基于PSD的汽轮机转子轴振动传感器

赵继兴,李 晨,马少华,雷英俊,李瑞君

(1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009;2.华能巢湖发电有限责任公司,安徽 合肥 238015)

火电和核电在全部电能中占比达80%,汽轮机是火电和核电发电设备的核心,是现代化国家的重要动力机械设备[1]。而汽轮机转子轴的振动情况直接反映汽轮机的工作状况,一台机组正常运行时,其振动值应在允许的范围内，一旦转子轴的振动值超出这个范围或振动变得不稳定,都说明汽轮机出现了一定程度的故障[2]。因此,检测汽轮机转子轴的振动情况是汽轮机故障诊断的主要方法[3]。

振动测量主要通过接触式和非接触式2种方式实现。接触式振动传感器需固定在被测振动物体上,传感器本身的重量会对振动测量产生影响,且汽轮机转子轴也无法安装额外的设备,因此该类型振动传感器不适用于测量汽轮机转子轴的振动[4]。

近年来,在非接触振动检测技术研究方面,国内外的研究机构取得了一些进展。光学传感技术具有精度高、抗干扰的特点,被广泛应用于振动的非接触检测。文献[5]介绍了一种基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的非接触式振动传感器,将永磁体固定在膜片上,膜片连接FBG,当被测磁性振动体与永磁体之间的距离发生改变时,会拉扯FBG,引起FBG的输出信号发生变化实现振动检测;该振动传感器的振幅测量范围2 mm、线性度4.11%,具有灵敏度高、线性度好的特点;但只适用于磁性转轴,且对不同磁性材料敏感度不同。文献[6]提出一种光纤反射式振动传感器,通过发射光纤发出光束到转轴表面,接收光纤收集反射光实现转轴振动检测;其分辨率为10 μm,频率响应范围0～650 Hz;但对解调设备要求高,且成本较高。文献[7]设计了基于激光多普勒原理的高精度三维激光扫描测振系统,该系统的分辨率为0.1 m/s,测量范围0～3.3 m,具有测量距离范围广,可实现三维振动测量的优点;但结构复杂,测量精度较低。文献[8]介绍了基于蓝光DVD光学读取头的非接触式探头,其分辨率优于1 nm,对阶高为2 μm的标准器件重复测量的标准差为21 nm,具有分辨率高的优点;但其测量范围小,不能满足现场测量要求。除了光学非接触传感技术之外,基于电磁感应原理的非接触传感技术也得到了研究人员的关注。文献[9]研制了一种基于电涡流原理的测量系统,在0～2 mm量程范围内电涡流传感器位移测量系统的线性度0.75%,具有灵敏度高、线性度好等优点;但该种传感器对被测材料有严格要求,且易受电磁干扰。以上检测方法各有所长,但难以兼顾结构尺寸、测量精度和成本,不适用于在工业现场广泛应用。

本文提出一种使用位置敏感器件(position sensitive detector,PSD)作为探测器和基于激光三角原理的汽轮机转子轴振动传感器,该传感器具有精度高、成本低、适应性强等特点,为汽轮机转子轴振动测量提供了一种新方法。

1 原理和建模

系统采用直射式激光三角法,其工作原理如图1所示。当一束激光以一定的角度照射到汽轮机转轴表面时,光线在转轴表面发生反射,通过成像透镜,在PSD感光面上成像。当转子轴表面振动时,PSD感光面的成像点也随之变化,根据物像之间的关系,可得到转子轴的振动位移值[10]。由于入射光、反射光和探测器延长线构成几何三角形,这种方法被称为激光三角测量法。

图1 直射式激光三角法光路图

图1中:A点为被测物的初始位置,当被测物体表面发生振动时,被测物从A点移动到B点,PSD光敏面上的像点从A′移动到B′;x为被测表面实际偏移量;y为成像偏移量;l1、l2分别为透镜的物距和像距;α为被测面法线与成像光轴夹角,定义为工作角;β为PSD光敏面与成像光轴夹角。由三角几何关系可得:

