基于PSD的汽輪機轉子軸振動傳感器

趙繼興,李 晨,馬少華,雷英俊,李瑞君

(1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009;2.華能巢湖發電有限責任公司,安徽 合肥 238015)

火電和核電在全部電能中占比達80%,汽輪機是火電和核電發電設備的核心,是現代化國家的重要動力機械設備[1]。而汽輪機轉子軸的振動情況直接反映汽輪機的工作狀況,一臺機組正常運行時,其振動值應在允許的范圍內，一旦轉子軸的振動值超出這個范圍或振動變得不穩定,都說明汽輪機出現了一定程度的故障[2]。因此,檢測汽輪機轉子軸的振動情況是汽輪機故障診斷的主要方法[3]。

振動測量主要通過接觸式和非接觸式2種方式實現。接觸式振動傳感器需固定在被測振動物體上,傳感器本身的重量會對振動測量產生影響,且汽輪機轉子軸也無法安裝額外的設備,因此該類型振動傳感器不適用于測量汽輪機轉子軸的振動[4]。

近年來,在非接觸振動檢測技術研究方面,國內外的研究機構取得了一些進展。光學傳感技術具有精度高、抗干擾的特點,被廣泛應用于振動的非接觸檢測。文獻[5]介紹了一種基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)的非接觸式振動傳感器,將永磁體固定在膜片上,膜片連接FBG,當被測磁性振動體與永磁體之間的距離發生改變時,會拉扯FBG,引起FBG的輸出信號發生變化實現振動檢測;該振動傳感器的振幅測量范圍2 mm、線性度4.11%,具有靈敏度高、線性度好的特點;但只適用于磁性轉軸,且對不同磁性材料敏感度不同。文獻[6]提出一種光纖反射式振動傳感器,通過發射光纖發出光束到轉軸表面,接收光纖收集反射光實現轉軸振動檢測;其分辨率為10 μm,頻率響應范圍0～650 Hz;但對解調設備要求高,且成本較高。文獻[7]設計了基于激光多普勒原理的高精度三維激光掃描測振系統,該系統的分辨率為0.1 m/s,測量范圍0～3.3 m,具有測量距離范圍廣,可實現三維振動測量的優點;但結構復雜,測量精度較低。文獻[8]介紹了基于藍光DVD光學讀取頭的非接觸式探頭,其分辨率優于1 nm,對階高為2 μm的標準器件重復測量的標準差為21 nm,具有分辨率高的優點;但其測量范圍小,不能滿足現場測量要求。除了光學非接觸傳感技術之外,基于電磁感應原理的非接觸傳感技術也得到了研究人員的關注。文獻[9]研制了一種基于電渦流原理的測量系統,在0～2 mm量程范圍內電渦流傳感器位移測量系統的線性度0.75%,具有靈敏度高、線性度好等優點;但該種傳感器對被測材料有嚴格要求,且易受電磁干擾。以上檢測方法各有所長,但難以兼顧結構尺寸、測量精度和成本,不適用于在工業現場廣泛應用。

本文提出一種使用位置敏感器件(position sensitive detector,PSD)作為探測器和基于激光三角原理的汽輪機轉子軸振動傳感器,該傳感器具有精度高、成本低、適應性強等特點,為汽輪機轉子軸振動測量提供了一種新方法。

1 原理和建模

系統采用直射式激光三角法,其工作原理如圖1所示。當一束激光以一定的角度照射到汽輪機轉軸表面時,光線在轉軸表面發生反射,通過成像透鏡,在PSD感光面上成像。當轉子軸表面振動時,PSD感光面的成像點也隨之變化,根據物像之間的關系,可得到轉子軸的振動位移值[10]。由于入射光、反射光和探測器延長線構成幾何三角形,這種方法被稱為激光三角測量法。

圖1 直射式激光三角法光路圖

圖1中:A點為被測物的初始位置,當被測物體表面發生振動時,被測物從A點移動到B點,PSD光敏面上的像點從A′移動到B′;x為被測表面實際偏移量;y為成像偏移量;l1、l2分別為透鏡的物距和像距;α為被測面法線與成像光軸夾角,定義為工作角;β為PSD光敏面與成像光軸夾角。由三角幾何關系可得:

