置中就会出现大量高频的、振荡的、快速衰减的交流电压分量。(3)雷电引起的暂态干扰:雷电是自然界产生的剧烈电磁干扰，可以通过直接雷击输电线路或者电气设备，然后经过线路传入或感应耦合到监测装置内部；由于雷电具有大量的放电电流，会在雷击周围产生交变的电磁场，根据电磁感应定律，旋转机械的金属导体或者接地网会产生很高的感应电压，很容易造成旋转机械绝缘的损害，由于雷电感应的作用，监测装置的信号线可能产生浪涌高压脉冲且由于空间辐射耦合以及传导耦合也可能造成不正常的运行或者误诊。(4)运行中电气设备的干扰:运行中的电气设备中的工频电流产生工频磁场，对监测装置产生干扰;工频磁场波形为工频正弦波形，在正常情况下，由工频电流所产生的稳定磁场相对较小;但在故障状态下电流伴生的磁场就比较强，不过持续时间很短，直到保护设备动作为止。(5)射频干扰:无线电台、电视台、移动电话等都是监测装置正常工作的射频干扰源，对监测装置构成射频场感应的传导干扰和射频电磁场辐射干扰。(6)静电放电干扰:当一个被静电充过电的绝缘材料接触到另外的导体的时候，其所携带的电荷会经过导体释放，这种静电放电的过程会有短暂的放电电流并伴随着很强的电磁场;静电放电的特点是波前时间只有Ins左右，带有数十纳秒的阻尼波尾，具有显著的破坏性:使电子元器件故障、损坏或控制系统失灵，也可能使计算机程序出错或丢失数据。(7)谐波干扰:随着电力电子器件的广泛应用，谐波污染已经成为电网的公害;谐波、谐间波、载波信号对设备的主要影响是干扰其正常的工作状态，影响测量的准确度和动作的可靠性等。(8)旋转机械接地故障的暂态干扰:旋转机械如果发生短路接地情况，电流流经接地点和直接接地的变压器中性点形成回路，这时接地点和接地网的电位将升高，如果监测装置的接地点靠近故障设备，将会在监测装置电路中形成干扰电压;该干扰频率也从几kHz到几百kHz，且暂态电压可以远远超出正常电压，对监测装置的影响程度不言而喻。综上所述，旋转机械监测工况下常见的电磁干扰有:阻尼振荡波干扰、阻尼振荡磁场干扰、电快速瞬变脉冲群干扰、浪涌(冲击)干扰、脉冲磁场干扰、工频磁场干扰、射频场感应的传导干扰、射频电磁场辐射干扰、静电放电干扰、谐波干扰、工频频率变化干扰、直流电源输入端口纹波干扰等。
[0004]现有旋转机械机械故障监测中所采用的振动冲击传感器大都是单端输出信号方式，难以满足旋转机械运行工况要求，常因复杂的电磁干扰而出现误诊、漏诊，严重时造成监测装置或传感器损坏。因此，开发一种适用于满足旋转机械运行工况的振动监测传感器非常必要。
【发明内容】
[0005]针对目前旋转机械机械振动监测中所采用振动冲击传感器存在的不足，本实用新型公布了一种用于旋转机械机械振动监测的全差分振动冲击传感器。
[0006]本专利采用的技术方案是:一种旋转机械振动监测用全差分传感器，包括底部开有一螺孔9的基座1、顶部安装有引线接头3的屏蔽罩2、由质量块固定螺钉8通过质量块5紧固在基座I上部凹槽中的振动冲击敏感元件6、由电荷放大器固定螺钉7固定于基座I顶部的电荷放大器4，其特征在于:传感器通过螺孔9安装在旋转机械的被监测部位，振动冲击敏感元件6拾取旋转机械运行状态信号并差分输出至电荷放大器4的差分输入，电荷放大器4的工作电源及其差分输出信号通过引线接头3连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动冲击敏感元件6、电荷放大器4安装在由基座1、屏蔽罩2和引线接头3组成的密封金属腔体内部。
[0007]在本实用新型中，振动冲击敏感元件6是一个由两片相同的压电晶片串联而成的差分输出方式信号源，由晶片串联节点B端施加工作电压并分别从晶片的A、C端引出传感信号。
[0008]在本实用新型中，电荷放大器4是一个由低功耗低噪声双运放ICl，电阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7和电容C1、C2、C3组成的单电源全差分放大器;C1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3—起为振动冲击敏感元件6提供工作电压，振动冲击敏感元件的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，电阻R6为振动冲击敏感元件的阻抗匹配电阻，双运放ICl与电阻Rl、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。
[0009]在本实用新型中，引线接头3为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-；所述的引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根芯分别两两对绞，一组对绞线连接VCC、GND，另一组对绞线连接Va+、Va_，屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接。
[0010]在本实用新型中，传感器安装是通过底部螺孔9连接用于传感器固定的良导电性的永磁体或螺钉以将传感器固定于旋转机械的被监测部位。
