加速度传感器的选择 (附：振动传感器选型检查列表)
作者：高波
PDF下载:【 AN-WIL-004】
引言
工业机器产生的振动信号是机器健康的有效指标之一，振动水平的监测记录了设备振动的历史数据，使设备工程师在机器发生故障或严重损坏之前能预测问题，可以避免由于机器故障而造成的损坏和代价高昂的生产停机。振动分析是确定机器运行状态以及发现机器问题具体原因的有效工具。如果尽早预测机器的问题，就有机会安排维护工作，从而以经济高效的方式减少停机时间。
振动传感器在设备的振动监控和预防性维护中扮演着重要的作用。本应用文简要说明了不同类型的振动传感器的应用，以及选择振动传感器时要考虑的重要因素。
1. 通用的振动传感器
振动监测和分析的关键是设备所安装的振动传感器。传感器的正确选择和安装对于准确的机器故障诊断和预防性维护至关重要。代表振动传感器的三个参数分别是位移（以mm为单位），速度（以mm/sec为单位）和加速度（以g为单位）。这些参数在理论和实践中都是相关的。图1显示了速度、位移与恒定加速度之间的关系。涉及测量位移、速度或加速度的传感器的选择，取决于所关注参数的频率范围和所涉及传感器的灵敏度及测量输出信号的大小。
图-1 速度、位移、加速度的关系
1.1 压电加速度计
压电加速度计原理是利用如石英晶体或压电陶瓷的压电效应。在振动过程中，加速度计内部叠加在压电元件上的质量块施加在压电元件上的力也随之变化，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比，由此产生与该力相应的电荷量。将该电荷进行转换放大输出，则可以测量设备的振动加速度。对于大多数设备振动监测的应用，加速度计是首选的运动传感器。加速度计灵敏度高、工作可靠，可用于测量从低频到非常高的频率范围，并且具有多种通用和专用设计，是工业机械监控中最流行的振动传感器。
工业压电传感器的坚固结构使它们能够在非常恶劣的环境条件下使用。它们不受灰尘，油和大多数化学气体的影响，在很宽的温度范围内都具有良好的性能，并能承受剧烈的冲击和振动而不被损坏。如今，大多数集成运放的压电传感器（IEPE加速传感器）在设备的振动监控中被广泛使用。
1.2 速度传感器
加速传感器中的压电元件产生与加速度成比例的电信号，也可将该电信号经传感器内部电路转换为速度或位移信号。速度传感器适合中低频测量，可用于旋转机械上振动监测和平衡管理。与加速度计相比，速度传感器对高频振动的灵敏度较低，从而不易受到放大器过载的影响。信号过载会产生振动幅度削波，失去信号的保真度，从而影响测量的结果。
传统的速度传感器使用电磁（线圈和磁铁）系统测量速度信号。现在，更坚固的压电速度传感器（一次积分的加速度计）由于其功能的改进而越来越受欢迎。压电速度传感器比线圈和磁电式速度传感器更坚固耐用，具有更宽的频率响应范围，并且可以执行精确的相位测量。表1显示了传统线圈和磁电速度传感器与现代压电速度传感器之间的比较。
表-1 磁电式和压电式速度传感器比较
| 比较特性 | 磁电式 | 压力式 |
|---|---|---|
| Flat Frequency response 20-1500Hz， | Yes | Yes |
| Flat Frequency response 2-5000Hz | No | Yes |
| Phase fidelity 2-5000Hz | Poor | Excellent |
| Low off-axis sensitivity | No | Yes |
| Reduced noise at high frequencies | No | Yes |
| Linearity | Good | Good |
| Mounting in any orientation | No | Yes |
