振动加速度传感器

2024-06-16

振动加速度传感器（精选9篇）

振动加速度传感器篇1

0 引言

针对煤矿井下环境恶劣所造成的大型设备振动信号难以获取、振动监测技术无法在煤矿井下设备管理和监测中应用[1,2]等问题, 研制了一种矿用振动加速度传感器信号调理装置。该装置用于实时采集和检测井下采掘设备的振动数据。

1 装置设计

矿用振动加速度传感器信号调理装置的整体设计主要包括振动加速度传感器的选型设计、振动信号调理板设计、防护设计。

1.1 振动加速度传感器的选型设计

根据GB 3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”》中对电子元器件、电路的电压电流、内部电容、外部电感、电气间隙、电子电路外部防护等方面的严格规定, 对传感器进行选型设计[3]。本文选用HK9141 型内置IC (Integrated Circuits) 压电式振动加速度传感器。该传感器满足GB 3836.4—2000的要求, 而且设计简单。

HK9141型振动加速度传感器由压电加速度传感器和IC放大电路组成, 如图1 所示。IC放大电路包括一阶高通滤波器 (用于确定传感器的低频截止频率) 、零点调整和灵敏度调整电路。该传感器最大特点是两线制输出, 即信号输出线与IC放大器的供电共用一条线, 信号地与电源地共用一条线。信号输出线可用低噪声同轴电缆, 也可用普通同轴电缆。

1.2 振动信号调理板设计

振动信号调理板主要完成对HK9141 型振动加速度传感器的驱动, 并将其采集的信号进行低通滤波。振动信号调理板的设计包括供电模块、激励电路及滤波电路的设计。

1.2.1 供电模块设计

供电模块由镍氢电池组和电源保护电路2个部分组成, 其中镍氢电池组的输出电压为7.2 V。GB 3836.4—2000 中规定:电源的短路电流应在3A以下, 开路电压应在6V以下。因此, 设计了电源保护电路, 用于将供电模块的短路电流限制在2.8A以下, 开路电压限制在5V左右。供电模块的保护电路如图2所示。

1.2.2 激励电路设计

供电模块的输出电压为5 V, HK9141 型振动加速度传感器的激励电压为18~30V, 因此, 选用5V转24V的DC/DC芯片为振动加速度传感器提供激励电压。电压转换电路如图3所示。

HK9141型振动加速度传感器正常工作时需要2~20mA恒定电流作为激励电流。设计的电流激励电路如图4 所示。该电路选用输出电压可变的LM317芯片。LM317的输出电压为1.25~37V, 输出电流可超过1.5A, 最小负载电流为3.5mA, 具有0.1%的输入和负载调节率, 同时具有限流、热断开等保护功能。CB1为去耦电容, 用于消除电路中使用同一个电源而相互间产生的干扰和影响。

LM317有3 个引脚, 分别是调整端 (ADJ) 、输出端 (OUT) 和输入端 (IN) 。输出端和调整端之间电压差为Uref=1.25V, 则LM317的输出电流为

将R5=300Ω 代入式 (1) 得Iout=4.16mA, 该值在2~20mA恒定激励电流内, 因此设计的激励电路能够保证振动加速度传感器正常工作。

1.2.3 滤波电路

在振动信号调理板的后端设置滤波电路, 作用有2个:① 提高信噪比;② 压缩频带, 限制在小于fs (fs为采样频率) 的范围内, 以免引起频率折叠的“假相信号”。振动加速度传感器输出电压U1可以通过高通滤波环节消除低频噪声的影响, 如图5所示。

由图5可得滤波器的截止频率为

HK9141型振动加速度传感器的频率响应范围为0.5~10kHz, 所以滤波器的截止频率略大于10kHz即可。选定滤波器的截止频率为10.5kHz后即可设计滤波电路的元件参数。一般先选定滤波电容C, 然后根据式 (2) 求出滤波电阻R的阻值。滤波器如果能选用小的滤波电容, 则价格较低, 但滤波电阻也不宜过大, 避免传感信号的衰减。故本文选取C=22μF, R=5.1kΩ。

为方便多路振动信号的采集和调理, 每个振动信号调理板上集成了4路调理电路。4路调理电路统一由供电模块进行供电, 每一路的信号调理电路包括激励电路和滤波电路2个部分。信号调理板的单路振动信号调理电路如图6所示。

1.3 防护设计

根据本质安全设计要求, 振动信号调理板必须做特殊防护处理。电路板表面需进行浇封, 同时所有的输入输出接口都必须防水且不暴露在煤矿井下环境中。鉴此, 本文采用某工程塑料设计了一种防水外壳, 将浇封后的振动信号调理板放入该外壳中[4,5]。

2 测试结果

为了验证振动加速度传感器信号调理装置的实用性, 采用4294型振动校正器和示波器搭建实验平台, 分别对该装置的4 路信号调理电路进行测试[6,7]。4294 型振动校正器参数:激振频率为159.15±0.02% Hz;加速度为10±3% m/s2;速度为10±3% mm/s。示波器获取的4 路振动信号如图7所示。从图7可得出4路振动信号的特征参数, 见表1。

振动校正器产生一个正弦加速度振动信号, 该信号的峰值, HK9141 型振动加速度传感器的灵敏度S=5mV/ms-2。根据式 (3) , 可得该振动信号的电压峰峰值U′p-p为:

得到信号调理电路理论上的输出电压峰峰值U′p-p为97~103mV。表1中各路信号电压峰峰值都在理论电压内。因此, 该矿用振动加速度传感器信号调理装置的灵敏度为5mV/ms-2。

振动校正器产生的正弦加速度振动信号的频率为159.15±0.02% Hz, 从表1可看出, 4路振动信号的频率误差均在0.28%以内。

测试结果表明, 该信号调理装置具有一定的可靠性和实用性。

3 结语

研制了一种矿用振动加速度传感器信号调理装置, 并从振动加速度传感器的选型设计、振动信号调理板设计及防护设计3个方面详细介绍了该信号调理装置的设计。测试结果验证了该信号调理装置的准确性。

参考文献

[1]薛光辉, 周斌, 樊双雁, 等.本安型数据记录仪的研制[J].机电产品开发与创新, 2006, 19 (1) :71-72.

[2]吕俊芳, 钱政, 袁梅.传感器调理电路设计理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2010.

[3]GB 3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”[S].

[4]GB 4208—2008外壳防护等级 (IP代码) [S].

[5]GB 3836.1—2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分:通用要求[S].

[6]GB/T 2423.1—2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验A:低温[S].

[7]GB/T 2423.2—2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验B:高温[S].