[0011]本实用新型传感器的有益效果是，将敏感元件和电路均安装在屏蔽罩、基座、引线接头一起形成的密闭金属空腔内，工作电源和传感信号均连接于引线接头且通过屏蔽双绞线传输，可有效抑制旋转机械状态监测工况环境的强电磁干扰，使旋转机械运行状态监测结果更加准确可靠。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本实用新型专利作进一步说明。
[0013]图1是本实用新型的剖面结构图；
[0014]图中:1.基座，2.屏蔽罩，3.引线接头，4.电荷放大器，5.质量块，6.振动敏感器件，
7.电荷放大器固定螺钉，8.质量块固定螺钉，9.传感器固定连接螺孔。
[0015]图2是本实用新型的压电效应不意图；
[0016]图中:A、B、C.铜片电极，D.绝缘隔膜，E.压电晶片。
[0017]图3是本实用新型的电路原理图；
[0018]图中:3.引线接头，6.振动冲击敏感元件。
[0019]图4是本实用新型的引线结构示意图。
[0020]图5是本实用新型的外形图。
[0021]图6是本实用新型的俯视图。
[0022]图7是本实用新型的仰视图。
【具体实施方式】
[0023]参见附图1，一种旋转机械振动监测用全差分传感器，它由底部开有一螺孔9的基座1、顶部安装有引线接头3的屏蔽罩2、由质量块固定螺钉8通过质量块5紧固在基座I上部凹槽中的振动冲击敏感元件6、由电荷放大器固定螺钉7固定于基座I顶部的电荷放大器4等四个部分组成。传感器安装是通过其基座I底部的螺孔9连接用于传感器固定的良导电性的永磁体或螺钉以将传感器固定于旋转机械的被监测部位，振动冲击敏感元件6拾取旋转机械运行状态信号并差分输出至电荷放大器4的差分输入，电荷放大器4的工作电源及其差分输出信号通过引线接头3连接连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动冲击敏感元件6、电荷放大器4安装在由基座1、屏蔽罩2和引线接头3组成的密封金属腔体内部。
[0024]形成电磁干扰必须同时具备三个要素:干扰源、敏感设备、耦合途径。旋转机械工况环境中不同种类型的干扰对监测装置与传感器会造成不同的影响，为了更好地分析不同干扰对旋转机械机械故障监测装置的影响，首先对旋转机械工况环境中的干扰信号进行分类。按照干扰源所在地不同可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。电磁干扰主要有两种传播方式:传导和福射，根据传播机理的不同可以将电磁干扰分为传导干扰和福射干扰。按照干扰信号频率不同可以将干扰分为低频干扰和高频干扰，低频干扰以工频电流和电压，以及低次谐波为主，也包括频率低于IMHz的振荡；高频干扰以频率高于IMHz的高频振荡和无线电信号为主，也包含快速瞬变干扰，这种干扰频谱含量也较为丰富。按照干扰作用方式的不同可以将干扰分为差模干扰和共模干扰，差模干扰主要存在于信号回路中，与正常的信号叠加在一起;而共模干扰一般是由地电位升高引起的，主要存在于导线与大地之间。在旋转机械工况环境中，干扰源是客观存在的，而振动监测传感器自身就是敏感设备，要抑制干扰对旋转机械机械故障监测装置的影响就只有减少耦合途径了。为此，本实用新型振动冲击敏感元件6、电荷放大器4安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部，并通过传感器基座I底部的螺孔9连接用于传感器固定的良导电性的永磁体或螺钉以将传感器固定于旋转机械被监测部位的壳体上，而旋转机械的壳体通常是与地网可靠连接的；因此，本实用新型附图1所示的技术方案可有效抑制辐射干扰。
[0025]参见附图2，A、B、C为铜片电极，D为绝缘隔膜，E为压电晶片;本实用新型振动传感器的振动冲击敏感元件是一个由两片相同的压电晶片串联而成的差分输出方式信号源，由晶片串联节点B端施加工作电压并分别从晶片的A、C端引出传感信号；质量块固定螺钉8通过质量块5紧固在基座I上部凹槽中，与其连接的电荷放大器4由电荷放大器固定螺钉7固定于基座I顶部;该振动冲击敏感元件的工作原理是利用压电晶体片的压电效应来测量旋转机械运行中机械关键部件的振动和冲击。压电晶体的材料是一种离子型晶体电介质，不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象；即:在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移与外应力张量成正比；当外力消失，又恢复不带电原状;当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。本实用新型传感器的振动冲击敏感元件属于压电式加速度传感器，采用中心压缩结构形式，受振时质量块加在压电元件上的力也随之变化，当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比；其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比，即在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。本实用新型传感器的主要技术指标为:最大冲击加速度1000g，最高频响频率16kHz，完全满足旋转机械机械故障振动监测的要求。由于旋转机械工况下的电磁干扰复杂且严重，压电晶体本身具有对电场敏感的特性，为此，本实用新型传感器的振动冲击敏感元件为差分输出方式，其输出的电荷经全差分电荷放大器后就成为正比于所受外力的电量输出，该输出方式可有效的抑制共模干扰，极大地提高了传感器的信噪比。