| Operation to 120℃ | Yes | Yes |
| EMI resistance | Poor | Excellent |
| Mechanical durability | Fair | Excellent |
1.3 位移传感器
振动位移传感器用于测量机械振动产生的位移，能够实时动态测量物体振动时的位移变化。非接触式接近位移传感器和监视器（例如电涡流探头）来感应轴相对于轴承或其他支撑结构的振动，这些传感器非常适合于测量低频和低振幅位移，在大型设备振动监测中获得应用。非接触式位移传感器测量的是目标表面之间的相对运动，而压电式位移传感器（二次积分的加速度计）可以产生与机构的绝对运动成比例的信号输出，具有分辨率高、测量范围宽、响应速度快以及不受油污影响等优点，在大型机械旋转状态的实时安全监测与故障诊断中发挥着重要作用。
2. 工业振动传感器选择
选择压电工业振动传感器（加速度、速度或位移）时，应综合考虑许多因素，以确保选择最适合应用的传感器，解决特定应用问题。
2.1 振动传感器类型和特点
为特定设备振动监测挑选出最合适的振动传感器，首先要确认传感器的类型。压电振动传感器在整个生命周期内提供可靠的振动信号，PZT 陶瓷稳定性的压电特性可以降低信号随时间的漂移，其许多物理特性有助于监测系统长期获得准确的传感器数据。Wilcoxon振动传感器平均无故障时间实践数据表明，可以满足最高15年的高可靠性运行。
您要测量的是加速度、速度、还是位移？传感器不同的信号检出用于监测不同类型的设备状态或故障。振动监测器可以采集提供加速度传感器的原始振动数据，原始振动数据包含了对故障诊断和预防性维护的分析人员非常有用振动信号真实的频谱信息，传感器的最终输出信号也可以选用如均方根（RMS）、峰值或者峰峰值等信号类型。传感器的输出方式可以选用与所测物理量成比例的电压电压信号（如，速度传感器可以提供mV/mm/sec的电压信号，793V系列），或是4-20mA电流环（如PC420系列的加速度、速度和位移振动传感器），可以便捷的连接到PLC或DCS等节点或者控制系统中。
另外，传感器需要单轴，两轴或三轴测量？许多工业客户使用单轴的振动传感器安装在设备监测点的进行单向振动测量，或是同时使用两个单轴传感器分别安装在设备的两个方向上测量振动数据。对有空间限制区域，使用三轴振动传感器进行振动监控也是一个很不错的选择。三轴振动传感器包含三个相互垂直的传感器集成在一起，与传统的单轴单元相比，它们为用户提供了更紧凑的安装结构和更多有关机器运行状况的信息。和安装三个单轴的传感器相比， 三轴传感器也更容易安装。
图-2 三轴加速度传感器
尺寸和重量是否有限制？传感器有多种可选的外形尺寸，并提供常用的顶部出线、侧面出线或集成线缆等连接方式，以及一系列灵敏度和误差或危险区域认证的产品。通常振动传感器外壳其采用激光焊接技术，保证传感器内部真正的气密密封（通过氦气泄漏测试验证）以保护内部组件免受外部污染物的影响。
图-3 不同外形振动传感器示例
确保所选的振动传感器符合数据表上的规格参数，一些数据表引用可以保证的规格参数，而许多数据表提供了可能不满足要求的“典型值”规格。确信所选产品的性能符合要求的规格，对于灵敏度、频率响应和噪声规格尤其重要。
2.2 设备的振动水平是多少
机器振动的最大振幅有多大，以确定选择满足要求的适合的传感器量程和灵敏度。压电传感器的两个主要参数是灵敏度和频率范围。通常，大多数高频率传感器具有较低的灵敏度，相反，大多数高灵敏度传感器具有较低的频率范围。因此，有必要在灵敏度和频率响应之间折衷。
