加速度计:我用什么?

在第1部分中，我们研究了如何加速度计作为压电元件使用的材料类型，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级选择标准，以决定是否使用具有原生加速度输出和速度输出的传感器，如果是速度，则是否使用压电速度传感器或移动线圈设计。

¹集成电子压电

乍一看，知道我们可以在数学上转换加速度、速度和位移，人们可能会得出这样的结论:除了加速度之外，不需要任何传感器——其他测量值可以推导出来。事实上，我们可以用变化率从数学上推导出每个变量。事实上，牛顿用他新发明的微积分把他的运动定律中的每一个都描述为彼此的变化率²描述它们之间的关系:

然而，尽管这些关系是在数学上诚然，电子电路的信号集成和分化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，无法可靠地从位移中产生速度信号^3.信号。相反，积分器电路被用来从加速度产生速度，从速度产生位移。虽然仍然不完美，但这些电路比微分器电路要好得多——特别是当只使用单积分阶段(即，加速度到速度或速度到位移)而不是双积分阶段(即，加速度到位移)。

然而，简单地将加速度信号整合到位移信号中还有一个更根本的问题，即绝对测量值和相对测量值之间的差异。绝对测量是相对于自由空间进行的，而不是机器外壳或振动结构的其他部分。我们用安装在机壳上的加速度计或速度传感器进行的测量是这样的绝对测量:相对于自由空间的振动。相比之下，我们用接近探头进行的测量总是相对测量:机器的一部分相对于另一部分的运动。对于径向振动，通常是相对于振动机匣的振动/旋转轴。对于推力位置，通常是相对于套管的推力环(或轴端)。用接近探头观察轴的振动，我们测量的位移是轴和安装表面(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用a来测量地震传感器。下面的图1说明了这个问题:

因此，如果我们在图1中积分速度传感器的输出(或双积分加速度计的输出)，我们确实会得到位移读数——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，因此，为什么在带有液膜轴承的机器中强调接近探头。答案很简单:我们感兴趣的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、外壳等之间的间隙是有限的。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)会逸出，随后就会发生不良后果。在这些情况下，轴的绝对运动并不重要，重要的是轴和这些固定部件之间的相对运动。

²一个简单的问题，“谁发明了微积分?”也许是数学领域有史以来最大的争议。然而，历史学家得出的结论是，牛顿(英国)和莱布尼茨(德国)在1665年至1675年之间的十年间彼此独立地发明了微积分，尽管两人都没有立即发表自己的成果。无论如何，他们都被称为“微积分之父”。

^3.本特利内华达地震探测器的早期版本^®传感器实际上使用了——顾名思义——一个近距离探头，通过区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，真正的移动线圈传感器被开发出来，它更加可靠，并提供了一个本地速度输出。然而，这个商标至今仍在内华达州本特利公司的许多移动线圈设备上留下，这有助于将它们与携带Velomitor的压电速度传感器区分开来^®商标。

选择传感器时的另一个重要考虑因素(也是我们不使用加速度计的另一个原因，只是简单地集成在软件或固件中)是基于传感器本地输出的信号强度。

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。两者都是实际应用中典型的商用工业传感器。

让我们考虑一台以600 rpm (10 Hz)运行的机器上每个传感器随后发出的信号的1X(运行速度)幅度。我们进一步假设一台粗糙运行的机器，其套管振动的速度读数为8毫米/秒(0.32英寸/秒)。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为单一频率，对应于0.5 m/s²(0.051 g)加速度。换句话说，我们的速度传感器将给出32mV的输出，而我们的加速度传感器将只给出5.1 mV的输出。因此，速度传感器的输出强度是原来的六倍多，从而产生更好的信噪比。

一般来说，频率或机器速度越低，加速度振幅相对于速度就越小。实际上，当我们参考典型的振动曲线(如图2)时，速度通常以水平线表示，因为与位移或加速度相比，它受轴转速的影响较小。对于给定的速度水平，位移幅值随着频率的减小而增大;加速水平降低。当我们增加频率时，反之亦然:加速度幅值增加而位移水平减小。这就是为什么0.5 g / pk的加速度振幅在以10000 rpm运行的机器上不会引起关注(0.18 in/sec pk)，但在以100 rpm运行的机器上(18.4 in/sec pk)会引起极大的关注!

