CN205426213U - 旋转机械多参量监测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋转机械多参量监测传感器，包含引线接头、电荷放大器、振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件，能集中检测旋转机械关键部件的振动、冲击、温度、热敏逻辑状态四种参数，可有效抑制大型旋转机械运行状态监测工况的强电磁干扰，克服了现有旋转机械状态监测中常用单端输出传感器抗干扰能力差的问题，避免了现有旋转机械状态监测中常因敏感元件失效而造成的误诊或漏诊，满足大型旋转机械运行状态监测与故障诊断的应用要求。

Description

旋转机械多参量监测传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于旋转机械运行状态监测与故障诊断的传感器，特别是一种旋转机械多参量监测的传感器。

背景技术

传感器技术作为信息技术的三大基础之一,是当前各发达国家竞相发展的高技术。传感器类似于人类为了获取外界信息所必须借助的感觉器官，是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。一般来说一个传感器只能测量一个物理量，为了能准确全面的认识对象和环境，以进一步进行监测或控制，往往需要多个传感器来同时测量多个物理量，使得系统结构庞大而复杂，降低其可靠性和稳定性。

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。在旋转机械运行状态监测中，每个关键部件都需要进行监测，如果传感器数量过多，会导致监测系统结构复杂、信息采集分散、信号传输过程易受干扰，这就给大型旋转机械的状态监测和故障诊断带来了一定的困难。

现有大型旋转机械状态监测方法主要有：温度监测、振动冲击监测、温度与振动综合监测三种方法。基于温度升高是旋转机械某些部件出现故障后并临近引起事故的一种外在特征表现，旋转机械大都采用了温度监测报警装置；但并不是所有的故障都必然导致温度升高（如齿轮故障、轴承工作面损伤等），因此，对于恶劣环境下的大型旋转机械通常采用温度与振动综合监测的方法。实践表明，单独的轴温监测报警是不全面的、也是不完备的，虽然通过温度与振动综合监测的方法使监测效果得到一定的改善，但还存在一些问题：振动冲击监测传感器的单端输出方式会因旋转机械强烈电磁干扰影响而导致误诊误判，同时避免不了因敏感元件失效而造成的误诊或漏诊。为此，希望尽可能把几种敏感元器件制作在一起，使一个多参量传感器能同时测量几个参数、具有多种功能，不但便于旋转机械状态监测设备的安装与维护，同时也提高了监测系统的稳定性和可靠性。

多参量传感器在满足了各参数监测的功能基础之上，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性；一定程度上减少了大型旋转机械监测系统的安装成本、人力资源、财力资源，可为监测系统提供大量而且全面的监测数据，使大型旋转机械关键部件的故障诊断更加准确可靠，对保证大型旋转机械运行安全具有重要意义。因此，开发一种用于旋转机械多参量监测的传感器非常必要。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于旋转机械运行状态监测与故障诊断的传感器，特别是一种旋转机械多参量监测的传感器。

为实现上述目的，本实用新型的一种用于旋转机械多参量监测传感器，包括引线接头、电荷放大器、振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件；其特征在于所述振动冲击敏感器件经电荷放大器输出至引线接头，所述温度敏感器件直接连至引线接头，所述热敏逻辑元件与限流电阻的串联点连接至引线接头；可集中监测列车走行部的振动、冲击、温度、热敏逻辑状态四种参数。

所述的温度敏感器件、热敏逻辑元件与限流电阻封装在传感器基座底部的开孔内，并由金属封片密封，基座中上部开有一侧孔且与底部开孔连通，用于引出信号线；所述振动冲击敏感器件由螺钉通过质量块紧固在基座上部凹槽中，与其连接的电荷放大器由螺钉固定于基座顶部，基座通过中上部螺纹与外壳连接、通过下部螺纹与旋转机械关键部件可靠连接。

所述的振动冲击敏感器件由两片相同的压电晶片串联而成，以形成一个差分输出方式的信号源。

所述的电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和电容C1、C2组成的单电源全差分放大器。

所述的温度敏感器件为单总线数字温度传感器。

所述的热敏逻辑元件为易熔合金，与限流电阻串联后并接于温度敏感器件的电源两端，逻辑信号由串接点输出。

本实用新型的有益效果是，由两片相同的压电晶片组成的差分输出振动冲击敏感信号源，连接至由双运放IC1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和电容C1、C2组成的单电源全差分电荷放大器，可有效抑制从压电晶片到电荷放大器引线和传感器输出引线的共模干扰和差模干扰，解决了现有旋转机械状态监测中常用的振动冲击敏感器件或传感器整体单端输出方式所带来的抗干扰能力差的问题；经过工艺处理把传感器的敏感元器件和电路均安装在外壳、基座、封片一起形成的密闭金属空腔内，有效抑制旋转机械状态监测中的强电磁干扰；本实用新型传感器的敏感元器件包括振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件（其阀值温度按振动冲击敏感器件及电路、温度敏感器件、被测对象等中的最低失效温度选定），可集中监测旋转机械的振动、冲击、温度、热敏逻辑状态四种参数，在热敏逻辑状态为高电平时振动冲击敏感器件和温度敏感器件的输出信号有效，在热敏逻辑状态输出为低电平时不考虑振动冲击敏感器件和温度敏感器件的输出值而直接报警，避免了现有旋转机械状态监测中常因敏感元件失效而造成的误诊或漏诊问题。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。

