相位角传感器 什么是振动相位，如何测量应用，以及故障诊断中的实际应用

什么是振动相位，如何测量应用，以及故障诊断中的实际应用

相位

相位、振幅、频率是振动三要素之一，在振动分析中都是是必不可少的。

相位是在给定时刻，振动部件被测点，相对于固定参考点所处的角位置，单位是度［°］。相位能比较一台机器上，不同位置运动的相对方向，有助于确定机器的不同点与其他点的相对运动情况（通常是不同轴承）

相位是时间t的函数。振动信号的相位，表示振动质点的相对位置。不同振动源产生的振动信号都有各自的相位。相位相同的振动，会引起合拍共振，产生严重的后果；相位相反的振动引起振动互相抵消，起到减振的作用。由几个谐波分量叠加而成的复杂波形，即使各谐波分量的振幅不变，仅改变相位角，也会使波形发生很大变化，甚至变得面目全非。

相位测量分析在故障诊断中有着重要的地位，一般用于谐波分析，动平衡测量，识别振动类型和共振点等许多方面。

1. 相位测量规则

1.1为了说明通常情况下的相位, 需要一个规则， 相位用一个圆360°表示。将相位和表盘指针相比拟: 从1点到12点。相位角是表盘上显示的标志。

1.2因为计算角度是根据振动部件所达到的正弦峰值计算的,所以要得到相位角就必须有振幅峰值。

1.3采集的相位是同一时间同一频率的。比如基频相位，分析者必须说明频率值。

1.4不同频率相位的测量振动频率为 1 倍频，只需要在轴上贴一个反光带标记；振动频率为 2 倍频， 需要对称贴两条反光带（相隔 180°）。如果振动频率是 3 倍频，在轴上要贴 3 条反光带，相互间隔 120°。换句话说，我们能对任何谐波频率和转速的倍频进 行相位分析，这时只需在旋转轴上贴适当数量的反光带便可以。

1.5一旦开始相位分析, 就绝对不能改变所使用的振幅单位，因为速度超前位移1/4周期(90°) 而落后比加速度1/4周期。加速度落后位移1/2周期(180°)

1.6不同测点振动传感器的安装方向应同向, 若感器反向安装。必须在最后读数时必须说明方向。因为两个传感器方向差180° , 必须将测量的相位角中的一个调整180°。一旦做了调整, 相位角就相等了，即轴承为同相运转。

1.7一个轴承不同点的读数是相对值；相邻轴承同一方向的读数是相对值；同一确定点在不同时间的读数是相对值。从这些读数我们可以得到的信息是：部件是如何运动的——即部件之间是如何相对运动的。

1.8振动传感器位置变化引起的相位变化：振动传感器顺转向移动时，由于振动传感器检测到的振动信号滞后，度数相位增大；相位传感器顺转向移动时，则相位度数减小；因实际机组由于垂直和水平方向上油膜和支承动力特性有差异，仪表指示的相位变化与振动传感器移动角度并不严格一致。

2.1利用相位可区别不平衡、偏心和弯曲转子的故障

不平衡转子、偏心转子和弯曲转子都能引起较大的振动，这些故障的频谱图非常相似，以振动幅值和谱图很难区分这3种故障，但是若依据振动相位加以区别，就使问题变得相当简单和轻松。　

对于双支承转子，若同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约90° （±30°），内侧轴承与外侧轴承水平方向振动的相位差接近垂直方向振动的相位差，则转子为不平衡故障；对于悬臂转子，如果支承转子的两轴承的轴向相位近似相等（±30°），则说明悬臂转子不平衡。

偏心转子同一轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为0°或180°。这里所说的偏心转子指的是轴的中心线与转子的中心不重合的转子，也就是说旋转体的几何中心与旋转轴心存在偏心距。　

弯曲轴的两个轴承之间的轴向方向相位变化接近180°，这与弯曲的程度有关。对同一轴承不同点的轴向方向做若干测量，通常会发现在轴承的左侧和右侧测量的相位之间发生接近180°的相位差，在同一轴承的上侧与下侧测量的相位之间也发生接近180°的相位差。

2.2利用相位可诊断联轴器不对中故障

判断不对中故障的最有效的方法是评定联轴器两侧的振动相位，当联轴器两侧的相位差接近 180°（±40°～ 50°）时，则说明是联轴器不对中故障，不对中程度愈严重，相位差愈接近180°。

当联轴器不对中时，支承联轴器任一侧转子的两个轴承径向方向的相位差接近0°或180°（± 30°）；在比较水平方向与垂直方向相位差时，大多数联轴器不对中故障则表现为垂直方向与水平方向之间的相位差接近180°

振动变化在故障诊断中有很重要的作用，同样，在诊断不对中故障时，也要注意相位的变化，可提高诊断的准确率。对于一些需要热补偿的转子，如果设备从室温开始升速，开始时它应该显示不对中的征兆，当设备完全达到运行温度时 不对中征兆便消失，比如，联轴器两侧的相位差开始应该在 150°～180°，最后可降到接近0°～30°。

2.3利用相位可以诊断轴承偏转故障

当轴承不对中或是卡住在轴承上时，可引起大的轴向振动。此时，利用振动幅值或频谱进行诊断往往不能凑效。如果在一轴承彼此间隔90°的 4 个点的轴向方向测量相位，上下或左右的相位差为180°，则说明该轴承偏转或者说是卡住在轴上。

