大型柴油發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)的光纖式傳感設(shè)計及實驗研究.pdf

1、大型柴油發(fā)動機的高效精確運轉(zhuǎn)離不開發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對關(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)動機運轉(zhuǎn)時的各項狀態(tài)信息:振動參數(shù)是健康狀態(tài)信息的載體，振動狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測也是發(fā)動機故障診斷的主要方法;流量參數(shù)是動力狀態(tài)信息的載體，流量狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測依據(jù)進氣量來調(diào)節(jié)燃燒室中噴油量，決定了發(fā)動機的動力性。目前柴油發(fā)動機中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)多是基于傳統(tǒng)的電傳感技術(shù)，由于柴油機的工作環(huán)境惡劣，其傳感信號容易受到干擾產(chǎn)生測量誤差。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。因此，將光纖式傳感技術(shù)應(yīng)用于柴油發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測，具有很重要的研究意義。
　　本文以大型柴油發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測為應(yīng)用背景，圍繞振動與流量兩項關(guān)鍵參數(shù)，基于光纖式傳感技術(shù)，進行了加速度傳感器與流速傳感器的建模推導，結(jié)構(gòu)設(shè)計和模擬仿真，并制作傳感器實物，進行了測試實驗研究。
　　針對振動參數(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)計研究方向。首先建立振

3、動傳感的初步模型，對模型中輸出響應(yīng)，機械微調(diào)裝置和施加預應(yīng)力三個部分進行推導計算，并使用Ansys軟件進行模擬仿真分析，包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、靜態(tài)響應(yīng)分析、動態(tài)響應(yīng)分析和橫向擾動分析，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)化振動傳感模型，繪制圖紙，制作了光纖式加速度傳感器實物。最后對傳感器進行測試實驗研究，包括標準化標定實驗、瞬態(tài)沖擊實驗和發(fā)動機振動狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用測試。試驗結(jié)果表明:該傳感器的靈敏度可以達到75.6 pm/(m

4、/s2)(100Hz)，線性誤差低于2.31％，重復性誤差低于2.76％，橫向擾動靈敏度低于響應(yīng)靈敏度的5％，動態(tài)范圍約為70db，共振頻率約為138Hz，系統(tǒng)阻尼系數(shù)較低，并驗證了該傳感器應(yīng)用于發(fā)動機振動狀態(tài)監(jiān)測的可行性。
　　針對進氣流量參數(shù)，結(jié)合流體中的受力分析，設(shè)計了一種新型的基于面受力的等強度懸臂梁結(jié)構(gòu)流速傳感器，首先對傳感模型進行推導計算，結(jié)果表明:PDMS硅膠材料比金屬材料更適合空氣流速測量。其次使用Ansys軟件進

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物。最后模擬發(fā)動機的進氣流量監(jiān)測，進行標準化標定實驗。實驗結(jié)果表明，該傳感器靈敏度較高，其輸出波長偏移量與流速平方成正比，靈敏度系數(shù)約為13.7。重復性誤差低于6.14％，遲滯約為3.7％，系統(tǒng)阻尼比大于1，驗證了該傳感器在空氣流量監(jiān)測中的可行性。
　　最后總結(jié)全文的研究工作，根據(jù)實驗測試中遇到的實際問題，提出需要改進的地方，對下