工业加速度计的灵敏度通常在10mV/g至500mV/g之间，也可以使用更高和更低灵敏度的传感器。要为具体应用选择合适的灵敏度，必须了解传感器在测量过程中机器设备的振动幅度水平范围。最常用100mV/g 振动传感器监控工业的旋转设备，其加速度范围为 50g 或80g 的传感器。80g 传感器提供更宽的动态测量范围，如果振动幅度超出了50g加速度量程，传感器振动信号可能会被削波，导致振动传感器过载。10mV/g 传感器可用于高速涡轮机械或压缩机泵头等高g值的应用场景或监测齿轮啮合频率的二次和三次谐波。500mV/g传感器，适用于低频应用，例如监测风力涡轮机叶片或冷却塔的低频风机等缓慢旋转的机械设备。通常，较高灵敏度的加速度计具有有限频率响应范围，更适用于低振动频率的微小振动的应用。
根据经验，如果机器在测量点产生高振幅振动（大于10g RMS），则优选低灵敏度（10 mV/g）传感器。如果振动小于10g RMS，则通常应使用100mV/g的传感器。必须评估传感器的工作环境，以确保预期的振动幅度应合理地落在传感器的工作范围内，而且涵盖该测量点处出现的最高振动水平。在任何情况下，峰值加速度所产生的传感器输出电平都不应超过传感器的加速度范围。超出传感器的振幅范围会导致整个传感器工作频率范围内的信号失真和传感器内部放大器过载，从而产生错误的数据。
典型的灵敏度公差范围从 5% 到 20%。 5% 的严格公差是最好的，可以获得更准确的振动测量数据。当准确的灵敏度值可以编程到数据采集设备中时，可以使用更宽的 10%到20% 公差。如果您的数据采集器或在线系统不允许更改单个加速度计的灵敏度，则公差范围的选择就显得重要。
除了加速传感器，也可提供灵敏度为20mV/ips至500mV/ips的速度传感器，100mV/ips的灵敏度适合于于大多数工业设备应用。当然还可以选择 4～20mA 变送器的工业应用，通常使用的量程是 1ips (25.4 mm/sec) 或 2ips (50.8 mm/sec)。
如果你不清楚振动设备振动幅值，用于振动测量的手持仪器是一种不错的选择。MachineryMate™ （MAC800系列）是一种易于使用的振动监测和分析工具，可以轻松测量和显示设备的振动信号。它无需安装，能够很好的测量机器的运行状况和振动水平。尽管与固定式传感器相比，它们的频率响应受到限制，但是它可能提供非常有用的信息，让你快速了解设备的状态，帮助你选择适合的传感器。
2.3 感兴趣的频率范围是的多少
压电振动传感器的出色性能之一是其宽广的工作频率范围，为了选择具有适当频率范围的传感器，有必要确定应用的频率要求。工厂的设备工程师可能有足够的关于机械的有关信息来计算所需的频率，或是从类似系统或应用中收集的振动数据得出设备的频率的范围。有时，确定机器频率成分的最佳方法是将测试传感器放置在机器上的各个位置，收集评估数据。当传感器接近共振时，其灵敏度的增加限制了传感器的高频范围。低频范围受到放大器衰减滤波器的限制，如图2所示。许多传感器的内部电路还对高的频率范围进行滤波，以衰减谐振幅度。这可以扩大了工作范围并减少了信号的失真。
图-4 典型的灵敏度度与频率响应曲线
工业机械的大多数振动都包含低于1000Hz（60,000CPM）的频率，但感兴趣的信号分量通常存在于更高的频率中。例如，如果已知旋转轴的运行速度，则感兴趣的最高频率可能是运行速度与支撑轴的轴承谐波的乘积。用户应确定应用的高频要求，并选择具有适当频率范围的传感器，同时还要满足灵敏度和幅度范围的要求。请注意，较低频率范围的传感器往往具有较低的电子噪声。较低的噪声会增加传感器的动态范围，与高频测量相比，可能具有重要的应用。如果谐振频率离感兴趣的信号频率范围不够远，则潜在的设备故障可能被掩盖，而不被识别出来。
2.4 工作温度范围是多少
传感器必须能够承受使用环境的极端温度，灵敏度随温度的变化也必须满足测量要求。温度瞬变（热空气或油溅出）会导致金属外壳膨胀，从而导致在低频（<5Hz）测量期间的错误输出，应使用隔热套来消除温度的突变。