[0026]参见附图3，电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放1(:1，电阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5、R6、R7和电容Cl、C2、C3组成的单电源全差分放大器;其输入、输出均为带阻抗匹配的差分方式，能有效抑制输入、输出引线上的共模干扰与差模干扰。ICl为低功耗低噪声双运放，可选型号有:AD8572、AD8599、0P285、0P297、LI1012等；电容C1、C2、C3选择高频噪声抑制性能较好的COG电容，电阻町、1?2、1?、1?4、1?5、1?6、1?7选择温度特性系数较好的金属膜电阻。电容(:1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3—起为振动冲击敏感元件6提供工作电压，振动冲击敏感元件的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，双运放ICl与电阻Rl、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R6为振动冲击敏感元件的阻抗匹配电阻，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。辐射干扰是以电磁波的形式通过空间传播的，而传导干扰是沿着导线传播的电磁干扰，主要可以分为4种，分别是:电容耦合(电场耦合)、电感耦合(磁场耦合)、电磁场耦合和公共阻抗耦合;电与磁总是相生相伴的，在旋转机械的实际工况现场，不存在纯粹的电场或者磁场，所以严格的说，电磁场耦合包括电容耦合和电感耦合;但为了研究的方便，当测量点到干扰源的距离小于0.167倍干扰波最大波长时，我们可以简单等效认为，高电压对应电容耦合，大电流对应电感耦合；当测量点到干扰源的距离大于0.167倍干扰波最大波长时，干扰源产生的干扰看作辐射干扰。对于本实用新型传感器而言，这些干扰的影响通常是:(I)存在于信号回路中，与正常的信号叠加在一起而形成差模干扰；(2)干扰接地网，导致地电位升高，引起的信号线与地之间电压变化而形成共模干扰。为有效地抑制差模干扰和共模干扰对监测信号的影响，本实用新型传感器的技术方案是:(I)从振动冲击敏感元件到电荷放大器输出均采用差分方式电路结构，可有效抑制信号输入、输出线上的共模干扰；(2)在振动冲击敏感兀件的输出引线A、C到电荷放大器的输入接点处并联电阻R6，该电阻的取值应与振动冲击敏感元件的阻抗相匹配，可有效抑制振动冲击敏感元件输出引线上的差模干扰;(3)在电荷放大器的输出引线接点处并联电阻R7，该电阻的取值应与传感器输出路径到监测装置的信号电缆内双绞线的线路阻抗相匹配，可有效抑制传感器输出信号线上的差模干扰。注:在监测装置内部的本实用新型传感器的输入接点处也要并联一个值阻与R7相同的电阻。由于不同批次生产的压电晶片在灵敏度上是存在差异的，本实用新型传感器的电阻R3用于调节全差分放大器的放大倍数以适应灵敏度不同的振动冲击敏感元件的应用要求，差分放大器的放大倍数为:
[0027]A=1+(R1+R2)/R3
[0028]在传感器整定过程中，R3由可变电阻器替代，整定完成后将R3换为相应阻值的固定电阻。
[0029]由附图4可知，本实用新型传感器的引线接头为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-；传感器引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根线芯分别两两绞合，一组对绞线连接VCC、GND，另一组对绞线连接Va+、Va-，四芯屏蔽电缆的屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接，以避免多点接地而因地电位差异引入的干扰。传感器的工作电源可在3.0?5.5V之间选择，具体应在满足双运放ICl工作电源要求的前提下尽量选择较低等级的传感器工作电源电压，以降低传感器的静态功耗；同时，电阻R4、R5的阻值应大于1K Ω，电阻Rl、R2的阻值应大于100KΩ。四芯屏蔽电缆的线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如:VCC红色、GND黑色、Va+绿色、Va-黄色;连接VCC、GND的绞合线芯的截面积为0.5mm2，连接Va+、Va-的绞合线芯的截面积为0.3mm2;线芯两两绞合的节距不大于15mm，将两组绞合线芯总绞，节距不大于外径的20倍，空隙处采用棉线或麻绳填充起承载作用，将总绞好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀锡铜丝编织而成，密度不小于90%;采用PP带或聚酯带，一层绕包、一层纵包，搭盖率不小于15%，不能出现漏包情况;最后采用105°C阻燃丁晴聚合物挤压而成传感器信号电缆，该电缆所有绝缘线芯工频火花试验电压为4KV不击穿，电缆工作环境温度-40?+75度。
