压电式加速度传感器振动信号采集系统*

高立慧， 赵振刚， 张长胜， 李英娜， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)



压电式加速度传感器振动信号采集系统*

高立慧， 赵振刚， 张长胜， 李英娜， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

针对变压器产生的振动信号的特征,设计了一种基于压电式加速度传感器的变压器振动信号采集系统。以振动控制台为试验对象，利用此系统对控制台输出的振动信号进行采集，并用快速傅里叶变换对采集到的振动信号进行分析。实验结果表明：该系统将压电式加速度传感器输出的电荷信号转换成了标准的电压信号，能够准确、实时地采集振动信号，为变压器故障在线监测奠定了基础。

压电式加速度传感器； 振动； 信号采集

0 引 言

在变压器运行时，由于内部结构受到磁滞伸缩效应等影响会发生共振，导致振幅过大，进而可能造成变压器铁、绕组松动变形和噪声过大等问题，所以需要对变压器进行振动监测[1,2]。在美国、俄罗斯及加拿大等国对通过在线监测变压器的振动来反映变压器绕组和铁芯状况的方法进行了一定的研究[3,4]。浙江大学林爱弟等人利用电荷放大器组建的一种光电传输系统，实现振动信号采集的电隔离，证明了该光电传输系统具有较大的线性度和幅频特性[5]。陆兆峰等人利用压电式加速度传感器，设计了应用于压路机振动信号测量系统，将采集到的数据实时显示、存储、分析和处理[6]。通过传感器测量油箱表面上的振动信号，整个测量系统与电力系统没有电气连接,对电网的正常运行也无任何影响[7,8]，能够安全、可靠地达到在线监测的目的。

本文根据变压器振动信号的特征，设计了一种基于压电式加速度传感器的振动信号采集系统，再以振动控制台为测试对象，利用此系统对控制台输出的振动信号进行采集，并用快速傅里叶变换对采集到的振动信号进行分析，验证了系统方案的可行性。

1 压电式加速度传感器测振原理

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为

(1)

式中 ε为压电晶体的介电常数；A为晶体片的面积;d为晶体片的厚度；d1为压电系数；F为沿晶轴施加的力。压电式加速度计的晶体片确定后，ε,d,d1,A都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。本文采用YD—12A型加速度传感器，它能提供较宽的频率范围和动态范围，同时还具有重量轻、体积小、耐高温，适合在电力变压器振动监测上使用。传感器性能参数设置：电荷灵敏度为8.95pC/ms-2；频率范围为0.2～5 000Hz；最大可测加速度为2 000 gn；温度范围为-40～80 ℃；重量为25g。

图1 传感器内部等效图Fig 1 Equivalent diagram of sensor inside

2 振动信号采集系统设计

变压器信号监测系统由压电式加速度传感模块、信号调理模块、AD采集模块等组成。变压器振动信号监测系统通过加速度传感器将采集到的振动信号转换成对应的电荷量，通过电荷放大器将电荷量转换成标准电压信号并放大，通过AD采集卡采样，单片机对AD采样信号进行转换进而通过CAN通信将信号传送给上位机进行显示和存储。振动信号采集系统如图2所示。

图2 振动信号采集系统Fig 2 Vibration signal acquisition system

1)信号调理模块

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集模块,信号调理包括模块主要包括电荷转换，电压放大，滤波三个部分。传感器输出信号微弱，进行放大以提高分辨率和降低噪声,使调理后信号的电压范围和AD采集模块的电压范围相匹配。在振动信号的测量中往往夹杂着许多复杂的噪声信号，正常运行的变压器振动信号，绕组振动信号基本上集中在基频100 Hz处，铁芯振动信号频率范围主要集中在100～400 Hz，根据滤波器的幅频特性分析，本文采用抗混滤波器。为了不受传输信号的环境噪声影响，信号调理模块应尽可能靠近传感器。信号调理模块原理如图3所示。

图3 信号调理模块原理Fig 3 Principle of signal conditioning module

2)AD数据采集模块

本文采用的AD芯片为德州仪器公司的AD7707芯片，该芯片分辨率为16位，实时采样率可达3 kHz。AD信号的转换是在单片机PIC18F4520中实现的，并且模拟信号的极性可配置，量程范围可调，最低输出电压范围为-0.156～+0.156 V，最高输出电压范围为-10～+10 V。在AD芯片与单片机接口连接处加入光耦隔离芯片，提高了系统的抗干扰能力，AD与单片机的接口原理如图4所示。

图4 AD芯片与单片机接口原理图Fig 4 Principle of interface of AD chip and MCU

3 试验与结果分析

本文采用振动器、VC2002函数信号发生器、GF—20 功率放大器搭建振动控制台，控制台提供标准的正弦振动信号，并可以控制信号输出频率大小，振动控制台示意图如图5所示。现场将传感器探头通过螺丝安装在振动台之上，将传感器上引出线与振动信号采集系统连接，再将采集系统AD采集模块的通信线与采用PCI9052和SJA1000设计的CAN总线适配卡连接，CAN总线适配卡通过电脑U口将采集的振动信号传送给上位机。

图5 控制台示意图Fig 5 Console diagram

由于针对变压器振动的监测，其振动信号频率主要分布在100～500 Hz之间，500 Hz以上频率衰减较大，一般不予考虑。所以,控制台选择100,300,500 Hz振动信号给定振动传感器，将系统采集到的振动信号运用快速傅里叶变将其时域信号转换成频域信号，对应的时域、频域曲线如图6所示。

图6 振动信号时域、频域曲线Fig 6 Curve of time domain and frequency domain of vibration signal

图6中，(a),(b),(c)分别对应100,300,500 Hz处的振动信号时域和频域曲线，控制台在给定不同频率振动信号时，由图6时域曲线可以看出，采集系统的采样频率为3 kHz,采样精度为16位，采集系统能够将加速度传感器输出的电荷信号转换成电压信号，由经过快速傅里叶变换的频域曲线可以看出，系统能够准确地采集不同频率下的振动信号。

4 结 论

针对变压器振动状态监测中的振动信号采集与监测等问题，设计了基于压电式加速度传感器的变压器振动信号采集系统，以振动控制台为测试对象，利用此系统对控制台输出的振动信号进行采集，并将采集到的电压信号发送给上位机。测试结果表明：该系统将压电式加速度传感器输出的电荷信号转换成了标准的电压信号，控制台给定不同频率振动信号时，该系统能够准确、实时地采集振动信号，其采集精度为16位，稳定性好，为变压器的状态在线监测和故障诊断提供了良好的手段。

[1] 余 涛.电力变压器技术与应用[M].北京：中国电力出版社，2008：10-15.

[2] 李 凯,赵振刚,蔡 陈,等.光纤Bragg光栅在变压器振动监测中的测点选择[J].光学技术,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] 林爱弟.变压器绕组振动特征提取及其状态识别方法研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[6] 陆兆峰，秦 旻，陈 禾，等.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究[J].仪表技术与传感器， 2007(7):3-4，9.

[7] 刘京诚,任小宇,陈小强,等.基于光纤F-P传感器变压器铁心在线监测研究[J].传感器与微系统,2009,28(5):58-60.

[8] 臧 状.针对振动信号的变压器绕组故障诊断及分析方法研究[D].沈阳：沈阳工业大学,2015.

[9] 黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用[M].2版.成都:电子科技大学出版社,2005:111-122.

李 川，通讯作者，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

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)；中国博士后科学基金面上资助(一等资助)项目(2014M552552XB)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0100—03

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0100—03

高立慧(1989-)，女，河北沧州人，硕士研究生，研究方向为光纤传感技术，数据采集与检测等。