图2是本实用新型的结构剖面图。

图中：1.外壳、2.基座，3.引线接头，4.电荷放大器，5.质量块，6.振动冲击敏感器件，7.限流电阻，8.温度敏感器件，9.热敏逻辑元件，10.封片。

图3是本实用新型的压电效应示意图。

图中：A.绝缘隔膜，B.压电晶片，C.铜片电极。

图4是本实用新型的电路原理图。

图中：3.引线接头，6.振动冲击敏感器件，7.限流电阻，8.温度敏感器件，9.热敏逻辑元件。

图5是本实用新型的仰视图。

图6是本实用新型的俯视图。

图7是本实用新型的基座螺纹接头图。

图8是本实用新型的外形图。

具体实施方式

结合附图，图1为本实用新型原理框图，图2为本实用新型剖面图。一种用于旋转机械多参量监测的传感器，包括引线接头、电荷放大器、振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件；传感器内部装有振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件三种敏感元器件，其中，振动冲击敏感器件用于拾取旋转机械关键部件运行过程中所产生的振动和冲击，温度敏感器件用于监测旋转机械关键部件运行过程中的温度变化情况，热敏逻辑元件在温度未超过其阀值时处于导通状态、温度超过其阀值后处于断开状态（其阀值按振动冲击敏感器件及电路、温度敏感器件、被测对象等中的最低失效温度选定），用于在旋转机械关键部件运行温度超过其阀值时实时输出报警信号。

本实用新型传感器的振动冲击敏感器件由螺钉通过质量块紧固在基座上部凹槽中，与其连接的电荷放大器由螺钉固定于基座顶部。该振动冲击敏感器件由两片相同的压电晶片串联而成（参见图3，A为绝缘隔膜、B为压电晶片、C为铜片电极），以形成一个差分输出方式的信号源，其工作原理是利用压电晶体片的压电效应来测量旋转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器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10000g，最高频响频率16kHz，满足一般大型旋转机械状态监测的要求。本实用新型传感器的振动冲击敏感器件为差分输出方式，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，因为旋转机械的干扰信号一般是以共模信号的形式存在，所以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。

本实用新型传感器的温度敏感器件封装在传感器基座底部的开孔内并于热敏逻辑元件之上，信号线和电源线由基座中上部的侧孔引出，传感器的温度敏感器件为单总线数字温度传感器，可选器件有DS18B20、DS1820、DS1822等，如下以DS18B20为例介绍。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供CPU处理，在一条总线上可挂接多个DS18B20芯片，是只有一个总线命令者和一个或多个从者组成的计算机应用系统；主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该单总线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线；DS18B20数字温度传感器可提供9～12位温度读数，读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线，总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源，而不需额外的电源；由于DS18B20这一特点，非常适合于旋转机械关键部件的多点温度检测系统，硬件结构简单，方便联网。采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与CPU接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度数字量(9～12位二进制数，含1位符号位，可由编程决定具体位数)，测温范围为-55℃～+125℃，测量分辨率为0.5℃，最高可达0.0625℃，供电电源电压为3.0～5.5V。旋转机械关键部件的监测温度直接以单总线的数字方式传输，大大提高了监测系统的抗干扰性能。