(1)

只要得到PSD光敏面像点的移动距离y,被测物体实际偏移量x就可被求出。对(1)式变换求导,可得直射式激光三角测量系统的灵敏度为:

(2)

根据Scheimpfiug条件[11]可得:

l1tanα=l2tanβ

(3)

满足(3)式,无论被测物体如何移动距离,激光光斑都可以通过接收透镜在光敏元件上形成清晰的物像。根据高斯成像原理，即

(4)

(2)式可以改写为:

(5)

由(5)式可知,传感器灵敏度S与工作角α、透镜物距l1、透镜焦距f、被测物体实际位移x有关。在测量范围最远处,灵敏度S取最小值。

2 结构优化和电路设计

2.1 结构优化

选定的PSD感光面尺寸为9 mm×9 mm,传感器设计测量范围±1.5 mm,考虑光斑落在PSD光敏面距中心90%的范围内会有较好的线性,因此,最小灵敏度Smin取值宜为2.0～2.5之间。下面将分别讨论各参数对Smin的影响,以确定最优结构参数。

(1) 工作角α=20°时,给定不同的透镜焦距f值,最小灵敏度Smin随透镜物距l1变化的关系如图2所示。

图2 工作角α=20°时Smin随l1变化的曲线

从图2可以看出,焦距f在25～40 mm、工作距在40～55 mm时,最小灵敏度在2.0～3.0之间。

但在此区间,光敏面入射角β较小,在0°～12.5°之间,成像不理想,因此不予考虑。

(2) 工作角α=30°时,给定不同的透镜焦距f值,最小灵敏度Smin随透镜物距l1变化的关系如图3所示。

图3 工作角α=30°时Smin随l1变化的曲线

从图3可以看出,焦距f在30～45 mm、工作距在45～60 mm时,最小灵敏度在2.0～3.0之间。光敏面入射角β在16°～20°之间,成像条件较为理想。

在图3中选取最小灵敏度满足2.0～2.5区间的数组,见表1所列。

表1 工作角α=30°时的参数对比

(3) 工作角α=40°时,给定不同的透镜焦距f值,最小灵敏度Smin随透镜物距l1变化的关系如图4所示。

图4 工作角α=40°时Smin随l1变化的曲线

从图4可以看出,焦距f在30～50 mm、物距在45～70 mm时,最小灵敏度在2.0～3.0之间。光敏面入射角β在22°～26°之间,成像条件最佳。

在图4中选取最小灵敏度满足2.0～2.5区间的数组,见表2所列。

表2 工作角α=40°时的参数对比

综合考虑系统的灵敏度和体积问题,最终确定合适的各项参数为:α=30°,β=18.29°,l1=55 mm,f=35 mm,l2=96 mm,x=1.5 mm。代入(5)式计算得Smin=2.463,即被测表面移动1 mm,反射光斑在PSD光敏面产生2.463 mm的位移。

2.2 电路设计

二维PSD结构示意图如图5所示。当光照射到PSD光敏面上时,4个电极分别输出4路光电流,电流大小与光斑位置相关。

图5中:Y方向输出电流为I1、I2;X方向输出电流为I3、I4。

图5 二维PSD结构示意图

二维PSD结构位置与输出信号之间的关系式如下:

(6)

(7)

其中:L为PSD有效感光面的长度;I1、I2、I3、I4分别为PSD的4个电极的光电流输出。

转子轴振动传感器测量电路框图如图6所示。PSD输出4路电流,将该4路电流信号转换成电压信号后经过低通滤波处理,截止频率为2 kHz。AD7076转换器将滤波后的电压信号转换为数字量后被单片机读取,在单片机内进行数据处理后将位移值发送给计算机,计算机显示测量位移值。

