高立慧， 趙振剛， 張長(zhǎng)勝， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

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壓電式加速度傳感器振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)*

高立慧， 趙振剛， 張長(zhǎng)勝， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

針對(duì)變壓器產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的特征,設(shè)計(jì)了一種基于壓電式加速度傳感器的變壓器振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。以振動(dòng)控制臺(tái)為試驗(yàn)對(duì)象，利用此系統(tǒng)對(duì)控制臺(tái)輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并用快速傅里葉變換對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集振動(dòng)信號(hào)，為變壓器故障在線監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

壓電式加速度傳感器； 振動(dòng)； 信號(hào)采集

0 引 言

在變壓器運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到磁滯伸縮效應(yīng)等影響會(huì)發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅過(guò)大，進(jìn)而可能造成變壓器鐵、繞組松動(dòng)變形和噪聲過(guò)大等問題，所以需要對(duì)變壓器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)[1,2]。在美國(guó)、俄羅斯及加拿大等國(guó)對(duì)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)變壓器的振動(dòng)來(lái)反映變壓器繞組和鐵芯狀況的方法進(jìn)行了一定的研究[3,4]。浙江大學(xué)林愛弟等人利用電荷放大器組建的一種光電傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集的電隔離，證明了該光電傳輸系統(tǒng)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(shè)計(jì)了應(yīng)用于壓路機(jī)振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理[6]。通過(guò)傳感器測(cè)量油箱表面上的振動(dòng)信號(hào)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)與電力系統(tǒng)沒有電氣連接,對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行也無(wú)任何影響[7,8]，能夠安全、可靠地達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的。

本文根據(jù)變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)了一種基于壓電式加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，再以振動(dòng)控制臺(tái)為測(cè)試對(duì)象，利用此系統(tǒng)對(duì)控制臺(tái)輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并用快速傅里葉變換對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。

1 壓電式加速度傳感器測(cè)振原理

晶體片上產(chǎn)生的電壓量與作用力的關(guān)系為

(1)

式中 ε為壓電晶體的介電常數(shù)；A為晶體片的面積;d為晶體片的厚度；d1為壓電系數(shù)；F為沿晶軸施加的力。壓電式加速度計(jì)的晶體片確定后，ε,d,d1,A都是常數(shù)，則晶體片上產(chǎn)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(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)還具有重量輕、體積小、耐高溫，適合在電力變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)上使用。傳感器性能參數(shù)設(shè)置：電荷靈敏度為8.95pC/ms-2；頻率范圍為0.2～5 000Hz；最大可測(cè)加速度為2 000 gn；溫度范圍為-40～80 ℃；重量為25g。

圖1 傳感器內(nèi)部等效圖Fig 1 Equivalent diagram of sensor inside

2 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變壓器信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由壓電式加速度傳感模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、AD采集模塊等組成。變壓器振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)加速度傳感器將采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電荷量，通過(guò)電荷放大器將電荷量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)并放大，通過(guò)AD采集卡采樣，單片機(jī)對(duì)AD采樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而通過(guò)CAN通信將信號(hào)傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)Fig 2 Vibration signal acquisition system

1)信號(hào)調(diào)理模塊

從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊,信號(hào)調(diào)理包括模塊主要包括電荷轉(zhuǎn)換，電壓放大，濾波三個(gè)部分。傳感器輸出信號(hào)微弱，進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲,使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和AD采集模塊的電壓范圍相匹配。在振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量中往往夾雜著許多復(fù)雜的噪聲信號(hào)，正常運(yùn)行的變壓器振動(dòng)信號(hào)，繞組振動(dòng)信號(hào)基本上集中在基頻100 Hz處，鐵芯振動(dòng)信號(hào)頻率范圍主要集中在100～400 Hz，根據(jù)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(hào)的環(huán)境噪聲影響，信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近傳感器。信號(hào)調(diào)理模塊原理如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理模塊原理Fig 3 Principle of signal conditioning module

2)AD數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)采樣率可達(dá)3 kHz。AD信號(hào)的轉(zhuǎn)換是在單片機(jī)PIC18F4520中實(shí)現(xiàn)的，并且模擬信號(hào)的極性可配置，量程范圍可調(diào)，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(jī)接口連接處加入光耦隔離芯片，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，AD與單片機(jī)的接口原理如圖4所示。

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

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用振動(dòng)器、VC2002函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、GF—20 功率放大器搭建振動(dòng)控制臺(tái)，控制臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)的正弦振動(dòng)信號(hào)，并可以控制信號(hào)輸出頻率大小，振動(dòng)控制臺(tái)示意圖如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)將傳感器探頭通過(guò)螺絲安裝在振動(dòng)臺(tái)之上，將傳感器上引出線與振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)連接，再將采集系統(tǒng)AD采集模塊的通信線與采用PCI9052和SJA1000設(shè)計(jì)的CAN總線適配卡連接，CAN總線適配卡通過(guò)電腦U口將采集的振動(dòng)信號(hào)傳送給上位機(jī)。

圖5 控制臺(tái)示意圖Fig 5 Console diagram

由于針對(duì)變壓器振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，其振動(dòng)信號(hào)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(tái)選擇100,300,500 Hz振動(dòng)信號(hào)給定振動(dòng)傳感器，將系統(tǒng)采集到的振動(dòng)信號(hào)運(yùn)用快速傅里葉變將其時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，對(duì)應(yīng)的時(shí)域、頻域曲線如圖6所示。

圖6 振動(dòng)信號(hào)時(shí)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(duì)應(yīng)100,300,500 Hz處的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域曲線，控制臺(tái)在給定不同頻率振動(dòng)信號(hào)時(shí)，由圖6時(shí)域曲線可以看出，采集系統(tǒng)的采樣頻率為3 kHz,采樣精度為16位，采集系統(tǒng)能夠?qū)⒓铀俣葌鞲衅鬏敵龅碾姾尚盘?hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換的頻域曲線可以看出，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集不同頻率下的振動(dòng)信號(hào)。

4 結(jié) 論

針對(duì)變壓器振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的振動(dòng)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)等問題，設(shè)計(jì)了基于壓電式加速度傳感器的變壓器振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，以振動(dòng)控制臺(tái)為測(cè)試對(duì)象，利用此系統(tǒng)對(duì)控制臺(tái)輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的電壓信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，控制臺(tái)給定不同頻率振動(dòng)信號(hào)時(shí)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集振動(dòng)信號(hào)，其采集精度為16位，穩(wěn)定性好，為變壓器的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了良好的手段。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助(一等資助)項(xiàng)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?yàn)楣饫w傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)等。