本实用新型传感器的热敏逻辑元件封装在传感器基座底部的开孔内并于温度敏感器件之下，信号线和电源线由基座中上部的侧孔引出。本实用新型传感器的热敏逻辑元件为易熔合金，与限流电阻串联后并接于温度敏感器件的电源两端，逻辑信号由串接点输出。易熔合金,低熔点合金，也称模具合金是用铋、铅、锡和镉等元素制成的合金。易熔合金常被广泛地用于电子电气自动控制，用作电器、蒸汽、消防、火灾报警等装置中的保险丝、熔断器等热敏组件，是一类颇具发展潜力的低熔点合金新型材料。常见易熔合金包括：47℃易熔合金、58℃易熔合金、70℃易熔合金、92℃易熔合金、100℃易熔合金、105℃易熔合金、120℃易熔合金、125℃易熔合金、138℃易熔合金、145℃易熔合金、150℃易熔合金、160℃易熔合金、170℃易熔合金、182℃易熔合金、190℃易熔合金、200℃易熔合金等。其特点是：熔点准、熔化范围较窄，反应灵敏，达温动作、熔化时间在60～120秒内完成，温度保险丝熔化断开时间在20～60秒内。本实用新型传感器中按振动冲击敏感器件及电路、温度敏感器件、被测对象等中的最低失效温度来选择用做热敏逻辑元件的易熔合金的熔点温度（或阀值温度），该阀值温度应满足旋转机械的有关标准要求；在监测点温度未超过其阀值温度时易熔合金处于导通状态，热敏逻辑元件的输出为高电平，此时，传感器拾取的振动冲击、温度信号有效，监测系统根据传感器拾取的振动冲击、温度信号判定旋转机械关键部件的运行状态；当监测点温度超过其阀值温度后易熔合金熔化（处于断开状态），热敏逻辑元件的输出为低电平，此时，传感器拾取的振动冲击、温度信号无效，监测系统CPU响应该测点输出的低电平中断，及时判定出测点故障而发出报警信号；这样，监测系统既可根据有效的振动冲击、温度信号对旋转机械关键部件的运行状态做出正确的判定，也可在振动冲击敏感器件、温度敏感器件失效或测点温度超过其阀值温度时及时地给出报警信号；克服了现有旋转机械状态监测中因敏感器件失效而造成的误诊或漏诊。

参见图4，所述的电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和电容C1、C2组成的单电源全差分放大器，其输入、输出均为差分方式，能有效抑制输入、输出引线上的共模干扰。IC1为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8572、AD8599、OP285、OP297、LI1012等；电容C1、C2为电源退耦电容，选择高频噪声抑制性能较好的COG电容；电阻R4、R5用于从电源分压以给振动冲击敏感器件提供工作电源，电阻R6用于抑制振动冲击敏感器件引线上的差模干扰，电阻R1～R3与双运放IC1组成的全差分放大器，其中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器件，差分放大器的放大倍数为：A=1+（R1+R2）/R3。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。电阻R1～R6均选择温度特性较好的金属膜电阻。

由图4可知，本实用新型传感器的引线接头为6芯，分别定义为：热敏逻辑元件的逻辑输出Kon、单总线数字温度传感器的数字信号输入和输出DQ、传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出的振动冲击信号Va+和Va-。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IC1和温度敏感器件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10KΩ，电阻R1、R2的阻值应大于100KΩ，为易熔合金，与热敏逻辑元件串联的限流电阻的阻值应在500KΩ以上。

参见图5、图6、图7、图8，分别是本实用新型传感器的仰视图、俯视图、基座螺纹接头图、以及外形图，本实用新型传感器的安装连接是一种可拆卸式的螺栓连接，基座中部为一六边形螺帽，包括帽本体、自所述帽本体向下延伸形成的杆体，所述杆体包括形成在所述杆体内的密封孔、以及形成在所述杆体的外缘上且与所述外壳的旋向相同的外螺纹，所述杆体的直径小于帽本体的直径；实际应用中，所述杆体埋设到旋转机械的被测工件内，且该螺栓与工件之间形成螺纹连接，从而可加强传感器与被测工件之间的连接，防止松动。本实用新型传感器的敏感元器件和电路均安装在外壳、基座、封片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，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。

Claims (6)

1.一种旋转机械多参量监测传感器，包括引线接头、电荷放大器、振动冲击敏感器件、温度敏感器件、热敏逻辑元件；其特征在于所述振动冲击敏感器件经电荷放大器输出至引线接头，所述温度敏感器件直接连至引线接头，所述热敏逻辑元件与限流电阻的串联点连接至引线接头；可集中监测列车走行部的振动、冲击、温度、热敏逻辑状态四种参数。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械多参量监测传感器，其特征在于所述的温度敏感器件（8）、热敏逻辑元件（9）与限流电阻（7）封装在传感器基座（2）底部的开孔内，并由金属封片（10）密封，基座（2）中上部开有一侧孔且与底部开孔连通，用于引出信号线；所述振动冲击敏感器件（6）由螺钉通过质量块（5）紧固在基座（2）上部凹槽中，与其连接的电荷放大器（4）由螺钉固定于基座（2）顶部，基座（2）通过中上部螺纹与外壳（1）连接、通过下部螺纹与旋转机械关键部件可靠连接。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械多参量监测传感器，其特征在于所述的振动冲击敏感器件（6）由两片相同的压电晶片串联而成，以形成一个差分输出方式的信号源。

4.根据权利要求1所述的一种旋转机械多参量监测传感器，其特征在于所述的电荷放大器（4）是一个由低功耗低噪声双运放IC1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和电容C1、C2组成的单电源全差分放大器。

5.根据权利要求1所述的一种旋转机械多参量监测传感器，其特征在于所述的温度敏感器件（8）为单总线数字温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种旋转机械多参量监测传感器，其特征在于所述的热敏逻辑元件（9）为易熔合金，与限流电阻（7）串联后并接于温度敏感器件（8）的电源两端，逻辑信号由串接点输出。