壓電式加速度傳感器振動信號采集系統*

高立慧， 趙振剛， 張長勝， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

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壓電式加速度傳感器振動信號采集系統*

高立慧， 趙振剛， 張長勝， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

針對變壓器產生的振動信號的特征,設計了一種基于壓電式加速度傳感器的變壓器振動信號采集系統。以振動控制臺為試驗對象，利用此系統對控制臺輸出的振動信號進行采集，并用快速傅里葉變換對采集到的振動信號進行分析。實驗結果表明：該系統將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號轉換成了標準的電壓信號，能夠準確、實時地采集振動信號，為變壓器故障在線監測奠定了基礎。

壓電式加速度傳感器； 振動； 信號采集

0 引 言

在變壓器運行時，由于內部結構受到磁滯伸縮效應等影響會發生共振，導致振幅過大，進而可能造成變壓器鐵、繞組松動變形和噪聲過大等問題，所以需要對變壓器進行振動監測[1,2]。在美國、俄羅斯及加拿大等國對通過在線監測變壓器的振動來反映變壓器繞組和鐵芯狀況的方法進行了一定的研究[3,4]。浙江大學林愛弟等人利用電荷放大器組建的一種光電傳輸系統，實現振動信號采集的電隔離，證明了該光電傳輸系統具有較大的線性度和幅頻特性[5]。陸兆峰等人利用壓電式加速度傳感器，設計了應用于壓路機振動信號測量系統，將采集到的數據實時顯示、存儲、分析和處理[6]。通過傳感器測量油箱表面上的振動信號，整個測量系統與電力系統沒有電氣連接,對電網的正常運行也無任何影響[7,8]，能夠安全、可靠地達到在線監測的目的。

本文根據變壓器振動信號的特征，設計了一種基于壓電式加速度傳感器的振動信號采集系統，再以振動控制臺為測試對象，利用此系統對控制臺輸出的振動信號進行采集，并用快速傅里葉變換對采集到的振動信號進行分析，驗證了系統方案的可行性。

1 壓電式加速度傳感器測振原理

晶體片上產生的電壓量與作用力的關系為

(1)

式中 ε為壓電晶體的介電常數；A為晶體片的面積;d為晶體片的厚度；d1為壓電系數；F為沿晶軸施加的力。壓電式加速度計的晶體片確定后，ε,d,d1,A都是常數，則晶體片上產生的電壓量與作用力成正比。本文采用YD—12A型加速度傳感器，它能提供較寬的頻率范圍和動態范圍，同時還具有重量輕、體積小、耐高溫，適合在電力變壓器振動監測上使用。傳感器性能參數設置：電荷靈敏度為8.95pC/ms-2；頻率范圍為0.2～5 000Hz；最大可測加速度為2 000 gn；溫度范圍為-40～80 ℃；重量為25g。

圖1 傳感器內部等效圖Fig 1 Equivalent diagram of sensor inside

2 振動信號采集系統設計

變壓器信號監測系統由壓電式加速度傳感模塊、信號調理模塊、AD采集模塊等組成。變壓器振動信號監測系統通過加速度傳感器將采集到的振動信號轉換成對應的電荷量，通過電荷放大器將電荷量轉換成標準電壓信號并放大，通過AD采集卡采樣，單片機對AD采樣信號進行轉換進而通過CAN通信將信號傳送給上位機進行顯示和存儲。振動信號采集系統如圖2所示。

圖2 振動信號采集系統Fig 2 Vibration signal acquisition system

1)信號調理模塊

從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集模塊,信號調理包括模塊主要包括電荷轉換，電壓放大，濾波三個部分。傳感器輸出信號微弱，進行放大以提高分辨率和降低噪聲,使調理后信號的電壓范圍和AD采集模塊的電壓范圍相匹配。在振動信號的測量中往往夾雜著許多復雜的噪聲信號，正常運行的變壓器振動信號，繞組振動信號基本上集中在基頻100 Hz處，鐵芯振動信號頻率范圍主要集中在100～400 Hz，根據濾波器的幅頻特性分析，本文采用抗混濾波器。為了不受傳輸信號的環境噪聲影響，信號調理模塊應盡可能靠近傳感器。信號調理模塊原理如圖3所示。

圖3 信號調理模塊原理Fig 3 Principle of signal conditioning module

2)AD數據采集模塊

本文采用的AD芯片為德州儀器公司的AD7707芯片，該芯片分辨率為16位，實時采樣率可達3 kHz。AD信號的轉換是在單片機PIC18F4520中實現的，并且模擬信號的極性可配置，量程范圍可調，最低輸出電壓范圍為-0.156～+0.156 V，最高輸出電壓范圍為-10～+10 V。在AD芯片與單片機接口連接處加入光耦隔離芯片，提高了系統的抗干擾能力，AD與單片機的接口原理如圖4所示。

