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2009.02SensorWorld振动传感器特性及其在风力发电机中的应用注：陕西省教育厅基金资助项目（项目编号:2008KW-14）摘要：本文介绍了振动传感器的原理、特性以及针对风力发电机的应用需要考虑的问题等。根据对风力发电机振动信号来源以及振动测量和安全保护设计等应用进行了分析研究，提出了振动传感器在风力发电中的选型、安装以及系统的组成等问题。关键词：振动传感器；选型；风力发电机中图分类号：TP825文献标识码：A文章编号：1006-883X（2009）02-0027-05杨海艳孟彦京李伟冰鲍猛一、引言风力发电机在运行的过程中，大体可以分为正常、异常与故障三种状态。当风力发电机处于异常状态时，如果不能及时的发现问题并检修，就会进入故障状态并很容易产生严重的后果。机械振动测量技术不仅仅应用于寻找振源，振动强度和可靠性、隔振、减震、舒适性等问题分析，而且近年来又成功应用于重要机械设备的监测和控制、预报、识别和分析故障方面。这样极大的提高了机械设备的效率于可靠性。因而，对风力发电机振动来源的分析与测量就显得很重要，本文首先介绍振动传感器的原理，最后针对风力发电机的应用要求，给出了具有参考价值的风机振动传感器的选型及其应用。二、振动传感器的类型与原理1、振动信号的描述与信号表达形式工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2(m/s2)，或重力加速度(g)。描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。2、振动信号测量方式最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。在工程中测量振动的方法有：机械法、光学法、电测法。其中，电测方法应用最广泛，是将机械振动量转化为电量，再对电量进行测量、转换，使其成为信号输出。及其技术与应用传感器世界2009.02、振动传感器特性与原理介绍（1）压电式传感器所谓压电效应是物质在机械力的作用下发生形变时，内部产生符号相反的电荷，没有外力时候电荷立即消失。压电加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的，属于能量转换型传感器，压电晶体输出电荷与振动的加速度成正比。压电式加速度计无需外电源，灵敏度高而且稳定。压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应，其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应[1]。压电式振动传感器晶体片两面所带的电荷量大小相等，极性相反，由于晶体片的绝缘电阻很高，因而压电晶体片相当于一个电容器，其可表示为δεSCa=(1)式中，ε—压电晶体的介电常数；δ—晶体片的厚度；S—晶体片构成极板的面积。由于电容器上面的电荷，电压与电容之间的关系有：aaCQU=(2)由于使用压电式振动传感器时，它是与测量仪器配合使用的，此时必须考虑连接电缆电容Cc，放大器的输入电容Ci与输入电阻Ri，再加上传感器本身的电容Ca以及绝缘电阻Ra，完整的等效电路如图1所示。根据传感器的工作原理和等效电路，输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此，放大器（测量电路）分别有电压放大器和电荷放大器两种。（2）磁电式传感器惯性式磁电速度传感器：磁电速度传感器是基于磁电感应工作的，也属于能量转换型传感器。当传感器随被测系统振动时，传感器线圈与磁场之间产生相对运动，传感器内的磁钢随被测物体一起振动，与线圈发生相对运动，从而产生感应电动势，输出与速度成正比的电压。惯性式磁电速度传感器也不需要外电源。惯性式电动传感器：该传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小。也就是让传感器具有足够低的固有频率。根据电磁感应定律，感应电动势为：U=BlXr（3）式中，B—磁通密度；L—线圈在磁场内的有效长度；Xr—线圈在磁场中的相对速度。从传感器的结构上来说，传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动时，所感生的电动势与线圈切割磁力线的速度成正比，因此就传感器的输出信号来说，感应电动势是同被测振动速度成正比的，所以它实际上是一个速度传感器。为了使传感器有比较宽的可用频率范围，在工作线圈的对面安装了一个用紫铜制成的阻尼环。通过合适的几何尺寸，可以得到理想的无量纲衰减系数x=0.7。阻尼环实际上就是一个在磁场里运动的短路环。在工作时，此短路环产生感生电流，这个电流又随同阻尼环在磁场中运动，从而产生电磁力，此力同可动部分的运动方向相反，呈阻力形式出现，其大小与可动部分的运动速度成正比。因此，它是该系统中的线性阻尼力。磁电式传感器是基于电磁感应原理而工作的，因此受温度的影响很小，在工业场合恶劣的环境下得到广泛的应用。（3）其他传感器除了上面阐述的传感器外，还有电感式、电容式、压阻式、电涡流式等类型的传感器可供测量振动时选择，国内厂家比如武汉航天星、绵阳奇石缘等等。比如电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹（a）电荷完整等效电路（b）电压完整等效电路图1压电式传感器完整等效电路2009.02SensorWorld簧质量系统。原理：当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比，具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响。