振动加速度传感器篇2

关键词：加速度差容式力平衡传感器

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

1、加速度传感器原理概述

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容(引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等)不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。

差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。

2、变间隙电容的基本工作原理

如式2-1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：

由式(2-1)可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移(即变化)或左右位移(即A变化)时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。

由式(2-2)可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的.双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的范围内，以使与 C的关系近似于线性。

它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。

由式(2-5)可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

振动加速度传感器篇3

振动检测技术广泛应用在航空、车辆、兵器、桥梁、纺织、日常生活、工业检测等领域。例如汽车防撬防拖动的防盗报警, 机械振动故障检测, 爆破震动分析, 地铁行驶振动对建筑物的影响分析等。可以说, 振动监测与分析技术已广泛应用在产品研究、设计、生产和运行的全过程[1]。振动信号的分析和处理技术一般可分为时域、频域、时频域分析和时间序列建模分析等[2]。不同技术从不同角度对振动信号进行分析处理, 为振动信号特征提取提供了多样化的手段。本文提出一种应用加速度传感器测量振动信号的方法以及信号处理思路, 为设计新型振动监测系统提供支持。

1 振动实验方案

作为振动检测的应用, 本文设计一组实验, 通过信号采集、波形分析、频谱分析等方法, 总结振动检测的方法步骤。

1.1 实验器件

1.1.1 ADXL330加速度传感器

在振动检测中振动传感器处于核心地位。本文所选ADXL330是美国模拟器件公司 (ADI) 生产的三轴加速度传感器, 具有体积小、重量轻、能耗低、灵敏度高等特点, 适于扩展, 并能应用于无线传感器网络, 是一款比较理想的传感器。

ADXL330采用4mm×4mm×1.45mm小型封装, 工作电压2.0V~3.6V, 典型工作电压3.0V, 自带信号调理电路, 可提供模拟电压输出, 测量动态范围是±3g。输出的模拟电压信号与加速度成正比[3]。

为了将ADXL330加速度传感器应用于测量实验, 设计外围电路集成于PCB板上, 实现带宽限制、滤波等作用。带宽限制主要是由RFILT以及Cx、Cy和Cz决定的, 带宽计算公式如下:

电阻RFILT的标称值为32KΩ。CX、CY和CZ的最小值不能小于0.0047μF, 电容值不同决定带宽不同。滤波器的带宽必须小于或等于输出引脚上A/D采样频率的一半, 否则会引起干扰[3]。模拟带宽还可以进一步的减少, 从而提高分辨率, 降低干扰。在这里我们选取CX, Y, Z=0.01μf, 所以带宽f-3db=1/ (2π×32kΩ×0.01μf) =500Hz

1.1.2 威博JC1102CA型数字存贮示波器

威博JC1102CA型数字存贮示波器是浙江杭州精测电子有限公司生产的多功能示波器, 100MHz带宽, 1GS/S采样速率, 每通道4K的深度存储器, 延迟扫描可同时显示波形的全貌和细节, 自动测量20种波形参数, 具有FFT数字滤波器及频率计, 能对波形进行加减乘除数学计算。

该系列数字存储示波器配有Ultra Scope客户端操作软件, 可在计算机上通过USB接口与示波器进行数据的上传下载, 并能通过模拟界面对示波器进行远端操作。

1.2 实验方法步骤

1.2.1 选择实验对象

本文预期选择多种常见振源, 并设定其行为模式。例如人的正常行走, 手机来电振动, 家用汽车、装载卡车、履带式推土机等车辆不同速度下行驶, 等等。这样做的目的是扩大研究应用范围和适用领域, 期望在实验基础上可充分扩展应用。

结合生活实际, 研究对象应该与某种现实环境相依存, 即振动源与振动传导介质是生活中的常见组合, 这样研究才能结合实际, 才有意义。例如, 汽车行驶在城市柏油路面;人行走在室内水泥地板上;手机在木质办公桌上振动, 等等。

为简化研究过程, 前期实验选定乒乓球在球桌上产生的振动作为研究对象。

1.2.2 实验编组

乒乓球振动实验中, 振动源固定不变, 振动方式设定为球离桌面一米高度做自由落体, 取第一次撞击产生的振动信号为采集对象。将传感器用硅胶粘连在球桌一端, 并设定该位置为测量原点。在原点1m范围内以20cm为单位划分5种不同距离, 分为5组, 每组在同一距离位置测量5次。

1.3 振动信号采集

由示波器采集记录传感器波形信号, 通过USB发送至计算机, 计算机软件Ultrascope记录振动波形结果。图1记录的是传感器Z轴输出波形。

2 振动信号分析

2.1 波形分析

通过比较各组波形, 如图2所示可直观得到如下结论:

1) 传感器输出波形是以电压变化反映加速度大小和桌面振动起伏, 即电压波形与加速度波形、桌面振动起伏波形一致;

2) 输出波形电压幅度值反映振动信号强弱, 两者成正比, 本文设定电压峰峰值反映振动能量;

3) 同一位置距离上的5个波形幅度峰峰值近似;

4) 同一位置距离上的5个波形起伏变化近似;

5) 不同位置距离上的波形幅度值有变化, 随着测量距离增大, 峰峰值减小。

可见, 随着撞击点与传感器测量原点的距离增大, 测量电压峰峰值减小, 即传感器感知的振动信号能量减弱。计算每组波形电压峰值均值, 导入Mat Lab绘制曲线, 并拟合曲线方程, 结果如下:

坐标横轴为测量距离, 纵轴为测量信号电压均值。该曲线方程:

x为测量距离, f (x) 为传感器输出电压峰值。其中:p1=-0.6167;p2=1.033;p3=59.42;p4=-465.4;p5=1530。

方程 (2) 可作为此类振动特征参考模型, 反映的是乒乓球与球桌碰撞产生的振动随距离变化的规律, 同时反应的是这种振动在球桌上的传导规律。即随着距离的增加, 振动幅度与能量的变化遵照方程 (2) 。

2.2 频域分析

如图3所示, 将每组5个波形信号经A/D转换后作FFT频谱分析, 数据采样频率100MHz, 比较结果如下:

同一位置5个波形信号频谱曲线重合度较好, 说明实验数据较为准确。由于球与桌面的撞击时间非常短暂, 可近似看作冲击信号, 所以频率范围较宽。由上图可以看到, 频率成分主要集中在600Hz以下。其中300Hz为振动主频, 600Hz为二倍频, 在图中较清晰体现。且5组数据频率分布基本一致, 但随着测量距离增加, 信号能量减弱。

2.3 总结

传感器输出波形以电压变化反映加速度大小和桌面振动起伏。随着测量距离的增大, 信号电压峰值减小, 即接收到的振动信号能量减弱, 该变化遵循方程 (2) 的曲线分布。

在不同测量距离上, 球与桌面撞击产生的振动频率分布特性基本一致, 不同点反映在信号能量的变化上, 即随着距离增加, 频谱能量减小。

3 结论

本文通过实验, 具体应用ADXL330型加速度传感器进行振动信号的感知、采集。应用波形分析、频谱分析等技术手段证明了实验的可实现性与可操作性, 并总结出本实验振动传导特征规律。本实验方法步骤可为进一步振动检测研究、振动检测系统开发提供参考。

摘要：振动检测技术广泛应用于生产生活的各个领域。本文设计一组实验, 应用加速度传感器ADXL3330实现振动信号的感知、采集, 并对振动信号做波形、频域分析, 并总结出本实验振动传导特征规律, 验证了实验的可实现性与可操作性。本实验方法步骤可为进一步研究振动检测、开发振动检测系统提供参考。

关键词：振动检测,加速度传感器,ADXL330

参考文献

[1]纪国宜, 赵淳生.振动测试和分析技术综述[J].机械制造与自动化, 2010, 6, 39 (3) :1-5, 50.

[2]蒋玲莉.多功能集成式振动信号采集与分析系统设计[D].湖南:湖南科技大学, 2007.