圖4 AD芯片與單片機接口原理圖Fig 4 Principle of interface of AD chip and MCU

3 試驗與結果分析

本文采用振動器、VC2002函數信號發生器、GF—20 功率放大器搭建振動控制臺，控制臺提供標準的正弦振動信號，并可以控制信號輸出頻率大小，振動控制臺示意圖如圖5所示。現場將傳感器探頭通過螺絲安裝在振動臺之上，將傳感器上引出線與振動信號采集系統連接，再將采集系統AD采集模塊的通信線與采用PCI9052和SJA1000設計的CAN總線適配卡連接，CAN總線適配卡通過電腦U口將采集的振動信號傳送給上位機。

圖5 控制臺示意圖Fig 5 Console diagram

由于針對變壓器振動的監測，其振動信號頻率主要分布在100～500 Hz之間，500 Hz以上頻率衰減較大，一般不予考慮。所以,控制臺選擇100,300,500 Hz振動信號給定振動傳感器，將系統采集到的振動信號運用快速傅里葉變將其時域信號轉換成頻域信號，對應的時域、頻域曲線如圖6所示。

圖6 振動信號時域、頻域曲線Fig 6 Curve of time domain and frequency domain of vibration signal

圖6中，(a),(b),(c)分別對應100,300,500 Hz處的振動信號時域和頻域曲線，控制臺在給定不同頻率振動信號時，由圖6時域曲線可以看出，采集系統的采樣頻率為3 kHz,采樣精度為16位，采集系統能夠將加速度傳感器輸出的電荷信號轉換成電壓信號，由經過快速傅里葉變換的頻域曲線可以看出，系統能夠準確地采集不同頻率下的振動信號。

4 結 論

針對變壓器振動狀態監測中的振動信號采集與監測等問題，設計了基于壓電式加速度傳感器的變壓器振動信號采集系統，以振動控制臺為測試對象，利用此系統對控制臺輸出的振動信號進行采集，并將采集到的電壓信號發送給上位機。測試結果表明：該系統將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號轉換成了標準的電壓信號，控制臺給定不同頻率振動信號時，該系統能夠準確、實時地采集振動信號，其采集精度為16位，穩定性好，為變壓器的狀態在線監測和故障診斷提供了良好的手段。

[1] 余 濤.電力變壓器技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2008：10-15.

[2] 李 凱,趙振剛,蔡 陳,等.光纖Bragg光柵在變壓器振動監測中的測點選擇[J].光學技術,2015(4):318-321.

[3] Park S.Fault determination of power transformer by using analysis of vibration signal[D].Seoul:Soongsil University,1996.

[4] Lavalle J C.Failure detection in transformer using vibration ana-lysis[D].Cambridge:MIT,1986.

[5] 林愛弟.變壓器繞組振動特征提取及其狀態識別方法研究[D].杭州：浙江大學,2014.

[6] 陸兆峰，秦 旻，陳 禾，等.壓電式加速度傳感器在振動測量系統的應用研究[J].儀表技術與傳感器， 2007(7):3-4，9.

[7] 劉京誠,任小宇,陳小強,等.基于光纖F-P傳感器變壓器鐵心在線監測研究[J].傳感器與微系統,2009,28(5):58-60.

[8] 臧 狀.針對振動信號的變壓器繞組故障診斷及分析方法研究[D].沈陽：沈陽工業大學,2015.

[9] 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].2版.成都:電子科技大學出版社,2005:111-122.

李 川，通訊作者，E—mail:boatriver@eyou.com。

Research on vibration signal acquisition system based on piezoelectric acceleration sensor*

GAO Li-hui, ZHAO Zhen-gang, ZHANG Chang-sheng, LI Ying-na, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Design a vibration signal acquisition system of transformer based on piezoelectric acceleration sensor aiming at characteristics of vibration signals generated by transformer.Taking vibration console as test object,acquire vibration signal by this system output by console and use fast Fourier transform(FFT) to analyze collected vibration signal.Test results shows that the system converts charge signal output by piezoelectric acceleration sensor to standard voltage signal and it can accurately and real-time capture vibration signals,which lay foundation for transformer fault on line monitoring.

piezoelectric acceleration sensor; vibration; signal acquisition

2015—11—12

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0100—03

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0100—03

高立慧(1989-)，女，河北滄州人，碩士研究生，研究方向為光纖傳感技術，數據采集與檢測等。