(1)

只要得到PSD光敏面像點的移動距離y,被測物體實際偏移量x就可被求出。對(1)式變換求導,可得直射式激光三角測量系統的靈敏度為:

(2)

根據Scheimpfiug條件[11]可得:

l1tanα=l2tanβ

(3)

滿足(3)式,無論被測物體如何移動距離,激光光斑都可以通過接收透鏡在光敏元件上形成清晰的物像。根據高斯成像原理，即

(4)

(2)式可以改寫為:

(5)

由(5)式可知,傳感器靈敏度S與工作角α、透鏡物距l1、透鏡焦距f、被測物體實際位移x有關。在測量范圍最遠處,靈敏度S取最小值。

2 結構優化和電路設計

2.1 結構優化

選定的PSD感光面尺寸為9 mm×9 mm,傳感器設計測量范圍±1.5 mm,考慮光斑落在PSD光敏面距中心90%的范圍內會有較好的線性,因此,最小靈敏度Smin取值宜為2.0～2.5之間。下面將分別討論各參數對Smin的影響,以確定最優結構參數。

(1) 工作角α=20°時,給定不同的透鏡焦距f值,最小靈敏度Smin隨透鏡物距l1變化的關系如圖2所示。

圖2 工作角α=20°時Smin隨l1變化的曲線

從圖2可以看出,焦距f在25～40 mm、工作距在40～55 mm時,最小靈敏度在2.0～3.0之間。

但在此區間,光敏面入射角β較小,在0°～12.5°之間,成像不理想,因此不予考慮。

(2) 工作角α=30°時,給定不同的透鏡焦距f值,最小靈敏度Smin隨透鏡物距l1變化的關系如圖3所示。

圖3 工作角α=30°時Smin隨l1變化的曲線

從圖3可以看出,焦距f在30～45 mm、工作距在45～60 mm時,最小靈敏度在2.0～3.0之間。光敏面入射角β在16°～20°之間,成像條件較為理想。

在圖3中選取最小靈敏度滿足2.0～2.5區間的數組,見表1所列。

表1 工作角α=30°時的參數對比

(3) 工作角α=40°時,給定不同的透鏡焦距f值,最小靈敏度Smin隨透鏡物距l1變化的關系如圖4所示。

圖4 工作角α=40°時Smin隨l1變化的曲線

從圖4可以看出,焦距f在30～50 mm、物距在45～70 mm時,最小靈敏度在2.0～3.0之間。光敏面入射角β在22°～26°之間,成像條件最佳。

在圖4中選取最小靈敏度滿足2.0～2.5區間的數組,見表2所列。

表2 工作角α=40°時的參數對比

綜合考慮系統的靈敏度和體積問題,最終確定合適的各項參數為:α=30°,β=18.29°,l1=55 mm,f=35 mm,l2=96 mm,x=1.5 mm。代入(5)式計算得Smin=2.463,即被測表面移動1 mm,反射光斑在PSD光敏面產生2.463 mm的位移。

2.2 電路設計

二維PSD結構示意圖如圖5所示。當光照射到PSD光敏面上時,4個電極分別輸出4路光電流,電流大小與光斑位置相關。

圖5中:Y方向輸出電流為I1、I2;X方向輸出電流為I3、I4。

圖5 二維PSD結構示意圖

二維PSD結構位置與輸出信號之間的關系式如下:

(6)

(7)

其中:L為PSD有效感光面的長度;I1、I2、I3、I4分別為PSD的4個電極的光電流輸出。

轉子軸振動傳感器測量電路框圖如圖6所示。PSD輸出4路電流,將該4路電流信號轉換成電壓信號后經過低通濾波處理,截止頻率為2 kHz。AD7076轉換器將濾波后的電壓信號轉換為數字量后被單片機讀取,在單片機內進行數據處理后將位移值發送給計算機,計算機顯示測量位移值。

