加速度计:我用什么?

在第1部分中，我们研究了如何做到这一点加速度计作为压电元件的材料的类型，外部电荷放大器与整体设计的作用，三线制与IEPE¹2线装置，压缩模式与剪切模式设计。在本系列的第2部分中，我们将注意力转向高层选择标准，以决定是否使用具有本机加速度输出和速度输出的传感器，以及如果使用速度，是使用压电速度传感器还是动圈设计。

¹集成电子压电

乍一看，知道我们可以在数学上在加速度、速度和位移之间转换，人们可能会得出结论，除了加速度以外，不需要任何传感器——其他测量方法可以推导出来。事实上，我们可以用变化率从数学上推导出每一个。事实上，牛顿在他的运动定律中用他新发明的微积分把这些都描述为彼此的变化率²描述关系:

然而，尽管这些关系是在数学上诚然，用电子电路进行信号集成和区分的现实限制了它们在工业传感器的现实世界中的应用。特别是，数学微分电路(所谓的“理想积分器”)引入了太多的问题，无法从位移可靠地产生速度信号^3.信号。相反，积分器电路用于从加速度产生速度，从速度产生位移。虽然还不完善，但这些电路比微分器电路要好得多——特别是当只使用一个积分阶段(即加速度到速度或速度到位移)而不是双重积分(即加速度到位移)时。

然而，简单地积分加速度信号来得到位移信号还有一个更根本的问题，那就是绝对测量和相对测量之间的差异。绝对测量是相对于自由空间进行的，而不是机器外壳或结构的其他部分振动。因此，我们使用套管安装的加速度计或速度传感器进行测量绝对测量:相对于自由空间的振动。相比之下，我们用接近探测器所做的测量总是相对测量:机器运动的一个部分相对于另一个部分。对于径向振动，一般是相对于振动壳体的振动/转轴。对于止推位置，一般是相对于套管的止推环(或轴端)。用接近探头观察轴振动，我们测量的位移是轴与安装表面(通常是轴承座)之间的相对运动-不轴承座相对于自由空间的运动，我们将用a测量地震传感器。下面的图1说明了这个问题:

因此，如果我们在图1中对速度传感器的输出进行积分(或对加速度计的输出进行双积分)，我们确实会得到一个位移读数——但这不是轴位移，它是住房相对于自由空间的位移。

下一个合乎逻辑的问题是，为什么我们对相对运动而不是绝对运动感兴趣，以及为什么在带有流体膜轴承的机器中强调接近探头。答案很简单:它是机器的运动部件和静止部件之间的相对运动，因为转子和轴承、密封件、外壳等之间有有限的间隙。当超过这些间隙时，机器就会损坏，夹带的气体或液体(通常是易燃和/或有毒的)逸出，并随之发生不良后果。在这些情况下，轴的绝对运动不是感兴趣的，而是轴和这些静止部件之间的相对运动。

²这个简单的问题，“谁发明了微积分?”可能是数学领域有史以来最大的争议。然而，历史学家得出结论，牛顿(英国)和莱布尼茨(德国)在1665年到1675年之间的十年间独立地发明了微积分，尽管谁都没有立即发表他的结果。无论如何，他们都享有“微积分发明者”的美誉。

^3.一个非常早期版本的本特利内华达地震探测器^®传感器实际上使用——顾名思义——接近探头通过微分位移信号来产生地震速度测量。然而，它遇到了许多问题，很快就被放弃了，真正的动圈传感器被开发出来，它更可靠，并提供原生速度输出。然而，这个商标至今仍在本特利内华达的许多动圈设备上被发现，有助于将它们与携带Velomitor的压电速度传感器区分开来^®商标。

在选择传感器时，另一个重要的考虑因素(这也是为什么我们不使用加速度计，而只是简单地集成到软件或固件中的另一个原因)是基于传感器本机输出的信号强度。

为了理解这一点，我们将对比每个工程单元具有相同灵敏度的两个传感器的输出。对于加速度计，它将是100mV/g。对于速度传感器，它将是100mV/in/sec。两者都是典型的商用工业传感器在实践中使用。

让我们考虑一台运行速度为600 rpm (10 Hz)的机器上每个传感器发出的信号的1X(运行速度)振幅。我们将进一步假设一台运行粗糙的机器，其套管振动的速度读数为8mm /s (0.32 in/s)。使用振动计算器或nomograph(图2)，在正弦加速度、速度和位移之间转换一个频率，这对应于0.5 m/s²(0.051 g’s)加速度。换句话说，我们的速度传感器将提供32mV的输出，而我们的加速度传感器将只提供5.1 mV的输出。因此，速度传感器的输出强度提高了6倍以上，从而获得了更好的信噪比。

一般来说，频率或机器速度越低，加速度幅值相对于速度的关系就越小。事实上，当我们参考一个典型的振动图(如图2)时，速度通常以水平线表示，因为它往往比位移或加速度受轴转速的影响更小。对于给定的速度水平，位移幅值随着频率的降低而增加;加速度水平下降。当我们增加频率时，反过来也是正确的:加速度振幅增加，位移水平减少。这就是为什么在运行于10,000 rpm的机器上，0.5 g的加速度振幅并不会引起关注(0.18 in/sec pk)，但在运行于100 rpm的机器上(18.4 in/sec pk)却会引起极大的关注!