图6 转子轴振动传感器测量电路框图

3 标定及测试

加工完成的转子轴振动传感器如图7所示,通过实验对其进行标定和测试。

图7 转子轴振动传感器实物图

3.1 标定

采用振动比较法对转子轴振动传感器进行标定，在标定实验中以迈克尔逊干涉仪作为参考基准(即精度优于10 nm,重复定位标准偏差为7 nm)[12]。

标定实验装置示意图如图8所示。

图8 转子轴振动传感器标定实验装置示意图

在一维线性位移平台上固定一个双面反射镜,调整位移台,以100 μm为步进单位调整位移台,记录干涉仪和传感器的输出,重复10次,由实验可知,传感器在0～2 mm范围内线性度较好。以输入位移为横坐标,10次重复实验传感器的输出电压均值为纵坐标,测量结果如图9所示。

从图9可以看出，转子轴振动传感器的灵敏度为0.33 V/mm。

图9 灵敏度测试结果

3.2 分辨率

传感器分辨率是指其可辨别的最小振幅值。微纳米振动台作为激振源[13],信号发生器输出频率为2 Hz和一定幅值的方波电压信号,经功率放大器后用于微纳米振动台,使振动台产生不同幅值的振动,实验装置示意图如图10所示。

图10 转子轴振动传感器分辨力实验装置示意图

通过调节微纳米振动台的振幅,转子轴振动传感器可辨别的最小振幅值如图11所示。

从图11可以看出,转子轴振动传感器的分辨率为4 μm。

图11 分辨率测试结果

3.3 频率响应

频率响应范围是指传感器能够准确检测振动的频率范围超出响应范围,测量误差将显著增大。以远东测振公司生产的商用JX-3C型振动校准仪作为激振源,频率响应范围实验装置如图12所示。该系统失真度低于3%,有6个特定频率供选择,且由于激振系统输出功率的限制,其频率越高,所允许输出的最大振幅值越小。

图12 频率响应范围实验装置

选定6个振动频率值,记录传感器的输出振幅。以激励振幅为横坐标,传感器输出振幅为纵坐标,测量结果如图13所示。

从图13可以看出,在10～325 Hz范围内,转子轴振动传感器的输出线性良好,因此其频率响应范围为10～325 Hz。

图13 频率响应范围

3.4 重复性

使用图12实验装置对转子轴振动传感器进行重复性测试,以0.2 mm为间隔,在0～2 mm范围内依次改变激振峰峰值,记录传感器输出信号,重复实验10次。以激振峰峰值为横坐标,激振峰峰值与传感器输出振幅的偏差值为纵坐标,测量结果如图14所示。

从图14可以看出,10次测量的标准差均优于3 μm。

图14 重复性测量结果

3.5 应用

以华能巢湖发电有限责任公司的汽轮机组为例,进行现场实际测量。该汽轮机组安装了德国epro公司电涡流式振动探头(型号PR6423/003-031),用于检测汽轮机转子轴振动，其灵敏度为8 V/mm,测量范围为±1 mm。将本文传感器与电涡流探头测量同一处转轴振动,实测结果如图15所示。

从图15可以看出，2个传感器的时域波形趋势一致。

使用频谱分析方法对图15所示的时域数据进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)处理[14],得到的频谱图如图16所示。

图15 2个传感器的时域对比

由图16可知,汽轮机转子轴整体运行良好,存在底噪抬起现象,表明汽轮机轴瓦间有磨损可能,这为下一步设备检修提供了故障分析依据。

图16 FFT频谱图

4 结 论

本文研制了一款基于PSD的汽轮机转子轴振动传感器,其灵敏度为0.33 V/mm,测量范围为2 mm,分辨率为4 μm,频率响应范围为10～325 Hz,10次重复实验标准差优于3 μm。该传感器具有精度高、响应速度快、成本低廉、适应性强等特点,可以用于工业现场的汽轮机转子轴振动的检测和故障分析。