基于壓電式加速度傳感器的船用振動測量儀設計

孫 倩，尹 菲，尚 晶

（中船重工第703研究所無錫分部，江蘇無錫 214151）

引 言

隨著現代化工業的發展，船舶動力設備越來越大型、高速和復雜，由此產生的振動與噪聲問題也越來越突出。機械振動在大多數情況下是有害的，往往會降低機器性能，破壞其正常工作，縮短使用壽命，甚至導致事故［1］。船舶動力設備的劇烈振動將導致軸承等的摩擦磨損，構件的疲勞破壞等問題。振動測量屬于動態傳感測試技術［2］，能夠反映出設備在運行過程的實際振動狀態，設計出一種針對船舶動力設備的振動測量儀對日益壯大的船舶事業有著現實意義。隨著振動測試技術的完善，測量精度也越來越受到人們的重視。船舶動力設備振動測量的條件比較惡劣，測量環境溫度高，濕度高，因此，對傳感器和振動測量儀的穩定性與測量準確性要求較高。目前市面上大多數振動分析儀器的輸入信號為交流電壓0～5 V，而船舶動力設備所關心的振動頻率范圍一般集中在30～300 Hz，針對這些具體情況，本文設計了一種基于壓電式加速度傳感器，量程為0～70 mm/s，頻率為30～300 Hz的振動測量儀，用于船舶動力設備的機械故障診斷和狀態監測。

1 振動測量儀的工作原理

振動測量儀一般由振動傳感器、轉換電路、放大電路、積分電路和濾波電路等組成。振動測量儀通過振動傳感器將采集到的振動信號轉換成對應的電荷量，通過調理電路將電荷量轉換成標準模擬量信號，輸入振動采集儀或上位機進行顯示、分析和處理。振動測量儀的工作原理如圖1所示。

圖1 振動測量儀工作原理Fig 1 Working principle of vibration measuring instrument

2 信號檢測

2．1 振動傳感器

振動傳感器是把被測的機械量轉換為電量的一種傳感器，最常用的振動傳感器是壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器是以壓電效應為轉換原理制成的，當傳感器受振時，壓電材料所受的力也隨之變化，同時在其表面產生電荷，從而實現非電量測量。壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器［3］，本文采用 B＆K8324型加速度傳感器，靈敏度為10 pC/m·s－2，它能提供較寬的頻率范圍和動態范圍［4］，同時還具有重量輕、體積小、耐高溫，適合在船舶動力設備上使用。

2．2 調理電路

2．2．1 轉換電路

壓電加速度傳感器產生的是電荷信號，而且很小，因此，必須采用特殊的測量電路來進行測量。通常有電荷放大器與電壓放大器2種典型的測量電路。電壓放大電路的電壓靈敏度隨引線電容改變而給測量帶來不方便，現已基本采用電荷放大電路作為測量電路。

壓電加速度傳感器的輸出電荷量為傳感器的靈敏度Sq與輸入加速度a的乘積［5］，即

圖2 電荷轉換電路Fig 2 Charge converter circuit

2．2．2 前置放大電路

由于轉換后的電壓信號比較微弱，因此，需要對其進行放大。放大器可以從多方面提高輸入信號的質量，增強測量工具的分辨率，提供差動輸入來抑制噪音等，本文設計了一種可以調節增益的負反饋放大電路，如圖3所示。

圖3 前置放大電路Fig 3 Preposing amplification circuit

2．2．3 積分電路

在機械故障診斷和狀態檢測中，常用到位移、速度和加速度3種振動參量，振動位移反映了振動幅度的大小，振動速度反映了能量的大小，振動加速度反映了沖擊力的大小。這3個參量中只要知道了一個量就可以通過微積分等手段求得另外2個參量。測量船舶動力設備的振動，如大機組軸承箱和缸體、中小型機泵等，通常是在機器殼體上安裝壓電式加速度傳感器來測量，用振動速度的有效值（mm/s）來描述。

加速度振動傳感器所測得的電荷量是正比于振動信號加速度的，因此，通過圖2電荷轉換電路和圖3前置放大電路得到的電壓信號也正比于振動加速度的，想要得到和振動速度有關的電信號就需要通過積分電路來實現［6］。有源積分電路電路衰減小、頻率范圍較寬、積分誤差小，因此，本文設計了如圖4所示的積分電路。

圖4 積分電路Fig 4 Integration circuit

2．2．4 濾波電路

在振動信號的測量中往往夾雜著許多復雜的噪聲信號，而且，船舶動力設備所關心的振動頻率范圍一般集中在30～300 Hz，因此，設計出一種信噪比較高的濾波電路尤為重要。根據濾波器的幅頻特性分析，常用的濾波器可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器等，由于巴特沃斯濾波器通頻帶的頻率響應曲線最平滑，沒有突峰，因此，本文采用一種由四階巴特沃斯低通濾波器和四階巴特沃斯高通濾波器組合而成的濾波電路來進行信號的提取。濾波電路與濾波器參數設定［7］如圖5所示。

3 試驗數據

圖5 低通與高通巴特沃斯濾波電路Fig 5 Low-pass＆high-pass Butterworth filtering circuit

本文采用 B＆K1047勵磁控制器，B＆K2719功率放大器，B＆K4809振動臺作為信號發生器，如圖6所示，提供標準的振動信號［8］。測試前先將振動測量儀預熱10 min，再進行標定。給定振動信號頻率160 Hz，所得幅值線性數據如表1所示;給定振動信號峰值20 mm/s，所得與頻響特性數據如表2所示。

圖6 振動信號發生器Fig 6 Vibration signal generator

表1 振動測量儀幅值線性數據表Tab 1 Amplitude linearity data of vibration measuring instrument

振動測量儀的測試結果誤差都在±5%以內，滿足機械設備振動測量的精度要求。

4 結論

本文設計的振動測量儀巧妙使用了差分運算電路與電壓并聯負反饋電路等信號調理電路，將從振動傳感器輸出的電荷信號轉換成了標準的交流電壓信號，精度高、穩定性好，能夠準確反映出船舶動力設備的振動情況，為機械故障診斷和狀態監測提供了良好的手段，為設備的安全運行提供了依據和保障。經現場使用和試驗證明:該振動測量儀體積小，安裝方便，測量精度高，且與市面上大多數的振動分析儀匹配，使用方便。

表2 振動測量儀頻響特性數據表Tab 2 Frequency response characteristic data of vibration measuring instrument

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