振动加速度传感器篇4

关键词：温度传感器；随机振动；有限元仿真；ANSYS

1概述

航空机载传感器所经受的工作环境极为恶劣，在相当短的时间内会经受相当大的随机振动载荷，从而引起很大的交变应力，振动疲劳损伤非常严重[1]。因此，在产品设计阶段，采用随机振动理论对产品及各零部件结构进行振动特性仿真分析，找出各设计参数对产品性能的影响规律，并采取相应的改进措施，优化产品的结构，提高产品的结构稳定性，保证传感器在整个任务阶段不出现疲劳破坏。文章针对某型航空机载温度传感器进行了基于ANSYS的有限元振动疲劳仿真分析。通过计算随机振动的峰值应力值来对结构的可靠性进行考察，通过在共振频率点的应力响应来计算随机振动的峰值应力，比较峰值应力与材料的屈服极限的大小来考察结构的可靠性[2]，判断结构的抗振强度及薄弱位置，以确定结构设计方案的优劣，为结构进行改进和提高结构的可靠性提供依据。

2温度传感器产品概述

2.1产品功能

传感器安装在燃油控制装置壳体内，用于测量流经燃油控制装置内的计量燃油温度，并将燃油温度信号转变为电信号输送到电子控制器。

2.2产品组成传感器主要由感温元件（1）、外壳（2）、套管（3）和盖（4）等构成。

3振动特性仿真分析

3.1有限元计算前处理

3.1.1有限元模型的建立

根据温度传感器的设计图纸、装配关系和CAD数字样机建立有限元模型，对不影响产品结构强度的刻字、导线、装配螺纹等特征进行简化，对其他特征进行详细建模。传感器几何形状较为复杂，为保证足够的分析精度，重要部位尽量细化网格，共划分了41023个单元，72901个节点。

3.1.2传感器材料参数的设定

传感器的套管、外壳、盖等零件材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。

3.1.3传感器约束设定

根据实际安装情况，传感器通过外壳零件上的安装螺纹与燃油控制装置壳体上的安装孔相连，因此需对安装螺纹面施加固支约束。

3.2有限元计算结果及分析

3.2.1模态分析

模态分析用于确定设计中结构或部件的振动特性，即计算固有频率及振型。它是瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等更详细的动力学分析的起点。文章基于有限元法的线性振动理论，应用ANSYS软件模态分析中的子空间法（SubspaceMethod）[3]，对传感器结构的前6阶振动特性进行分析，计算结果如表2所示。从总体来看，传感器的固有频率较高，各阶固有频率均在2000Hz以上，即当产品所承受的振动载荷频率在2000Hz以内的振动载荷时，不会因发生共振而导致结构破坏。

3.2.2随机振动分析

随机振动分析也称功率谱密度分析（PSD），属于一种概率统计分析。功率谱密度是结构对随机动力载荷响应的概率统计，后处理结果为功率谱密度-频率关系曲线。有限元随机振动分析就是建立在对结构进行振动分析得到结构的各阶振型和固有频率的基础上，进一步根据所给的加速度功率谱求出结构在这些随机激励下的位移响应和应力响应。文章利用ANSYS软件对传感器进行随机振动特性进行仿真计算[4]，通过对响应的分析为结构可靠性设计提供理论依据.4结束语

文章利用仿真分析软件ANSYS对某型温度传感器的振动特性进行了分析和校核，以确定产品结构的可靠性，得到以下结论：

（1）传感器的固有频率较高，前6阶固有频率均在2000Hz以上，因此当产品所承受的振动载荷频率在15Hz～2000Hz以时，不会因为共振而产生结构失效的可能。

（2）传感器按功能振动谱承受沿三轴向的随机振动载荷时，其应力水平和变形量都非常低，屈服安全系数均在44以上，振动载荷对传感器结构可靠性影响不大，因此该结构具有足够的强度。

参考文献:

振动加速度传感器篇5

本研究采用先进的加速度传感器, 融合嵌入式系统设计思路, 改变以往机械式振动检测系统的方式, 使产品具有低功耗、便于携带、精度高、速度快的特点。

硬件部分设计

船舶振动检测系统的工作原理是, 系统通过操作系统来调度任务, 当有检测任务时, 系统初始化检测传感器, 并根据检测方式配置参数, 采集数据后进行存储和计算, 并可存储测试数据和实时显示测试结果, LCD显示精巧的人机图形界面。本系统的硬件实现框图如图1所示。

系统核心硬件部分为ARM控制器、加速度传感器、flash存储器、键盘、液晶显示和USB接口等。其中加速度传感器部分采用飞思卡尔公司的MMA7455L来实现, 传感器部分电路图如图2示。

MMA7455L提供I2C和SPI数字接口, 但MMA7455L都应作从设备, 当CS拉高时为I2C接口, 当CS用作从选择时为SPI接口。在此系统中采用I2C接口, 其从地址是0x1D, 支持多字节读写。AVDD典型值为2.8V;DCC_IO典型值为1.8V, 考虑到电路与外部接口情况, 视CPU的I2C接口电平来选择DVDD_IO电压, 若采用开关电源供电需注意开关频率必须大于250Hz以防干扰芯片内部ASIC。

MMA7455L测量模式下会连续的测量三轴加速度, 并根据g-select配置情况对外提供测量结果。当测量转换完成后, DRDY输出高电平, 表明“测量数据已OK”, DRDY状态也可在状态寄存器 (0x09) 的DRDY位来监测, DRDY引脚一直保持高电平直到三个测量值的其中一个被读出, 因此可能会产生数据被下一个测量值覆盖问题, 若下一个测量值在前一个数据读出前就写入的话, 状态寄存器的DOVR位会被置位。在MMA7455L中, g-select由模式控制寄存器 (0x16) 的2个GLVL位确定, 见表1。内部增益控制器根据所选g来提供不同的测量灵敏度以适应不同的应用需求, 船舶的振动检测在MMA7455L中选择8g范围即可。

系统其他电路部分设计为:微处理器采用三星的S3C44B0X处理器, 存储器为AMD公司的32Mbit (4M×8Bit) Flash存储器AM29LV033C, 图形液晶显示模块为含控制器T6963C的240×128点阵的SMG240128L, USB的接口电路使用芯片NUF2221W1T2, 其它部分电路由于篇幅有限, 这里不作详述。

软件部分设计

本系统由三大模块组成, 如图3所示, 从底层到上层分别是:数据采集驱动模块, 数据处理模块, GUI人机交互模块。

软件系统实现的功能有两个:一个是数据检测采集, 主要负责传感器的数据检测、采集和控制;另一个为采集数据的处理及人机显示, 包括信号处理算法实现和数据存储, 人机界面负责LCD驱动和文字图形的显示。操作系统首先通过设备驱动模型对传感器进行初始化, 为传感器设置合适的配置参数, 以使设备能在采集过程中正确工作;上层图形系统采用嵌入式GUI来实现人机交互界面, 包括图形控制面板建立、波形显示、参考值显示等。软件流程如图4所示。

数据采集及处理部分的程序流程如图5所示。其中检测初始化包括检测模块上电, I/O控制端口初始化、加速度传感器的初始化;加速度传感器需要零点校准和自检测以满足精度要求;系统调用检测任务后, 外部中断打开, 等待加速度传感器的中断上报及检测数据采集。

MMA7455L加速度传感器的驱动软件设计应注意IADDR0接到GND时其从地址为0x1D, 接到DVDD_IO时其从地址为0x1E;MMA7455L有三种工作模式 (测量模式、水平检测模式、脉冲检测模式) , 在测量模式下DRDY引脚与INT1共用, 数据读取就能将DRDY清除, 但在其他两种模式下INT1和INT2都需要通过写寄存器来清除。在检测数据采集时, 把数据缓存到FIFO中, 假如FIFO满了, 有DMA控制将FIFO中的所有数据传输到内存当中进行处理, 可完成数据信号显示和控制, 存储和实时分析。

