加速度傳感器與設備狀態檢修的價值和意義

華能國際電力股份有限公司日照電廠 張昔國

加速度傳感器在生活、生產、科研等活動中越來越常見，其應用的領域和場景非常多，如地質勘探和工程測量用的地震檢波器，通過加速度傳感器監測高壓導線的舞動、汽車安全氣囊、汽車防抱死系統、游戲控制、圖像的自動翻轉、電子指南針的校準、手環和手機中的計步器、拍照的防抖動功能、硬盤的跌落保護、火箭的管道系統、飛機的姿態檢測等。加速度傳感器或加速度計可分為兩種：一種是角加速度計，由陀螺儀改進而來；另一種是線加速度計。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）。加速度傳感器的測量原理依據慣性原理來進行測量，根據牛頓第二定律F=M×A，F 為慣性力，M 為質量塊的質量，A 為加速度。為得到加速度的實際值，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、光學式、熱對流式、隧道電流式等，在實際應用中壓電式、壓阻式、電容式加速度傳感器比較常見，我們對這種三種原理的加速度傳感器做簡單介紹。

1.1 壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器的結構原理如圖1所示，質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，懸臂梁上下通過應變電阻片組成惠斯通電橋。傳感器安裝到目標物上之后，傳感器基座會與目標物一起運動，基座通過懸臂梁帶動質量塊以同樣大小的加速度運動，而質量塊由于慣性作用會產生正比于加速度大小的慣性力，這個慣性力會引起懸臂梁的形變，此時應變電阻片就產生一個變化的電阻，通過惠斯通電橋即可輸出一個與變化電阻成比例的電壓信號。壓阻式傳感器的輸出阻抗低、輸出電平高、內在的噪聲低，對電磁和靜電的抗干擾能力強，同時其工作頻帶寬，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，因此適合進行沖擊測量，在軍工沖擊波測試、汽車碰撞測試、運輸過程的震動和沖擊測量等場景應用較多。

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構類型的示意圖

電容式加速度傳感器如圖2所示，質量塊固定在彈性梁中間，質量塊上端的活動電極與上固定電極組成一個電容C1，質量塊下端的活動電極與下固定電極組成一個電容C2。傳感器安裝到目標設備上之后，傳感器基座會與目標設備一起運動，質量塊會有彈性梁帶動以同樣的加速度運動，但是由于慣性作用會使彈性梁產生形變，這個形變使質量塊發生位移變化，引起上下電容C1和C2的電容值發生變化，從而產生與加速度大小有比例關系的信號輸出。電容式加速度傳感器的特點是：具有比較好的低頻特性可以從零頻率開始測量，傳感器的靈敏度高，環境適應性好，受溫度影響較小，在加速度過沖之后有快速恢復的能力；但是信號的輸入與輸出呈現非線性的關系，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工作的。壓電晶體在受力變形時內部產生極化現象，在壓電晶體的兩個表面產生符號相反的電荷，當外力撤銷之后恢復到不帶電的狀態，這種現象叫正壓電效應。如果通過施加外部的電場來使壓電晶體產生相應的機械形變，則稱之為逆壓電效應。我們用于狀態檢測的壓電式加速度傳感器是基于正壓電效應的原理來工作的。常見的壓電加速度傳感器的結構有壓縮型、剪切型、饒曲型。不同的結構具有不同的特點，壓縮型具有較高的機械強度，適用高加速度值測試；剪切型不易受溫度變化的影響；饒曲型對低頻測量有較高的靈敏度。

當壓電式加速度傳感器振動時，質量塊會將正比于加速度的力作用于壓電晶體上，壓電晶體會產生正比于該力的電荷，通過測量電荷量的大小或經過內置電荷放大電路將電荷信號轉變為電壓信號輸出從而測得加速度值?；谳敵龅牟煌瑢弘娛郊铀俣葌鞲衅鞣譃殡姾奢敵鲂蛪弘娂铀俣葌鞲衅骱碗妷狠敵鲂蛪弘娂铀俣葌鞲衅鳌弘娛郊铀俣葌鞲衅魃虡I化歷史很長，其結構簡單、輸出的動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、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量零赫茲信號，并且由于此類加速度傳感器生產廠家的采用的性能指標、使用的材料特性、設計加工工藝等方面的差異，使傳感器的實際參數、穩定性、一致性的差別很大。

2 采用壓電式加速度傳感器進行設備狀態檢修

一般使用壓電式加速度傳感器進行狀態檢測的系統方案結構如圖4所示。目標設備的振動被壓電式加速度傳感器感知，經過內部變送之后將成比例的電信號傳送到數據采集器，經過采集器的處理之后轉化為數字信號，通過通訊的方式將這些信號傳送到相應的軟件之中，軟件內可以集成數據處理的模塊和高級應用的模塊。在進行設備的狀態檢測方面振動分析是非常有效的工具，通過振動頻譜的分析可以獲取設備豐富的狀態信息。頻譜信號的獲取一般是通過快速傅里葉變換的方法，將振動的時間域信號變換到頻率域。通過分析振動的頻譜信號，從中可以找出設備的很多故障，比如不平衡、不對中、松動、氣蝕、喘振、共振、軸承故障等，這些常見的故障在振動頻譜圖中都有他們的特征頻譜。

3 結語

通過對關鍵設備進行狀態檢測可以有效避免意外事故，避免設備進一步的損壞，節約大量維護的費用，增加設備正常運轉的時間，提高了設備的利用率，同時有效的指導備件的采購和庫存。在通過頻譜分析找到設備的可能的故障原因之后，有針對性的進行設備維護、維修，減輕了設備維護人員的工作強度、縮短設備故障查找時間、提高維護效率，縮短維修的時間。