加速度计安装位置的温度决定了您选择的加速度计类型。带有内置电子元件的标准工业加速度计限于120℃，使用耐高温的组件使某些传感器能够达到150℃。“电荷模式”加速度计，不包含内部电子电路，通常在高达260℃的温度下工作。特殊的高温传感元件可在高达760℃的温度下运行。但是这些单元在工业环境中存在其他权衡，需要平衡温度要求与价格、可靠性等因素。
目前，高温振动传感器在高于170℃时并未集成内部放大电路，电荷输出的传感器更合适。电荷输出传感器通常需要一个电荷放大器，应选择电荷灵敏度与放大传感器的灵敏度，以匹配所选放大器的幅度范围。电荷输出加速度计的灵敏度单位以pC/g表示。必须使用带有电荷输出传感器的特殊低噪声，高温电缆，以免电缆晃动引起的摩擦电噪声信号引入测量系统。
2.5 传感器应用环境
应用环境是否存在任何腐蚀性化学物质？工业加速度传感器采用不锈钢壳体，具有防腐蚀、防化学物质的功能。所有振动传感器都是密封的，以防止高湿空气、水汽或其它液体的进入，此外，还可提供电缆连接器和护套，以承受高湿度或潮湿环境的应用。如果用于含有害化学物质的环境中，强烈推荐进行化学物质相容性检查，并可以考虑使用带有防腐接头的 PTFE 电缆。在有些应用中，电缆可能会侵入液体中，并和碎屑、切屑等液体中的杂质产生接触，集成的带铠装护套的电缆可提供出色的保护。如果您的传感器需要长期侵泡在液体中使用，整体出线的746系列传感器可以在水下15米以内的深度，提供长期稳定可靠的工作。
是否存在可燃气体等爆炸环境中使用也是一个要考虑的因素。经认证具有本质安全性的振动传感器，可以在易燃气体、蒸气或悬浮的可燃粉尘等危险浓度区域内使用。电气设备的本质安全要求将电能和热能限制在不足以在正常或异常条件下点燃爆炸性气体的水平。即使在危险环境中的燃油—空气混合物处于最易挥发的浓度，本质安全的传感器也不会引起着火，这大大降低了爆炸的危险。振动传感器具有工业环境中常见的危险区域认证，包括本质安全 I 类 1 区 / 0 区、I 类 2 区 / 2 区和防爆等级。IS和EX类型的振动传感器通过了IECE、北美，欧盟，英国，强制CCC等多个国家和机构的认证，可以应用于世界上任何的危险区域。
2.6 与电气相关的问题
大多数内置放大的振动传感器（IEPE类型）都需要恒定电流的直流电源。通常，电源包含一个18V至30V的电源和一个2mA至10mA的恒流二极管（CCD）（请参见图5）。当使用其他供电方案时，建议咨询传感器制造商。
图-5 振动传感器供电原理图
（1）交流耦合和直流偏置电压
IEPE类型传感器输出是与传感器安装点的结构振动成比例的交流信号，此交流信号叠加在直流DC偏置电压上，也称为偏置输出电压（BOV）或静止电压。大多数采集器和传感器电源单元都包含一个用于交流耦合的内部隔离电容器。如果未随附，则必须现场安装一个隔离电容器。信号的直流分量被电容器隔离，并将交流输出信号输出到采集器中。
（2）幅度范围和电源电压关系
通常将传感器的偏置电压设置在下限和上限电压之间（通常高于地面2V，低于最低电源电压2V）。偏置电压和截止电压之间的差异决定了传感器输出端可用的电压范围。输出电压范围确定了峰值振动幅度范围。例如，具有100mV/g灵敏度和5 V峰值输出的加速度计将具有50g峰值幅度范围。如果使用更高的电源电压（22VDC至30VDC），则幅度范围可以扩展到100g峰值。 如果使用低于18V的电压源，则幅度范围将相应降低。定制偏置电压的范围可在较低或较高电压的电源系统中获得应用。
（3）恒流二极管
传感器输出的两个导线内部需要恒流二极管（CCD），在大多数情况下，它们包含在随附的电源装置的采集器中。通常，恒流源供电的电源包含2mA的恒流源，以确保传感器正常工作和延长传感器寿命。当驱动电缆较长时，线路供电的恒流源（无需考虑功耗）应包含6mA到10mA的恒流源。对于放大器散热是一个重要考虑的因素，高于100℃的工作环境，请将电流限制在6 mA 以内。如果电源不包含用于传感器供电的恒流源，则应与电源电压输出串联，并要确保正确的二极管极性。