同时电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需要通过后继电路给予改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。另外，传感器的选择还要综合多种因素：重量、灵敏度、频率响应。传感器作为被测物体的附加质量，必然会影响其运动状态，例如一些薄壁结构，传感器的质量已经可以与结构局部质量相比拟，也将会使结构的局部运动状态受到影响。因此，要求传感器的质量要远小于被测物体传感器安装点的动态质量。由于传感器质量的影响，会使被测构件的振动加速度a降低，其降低的加速度Δa可估算（Δa＝a[1－m/（ma+a）]）。灵敏度越高，系统的信噪比越大，而抗干扰能力和分辨率也越强。频率响应由于传感器的基座应变、热释电效应、芯片等环境特性决定。但是就特定结构的传感器来讲，灵敏度越高，传感器大的重量越大，量程和谐振频率也越低。一般来说，在满足频响、重量和量程要求下，应尽量选择高灵敏度的传感器，这样可以降低信号的增益，提高系统的信噪比。作为选用振动传感器的一般原则：正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算：被测振动量的大小、被测振动信号的频率范围、振动测试现场环境。三、风力发电机对于振动传感器的要求要对风力发电机的振动进行测量，首先要分析它的振动来源。风机振动是由于风机叶轮的旋转，发电机的转子不平衡与磨损，转子不平衡是风机振动的主要振源之一。由于设计和结构方面的原因，使转子有一个质量偏心，在转子旋转时，由于质量偏心所产生的离心力的作用而产生的振动；或者材质不匀,制造安装误差以及使用过程中的磨损、积灰等，使风机转子中心惯性轴往往会偏离其旋转轴线。这些惯性力在运动系统中会引起多余的附加动压力，最终都将传到风机转子的支承轴承上。这些大小和方向有着周期性变化的惯性力必将破坏风机转子的平衡，使风机产生振动和噪音，加速轴承、轴承密封零件的损坏，风机的地基松散或偶合器、电机的地脚螺丝松动，各联轴器和轴存在着加工或装配上的误差，各轴有磨损或弯曲现象。据统计,转子不平衡所造成的故障占旋转机械故障的80%以上。另外，还有像滚动轴承损坏、传动皮带损坏、油膜涡动和油膜振荡、风速太大、不稳定、电气方面的原因、空气动力不平衡或叶片角度引起的振动等。其次风力发电机在我国多数情况下普遍位于西北、华北、东北等低温多风沙区域或南方潮湿及沿海高腐蚀区域，且位置均较偏僻。此环境特点要求风机传感器具有良好的耐低温、高湿度、抗风沙、耐腐蚀、性能稳定无需维护等特性。由于风力发电机处于环境恶劣，所以对于监控系统提出了很高的要求，然而振动传感器是信号的采集的主要器件，其精确性与准确度直接影响到监控系统的好坏，所以选择性能良好的振动传感器是非常必要的[2]。风力发电机一般风速在3m/s～50m/s,转子转速达到10r/min～25r/min的范围内发电，超过这个范围风力发电机就要采取措施，进行保护动作。经过分析属于低频信号的采集，所以要求振动传感器一方面低频响应要号，另外一方面其固有频率要高，防止共振现象的发生。四、压电式振动传感器适合的原因1、电压放大器电压等效电路可以化简为图2所示的电路。图中等效电阻R与等效电容C分别为：iaiaRRRRR+=(4)C=Cc+Ci(5)假设作用与压电晶体片上的力F为：F=Fmsinωt(6)则有压电晶体片上产生的电压为：tUCtdFCdFCqUmamaaaωωsinsin====（7）图2压电式传感器与电压放大器连接的等效电路技术与应用传感器世界2009.02式中，d—压电晶体的压电常数；Um—电压幅值。前置放大器输入端的电压Ui用复数表示为：)(1)(1icacinCCCRjRjdFCCRjRjdFU+++=++=ωωωω(8)由此可以得出前置放大器输入电压幅值为：221τωω+=RdFUmim(9)输入电压与作用力之间的相位差为：ωτπϕarctan2−=(10)其中，τ=R（Ca+Cc+Ci）—测量回路的时间常数。当传感器的泄露电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri都为无限大时，则前置放大器的输入电压的幅值为τdFUim=，因此传感器的电压灵敏度为τdFUKmim==。由此可以得出，前置放大器的输入电压和传感器的电压灵敏度都与连接传感器到前置放大器的电缆电压Cc有关，因此在使用的时候，当电缆不是规定的长度时，要重新校正灵敏度。电缆电容的变化会引起电压传感器的测量误差，这是电压放大器的一个突出缺点。如果令ω0=1/τ，可以得到20)/(1ωωω+=RdFUmim，由此式可知：①ω=0时，即作用在压电传感器上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为0。这是因为实际上放大器的输入阻抗不可能为无穷大，而压电传感器也不能绝对绝缘，因此产生的电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。②当ω/ω0≥3时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数τ一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电传感器具有良好的高频响应特性。③ω/ω0≥1(即ωτ≥1)时，前置放大器的输入电压Uim随作用力的频率ω变化不大。上述说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频响应好，这是压电传感器的一个很大的优点，为了提高其低频响应，应该增大测量回路的时间常数τ。增加测量回路的时间常数可以是增加测量回路的电容或者电阻，均可以提高时间常数，但是测量回路电容的增加会使得传感器的灵敏度下降，因此常常采用