2.4利用相位可以确定转子的实际临界转速

转子在升速或者在降速过程中，利用振动幅值可以确定转子的临界转速，利用振动相位的变化也可以确定转子的临界转速。当机器通过临界转速时，在临界转速处振动相位精确的变化 90°，直到没有更大的放大为止，相位变化继续变到180°。

对于一般设备来说，相位是确定共振的最佳手段。

2.5利用相位可以区别机械松动故障

结构框架或基础松动包括4种不同的故障：一是结构松动或机器底脚、基础平板和混凝土基础弱；二是变形或破碎的砂浆；三是框架或基础变形；四是地脚螺栓松动。这种类型的松动，由于具有与不平衡故障几乎相同的振动频谱，因此，常常被误诊为不平衡，如果仔细观察相位特性，能有效加以区别。

比较每个轴承座的水平和垂直方向相位时，如果振动非常定向，同时相位差为 0 ° 或180 ° ，则可能是松动故障，而不是不平衡。此时，将测量从轴承座下移到底脚、基础平板、混凝土和周围地板上，利用大的相位变化，可能会确定故障所在。

2.6确定转子振型

根据各轴承的振动相位，将各个测量相位连线，可基本确定轴系的振型。对刚性转子，两端轴承振动相位同相为圆柱形振动，反相为圆锥形振动。对挠性转子，两端轴承振动相位同相为一阶振型、三阶振型、…，反相为二阶振型、四阶振型、…。

相位结合频谱、幅值、位置、负荷等其它振动参数的诊断应用在后续章节中加以介绍。

什么是键相？

键相测量,英文名称Key phasemeasurement,就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距宊变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。

1、安装注意事项

凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V

（AP1670标准要求不小于7V）。一般若采用φ5、φ8探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、长度应大于10.2mm。凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大，应将键相探头安装在轴的径向，而不是轴向的位置。应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上，这样即使机组的驱动部分与载荷脱离，传感器仍会有键相信号输出。当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测，从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。键相标记可以是凹槽，也可以是凸键。当标记是凹槽时，安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），不是对着轴的其它完整表面进行调整。否则当轴转动时，可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。

2、键量在状态监测中的作用及意义

一、测量转速，主要是用在变频驱动的设备上；

二、设备启动时或停止时，都要过临界转速（刚性轴除外），使用键相位配合轴振动探头，可以完美的捕捉到启动/停止时的振动趋势；

三、正常使用时检测转轴的轴向扭曲，因为这种异常会导致转轴彻底报废，虽然很少发生！但是由于这种变形根本无法在普通的轴振动探头单独体现出来，这个叫相位角测量；一个键相传感器是测不出轴向扭曲的，要一组专门的传感器来测；

四、可以配合轴振动探头获取，转轴的实时轴心位置，分析轴承扰动或涡流；轴心位置和轴心轨迹也不是键相传感器测出来的，两个90°的电涡流传感器测到的信号就可以画出来，分析轴承进动方向来判断是否有摩擦用的是轴心轨迹图；

五、同步采样，通过键相脉冲，可以控制同步整周期采样，免去了能量泄露的问题，象手持仪器测量数据处理都要加汉宁窗什么的，这就不用了。还有其他的好处，如频率分辨率高等；

六、测量相位，就是可以给出各测点振动的相对关系，做平衡时给出和键相槽的关系，确定配重位置等；

七、诊断主要用到的是各个测点振动的相对关系。

3、键相测量在状态监测中的意义

键相测量一般不参加保护，起机时用来对偏心进行辅助测量。一般5万以上机组就设置键相（300MW及以上必须设置）。键相测量使用的探头需要使用前置器转换信号，输入TSI汽轮机监视系统。现在一般机组在200rpm时主要监视偏心，200rpm时才监视振动。偏心，振动，在分析时都会用到键相。键相主要是用来分析偏心和振动的相位。振动分析系统（TDM）与键相测量密不可分。频谱、幅频等特性分析时，键相是重要一环。

键相不仅仅给偏心使用，还有轴承相对振动，键相是提供一个确定测量位置的，如果我们测量偏心，那么大周转动一圈，在这一圈中有好多偏心可以测量，但是你取哪个时刻的，只能依靠键相来间接确定。

键相和偏心是单独的测量元件，键相可以计算转速信号和转速探头是一样的，它对应的测速盘只有一个齿，所以轴转360才一个脉冲信号它设定一个起始信号。偏心用于测量大轴弯曲，两者配合可以知道在大轴最初位置和下一周位置发生的变化从而确定弯曲相位，配合振动更能清晰此问题，配合振动还可以确定安装间隙等。

键相是一个标记脉冲，它只允许有一个键槽，一个脉冲表示转子一圈。偏心是测量转子在低转速时转子转一圈的最大弯曲值，在转速大于600转以后偏心监视无意义。

键相信号还给轴承振动和轴振动提供基准信号，可以做振动分析，可以提供矢量图分析。举一个不一定很恰当的例子来看：键相信号一个脉冲是转子一圈，可以看做一个360°的坐标，振动在坐标轴上产生一个值可以通过同一个瓦另外一个传感器信号进行矢量和得到一个振动复合信号。另外提供坐标轴振动信号，知道键相传感器安装位置和角度可以推算如何进行动平衡调整。

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