当选择地震传感器对于套管振动，查看您希望监测的频率范围，并选择具有最佳信号强度的本机输出传感器。例如，如果要根据套管速度保护机器，通常建议使用具有本机速度输出的传感器，而不是集成加速度信号。对于转速低于3600转/分的机器尤其如此。

多年来，唯一的类型速度传感器可用于机械监测的是那些使用动圈设计。这个概念很简单，只需要一个线圈和一块永磁体。当磁场和线圈相对移动时，线圈中感应出电压，电压与运动速度成正比。实际上，这与发电机中使用的原理完全相同，其中旋转磁场(转子)在静止线圈(定子)中感应电压。然而，在速度传感器的情况下，我们有线性的来回运动，而不是旋转运动。由于两个部分之间必须有相对运动，传感器被构造成要么磁铁移动，而线圈保持静止，反之亦然。在实践中，通常最容易构造一个动圈传感器，这样磁铁随着传感器的外壳移动，而线圈(悬挂在弹簧支架上)保持相对不动。具有讽刺意味的是，在这种意义上，人们可以把传感器想象成一个移动磁铁(而不是移动线圈)设计。图3显示了这样一个传感器的剖面图。

⁴此nomograph将位移表示为pk值而不是pp。要转换为pp，请乘以2。

可以想象，如果将图3的传感器转向一侧来测量水平振动而不是垂直振动，那么线圈悬挂的行为将与垂直方向不同。动圈装置的垂直安装和水平安装(或其他相对垂直的安装角度)的设计通常是不同的，因此在订购时必须知道安装方向，除非设计可以适应任何安装角度。

动圈传感器通常是2脚器件，如果引线颠倒，极性就会颠倒。这种相位反转通常不是问题，除非您正在平衡一台机器，在这种情况下，您将想知道正向信号反映的运动是远离安装面还是朝向安装面。即使这样，绝对极性也不像简单地保持与连接一致那样重要，这样相位也总是一致的。这两个引脚通常表示为“A”和“B”。弯曲内华达速度传感器，无论是动圈式还是压电式设计，都遵循这样的惯例:当应用速度从传感器的底部到顶部时，运动引脚A相对于引脚B变成正的。

由Bently Nevada提供的一些老式动圈设备使用3个引脚，并允许施加偏置电压。然后速度信号骑在这个偏置之上，就像接近探头交流组件骑在其直流偏置(间隙电压)之上一样。这样做是为了允许更健壮的OK检查。随着使用压电设计的速度传感器的出现(如Bently Nevada Velomitor)^®传感器)，移动线圈设备的使用已大大减少。在其他优点中，所谓的“压电速度”传感器使用偏置电流，允许可靠的OK检查。

在本系列文章的第1部分中，我们讨论了压电加速度计。压电速度传感器只不过是一个带有嵌入式电路的加速度计，不仅可以将电荷转换为电压，还可以提供信号集成，从而提供速度输出而不是加速度输出。一些压电速度传感器，如Bently Nevada 330900⁵，提供速度输出和加速度输出。然而，大多数这样的传感器只提供速度输出，如本特利内华达Velomitor^®系列包括330500、330525、330750、350752和190501。

通过将集成级嵌入到传感器中，噪声和其他问题被最小化，并允许传感器在所有意图和目的下表现为具有本机速度输出的速度传感器——而不是加速度计。

压电速度传感器在20世纪80年代中后期开始出现在市场上，并由于各种原因迅速取代了动圈传感器:

• 它们没有活动部件可以磨损
• 它们可以安装在任何方向
• 它们具有优异的耐受横向(交叉轴)振动的能力，而不会磨损或影响主轴上的信号
• 如果需要使用嵌入式电子器件，可以提供双输出(加速度和速度)

Bently Nevada 330500是Velomitor的第一个传感器^®家人将被释放。随后出现了包括Velomitor在内的其他几个变体^®XA(扩展应用-基本330500的加固版本)，Velomitor^®CT(冷却塔应用)，以及燃气轮机和其他机器的高温版本，在传感器安装表面产生非常高的温度。

⁵330900高温速度和加速度传感器(HTVAS)使用外部电荷放大器/积分器/信号调节器，因为传感元件的表面安装温度非常高。

由于压电速度设计的许多优点，这是一个自然而重要的问题。简短的回答是“是的-动圈设计仍然有一个可行的地方”。动圈设计不需要外部电源，因为它们是所谓的“自产生”传感器。通用电气(General Electric)等燃气轮机制造商创建了带有集成振动监测的涡轮控制系统，假定使用动圈速度传感器。因此，它们无法为速度传感器提供传感器功率，并使更新的压电速度设计的改造更加困难。Bently Nevada可以帮助升级到性能优越、没有运动部件磨损的新型传感器，但目前工业燃气轮机上的壳体振动传感器通常是动圈设计。