圖6 轉子軸振動傳感器測量電路框圖

3 標定及測試

加工完成的轉子軸振動傳感器如圖7所示,通過實驗對其進行標定和測試。

圖7 轉子軸振動傳感器實物圖

3.1 標定

采用振動比較法對轉子軸振動傳感器進行標定，在標定實驗中以邁克爾遜干涉儀作為參考基準(即精度優于10 nm,重復定位標準偏差為7 nm)[12]。

標定實驗裝置示意圖如圖8所示。

圖8 轉子軸振動傳感器標定實驗裝置示意圖

在一維線性位移平臺上固定一個雙面反射鏡,調整位移臺,以100 μm為步進單位調整位移臺,記錄干涉儀和傳感器的輸出,重復10次,由實驗可知,傳感器在0～2 mm范圍內線性度較好。以輸入位移為橫坐標,10次重復實驗傳感器的輸出電壓均值為縱坐標,測量結果如圖9所示。

從圖9可以看出，轉子軸振動傳感器的靈敏度為0.33 V/mm。

圖9 靈敏度測試結果

3.2 分辨率

傳感器分辨率是指其可辨別的最小振幅值。微納米振動臺作為激振源[13],信號發生器輸出頻率為2 Hz和一定幅值的方波電壓信號,經功率放大器后用于微納米振動臺,使振動臺產生不同幅值的振動,實驗裝置示意圖如圖10所示。

圖10 轉子軸振動傳感器分辨力實驗裝置示意圖

通過調節微納米振動臺的振幅,轉子軸振動傳感器可辨別的最小振幅值如圖11所示。

從圖11可以看出,轉子軸振動傳感器的分辨率為4 μm。

圖11 分辨率測試結果

3.3 頻率響應

頻率響應范圍是指傳感器能夠準確檢測振動的頻率范圍超出響應范圍,測量誤差將顯著增大。以遠東測振公司生產的商用JX-3C型振動校準儀作為激振源,頻率響應范圍實驗裝置如圖12所示。該系統失真度低于3%,有6個特定頻率供選擇,且由于激振系統輸出功率的限制,其頻率越高,所允許輸出的最大振幅值越小。

圖12 頻率響應范圍實驗裝置

選定6個振動頻率值,記錄傳感器的輸出振幅。以激勵振幅為橫坐標,傳感器輸出振幅為縱坐標,測量結果如圖13所示。

從圖13可以看出,在10～325 Hz范圍內,轉子軸振動傳感器的輸出線性良好,因此其頻率響應范圍為10～325 Hz。

圖13 頻率響應范圍

3.4 重復性

使用圖12實驗裝置對轉子軸振動傳感器進行重復性測試,以0.2 mm為間隔,在0～2 mm范圍內依次改變激振峰峰值,記錄傳感器輸出信號,重復實驗10次。以激振峰峰值為橫坐標,激振峰峰值與傳感器輸出振幅的偏差值為縱坐標,測量結果如圖14所示。

從圖14可以看出,10次測量的標準差均優于3 μm。

圖14 重復性測量結果

3.5 應用

以華能巢湖發電有限責任公司的汽輪機組為例,進行現場實際測量。該汽輪機組安裝了德國epro公司電渦流式振動探頭(型號PR6423/003-031),用于檢測汽輪機轉子軸振動，其靈敏度為8 V/mm,測量范圍為±1 mm。將本文傳感器與電渦流探頭測量同一處轉軸振動,實測結果如圖15所示。

從圖15可以看出，2個傳感器的時域波形趨勢一致。

使用頻譜分析方法對圖15所示的時域數據進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)處理[14],得到的頻譜圖如圖16所示。

圖15 2個傳感器的時域對比

由圖16可知,汽輪機轉子軸整體運行良好,存在底噪抬起現象,表明汽輪機軸瓦間有磨損可能,這為下一步設備檢修提供了故障分析依據。

圖16 FFT頻譜圖

4 結 論

本文研制了一款基于PSD的汽輪機轉子軸振動傳感器,其靈敏度為0.33 V/mm,測量范圍為2 mm,分辨率為4 μm,頻率響應范圍為10～325 Hz,10次重復實驗標準差優于3 μm。該傳感器具有精度高、響應速度快、成本低廉、適應性強等特點,可以用于工業現場的汽輪機轉子軸振動的檢測和故障分析。