结语

本系统利用了微处理器功耗低及电子传感器集成度高的特点, 设计出了一种结构简单、性价比好的检测系统, 该系统能够进行实时性的数据采集处理, 具有功耗低、抗干扰、可靠性高的优点, 可以实现传统机械式船舶振动测试仪的全部功能, 并且在体积、重量、精度等方面都有明显优势。产品原型已经完成系统调试和模拟测试, 结果满足船舶振动检测的要求。此产品在船舶振动检测领域有广泛的应用前景。

摘要：船舶振动是船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一, 船舶架构是一种复杂的组合弹性体, 本身的振动非常复杂。不同于传统的机械式船舶振动检测设计, 本系统采用嵌入式系统, 运用传感器检测、实时数据处理等技术, 使产品具有小型、专用、易携带、可靠性高的特点, 在船舶振动检测领域有广泛的应用前景。

关键词：MMA7455L,船舶振动检测,加速传感器

参考文献

[1]姚熊亮, 张阿漫.船体振动与噪声[M].北京:国防工业出版社2010.8.51-63.

振动加速度传感器篇6

我国境内多以混凝土桥梁为主, 在使用中, 由于载荷的变化、风载、水流、地壳运动等诸多环境激励, 会使桥梁产生振动。其中剪切方向的振动最能体现桥梁使用情况。对剪切方向振幅的动态检测, 能从一方面评价桥梁使用情况是否符合设计要求, 又能快速发现危害桥梁健康的人为和自然因素。对桥梁验收及安全养护等工作提供重要依据。

2 背景技术

桥梁剪切振动位移的测量方法有多种。桥梁挠度仪测量较为常用, 但是要求严格:①需要相对振动系统静止的一个固定系统, 用来固定挠度仪, 所需设备笨重, 安装复杂, 对固定系统稳定性要求非常高;②只能通过一次静力加载进行挠度测量, 不能进行实时检测、获取连续数据进行分析;③对环境干扰 (如水流、风载、周围大型机械振动等) 十分敏感, 环境存在的自然振动在检测结果中体现为噪声;④经常需要阻断交通或停止大型建筑日常服务活动, 对生产生活造成一定影响。

另外也有使用激光全息和数字散斑法也能较为准确的测得桥梁剪切振动位移。但由于算法复杂、计算量大, 不能得到实时位移信号, 具体操作中多有不便。

本研究涉及一种基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术, 用于对桥梁等大型建筑的实时检测, 可用于振动位移模态的获取。特别适用于环境复杂、不影响建筑服务需求的情况下使用, 属于检测技术领域。

3 研究内容

针对上述问题, 本研究的目的是提供一种便携的设备, 可直接安装到正在使用的大型建筑, 而且方便拆卸;可通过有线无线等方式将检测结果传回终端, 进行实时监控, 并可进行后续模态分析;可利用环境激励作为检测加载力, 从而将噪声作为有用信号, 且不需要停止建筑物日常工作, 不影响生产生活。

为实现上述目的, 本研究采取以下技术方案:

基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术, 其特点在于它是由加速度传感器、信号接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机组成。其中加速度传感器分有线和无线两种, 有线加速度传感器不需要电源, 由信号采集系统直接供电, 中间省略信号传输系统;无线加速度传感器通过内部锂电池供电, 通过无线信号接收系统接收后传输到信号采集系统, 再由终端计算机进行处理。无线接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机都需要独立供电。终端计算机可使用笔记本电脑, 完成相关计算, 积分得到位移曲线。

本研究具有以下优点:

(1) 传感器体积小, 携带方便, 可通过传感器上预留的安装孔, 用螺杆固定在桥梁上, 保证稳定的同时又达到拆装简便的目的。

(2) 对两个不同频率加速度传感器采集的信号, 频率范围覆盖大, 实现了桥梁位移检测的准确性和全面性。

(3) 检测过程使用环境中所有可引起桥梁振动的激励, 既排除这些激励的影响, 排除环境误差, 又省去额外激励方式, 节省检测成本。

(4) 可通过无限传输方式将数据传输到终端, 可远离检测现场, 保证检测人员安全。

(5) 采用多通道信号接收系统, 可同时获取多达12通道的加速度信号, 按每2通道获得一组位移信号计算, 可同时获得6个位移结果。

(6) 检测过程采用桥梁“固有”振动, 所以不需要阻断交通, 不影响桥梁正常工作。

(7) 采用MATLAB模块进行数据编程, 方法简单, 便于实现。

4 具体实施方式

如图1所示, 本研究包括有线测量和无线测量两种方式。其中有线连接方式线缆需要带屏蔽层且不能过长, 否则会导致信号衰减过大且受到外界辐射干扰;大跨度测量推荐采用无线方式, 且可以通过设置无线信号中继站延长测试距离。无线加速度传感器内部使用可更换锂电源, 以增加设备续航能力和耐久能力。

如图2所示, 加速度传感器由低端安装螺母固定到桥梁上, 必须保证与大桥是刚性连接, 不能发生相对位移。顶端是输出接头或无线天线, 最好选用大增益天线, 在电磁环境复杂地区选用定向增益天线最佳。

如图3所示, 是两路信号处理方式, 分别对高低频率进行处理, 最后得到位移。这样的目的是消除高低频率间的相互影响, 增加位移结果准确性。

5 方案总结

一种基于加速度积分的桥梁振动位移测量技术, 其特点在于它是由加速度传感器、信号接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机组成。其中加速度传感器分有线和无线两种, 有线加速度传感器不需要电源, 由信号采集系统直接供电, 中间省略信号传输系统;无线加速度传感器通过内部锂电池供电, 通过无线信号接收系统接收后传输到信号采集系统, 再由终端计算机进行处理。无线接收系统、滤波系统、信号采集系统和终端计算机都需要独立供电。终端计算机可使用笔记本电脑, 完成相关计算, 积分得到位移曲线。具体步骤如下:

(1) 加速度传感器由有线高频低频传感器或无限高频低频传感器组成, 分别用于得到高频加速度和低频加速度信号。

(2) 采用桥梁上过往车辆的不规则激励, 同时可能包括风载、水流等其他不规则环境激励。无须设计额外激励方式。

(3) 高频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到高频信号, 低频滤波系统用于从高频加速度传感器中得到低频信号。

(4) 在计算机终端, 使用MATLAB分别对高频低频加速度信号进行积分得到高频加速度位移和低频加速度位移。

(5) 将高频位移和低频位移相加得到最终桥梁振动位移。

参考文献

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振动加速度传感器篇7

关键词：加速度振动特性,Lagrange法,定子,径向柱塞泵

0 引言

柱塞泵应用日益广泛, 其噪声问题越来越得到人们的关注。噪声的实质是振动波能量的传递, 研究噪声必须从振动入手。径向柱塞泵的振动主要来自于流体振动和机械振动。流体振动中的压力和流量的脉动、气穴引起的振动以及机械振动中的轴承振动等在国内外已经有相关的研究[1,2,3,4,5], 但对受滑靴作用而产生的定子振动的研究却没有涉及, 而定子的振动也是径向柱塞泵产生振动噪声的原因之一。因此, 本文基于Lagrange法对径向柱塞泵定子的振动进行了理论分析和试验研究, 并得出了定子在恒流和恒压状态下的振动频率特性, 研究结果有助于柱塞泵的振动噪声控制。