[0030]参见附图5、附图6、附图7，分别是本实用新型传感器的外形图、俯视图、仰视图，本实用新型传感器的安装是通过底部螺孔9连接用于传感器固定的良导电性的永磁体或螺钉以将传感器固定于旋转机械的被监测部位。实际应用中，一般是将本实用新型传感器安装在旋转机械壳体内部，在安装位置允许的情况下通过螺钉将本实用新型传感器固定于旋转机械的被监测部位，防止松动；当安装条件受限时，可通过传感器底部螺孔9连接良导电性永磁体，再由永磁体将本实用新型传感器固定于旋转机械的被监测工件上。磁铁分两大类:一类是碳钢的能导电，另一类是各种氧化物的，包括四氧化三铁、稀土氧化物等，不导电。安装本实用新型传感器的永磁体要选择第一类，以使传感器外壳与旋转机械外壳具有良好的电连接，且传感器外壳通过旋转机械外壳连接地网，起到良好的屏蔽作用，有效抑制旋转机械工况现场的辐射干扰。
[0031]综上所述，本实用新型传感器的敏感元件和电路均安装在屏蔽罩、基座、引线接头一起形成的密闭金属空腔内，工作电源和传感信号均连接于引线接头且通过屏蔽双绞线传输，可有效抑制旋转机械状态监测工况环境的强电磁干扰，使旋转机械运行状态监测结果更加准确可靠。
【主权项】
1.一种旋转机械振动监测用全差分传感器，包括底部开有一螺孔(9)的基座(1)、顶部安装有引线接头(3)的屏蔽罩(2)、由质量块固定螺钉(8)通过质量块(5)紧固在基座(I)上部凹槽中的振动冲击敏感元件(6)、由电荷放大器固定螺钉(7)固定于基座(I)顶部的电荷放大器(4)，其特征在于:传感器通过螺孔(9)安装在旋转机械的被监测部位，振动冲击敏感元件(6)拾取旋转机械运行状态信号并差分输出至电荷放大器(4)的差分输入，电荷放大器(4)的工作电源及其差分输出信号通过引线接头(3)连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动冲击敏感元件(6)、电荷放大器(4)安装在由基座(1)、屏蔽罩(2)和引线接头(3)组成的密封金属腔体内部。2.根据权利要求1所述的旋转机械振动监测用全差分传感器，其特征是:所述的振动冲击敏感元件(6)是一个由两片相同的压电晶片串联而成的差分输出方式信号源，由晶片串联节点B端施加工作电压并分别从晶片的A、C端引出传感信号。3.根据权利要求1所述的旋转机械振动监测用全差分传感器，其特征是:所述的电荷放大器(4)是一个由低功耗低噪声双运放1(:1，电阻1?1、1?2、1?、1?4、1?5、1?6、1?7和电容(:1工2、03组成的单电源全差分放大器;Cl、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3—起为振动冲击敏感元件(6)提供工作电压，振动冲击敏感元件的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，电阻R6为振动冲击敏感元件的阻抗匹配电阻，双运放ICl与电阻Rl、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。4.根据权利要求1所述的旋转机械振动监测用全差分传感器，其特征是:所述的引线接头(3)为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-；所述的引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根芯分别两两对绞，一组对绞线连接V C C、G N D，另一组对绞线连接V a +、Va-，屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接。5.根据权利要求1所述的旋转机械振动监测用全差分传感器，其特征是:所述的传感器安装是通过底部螺孔(9)连接用于传感器固定的良导电性的永磁体或螺钉以将传感器固定于旋转机械的被监测部位。
【文档编号】G01H11/08GK205691228SQ201620433964
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月16日 公开号201620433964.X, CN 201620433964, CN 205691228 U, CN 205691228U, CN-U-205691228, CN201620433964, CN201620433964.X, CN205691228 U, CN205691228U
【发明人】黄采伦, 王靖, 向滔, 南茂元, 何斌华, 张小娟
【申请人】湖南科技大学