加速度傳感器與設(shè)備狀態(tài)檢修的價(jià)值和意義

華能國(guó)際電力股份有限公司日照電廠 張昔國(guó)

加速度傳感器在生活、生產(chǎn)、科研等活動(dòng)中越來(lái)越常見，其應(yīng)用的領(lǐng)域和場(chǎng)景非常多，如地質(zhì)勘探和工程測(cè)量用的地震檢波器，通過(guò)加速度傳感器監(jiān)測(cè)高壓導(dǎo)線的舞動(dòng)、汽車安全氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)、游戲控制、圖像的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、電子指南針的校準(zhǔn)、手環(huán)和手機(jī)中的計(jì)步器、拍照的防抖動(dòng)功能、硬盤的跌落保護(hù)、火箭的管道系統(tǒng)、飛機(jī)的姿態(tài)檢測(cè)等。加速度傳感器或加速度計(jì)可分為兩種：一種是角加速度計(jì)，由陀螺儀改進(jìn)而來(lái)；另一種是線加速度計(jì)。這里討論的加速度傳感器就屬于線加速度傳感器（以下都稱為加速度傳感器）。加速度傳感器的測(cè)量原理依據(jù)慣性原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)牛頓第二定律F=M×A，F(xiàn) 為慣性力，M 為質(zhì)量塊的質(zhì)量，A 為加速度。為得到加速度的實(shí)際值，只需要知道慣性力F 的大小即可。

1 加速度傳感器的分類

圖1 壓阻式加速度傳感器 原理圖

加速度傳感器依據(jù)其工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式、伺服式、光學(xué)式、熱對(duì)流式、隧道電流式等，在實(shí)際應(yīng)用中壓電式、壓阻式、電容式加速度傳感器比較常見，我們對(duì)這種三種原理的加速度傳感器做簡(jiǎn)單介紹。

1.1 壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，質(zhì)量塊固定在懸臂梁一端，懸臂梁另一端固定在傳感器的基座上，懸臂梁上下通過(guò)應(yīng)變電阻片組成惠斯通電橋。傳感器安裝到目標(biāo)物上之后，傳感器基座會(huì)與目標(biāo)物一起運(yùn)動(dòng)，基座通過(guò)懸臂梁帶動(dòng)質(zhì)量塊以同樣大小的加速度運(yùn)動(dòng)，而質(zhì)量塊由于慣性作用會(huì)產(chǎn)生正比于加速度大小的慣性力，這個(gè)慣性力會(huì)引起懸臂梁的形變，此時(shí)應(yīng)變電阻片就產(chǎn)生一個(gè)變化的電阻，通過(guò)惠斯通電橋即可輸出一個(gè)與變化電阻成比例的電壓信號(hào)。壓阻式傳感器的輸出阻抗低、輸出電平高、內(nèi)在的噪聲低，對(duì)電磁和靜電的抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)其工作頻帶寬，可以從零赫茲到幾十千赫茲。壓阻式加速度傳感器的靈敏度通常比較低，因此適合進(jìn)行沖擊測(cè)量，在軍工沖擊波測(cè)試、汽車碰撞測(cè)試、運(yùn)輸過(guò)程的震動(dòng)和沖擊測(cè)量等場(chǎng)景應(yīng)用較多。

1.2 電容式加速度傳感器

圖3 壓電式加速度傳感器三種不同結(jié)構(gòu)類型的示意圖

電容式加速度傳感器如圖2所示，質(zhì)量塊固定在彈性梁中間，質(zhì)量塊上端的活動(dòng)電極與上固定電極組成一個(gè)電容C1，質(zhì)量塊下端的活動(dòng)電極與下固定電極組成一個(gè)電容C2。傳感器安裝到目標(biāo)設(shè)備上之后，傳感器基座會(huì)與目標(biāo)設(shè)備一起運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊會(huì)有彈性梁帶動(dòng)以同樣的加速度運(yùn)動(dòng)，但是由于慣性作用會(huì)使彈性梁產(chǎn)生形變，這個(gè)形變使質(zhì)量塊發(fā)生位移變化，引起上下電容C1和C2的電容值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與加速度大小有比例關(guān)系的信號(hào)輸出。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是：具有比較好的低頻特性可以從零頻率開始測(cè)量，傳感器的靈敏度高，環(huán)境適應(yīng)性好，受溫度影響較小，在加速度過(guò)沖之后有快速恢復(fù)的能力；但是信號(hào)的輸入與輸出呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，量程有限，通用性不如壓電式加速度傳感器。

1.3 壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。壓電晶體在受力變形時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在壓電晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力撤銷之后恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。如果通過(guò)施加外部的電場(chǎng)來(lái)使壓電晶體產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械形變，則稱之為逆壓電效應(yīng)。我們用于狀態(tài)檢測(cè)的壓電式加速度傳感器是基于正壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的。常見的壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)有壓縮型、剪切型、饒曲型。不同的結(jié)構(gòu)具有不同的特點(diǎn)，壓縮型具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，適用高加速度值測(cè)試；剪切型不易受溫度變化的影響；饒曲型對(duì)低頻測(cè)量有較高的靈敏度。

當(dāng)壓電式加速度傳感器振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)將正比于加速度的力作用于壓電晶體上，壓電晶體會(huì)產(chǎn)生正比于該力的電荷，通過(guò)測(cè)量電荷量的大小或經(jīng)過(guò)內(nèi)置電荷放大電路將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出從而測(cè)得加速度值。基于輸出的不同將壓電式加速度傳感器分為電荷輸出型壓電加速度傳感器和電壓輸出型壓電加速度傳感器。壓電式加速度傳感器商業(yè)化歷史很長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出的動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小，與前面介紹的壓阻式和電容式相比，壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零赫茲信號(hào)，并且由于此類加速度傳感器生產(chǎn)廠家的采用的性能指標(biāo)、使用的材料特性、設(shè)計(jì)加工工藝等方面的差異，使傳感器的實(shí)際參數(shù)、穩(wěn)定性、一致性的差別很大。

2 采用壓電式加速度傳感器進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢修

一般使用壓電式加速度傳感器進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)的系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。目標(biāo)設(shè)備的振動(dòng)被壓電式加速度傳感器感知，經(jīng)過(guò)內(nèi)部變送之后將成比例的電信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)采集器的處理之后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)通訊的方式將這些信號(hào)傳送到相應(yīng)的軟件之中，軟件內(nèi)可以集成數(shù)據(jù)處理的模塊和高級(jí)應(yīng)用的模塊。在進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)方面振動(dòng)分析是非常有效的工具，通過(guò)振動(dòng)頻譜的分析可以獲取設(shè)備豐富的狀態(tài)信息。頻譜信號(hào)的獲取一般是通過(guò)快速傅里葉變換的方法，將振動(dòng)的時(shí)間域信號(hào)變換到頻率域。通過(guò)分析振動(dòng)的頻譜信號(hào)，從中可以找出設(shè)備的很多故障，比如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、氣蝕、喘振、共振、軸承故障等，這些常見的故障在振動(dòng)頻譜圖中都有他們的特征頻譜。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)可以有效避免意外事故，避免設(shè)備進(jìn)一步的損壞，節(jié)約大量維護(hù)的費(fèi)用，增加設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，提高了設(shè)備的利用率，同時(shí)有效的指導(dǎo)備件的采購(gòu)和庫(kù)存。在通過(guò)頻譜分析找到設(shè)備的可能的故障原因之后，有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、維修，減輕了設(shè)備維護(hù)人員的工作強(qiáng)度、縮短設(shè)備故障查找時(shí)間、提高維護(hù)效率，縮短維修的時(shí)間。