1 径向柱塞泵定子振动的动力学方程

1.1径向柱塞泵定子的振动模型

径向柱塞泵结构如图1所示, 定子和转子存在偏心量, 当转子以一定的角速度旋转时柱塞滑靴组件在柱塞腔内作往复直线运动, 并经配流轴完成吸油和排油的过程。为了抽象出定子振动的物理模型, 现作如下假设:①从定子振动的角度来看, 由于偏心量相对于定子的直径而言比较微小, 所以在建立径向柱塞泵质量-弹簧-阻尼模型时可近似认为转子中心与定子中心重合;②由于柱塞腔在吸油区为负压, 在忽略柱塞滑靴组件离心力的情况下可认为其不对定子的振动有作用, 故定子振动模型如图2所示;③由于柱塞腔油液质量比柱塞滑靴组件及定子质量小很多, 故可忽略柱塞腔油液的惯性。

1.恒压阀 2.变量柱塞 3.壳体 4.定子 5.转子 6.柱塞滑靴组件 7.限位柱塞

图2中, kca1、kca2分别为限位柱塞腔和变量柱塞腔的机液综合刚度;cca1、cca2分别为限位柱塞腔和变量柱塞腔的机液综合阻尼;kc、kh分别为柱塞腔油液和滑靴支承油膜刚度;cc、ch分别为柱塞腔油液和滑靴支承油膜阻尼; m、ms分别为柱塞滑靴组件以及定子的质量;ω为转子转速。

1.2径向柱塞泵定子的数学模型

由于定子在配流轴排油区受到多个柱塞滑靴组件的作用, 所以在建立定子的振动数学模型时可先考虑单个柱塞滑靴组件的作用, 将坐标系的原点定在转子中心, 定子受到泵壳体的约束只能在x方向运动。图3为单个柱塞滑靴位移及速度矢量图。设ρw、φw分别为排油区第w个柱塞的动态径向位移及其与水平轴的夹角, χw、θw分别为排油区第w个柱塞滑靴球心相对于定子中心的位移及其与水平轴的夹角, δw、mw分别为排油区第w个柱塞滑靴组件在与定子接触处的径向位移矢量和质量, xs为定子的水平位移量, 故矢量rs=[xs 0]T确定了定子几何中心在坐标系中的位置;极坐标矢量ηw=[ρwcos φwρwsin φw]T确定了排油区第w个柱塞滑靴球心在坐标系中的位置;极坐标矢量τw=[χwcos θwχwsin θw]T确定了排油区第w个柱塞滑靴球心相对于定子中心的位置。对于振动速度矢量 (图3b) , 分析同上所述。另设z为排油区柱塞的总数量, kca、cca分别为定子与壳体之间总机液综合刚度和总机液综合阻尼, 则kca=kca1+kca2;cca=cca1+cca2。由图3可计算出振动系统的动能T、势能U以及耗散能D:

$Τ = \frac{1}{2} m_{s} \dot{x}_{s}^{2} + \sum_{w = 1}^{z} \frac{1}{2} m_{w} \dot{ρ}_{w}^{2}$ (1)

$U = \frac{1}{2} k_{c a} x_{s}^{2} + \sum_{w = 1}^{z} \frac{1}{2} k_{h} (x_{s} \cos θ_{w} - χ_{w})^{2} + \sum_{w = 1}^{z} \frac{1}{2} k_{c} ρ_{w}^{2}$ (2)

$D = \frac{1}{2} c_{c a} \dot{x}_{s}^{2} + \sum_{w = 1}^{z} \frac{1}{2} c_{h} (\dot{x}_{s} \cos θ_{w} - \dot{χ}_{w})^{2} + \sum_{w = 1}^{z} \frac{1}{2} c_{c} \dot{ρ}_{w}^{2}$ (3)

$χ_{w} = \sqrt{ρ_{w}^{2} + x_{s}^{2} - 2 ρ_{w} x_{s} \cos φ_{w}}$ (4)

$\dot{χ}_{w} = \sqrt{\dot{ρ}_{w}^{2} + \dot{x}_{s}^{2} - 2 \dot{ρ}_{w} \dot{x}_{s} \cos φ_{w}}$ (5)

$\cos θ_{w} = \frac{ρ_{w} \cos φ_{w} - x_{s}}{\sqrt{ρ_{w}^{2} + x_{s}^{2} - 2 ρ_{w} x_{s} \cos φ_{w}}}$ (6)

由系统的振动模型可知, 定子所受的广义力为0, 柱塞滑靴组件所受的广义力为油液对柱塞的压力F, 因此由Lagrange方程可得

$\frac{d}{d t} (\frac{\partial Τ}{\partial \dot{x}_{s}}) - \frac{\partial Τ}{\partial x_{s}} + \frac{\partial U}{\partial x_{s}} + \frac{\partial D}{\partial \dot{x}_{s}} = 0$ (7)

$\frac{d}{d t} (\frac{\partial Τ}{\partial \dot{ρ}}_{w}) - \frac{\partial Τ}{\partial ρ_{w}} + \frac{\partial U}{\partial ρ_{w}} + \frac{\partial D}{\partial \dot{ρ}_{w}} = F$ (8)

将式 (1) ～式 (6) 代入式 (7) 、式 (8) , 可得到单个柱塞滑靴组件作用下的定子振动数学模型。

对于多个柱塞, 设Λ为径向柱塞泵相邻柱塞夹角之半, za为柱塞的总数量, z为排油区柱塞的总数量, 则Λ=π/za。由于柱塞依次进入排油区, 排油区的柱塞数量z随转子转过的角度ω t而变化, 径向柱塞泵排油区柱塞数量满足以下条件:

设n⊂[0, ∞) 为自然数, t⊂[0, ∞) , 若za为奇数, 对于ω t⊂[nΛ, (n+1) Λ]⊂[0, ∞) , 则当n为偶数时, 有

z= (za+1) /2 (9)

φw=ω t+2 (w-1) Λ-nΛ (10)

当n为奇数时, 有

z= (za-1) /2 (11)

φw=ω t+2 (w-1) Λ- (n-1) Λ (12)

φw⊂ (0, π) w=1, 2, …, z

因此由式 (1) ～式 (10) 可得n为偶数时, 多个柱塞滑靴组件作用下的径向柱塞泵定子的振动方程组。

同理由式 (1) ～式 (8) 、式 (11) 、式 (12) 可得n为奇数时, 多个柱塞滑靴组件作用下的径向柱塞泵定子的振动方程组。

上述方程组是非线性时变方程组, 故不存在解析解。本文采用4阶、5阶Runge-Kutta迭代法利用MATLAB编程解出其定子振动加速度的数值解。

2 径向柱塞泵定子振动频率特性分析

由恒压式径向柱塞泵流量压力特性[6]可知, 在负载压力逐渐增加的过程中, 在未达到调压阀调定压力之前柱塞泵的输出流量近似不变, 泵处于恒流状态;当负载压力等于或大于恒压阀调定压力后, 压力被钳制在恒压阀的调定压力泵处于恒压状态, 。而在这两种状态下, 定子表现出不同的振动特性。

