大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)的光纖式傳感設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高效精確運(yùn)轉(zhuǎn)離不開發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的全面感知。狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)承載著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各項(xiàng)狀態(tài)信息:振動(dòng)參數(shù)是健康狀態(tài)信息的載體，振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)也是發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的主要方法;流量參數(shù)是動(dòng)力狀態(tài)信息的載體，流量狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)依據(jù)進(jìn)氣量來調(diào)節(jié)燃燒室中噴油量，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。目前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多是基于傳統(tǒng)的電傳感技術(shù)，由于柴油機(jī)的工作環(huán)境惡劣，其傳感信號(hào)容易受到干擾產(chǎn)生測(cè)量誤差。相比之下，光纖類傳感器具

2、有免疫電磁干擾和本質(zhì)安全的優(yōu)良特性，在惡劣環(huán)境中應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)。因此，將光纖式傳感技術(shù)應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)，具有很重要的研究意義。
　　本文以大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)為應(yīng)用背景，圍繞振動(dòng)與流量?jī)身?xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，基于光纖式傳感技術(shù)，進(jìn)行了加速度傳感器與流速傳感器的建模推導(dǎo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬仿真，并制作傳感器實(shí)物，進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。
　　針對(duì)振動(dòng)參數(shù)，在總結(jié)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以杠桿懸臂梁結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)研究方向。首先建立振

3、動(dòng)傳感的初步模型，對(duì)模型中輸出響應(yīng)，機(jī)械微調(diào)裝置和施加預(yù)應(yīng)力三個(gè)部分進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，并使用Ansys軟件進(jìn)行模擬仿真分析，包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、靜態(tài)響應(yīng)分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和橫向擾動(dòng)分析，得出傳感器的理論性能參數(shù)。然后依據(jù)理論參數(shù)，優(yōu)化振動(dòng)傳感模型，繪制圖紙，制作了光纖式加速度傳感器實(shí)物。最后對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，包括標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、瞬態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:該傳感器的靈敏度可以達(dá)到75.6 pm/(m

4、/s2)(100Hz)，線性誤差低于2.31％，重復(fù)性誤差低于2.76％，橫向擾動(dòng)靈敏度低于響應(yīng)靈敏度的5％，動(dòng)態(tài)范圍約為70db，共振頻率約為138Hz，系統(tǒng)阻尼系數(shù)較低，并驗(yàn)證了該傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性。
　　針對(duì)進(jìn)氣流量參數(shù)，結(jié)合流體中的受力分析，設(shè)計(jì)了一種新型的基于面受力的等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)流速傳感器，首先對(duì)傳感模型進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，結(jié)果表明:PDMS硅膠材料比金屬材料更適合空氣流速測(cè)量。其次使用Ansys軟件進(jìn)

5、行流固耦合模擬仿真，得出理論靜態(tài)性能參數(shù)。然后依據(jù)理論參數(shù)，優(yōu)化流量傳感模型，制作了光纖式流速傳感器實(shí)物。最后模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量監(jiān)測(cè)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器靈敏度較高，其輸出波長(zhǎng)偏移量與流速平方成正比，靈敏度系數(shù)約為13.7。重復(fù)性誤差低于6.14％，遲滯約為3.7％，系統(tǒng)阻尼比大于1，驗(yàn)證了該傳感器在空氣流量監(jiān)測(cè)中的可行性。
　　最后總結(jié)全文的研究工作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中遇到的實(shí)際問題，提出需要改進(jìn)的地方，對(duì)下