加速度传感器与设备状态检修的价值和意义

华能国际电力股份有限公司日照电厂 张昔国

加速度传感器在生活、生产、科研等活动中越来越常见，其应用的领域和场景非常多，如地质勘探和工程测量用的地震检波器，通过加速度传感器监测高压导线的舞动、汽车安全气囊、汽车防抱死系统、游戏控制、图像的自动翻转、电子指南针的校准、手环和手机中的计步器、拍照的防抖动功能、硬盘的跌落保护、火箭的管道系统、飞机的姿态检测等。加速度传感器或加速度计可分为两种：一种是角加速度计，由陀螺仪改进而来；另一种是线加速度计。这里讨论的加速度传感器就属于线加速度传感器（以下都称为加速度传感器）。加速度传感器的测量原理依据惯性原理来进行测量，根据牛顿第二定律F=M×A，F 为惯性力，M 为质量块的质量，A 为加速度。为得到加速度的实际值，只需要知道惯性力F 的大小即可。

1 加速度传感器的分类

图1 压阻式加速度传感器 原理图

加速度传感器依据其工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、伺服式、光学式、热对流式、隧道电流式等，在实际应用中压电式、压阻式、电容式加速度传感器比较常见，我们对这种三种原理的加速度传感器做简单介绍。

1.1 压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器的结构原理如图1所示，质量块固定在悬臂梁一端，悬臂梁另一端固定在传感器的基座上，悬臂梁上下通过应变电阻片组成惠斯通电桥。传感器安装到目标物上之后，传感器基座会与目标物一起运动，基座通过悬臂梁带动质量块以同样大小的加速度运动，而质量块由于惯性作用会产生正比于加速度大小的惯性力，这个惯性力会引起悬臂梁的形变，此时应变电阻片就产生一个变化的电阻，通过惠斯通电桥即可输出一个与变化电阻成比例的电压信号。压阻式传感器的输出阻抗低、输出电平高、内在的噪声低，对电磁和静电的抗干扰能力强，同时其工作频带宽，可以从零赫兹到几十千赫兹。压阻式加速度传感器的灵敏度通常比较低，因此适合进行冲击测量，在军工冲击波测试、汽车碰撞测试、运输过程的震动和冲击测量等场景应用较多。

1.2 电容式加速度传感器

图3 压电式加速度传感器三种不同结构类型的示意图

电容式加速度传感器如图2所示，质量块固定在弹性梁中间，质量块上端的活动电极与上固定电极组成一个电容C1，质量块下端的活动电极与下固定电极组成一个电容C2。传感器安装到目标设备上之后，传感器基座会与目标设备一起运动，质量块会有弹性梁带动以同样的加速度运动，但是由于惯性作用会使弹性梁产生形变，这个形变使质量块发生位移变化，引起上下电容C1和C2的电容值发生变化，从而产生与加速度大小有比例关系的信号输出。电容式加速度传感器的特点是：具有比较好的低频特性可以从零频率开始测量，传感器的灵敏度高，环境适应性好，受温度影响较小，在加速度过冲之后有快速恢复的能力；但是信号的输入与输出呈现非线性的关系，量程有限，通用性不如压电式加速度传感器。

1.3 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。压电晶体在受力变形时内部产生极化现象，在压电晶体的两个表面产生符号相反的电荷，当外力撤销之后恢复到不带电的状态，这种现象叫正压电效应。如果通过施加外部的电场来使压电晶体产生相应的机械形变，则称之为逆压电效应。我们用于状态检测的压电式加速度传感器是基于正压电效应的原理来工作的。常见的压电加速度传感器的结构有压缩型、剪切型、饶曲型。不同的结构具有不同的特点，压缩型具有较高的机械强度，适用高加速度值测试；剪切型不易受温度变化的影响；饶曲型对低频测量有较高的灵敏度。

当压电式加速度传感器振动时，质量块会将正比于加速度的力作用于压电晶体上，压电晶体会产生正比于该力的电荷，通过测量电荷量的大小或经过内置电荷放大电路将电荷信号转变为电压信号输出从而测得加速度值。基于输出的不同将压电式加速度传感器分为电荷输出型压电加速度传感器和电压输出型压电加速度传感器。压电式加速度传感器商业化历史很长，其结构简单、输出的动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小，与前面介绍的压阻式和电容式相比，压电式加速度传感器不能测量零赫兹信号，并且由于此类加速度传感器生产厂家的采用的性能指标、使用的材料特性、设计加工工艺等方面的差异，使传感器的实际参数、稳定性、一致性的差别很大。

2 采用压电式加速度传感器进行设备状态检修

一般使用压电式加速度传感器进行状态检测的系统方案结构如图4所示。目标设备的振动被压电式加速度传感器感知，经过内部变送之后将成比例的电信号传送到数据采集器，经过采集器的处理之后转化为数字信号，通过通讯的方式将这些信号传送到相应的软件之中，软件内可以集成数据处理的模块和高级应用的模块。在进行设备的状态检测方面振动分析是非常有效的工具，通过振动频谱的分析可以获取设备丰富的状态信息。频谱信号的获取一般是通过快速傅里叶变换的方法，将振动的时间域信号变换到频率域。通过分析振动的频谱信号，从中可以找出设备的很多故障，比如不平衡、不对中、松动、气蚀、喘振、共振、轴承故障等，这些常见的故障在振动频谱图中都有他们的特征频谱。

3 结语

通过对关键设备进行状态检测可以有效避免意外事故，避免设备进一步的损坏，节约大量维护的费用，增加设备正常运转的时间，提高了设备的利用率，同时有效的指导备件的采购和库存。在通过频谱分析找到设备的可能的故障原因之后，有针对性的进行设备维护、维修，减轻了设备维护人员的工作强度、缩短设备故障查找时间、提高维护效率，缩短维修的时间。