另外还需要考虑传感器安装位置是否存在较强烈的ESD？是否存在强烈的声场或电磁场？机器是否接地？传感器和电缆设计应保护振动信号免受可能损坏数据的ESD、磁场等环境因素的影响。需要屏蔽电缆，屏蔽层终止于外壳（不是传感器）以避免接地回路和静电电荷积聚。传感器的设计应能承受高达 20,000 伏特的 ESD的测试，但此规格通常未列在数据表中，应向制造商索取。可以使用安装底座，以便在可能存在高电压电位差、高静电电荷积聚或不确定接地条件的环境中提供隔离保护。如果使用的环境中可能存在雷击等高压放电的环境，建议采用4000V（786A-4K系列）或6000V隔离（HV201系列）的振动传感器。当然，Wilcoxon的793R系列传感器具有高达1×107RADS的抗幅值能力，配合6QN系列连接器和J9T2系列特氟龙保护线缆，可以满足核辐射环境下设备振动的监测。
2.7 有关连接器和电缆
需要考虑电缆长度、类型、使用温度、防水等要求。选择正确的电缆组件在很大程度上取决于工作环境。是否存在灰尘或液体决定了连接器的IP等级。腐蚀性化学物质，高工作温度以及潜在的磨损或损坏也会影响电缆护套的选择。为了获得最佳的耐化学性和高温中工作，特氟龙线缆通常是最佳选择。聚亚氨酯和Tefzel也具有良好的耐化学性，而聚亚氨酯在要求不高的环境中是一种经济的选择。在危险场所，您可能需要选择特定的电缆组件以满足安全认证的要求。
振动信号电压是交流信号，因此受到交流信号的所有限制。高频交流信号会受到交流电路中电容的影响，引起容抗。虽然很多用户认为与射频信号相比，振动信号不是高频信号，这些振动信号仍然受到电路中容抗的影响。当传感器电源和传感器之间的电缆较短（30 米以下）时，线路的电容通常不会对振动数据信号产生明显影响。但是，长电缆可能会在传感器电路中引入足够大的电容，这个额外的电容会在传感器内部的放大器的输出端产生一个电容负载，使振动信号产生失真，从而产生虚假信号。
总结
振动传感器是有关机器状态的初始信息来源，正确选择并安装传感器以确保获得可靠的振动信号信息至关重要。选择合适的振动传感器可以提高振动监控系统的效率，并提高工厂人员和设备的生产效率。本技术说明概述了一些指导工业振动传感器选择的关键因素，附录的检查表可用于辅助传感器选择。
- 参考文献：
[1] Levinzon F. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics[M]. Springer, 2015.
[2] 汪嘉洋, 刘刚, 华杰,等. 振动传感器的原理选择[J]. 传感器世界, 2016(10):5.
[3] 杨宏伟. 振动加速度传感器选型方法研究[J]
[4] 赵圣占, 毕文辉. 振动测试中传感器的选择和使用[J]. 仪器仪表用户, 2011, 18(1):86-89.
PDF下载:【 AN-WIL-004】
PDF下载：【Wilcoxon-振动传感器选型检查列表】
- Wilcoxon 简介
Wilcoxon 隶属于安费诺传感器事业部（Amphenol Sensors），是高质量工业振动传感器、变送器和手持仪器，水听器、矢量传感器及振动监测解决方案制造商和全球供应商；为许多工业应用提供准确可靠的振动测量，和水下环境应用提供先进的解决方案，是设备振动监测的领导者。60 多年来，Wilcoxon 振动监测产品和技术专长在世界范围内备受客户信赖。
直通Wilconxon：
作者简介
- 高波(
Bo.gao@amphenol-sensors.com)，安费诺传感器资深应用工程师，同时从事压电陶瓷、振动传感器、智能传感器等技术与应用研究。