2.1恒流量状态的振动特性

径向柱塞泵处于恒流量状态时, 在油压的作用下定子紧压限位柱塞, 而限位柱塞受壳体约束, 此时, 定子与壳体之间的刚度kca为限位柱塞与柱塞腔油液的并联刚度, 由于限位柱塞的刚度远大于油液刚度, 故可认为kca主要是限位柱塞的刚度。定子、限位柱塞以及柱塞滑靴组件构成一个振动系统。根据JB32H型径向柱塞泵的结构参数以及文献[7]提供的计算方法, 可计算出滑靴油膜的刚度和阻尼, 并将所计算的数据代入由式 (1) ～式 (12) 组成的方程组中, 由4、5阶Runge-Kutta法可得出径向柱塞泵定子在在转速为1000r/min、压力16MPa时的振动加速度, 再进行离散Fourier变换可得加速度频谱曲线如图4所示。

图4中, $\ddot{x}_{s}$ 为恒流状态下定子的水平振动加速度, f为振动频率, 从定子在恒流量状态振动频域图来看, 它们的振动频带很宽, 最大加速度峰值在2797Hz, 振动处于相对较高的频率段, 而且还有大量的高频分量, 这是由于定子和壳体之间的刚度较高所致。

2.2恒压状态的振动特性

当系统压力达到径向柱塞泵恒压阀调定压力时, 恒压阀动作, 使定子与转子之间的偏心距发生变化, 进而使输出流量变化以达到恒压的目的。当m≪ms且kc≪kca2时, 恒压状态定子的振动模型如图5a所示。其中xp为定子在恒压状态下的位移, xv为恒压阀芯的位移, Fp为在水平方向上定子在振动系统中所受的合力。根据液压控制理论及推导, 可得恒压控制方框图如图5b所示, 其中G1 (s) ～G5 (s) 的推导见文献[6,8]。因此, 由图5b可得

$s^{2} x_{p} (s) = \frac{G_{1} (s) G_{2} (s) s^{2}}{1 + G_{2} (s) G_{3} (s) G_{4} (s) G_{5} (s)} F_{p} (s)$ (13)

当径向柱塞泵处于恒压状态时, 限位柱塞腔的油液压力分担了壳体对限位柱塞的作用力, 此时, 定子与壳体之间的刚度kca为限位柱塞和柱塞腔油液的串联刚度, 由于油液刚度远小于限位柱塞的刚度, 故可认为kca主要是油液的刚度。将刚度和阻尼参数值代入由式 (1) ～式 (12) 组成的方程组中, 用4阶、5阶Runge-Kutta迭代法得到 $F_{p} = m_{s} \ddot{x}_{s}$ 的数值解。

由于在求解式 (13) 时需要Fp解析解, Fp解析解可通过拟合其数值解的方法获得。设ω0为排油区柱塞数量变化角频率, Fp可表达为Fourier函数形式, 即

$F_{p} = a_{0} + \sum_{n = 1}^{Ν} (a_{n} \cos n ω_{0} t + b_{n} \sin n ω_{0} t)$ (14)

其中, a0, a1, a2, …, an, b1, b2, …, bn为系数, 利用MATLAB中的拟合工具可求出这些系数, 并对式 (14) 进行Laplace变换, 得

$F_{p} (s) = \frac{a_{0}}{s} + \sum_{n = 1}^{Ν} \frac{a_{n} s + b_{n} (n ω_{0})}{s^{2} + (n ω_{0})^{2}}$ (15)

根据JB32H型径向柱塞泵结构参数以及文献[6,8]提供的计算方法, 可得出G1 (s) ～G5 (s) 的值, 将其与式 (15) 代入式 (13) , 用MATLAB对其进行Laplace逆变换可得恒压状态下定子的水平振动加速度 $\ddot{x}_{p}$ , 对它们进行Fourier变换可得加速度频谱特性, 如图6所示。

由定子在恒压状态下的频域图可知, 定子振动加速度的频带宽度较恒流状态大幅减小。最大加速度峰值位于700Hz处, 与恒流状态相比处于低频段振动。这是因为对于一个稳定的恒压系统, 其频宽 (或开环bode图穿越频率) 要小于排油腔容积滞后频率ω3, 而ω3由于受排油腔容积的限制会比较小 (相对于恒流状态的高频) , 因此, 恒压调节系统相当于一个低通滤波器, 使得定子在相对较低的频段振动。

3 试验验证

为了验证理论分析的结论, 在JB32H型径向柱塞泵的原结构基础上, 设计了如图7所示的测量装置, 将定子的振动信号从封闭的壳体内引出来传给加速度传感器。

1.定子 2.限位柱塞 3.信号导杆 4.限位调节杆 5.加速度传感器

信号导杆3由限位柱塞腔复位弹簧压在限位柱塞2上, 定子的振动信号通过变量柱塞和信号导杆3传递到的加速度传感器上。柱塞腔通过限位调节杆4与信号导杆3之间的密封圈与外界密封。测试液压原理图如图8所示.

本试验是在转速为1000r/min、压力为16MPa下测试径向柱塞泵在恒流和恒压两个状态的振动情况, 加速度传感器产生的电压信号被采集卡采集进入基于Labview虚拟仪器软件的信号处理分析系统, 该系统对采集的信号进行自适应抗干扰滤波后可显示和输出加速度信号频率特性。试验结果如图9、图10所示。

径向柱塞泵定子在实际振动中会与由压力流量脉动、摩擦、气穴及轴承旋转引起的振动相耦合, 而且还会受到壳体的摩擦力以及柱塞滑靴组件的离心力的作用, 另外在理论计算中的一些参数在振动过程中是随工况变化而变化的, 这些因素会导致试验值与理论计算值有所差异。但从主要幅值在频率上的分布来看, 理论分析结果与试验结果基本吻合。

4 结论

(1) 由于负载的不同径向柱塞泵的工作状态可分为恒压状态和恒流状态, 在这两种状态下定子表现出不同的振动特性, 恒流状态的振动频带较宽, 而恒压状态振动频带较窄。

(2) 径向柱塞泵恒流状态定子与壳体之间的刚度是限位柱塞与柱塞腔油液的并联刚度, 刚度相对较大, 这是造成其高频振动以及频带较宽的主要原因。

(3) 径向柱塞泵恒压状态定子与壳体之间的刚度是限位柱塞与柱塞腔油液的串联刚度, 刚度减小, 而且由于恒压系统的穿越频率较小, 即频宽相对较小, 对于定子的振动具有低通滤波的作用, 使得定子的振动频率降低, 频宽减小。

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振动加速度传感器篇8

柴油机缸内压力信号蕴含丰富的燃烧相关信息,从缸内压力信号中可以获取燃烧起始时刻、峰值压力出现时刻等燃烧特征点。据此,可以对发动机工作状态和性能进行判断;还可以用于作为反馈信号,对发动机进行闭环控制,以进一步提高发动机的性能。直接测量缸内压力信号存在传感器安装不便,以及传感器工作条件恶劣、无法满足长期监测的要求等问题,从而限制了直接测量法在工程实际中的应用。缸内燃烧激励在缸盖上产生振动响应信号,由于响应信号与缸内燃烧过程有密切的联系,并且振动响应信号测量方便,因此,从振动响应信号中提取燃烧特征点具有重要的理论价值和广阔的应用前景[1,2,3]。

本文分析了缸盖位移与缸内压力,振动加速度与压力升高加速度之间的关系,并讨论了缸内压力与其压力升高率、压力升高加速度曲线间的关系。在此基础上,提出了利用振动加速度信号特征点表征缸内燃烧特征点的方法,并通过试验进行了验证。

