新型發動機振動加速度監測系統在某型機應用研究

盛竟茹　李振　樊雅麗

摘 要：本文以某型機發動機振動加速度監測系統為研究對象，通過對傳統電磁感應測振和壓電效應測振原理進行比較，介紹了一種新型振動加速度監測系統，可以代替原系統，使發動機振動參數輸出更加穩定。

關鍵詞：振動監測；壓電效應；應用

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

1 引言

發動機振動是衡量發動機工作品質的一個重要參數，振動過大會加速機件的疲勞損壞，降低發動機工作壽命。振動加速度監測系統是采集測量發動機振動參數重要系統。某型飛機在用戶使用過程中，頻繁暴露出發動機振動參數采集顯示不穩定問題，進一步分析發現主要原因為發動機振動速度傳感器故障所致，由于振動速度傳感器為機械振子式結構，受材料和振動環境影響，隨著使用時間增長，產品可靠性逐漸降低。本文通過原理分析，介紹了一種基于壓電效應的振動加速度檢測系統。

2 發動機振動加速度監測系統現狀

2.1 發動機振動加速度監測系統組成

發動機振動監測系統包含振動速度傳感器和加速度放大器兩部分。振動速度傳感器感受垂直方向的振動加速度（基于電磁感應原理，傳感器輸出的交流信號電壓值與發動機的垂直振動速度成正比），交流信號經振動放大器轉換成線性電壓信號，直接供發參系統采集顯示。發動機的早期機械故障都可以通過振動值驟增表現出來，通過對發動機振動值的監測，可以提前發現故障并防止事故發生， 達到延長發動機使用壽命。

2.2 振動速度傳感器

傳感器為電動式傳感器，是一種測量機械振動的地震式拾振器。當傳感器殼體隨發動機一起振動時，其內部活動系統則保持在相對靜止的位置上，能確切地反映出發動機的實際振動。傳感器的電氣工作原理是基于電磁感應法則。當永久磁鐵的磁力線經過兩個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結的線圈相切割時，在線圈中感應出與兩者相對速度成正比的電動勢。

2.3 振動加速度放大器

放大器是系統的電子部件，它將來自傳感器的交流電壓信號通過濾波，放大，檢波等處理后傳送給指示器進行指示，同時還有一路送給記錄裝置進行記錄。放大器的結構為按功能單元級連接組成，每個功能單元由一個至多個運算放大器和必要的外圍電路構成，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壓器等組成。

3 發動機振動加速度監測系統故障分析

由于振動加速度傳感器自身固有振動頻率與發動機工作區振動中心頻帶接近，導致振動傳感器與發動機發生諧振，造成振動指示值偏大且指示不穩定。另外，振動速度傳感器在受到小于20Hz的低頻振動（振動加速度大于1.5g）時，傳感器內部的振子組件會撞擊殼體，致使其輸出信號的波形發生畸變（正常情況為正弦波）從而導致整個振動加速度監測系統的指示值變大。

雖然可以通過更換振子材料（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題，但研制更加可靠的產品從功能和性能上替代原產品已經刻不容緩。

4 基于壓電效應的發動機振動加速度監測系統

4.1 壓電效應原理

壓電效應原理是某些晶體（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，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，它的晶體面或極化面上有電荷產生[1]。

4.2 新型振動速度傳感器

新型振動傳感器可以利用壓電材料的壓電效應原理制作。在壓電材料的特定極化方向上加上質量塊，并進行一定量值的預緊以達到剛性連接的要求。當壓電材料受到加速度作用時，在壓電材料表面會產生與之成比例的電荷信號，通過對電荷信號的采集可以獲得振動加速度的大小，從而實現測量目的。

4.3 新型振動加速度放大器

振動加速度放大器主要完成來自振動傳感器交流信號的放大、RMS交直流轉換、信號的濾波、直流電壓的比較，最終輸出0～5V DC和告警信號，并為振動傳感器提供工作電流。要實現該功能，硬件電路主要由交流信號放大電路、RMS交直流轉換電路、濾波電路、比較電路、直流信號輸出接口電路、告警信號輸出接口電路、DC/DC轉換電路、恒流源發生電路八部分組成。

5 結論

新型振動加速度監測系統與原系統相比，功能相同，工作更加穩定可靠，安裝時可以進行原位替換，滿足發動機振動參數的采集測量要求，在該型機上有良好的應用前景。

參考文獻：

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