当选择地震传感器对于套管振动，请查看您希望监控的频率范围，并选择具有本机输出的传感器，以提供最佳信号强度。例如，如果您根据套管速度保护机器，通常建议使用具有本地速度输出的传感器，而不是集成加速度信号。对于转速低于3600rpm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移动线圈设计的。这个概念很简单，只需要一圈电线和一块永磁体。当磁场和线圈相互相对运动时，线圈中就会产生电压，电压与运动速度成正比。事实上，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，我们有线性的前后运动，而不是旋转运动。因为两个部分之间必须有相对运动，所以传感器的构造使得磁铁运动而线圈保持静止，反之亦然。在实践中，通常最容易构造一个动圈式传感器，使磁铁随着传感器外壳移动，而线圈(悬挂在弹簧支架上)保持相对静止。具有讽刺意味的是，从这个意义上讲，人们可以将传感器视为移动磁铁(而不是移动线圈)设计。图3显示了这种传感器的剖面图。

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

可以想象，如果将图3的传感器转向其一侧来测量水平而不是垂直振动，则线圈悬架的行为将与垂直方向不同。移动线圈装置的垂直安装和水平安装(或相对于垂直的其他安装角度)的设计通常不同，因此，安装方向必须在订购时知道，除非设计是这样的，它可以容纳任何安装角度。

动圈传感器通常是2针器件，如果引线反向，极性就会简单地反转。这种相位反转通常不是问题，除非您正在平衡机器，在这种情况下，您将想知道正向信号是否反映了远离安装面或朝向安装面的运动。即使这样，绝对极性也不如简单地保持连接的一致性那么重要，这样相位也总是一致的。这两个针脚通常表示为“A”和“B”。本特利内华达速度传感器，无论是动圈式还是压电式设计，都遵循这样的惯例:当施加的速度从传感器的底部到顶部时，运动引脚A相对于引脚B是正的。

内华达本特利公司提供的一些老式动圈装置使用3个引脚，允许施加偏置电压。然后，速度信号在这个偏置上运行，就像接近探头的交流组件在其直流偏置(间隙电压)上运行一样。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(如本特利内华达速度计)^®传感器)，移动线圈装置的使用已大大减少。除其他优点外，所谓的“压电速度”传感器使用偏置电流，可以进行稳健的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内置电路的加速度计，它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，同时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，比如本特利内华达测速仪^®家族包括330500、330525、330750、350752和190501。

通过将集成阶段嵌入到传感器中，噪声和其他问题被最小化，并允许传感器作为具有本地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:

• 它们没有可磨损的活动部件
• 它们可以安装在任何方向
• 它们具有卓越的容忍横向(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，可以使用嵌入式电子器件提供双输出(加速度和速度)

Bently Nevada 330500是Velomitor的第一个传感器^®家人将被释放。紧随其后的是其他几个变体，包括Velomitor^®XA (eXtended Applications——基本版330500的加固版)，即Velomitor^®CT(冷却塔应用)，以及用于燃气轮机和其他在传感器安装表面产生非常高温度的机器的高温版本。

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，因为传感器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——移动线圈设计仍然有一个可行的地方”。移动线圈设计不需要外部电源，因为它们是所谓的“自我产生”传感器。通用电气(General Electric)等燃气轮机制造商创造了集成振动监测的涡轮控制系统，该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，并且使更新的压电速度设计更加困难。本特利内华达可以帮助升级到性能优越的新型传感器，并且没有运动部件磨损，但工业燃气轮机上现有的壳体振动传感器通常是动圈设计。