动圈设备的另一个优点是在极低频应用中。考虑图3所示的Bently Nevada 330505低频速度传感器。使用图2的诺莫图，假设我们正在测量典型水轮机运行速度为90转/分(1.5 Hz)时的振动，我们可以看到，当机匣速度为10毫米/秒(相对正常的振动量)时，这只对应于0.00942米/秒²(0.00096 g’s)加速度。虽然330500在此振动级别提供了200 mV的输出，但灵敏度为100 mV/g的典型加速度计只能提供96 mV/g的信号微伏特(不是毫伏)!这远远低于大多数加速度计的噪声下限，排除了它们适用于此类应用的可能性。

集成加速度计当脉冲力存在时，信号可能会出现问题。为了理解为什么会出现问题，考虑一下当我们对理想脉冲积分时在数学上发生了什么⁶函数:得到如图4所示的阶跃函数。

在真实的机械系统中，我们不可能有一个理想的脉冲函数，但是理想的数学模型帮助我们理解当处理一个接近脉冲的东西时积分器电路会做什么:它会导致一个快速上升到一个大值，然后缓慢衰减到零。

现在，考虑一个监控系统如何处理一个信号，例如图4右下角的阶跃函数:它看到一个大的DC值超过了OK限制，因此将其视为一个不OK条件。

当压电速度传感器首次出现在市场上时，它们在大多数机器上表现得非常好，只有一个显著的例外:受脉冲力影响的往复式压缩机。上面描述的现象(脉冲信号的集成)会导致监控系统在这些脉冲存在时“不OK”。传感器实际上并没有故障，机器也没有机械故障。传感器只是以积分器处理脉冲信号的方式做出反应。这是天然速度传感器不同于集成的天然加速度传感器的方式之一。无论如何，压电速度传感器的好处仍然大大超过缺点，而不是回到往复压缩机的动圈传感器，本特利内华达开发了特殊的方法来处理电路OK检查从这些机器上的压电速度传感器。因此，Bently Nevada推出了针对特定配方的建议和配置选项，从我们的3500/70M往复式压缩机脉冲/速度监视器开始进行OK检查。随后的系统，如轨道60，也纳入了这些。

尽管大多数往复式压缩机以外的机器在正常运行时不受脉冲/冲击力的影响，但值得记住的是，压电速度传感器的核心是一个积分加速度计，而不是原生速度传感器，因此将如图4所示对脉冲/冲击激励做出响应。实际上，这可以很容易地确定，只需用螺丝刀敲击压电速度传感器，并在伏特计或示波器上观察其时域响应。

⁶所谓“单位脉冲函数”或“狄拉克函数”是一种持续时间无穷小、振幅无穷大的理想函数。自然界中最接近这种现象的可能是闪电。在机械振动中，真正的脉冲力表现为振幅非常大、持续时间非常短的机械冲击。

主要应用为动圈速度传感器是非常低频的应用，物理上表明速度水平将比相应的加速度水平大得多，加速度信号本身将非常微小。与其求助于复杂的信号处理，试图从传感器的噪声底层中提取有意义的信息，倒不如简单地选择一个更好的传感器来完成这项任务。一个值得注意的机械例子是水力涡轮机，其中测量的是壳体振动，但不需要更高的频率(如滚动轴承)。一个值得注意的非机械例子是在石油勘探中，振动器车辆以非常低的频率震动地面，然后测量反射的地震信号，以检测地下石油矿床的存在(图5)。动圈设备(称为检波器)是用于测量反射地震振动的传感器。

下表比较了压电速度和动圈技术的突出方面。

对比表中关于相位响应的注释值得进一步检查。考虑一个典型的振幅(上)和相位(下)响应本特利内华达动圈速度传感器(型号9200)如图6所示。很明显，尽管振幅响应在约1000hz范围内相当线性，直到约3500hz才下降到-3dB点，但相位响应是高度非线性低于大约30赫兹。这与传感器中弹簧支撑机构的谐振频率有关。虽然振幅响应可以线性化，但相位响应不能。这在使用相位的机械诊断应用和机器以低于30 Hz (1800 rpm)的速度运行的机械平衡应用中变得非常重要。相比之下，典型的压电速度传感器(如Bently Nevada 330500)的安装谐振约为12 kHz，因此在传感器的整个预期范围内(4.5 Hz - 5 kHz)表现出高度线性的振幅和相位响应。

我们希望本文对动圈与压电速度技术的研究能够帮助您了解每种技术的优点、缺点和适合的应用。虽然对于大多数意图和目的，积分加速度计，如本特利内华达Velomitor®传感器可以被视为具有原生速度输出，有一些情况下，信号的集成性质变得明显;值得注意的是，当冲击/冲力作用在传感器上时。Bently Nevada推荐的这些传感器的应用说明了这些问题，包括往复式压缩机。在大多数情况下，压电速度传感器是正确的选择，动圈传感器引入的缺点多于优点。

我们将在2021年12月的《轨道》第3部分:MEMS加速度计中结束这个关于加速度计的系列。虽然MEMS技术已经有十多年的历史，但直到最近才发展到可以在机械状态监测应用中发挥重要作用的地步。