1 缸内压力及振动信号测试分析

1.1 信号的测试

以ZH195单缸柴油机和495T 4缸柴油机为研究对象,建立了试验台架,台架中包括测功机及其测控系统。在柴油机缸盖上加工取压通道,安装了CY-YD-205型缸压传感器;在柴油机缸盖表面布置CA-YD-103型振动加速度传感器,传感器的轴线方向与气缸轴线方向平行。2个传感器信号分别经过YE5850型和YE5852A型电荷放大器放大,输入数据采集系统。试验台架的示意图如图1所示。

1.2 缸内压力及压力升高加速度频谱分析

根据公式(1)计算了不同工况下缸内压力信号的一阶导数,即压力升高率信号[4]及压力升高加速度信号。

λpi=∑10j=-10j·pi+j2Δφ·∑10j=1j2d2pdφ2i

=∑10j=-10j·λpi+j2Δφ·∑10j=1j2 (1)

式中,λpi为第i个缸内压力值对应的压力升高率;undefined为第i个缸内压力值对应的压力升高加速度;Δφ为采样角度间隔;i为缸内压力、压升率及压力升高加速度的序号;pi+j为第i个缸内压力值前后第j个缸内压力值;λpi+j为第i个压升率前后第j个压升率值。

对压力升高加速度信号进行频谱分析。图2为ZH195型和495T型柴油机实测的缸内压力信号及计算得到的压力升高加速度信号对比曲线。综合各工况下压力升高加速度信号频谱分析结果可知:压力升高加速度的频谱能量主要分布在2 kHz以下的频段内。

试验中振动加速度传感器布置在缸盖上,测点与燃烧激励间无大阻尼结构;而且缸盖、机体系统的刚度大,测点的变形相对于系统的物理尺度小,可将整个系统简化为线性系统[5]。对线性系统而言,激励源的频谱成分同响应信号的频谱成分是一一对应的,即与缸内燃烧过程密切相关的振动加速度信号的频率成分主要分布在2 kHz以下的频段内。

1.3 活塞换向撞击激励响应信号频谱分析

在内燃机工作过程中,压缩上止点附近存在的主要振动激励源除了燃烧激励外,还包括活塞换向撞击激励。这些激励源出现时刻接近,从时域上无法分离。测量了反拖工况时的缸盖振动加速度信号及缸内压缩压力信号。此时,缸内无燃烧过程,测得的振动加速度信号主要为活塞换向撞击激励产生的。利用连续小波变换时频分析方法对振动加速度信号进行分析,结果如图3所示。由图3可见:ZH195型和495T型柴油机的活塞换向撞击响应信号的能量主要分布在高频范围,而2 kHz以下频带的能量则较为微弱。

设计了截止频率为2 kHz的滤波器从缸盖振动加速度信号中提取与燃烧过程密切相关的成分。采用FIR滤波器对缸盖振动加速度信号进行滤波处理,该滤波器具有容易实现线性相位、滤波后的波形失真较小等特点;滤波器的设计采用窗函数法,窗函数选用哈明窗,以同时获得较窄的过渡带宽和较大的阻带衰减系数[6]。为了进一步减小过渡带宽,窗口宽度(N)取最大窗长,即数据长度的1/3,相应滤波器的阶数为N-1。利用设计的滤波器,对各工况下测得的振动加速度信号进行滤波处理。

2 缸内压力与缸盖振动信号对比分析

2.1 缸内压力与缸盖位移对比分析

对实测的振动信号进行滤波处理,并进行两次积分,得到对应的缸盖位移信号。采用的积分算法为:

undefined

d(i+1)=d(i)+v(i)Δt+14a(i+1)Δt2 (3)

式中,i为采样点的序号;a(i)为缸盖表面振动加速度;v(i)为缸盖表面振动速度;d(i)为缸盖表面振动位移;Δt为采样间隔。

图4为积分得到的缸盖位移信号与缸内压力信号的对比。由图4中燃烧主要阶段的波形可见:位移与缸内压力间确实存在一定的相关性,缸盖通过连接螺栓固定到机体上,随着缸内燃烧压力的增加,缸盖、机体及连接螺栓在气缸轴线方向产生变形,缸内压力达到峰值以前,缸盖位移呈现与缸内燃烧状况相近的变化趋势;当缸内压力达到峰值后,缸内压力逐渐降低,缸盖、机体系统在缸内压力和变形回复力的综合作用下,缸盖的位移开始回复。

2.2 压力升高加速度与振动加速度信号对比

将压力升高加速度信号与滤波后的振动加速度信号进行对比,结果如图5所示。峰值压力出现时刻前区段内,压力升高加速度振动加速度信号的变化趋势有一定的相似性,一些特征点如A、A′,B、B′及C、C′等出现的时刻接近,从其他工况测量的结果中也可以看出上述规律。

缸内压力与缸盖振动信号的分析结果表明:缸内压力与缸盖位移,压力升高加速度与振动加速度,在燃烧峰值压力出现时刻前存在密切的相关性。对各信号间的差异进行分析时,可将缸盖、机体系统看作1个测试系统,缸内压力、压力升高加速度信号是输入信号;而缸盖振动位移、加速度是相应的输出信号。输出信号与输入信号之间的关系取决于系统的动态特性,即固有频率、阻尼度及输入信号的频率范围。对测试系统而言,要使测量的信号不失真,要求输入信号的频率大幅度低于测试系统的固有频率;还要求系统的阻尼小。

采用振形叠加法对缸盖、机体系统的固有频率进行分析。模态分析结果表明:对于ZH195型柴油机,在800 Hz附近存在第一阶固有频率。由前面的分析可知:ZH195柴油机缸压频谱的主要能量低于第一阶固有频率。因此,缸内压力与缸盖振动位移变化趋势接近;而压力升高加速度信号则有较多的频率成分接近或高于系统的固有频率,压力升高加速度与振动加速度的变化趋势有一定的差别。

3 缸内压力及其导数时域分析

图6为ZH195柴油机在不同工况时缸内压力信号与其压力升高率、压力升高加速度的对比曲线。压力升高率的折点,即A点,可看作缸内燃烧过程的始点[7]。压力升高加速度的第一个峰值点,即A′点出现的时刻接近于A点。对1 200 r/min、10 N·m和1 200 r/min、40 N·m工况下两点之间的角度差进行了估算,结果分别为2.7 °CA和3.2 °CA。此外,压力升高加速度的特征点B′、C′出现的时刻分别与最大压升率出现时刻B及峰值压力出现时刻C接近。

对其他工况的测试结果进行分析可以得出相似的结论。结合前面对压力升高加速度及缸盖振动加速度的分析结果,在此,提出利用振动加速度信号的特征点估计燃烧特征点的方法。

4 方法的验证及应用

4.1 基于振动加速度信号估计燃烧起始时刻

图7为ZH195柴油机和495T柴油机的压力升高率及对应的振动加速度的对比曲线。由图7可见:振动加速度曲线第一个峰值出现的时刻(A点)与燃烧的始点(B点)基本重合,之间的偏差分别为0.7 °CA和1.4 °CA。从其他工况的分析结果可知:利用振动加速度信号第一个峰值点出现的时刻估算缸内燃烧过程始点是可行的。

4.2 基于振动加速度信号估计燃烧过程主要阶段

图8为ZH195柴油机和495T柴油机的缸内压力、压力升高率及振动加速度信号对比结果。由图8可见:振动加速度信号特征点出现的时刻A、B及C分别与燃烧起始时刻、最大压升率出现时刻及峰值压力出现时刻接近,这表明本文提出的方法是可行的。

