本文關鍵詞：大型柴油發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測關鍵參數的光纖式傳感設計及實驗研究

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【摘要】：大型柴油發(fā)動機的高效精確運轉離不開發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統對關鍵參數的全面感知。狀態(tài)關鍵參數承載著柴油發(fā)動機運轉時的各項狀態(tài)信息：振動參數是健康狀態(tài)信息的載體,振動狀態(tài)參數監(jiān)測也是發(fā)動機故障診斷的主要方法；流量參數是動力狀態(tài)信息的載體,流量狀態(tài)參數監(jiān)測依據進氣量來調節(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)測系統多是基于傳統的電傳感技術,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生測量誤差。相比之下,光纖類傳感器具有免疫電磁干擾和本質安全的優(yōu)良特性,在惡劣環(huán)境中應用具有天然優(yōu)勢。因此,將光纖式傳感技術應用于柴油發(fā)動機的狀態(tài)參數監(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)參數監(jiān)測為應用背景,圍繞振動與流量兩項關鍵參數,基于光纖式傳感技術,進行了加速度傳感器與流速傳感器的建模推導,結構設計和模擬仿真,并制作傳感器實物,進行了測試實驗研究。針對振動參數,在總結研究現狀的基礎上,以杠桿懸臂梁結構為設計研究方向。首先建立振動傳感的初步模型,對模型中輸出響應,機械微調裝置和施加預應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、諧響應分析、靜態(tài)響應分析、動態(tài)響應分析和橫向擾動分析,得出傳感器的理論性能參數。然后依據理論參數,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)測應用測試。試驗結果表明：該傳感器的靈敏度可以達到75.6 pm/(m/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靈敏度的5%,動態(tài)范圍約為70db,共振頻率約為138Hz,系統阻尼系數較低,并驗證了該傳感器應用于發(fā)動機振動狀態(tài)監(jiān)測的可行性。針對進氣流量參數,結合流體中的受力分析,設計了一種新型的基于面受力的等強度懸臂梁結構流速傳感器,首先對傳感模型進行推導計算,結果表明：PDMS硅膠材料比金屬材料更適合空氣流速測量。其次使用Ansys軟件進行流固耦合模擬仿真,得出理論靜態(tài)性能參數。然后依據理論參數,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,靈敏度系數約為13.7。重復性誤差低于6.14%,遲滯約為3.7%,系統阻尼比大于1,驗證了該傳感器在空氣流量監(jiān)測中的可行性。最后總結全文的研究工作,根據實驗測試中遇到的實際問題,提出需要改進的地方,對下一步的優(yōu)化工作進行了展望。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK427

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