船舶發動機振動故障監測系統研究

劉曉利

（中國人民解放軍91315 部隊，遼寧 大連 116000）

船舶發動機是船舶的動力中樞，其正常運轉關系到船舶的航行安全。通過振動故障監測技術可以實時精準了解船舶發動機的工作狀態，及時發現故障征兆，從而采取應對措施，消除故障隱患。船舶發動機本體表面振動及其特征信息可以直接或間接反映其工作狀態。因此，可基于船舶發動機振動信號實現故障監測。即通過多個無線加速度監測節點實時獲取船舶發動機氣缸蓋或氣缸表面的振動信號，通過數據計算分析，判斷發動機工作是否正常?；诖耍疚膶⒋鞍l動機振動信號作為監測對象，提出一種以壓電振動換能器為振動監測節點的自供電振動故障監測系統，探討該系統的硬件架構及軟件設計。

1 船舶發動機振動故障監測系統總體設計

壓電振動換能器基于壓電材料的正壓電效應來實現能量的收集。在外界振動環境的激勵下，正壓電效應的作用可將壓電材料的機械形變轉換為電能輸出。因此，微型線性壓電振動換能器的發展和應用是以正壓電效應的發現和壓電材料的提供為前提條件。壓電振動換能器是指利用正壓電效應收集轉換能量的裝置。壓電材料受到外部振動激勵在正壓電效應作用下實現機械變形轉換成電能。因此，壓電振動換能器的開發和應用的基礎是正壓電效應的發現和壓電材料的運用。本研究提出運用壓電振動換能器為船舶發動機振動故障監測系統的無線傳感器監測節點提供電能，由于換能器輸出能量微弱，需借助薄膜電池，通過一定時間的充電聚集電能在快速放電以驅動負載，確保船舶發動機振動加速度傳感節點穩定運行，本次提出的船舶發動機振動故障監測系統總體架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構

該系統硬件部分主要包括加速度傳感器監測節點、PC 端顯示器、CC430 單片機、薄膜電池、壓電振動換能器等。加速度傳感器監測節點由換能器供電。PC 端主要包括無線-USB 接口和顯示軟件構成。系統使用薄膜電池存儲換能器轉換的電能，當存儲電能達到一定容量時，通過電源管理電路為傳感器節點提供電能，確保傳感器長期穩定采集船舶發動機振動信號，通過CC430 單片機處理振動信號并傳輸至中繼節點。最后，由中繼節點將振動數據傳輸至PC 端，呈現給用戶。為滿足低功耗要求，傳感器監測節點選用CC430 單片機，該單片機自帶無線發射芯片，同時選用低功耗的ADXL312 型加速度傳感器，大大降低系統功耗。

2 船舶發動機振動故障監測系統硬件設計

2.1 壓電振動換能器

壓電振動換能器主要有核心單元、封裝單元兩部分。其中，核心單元負責收集轉換振動機械能，封裝單元主要負責制造低真空環境，方便高效獲取振動能。該系統采用滿足外部振動頻率808Hz，加速度1G 環境要求的換能器核心單元，基于實際船舶發動機振動數據，最終選用MEMS 壓電換能器，基本參數如下：

梁長3665μm；梁寬2835μm；梁厚130μm；質量塊長8560μm；質量塊寬15500μm；質量塊厚530μm；兩單元數6；Pzt 厚5μm。

2.2 電源管理電路

電源管理電路的主要作用是基于負載和外部環境變化存儲和釋放壓電換能器輸出電能的電路。具體來說，電源管理電路首先對換能器輸出交流電壓整流，實現交直流轉換，為后續電路提供直流電壓。其次，換能器最大功率點跟蹤，優化輸出功率；最后，為薄膜電池電路提供充電電壓，實現電能轉移、存儲。圖2 為該系統的電源管理電路結構。

圖2 電源管理電路

整流后的輸出電能保存在儲能電容中，若儲能電壓超過ULVO 檢測器閾值，降壓轉換器開始工作，電能釋放，轉移至后續儲能電路中。若儲能電壓低于ULVO 閾值，降壓轉換器停止工作，儲能電容繼續充能，直至儲能電壓超過UVLO 檢測器閾值。如此循環。

2.3 儲能電路

經過電源管理電路調整后得到3.6V 電壓，但直接給振動加速度傳感器節點無法保證其穩定工作。因此，該系統還加入了二級儲能裝置，先通過儲能電路將換能器輸出電能存儲至薄膜電池中，再通過瞬放電路為傳感器節點供電，確保其穩定工作。系統采用CBC3105 儲能芯片，其自帶電能轉移電路，可將換能器輸出電能轉儲至薄膜電池中，當換能器核心模塊LTC3588 休眠時，CBC3105 儲可將Cout 的能量緩沖到薄膜電池中，具體儲能電路如圖3 所示。

圖3 儲能電路

2.4 傳感器電路

船舶發動機的振動涉及振動加速度、振動速度、振動位移等物理量，由于加速度物理量的測量最簡便，該系統選用振動加速度傳感器采集振動信號，傳感器型號ADXL312，功耗低，分辨率高，測量范圍達±16g，可通過SPI 或I2C 數字接口訪問，振動加速度傳感器電路如圖4 所示。

圖4 振動加速度傳感器電路

2.5 總電路

基于上文設計的振動故障監測系統總體架構及關鍵電路設計得出系統總體電路圖，如圖5 所示。

圖5 系統總體電路設計

該系統利用LTC3588 實現換能器的交直流轉換，借助BUCK 電路進行一級能量聚集、釋放，負載為CBC3105儲能電路，充電電流40μA，總體負載電流215μA。CBC3105 作為二級儲能裝置可轉儲換能器的輸出電能，當儲能電壓達到閾值時，為振動加速度傳感器供電，實現傳感器穩定監測船舶發動機振動信號，采集的振動信號經由IIC 總線傳輸至CC430F5137 單片機，經過單片機處理后的振動信號進行無線傳輸至中繼節點，最后傳輸至PC 端，以圖表形式顯示給用戶。

3 船舶發動機振動故障監測系統軟件設計

該系統的振動加速度監測節點程序流程圖6 所示，首先，進行協議棧初始化，開啟CC430 中斷，確認振動加速度傳感器是否開啟以及是否已采集振動數據，接著，開啟低功耗休眠模式。根據硬件電路設計，一旦加速度傳感器成功上電并采集到振動信號，就會產生中斷信號喚醒CC430 單片機，如有喚醒數據，則啟動加速度傳感器并讀取數據，讀取完成后，傳感器進入低功耗待機模式，判斷傳感器是否成功接入網絡，如成功則將振動信號數據發送給控制節點。振動監測節點采集傳輸數據后，如果需要增加傳輸距離，則需增加中繼節點，其主要作用是傳輸振動監測節點數據，以便將數據傳輸到更遠的位置。

圖6 振動加速度監測節點程序

4 結語

綜上所述，本次設計的船舶發動機振動故障監測系統采用功能強大、功耗低的CC430單片機作為系統的控制核心，采用加速度傳感器采集船舶發動機振動信號數據，利用壓電振動換能器為加速度傳感器提供電能，保證其穩定運行，從而實現對振動信號的實時采集。該系統可實時采集振動信號并在PC 端顯示，當振動信號數據超過閾值時可自動報警。也可對振動信號進行頻譜分析，提供故障診斷依據。但本研究只設計系統的軟硬件設計，對振動信號處理分析方面的研究有待完善。