研究表明[8]:将柴油机缸内燃烧过程分为4个阶段:滞燃期,从喷油开始直到开始着火燃烧阶段;急燃期,压力急剧上升段,可认为是从燃烧始点至最大压升率处;缓燃期,从压力急剧上升的终点到压力峰值点,可认为是从最大压升率处到峰值压力点;后燃期,从缓燃期的终点到燃料基本完全燃烧为止。

根据前面的分析可知:利用振动信号可以粗略估计燃烧过程的起始点,最大压力升高率出现位置及峰值压力出现位置,进而可以估计急燃期及缓燃期的持续时间,这为间接评价缸内燃烧质量提供了一种方法,具有一定的应用价值。

5 结论

(1) 对研究用柴油机的压力升高加速度信号进行频谱分析,认为与缸内燃烧过程密切相关的振动加速度信号的频率成分主要分布在2 kHz以下的频段,在此频段内活塞换向撞击激励的影响小, 据此设计了FIR滤波器,对缸盖振动加速度信号进行处理。

(2) 对滤波处理后的振动加速度信号进行两次积分,得到缸盖位移信号,与缸内压力信号进行对比,发现在峰值压力出现时刻前,两信号的变化趋势相近;对比振动加速度信号与压力升高加速度信号,发现峰值压力出现时刻前,两信号的特征点出现时刻接近。

(3) 提出了利用振动加速度信号特征点估计燃烧起始时刻及燃烧过程中的急燃期及缓燃期持续时间的方法,通过试验验证了提出的方法的可行性。

摘要：对缸盖位移与缸内压力信号,缸盖振动加速度与缸内压力升高加速度信号进行了对比分析,结果表明:燃烧峰值压力出现时刻前,缸盖位移及缸内压力信号变化趋势相近,缸盖振动加速度与压力升高加速度的特征点出现时刻接近。对比缸内压力信号及其压升率、压力升高加速度曲线可知:压力升高加速度曲线上存在特征点,分别与燃烧起始时刻、最大压升率出现时刻及峰值压力出现时刻等燃烧特征点接近。据此,提出了利用振动加速度信号的特征点对燃烧特征点进行估计的方法,并在ZH195单缸柴油机和495T柴油机上进行试验,试验结果表明了所提出的方法的可行性。

关键词：内燃机,柴油机,振动信号,燃烧状态,时域分析

参考文献

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[3]Goldwine G,deBotton G,Rivin B,et al.Studying the relation-ship between the vibration signature and the combustionprocess in diesel engine[C]//SAE 2004-01-1786,2004.

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[5]诺顿M.P.工程噪声和振动分析基础[M].盛元生,顾伟豪,韩建民,等,译.北京:航空工业出版社,1993.

[6]黄文梅,熊桂林,杨勇.信号分析与处理——MATLAB语言及应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2000.

[7]何学良,李疏松.内燃机燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1990.

振动加速度传感器篇9

发动机振动是衡量发动机工作品质的一个重要参数, 振动过大会加速机件的疲劳损坏, 降低发动机工作寿命。振动加速度监测系统是采集测量发动机振动参数重要系统。某型飞机在用户使用过程中, 频繁暴露出发动机振动参数采集显示不稳定问题, 进一步分析发现主要原因为发动机振动速度传感器故障所致, 由于振动速度传感器为机械振子式结构, 受材料和振动环境影响, 随着使用时间增长, 产品可靠性逐渐降低。本文通过原理分析, 介绍了一种基于压电效应的振动加速度检测系统。

2 发动机振动加速度监测系统现状

2.1 发动机振动加速度监测系统组成

发动机振动监测系统包含振动速度传感器和加速度放大器两部分。振动速度传感器感受垂直方向的振动加速度 (基于电磁感应原理, 传感器输出的交流信号电压值与发动机的垂直振动速度成正比) , 交流信号经振动放大器转换成线性电压信号, 直接供发参系统采集显示。发动机的早期机械故障都可以通过振动值骤增表现出来, 通过对发动机振动值的监测, 可以提前发现故障并防止事故发生, 达到延长发动机使用寿命。

2.2 振动速度传感器

传感器为电动式传感器, 是一种测量机械振动的地震式拾振器。当传感器壳体随发动机一起振动时, 其内部活动系统则保持在相对静止的位置上, 能确切地反映出发动机的实际振动。传感器的电气工作原理是基于电磁感应法则。当永久磁铁的磁力线经过两个空气隙传感器的壳体所闭合, 并被在空气隙中的与壳体刚性联结的线圈相切割时, 在线圈中感应出与两者相对速度成正比的电动势。

2.3 振动加速度放大器

放大器是系统的电子部件, 它将来自传感器的交流电压信号通过滤波, 放大, 检波等处理后传送给指示器进行指示, 同时还有一路送给记录装置进行记录。放大器的结构为按功能单元级连接组成, 每个功能单元由一个至多个运算放大器和必要的外围电路构成, 组成电路的功能单元有同相跟随器、选频放大器、比例放大器、全波检波器、延迟电压比较器、多谐振荡器和直流稳压器等组成。

3 发动机振动加速度监测系统故障分析

由于振动加速度传感器自身固有振动频率与发动机工作区振动中心频带接近, 导致振动传感器与发动机发生谐振, 造成振动指示值偏大且指示不稳定。另外, 振动速度传感器在受到小于20Hz的低频振动 (振动加速度大于1.5g) 时, 传感器内部的振子组件会撞击壳体, 致使其输出信号的波形发生畸变 (正常情况为正弦波) 从而导致整个振动加速度监测系统的指示值变大。

虽然可以通过更换振子材料 (降低传感器固有频率) 、增大振子组件与壳体间隙等措施解决上述问题, 但研制更加可靠的产品从功能和性能上替代原产品已经刻不容缓。

4 基于压电效应的发动机振动加速度监测系统

4.1 压电效应原理

压电效应原理是某些晶体 (如人工极化陶瓷、压电石英晶体等, 不同的压电材料具有不同的压电系数, 一般都可以在压电材料性能表中查到) 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有电荷产生[1]。

4.2 新型振动速度传感器

新型振动传感器可以利用压电材料的压电效应原理制作。在压电材料的特定极化方向上加上质量块, 并进行一定量值的预紧以达到刚性连接的要求。当压电材料受到加速度作用时, 在压电材料表面会产生与之成比例的电荷信号, 通过对电荷信号的采集可以获得振动加速度的大小, 从而实现测量目的。

4.3 新型振动加速度放大器

振动加速度放大器主要完成来自振动传感器交流信号的放大、RMS交直流转换、信号的滤波、直流电压的比较, 最终输出0~5V DC和告警信号, 并为振动传感器提供工作电流。要实现该功能, 硬件电路主要由交流信号放大电路、RMS交直流转换电路、滤波电路、比较电路、直流信号输出接口电路、告警信号输出接口电路、DC/DC转换电路、恒流源发生电路八部分组成。

5 结论

新型振动加速度监测系统与原系统相比, 功能相同, 工作更加稳定可靠, 安装时可以进行原位替换, 满足发动机振动参数的采集测量要求, 在该型机上有良好的应用前景。

摘要：本文以某型机发动机振动加速度监测系统为研究对象, 通过对传统电磁感应测振和压电效应测振原理进行比较, 介绍了一种新型振动加速度监测系统, 可以代替原系统, 使发动机振动参数输出更加稳定。

关键词：振动监测,压电效应,应用

参考文献

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