盛竟茹　李振　樊雅麗

摘 要：本文以某型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電磁感應(yīng)測(cè)振和壓電效應(yīng)測(cè)振原理進(jìn)行比較，介紹了一種新型振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以代替原系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)輸出更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)監(jiān)測(cè)；壓電效應(yīng)；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.138

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，振動(dòng)過(guò)大會(huì)加速機(jī)件的疲勞損壞，降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命。振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采集測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)重要系統(tǒng)。某型飛機(jī)在用戶使用過(guò)程中，頻繁暴露出發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)采集顯示不穩(wěn)定問(wèn)題，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)速度傳感器故障所致，由于振動(dòng)速度傳感器為機(jī)械振子式結(jié)構(gòu)，受材料和振動(dòng)環(huán)境影響，隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，產(chǎn)品可靠性逐漸降低。本文通過(guò)原理分析，介紹了一種基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)加速度檢測(cè)系統(tǒng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含振動(dòng)速度傳感器和加速度放大器兩部分。振動(dòng)速度傳感器感受垂直方向的振動(dòng)加速度（基于電磁感應(yīng)原理，傳感器輸出的交流信號(hào)電壓值與發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直振動(dòng)速度成正比），交流信號(hào)經(jīng)振動(dòng)放大器轉(zhuǎn)換成線性電壓信號(hào)，直接供發(fā)參系統(tǒng)采集顯示。發(fā)動(dòng)機(jī)的早期機(jī)械故障都可以通過(guò)振動(dòng)值驟增表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值的監(jiān)測(cè)，可以提前發(fā)現(xiàn)故障并防止事故發(fā)生， 達(dá)到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

2.2 振動(dòng)速度傳感器

傳感器為電動(dòng)式傳感器，是一種測(cè)量機(jī)械振動(dòng)的地震式拾振器。當(dāng)傳感器殼體隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起振動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部活動(dòng)系統(tǒng)則保持在相對(duì)靜止的位置上，能確切地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際振動(dòng)。傳感器的電氣工作原理是基于電磁感應(yīng)法則。當(dāng)永久磁鐵的磁力線經(jīng)過(guò)兩個(gè)空氣隙傳感器的殼體所閉合，并被在空氣隙中的與殼體剛性聯(lián)結(jié)的線圈相切割時(shí)，在線圈中感應(yīng)出與兩者相對(duì)速度成正比的電動(dòng)勢(shì)。

2.3 振動(dòng)加速度放大器

放大器是系統(tǒng)的電子部件，它將來(lái)自傳感器的交流電壓信號(hào)通過(guò)濾波，放大，檢波等處理后傳送給指示器進(jìn)行指示，同時(shí)還有一路送給記錄裝置進(jìn)行記錄。放大器的結(jié)構(gòu)為按功能單元級(jí)連接組成，每個(gè)功能單元由一個(gè)至多個(gè)運(yùn)算放大器和必要的外圍電路構(gòu)成，組成電路的功能單元有同相跟隨器、選頻放大器、比例放大器、全波檢波器、延遲電壓比較器、多諧振蕩器和直流穩(wěn)壓器等組成。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障分析

由于振動(dòng)加速度傳感器自身固有振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)振動(dòng)中心頻帶接近，導(dǎo)致振動(dòng)傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生諧振，造成振動(dòng)指示值偏大且指示不穩(wěn)定。另外，振動(dòng)速度傳感器在受到小于20Hz的低頻振動(dòng)（振動(dòng)加速度大于1.5g）時(shí)，傳感器內(nèi)部的振子組件會(huì)撞擊殼體，致使其輸出信號(hào)的波形發(fā)生畸變（正常情況為正弦波）從而導(dǎo)致整個(gè)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指示值變大。

雖然可以通過(guò)更換振子材料（降低傳感器固有頻率）、增大振子組件與殼體間隙等措施解決上述問(wèn)題，但研制更加可靠的產(chǎn)品從功能和性能上替代原產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩。

4 基于壓電效應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 壓電效應(yīng)原理

壓電效應(yīng)原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到）在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上有電荷產(chǎn)生[1]。

4.2 新型振動(dòng)速度傳感器

新型振動(dòng)傳感器可以利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理制作。在壓電材料的特定極化方向上加上質(zhì)量塊，并進(jìn)行一定量值的預(yù)緊以達(dá)到剛性連接的要求。當(dāng)壓電材料受到加速度作用時(shí)，在壓電材料表面會(huì)產(chǎn)生與之成比例的電荷信號(hào)，通過(guò)對(duì)電荷信號(hào)的采集可以獲得振動(dòng)加速度的大小，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的。

4.3 新型振動(dòng)加速度放大器

振動(dòng)加速度放大器主要完成來(lái)自振動(dòng)傳感器交流信號(hào)的放大、RMS交直流轉(zhuǎn)換、信號(hào)的濾波、直流電壓的比較，最終輸出0～5V DC和告警信號(hào)，并為振動(dòng)傳感器提供工作電流。要實(shí)現(xiàn)該功能，硬件電路主要由交流信號(hào)放大電路、RMS交直流轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、比較電路、直流信號(hào)輸出接口電路、告警信號(hào)輸出接口電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、恒流源發(fā)生電路八部分組成。

5 結(jié)論

新型振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，功能相同，工作更加穩(wěn)定可靠，安裝時(shí)可以進(jìn)行原位替換，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)的采集測(cè)量要求，在該型機(jī)上有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李莉，劉威.振動(dòng)傳感器的原理及應(yīng)用[J].電子元件與材料，2014（04）：81-82.