移动线圈装置的另一个优势是在极低频应用中。考虑如图3所示的Bently Nevada 330505低频速度传感器。使用图2的nomograph，假设我们测量的是典型水轮机运行速度为90转/分(1.5赫兹)时的振动，我们可以看到，在机壳速度为10毫米/秒(相对正常的振动量)的情况下，这只对应于0.00942米/秒²(0.00096 g’s)加速度。虽然330500在这种振动水平下提供200 mV的输出，但典型的100 mV/g灵敏度加速度计只能提供96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底，使其不适合此类应用。

集成加速度计当脉冲力量存在时，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进行积分时会发生什么⁶函数:我们得到一个阶跃函数，如图4所示。

在真实的机械系统中，我们不能在物理上有一个理想的脉冲函数，但理想的数学模型帮助我们理解当处理接近脉冲的东西时积分器电路会做什么:它导致快速上升到一个大值，然后缓慢衰减到零。

现在，考虑监控系统如何处理图4右下方的阶梯函数这样的信号:它看到一个超过OK限制的大直流值，因此将其视为NOT 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都表现得很好，但有一个明显的例外:往复压缩机受到脉冲力的影响。上述现象(脉冲信号的集成)将导致监控系统在这些脉冲存在时“不正常”。传感器实际上没有缺陷，机器实际上也没有出现机械故障。传感器的反应和积分器处理脉冲信号的方式完全一样。这是本地速度传感器区别于集成的本地加速度传感器的方式之一。无论如何，压电速度传感器的优点仍然远远大于缺点，而不是回到往复式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这些机器上的压电速度传感器的电路OK检查。因此，本特利内华达公司从3500/70M往复式压缩机脉冲/速度监测器开始，为OK检查提供了特定的配方建议和配置选项。随后的系统，如轨道60也纳入了这些。

虽然往复式压缩机以外的大多数机器在正常运行中不受脉冲/冲击力的影响，但要记住，压电速度传感器的核心是积分加速度计，而不是原生速度传感器，因此将响应如图4所示的脉冲/冲击激励。事实上，这可以很容易地确定，通过敲击一个压电速度传感器与螺丝刀和观察其时域响应电压表或示波器。

⁶所谓“单位脉冲函数”或“狄拉克δ函数”是一种具有无限小持续时间和无限大振幅的理想函数。自然界中最接近这种现象的可能就是闪电了。在机械振动中，真正的脉冲力是以非常大的振幅和非常短的持续时间的机械冲击的形式出现的。

主要应用为动圈速度传感器是非常低频率的应用，其中物理规定的速度水平将远远大于相应的加速度水平，加速度信号本身将是微不足道的。与其求助于复杂的信号处理，试图从埋在传感器噪声底中的东西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任务。一个值得注意的机械例子是水力涡轮机，其中壳体振动是测量的，但不需要更高的频率(如滚动元件轴承)。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)。移动线圈装置(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移动线圈技术的突出方面。

比较表中关于相位响应的注释值得进一步研究。考虑一个典型的振幅(上)和相位(下)响应本特利内华达动圈式速度传感器(型号9200)如图6所示。很明显，虽然振幅响应是相当线性的约1000赫兹，并没有下降到-3dB点，直到约3500赫兹，相位响应是高度非线性低于约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以及机器运行速度低于30 Hz (1800 rpm)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)的安装共振约为12 kHz，因此在传感器的整个预期范围内(4.5 Hz - 5 kHz)表现出高度线性的幅度和相位响应。

我们希望对移动线圈和压电速度技术的研究可以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Bently Nevada Velomitor®传感器可以被视为具有原生速度输出，但在某些情况下，信号的集成性质变得明显;值得注意的是，当冲击/冲力作用于传感器时。Bently Nevada推荐的这些传感器应用解决了这些问题，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，而移动线圈传感器的缺点多于优点。

我们将在2021年12月的《轨道》(Orbit)杂志上总结加速度计系列，第3部分:MEMS加速度计。虽然MEMS技术已经有十多年的历史，但它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方。