本文關(guān)鍵詞：大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)的光纖式傳感設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高效精確運(yùn)轉(zhuǎn)離不開發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各項(xiàng)狀態(tài)信息：振動(dòng)參數(shù)是健康狀態(tài)信息的載體,振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測也是發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的主要方法；流量參數(shù)是動(dòng)力狀態(tài)信息的載體,流量狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測依據(jù)進(jìn)氣量來調(diào)節(jié)燃燒室中噴油量,決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。目前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測為應(yīng)用背景,圍繞振動(dòng)與流量兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),基于光纖式傳感技術(shù),進(jìn)行了加速度傳感器與流速傳感器的建模推導(dǎo),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬仿真,并制作傳感器實(shí)物,進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)研究。針對振動(dòng)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(jì)研究方向。首先建立振動(dòng)傳感的初步模型,對模型中輸出響應(yīng),機(jī)械微調(diào)裝置和施加預(yù)應(yīng)力三個(gè)部分進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算,并使用Ansys軟件進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和橫向擾動(dòng)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(dòng)傳感模型,繪制圖紙,制作了光纖式加速度傳感器實(shí)物。最后對傳感器進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)研究,包括標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、瞬態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的靈敏度可以達(dá)到75.6 pm/(m/s2) (100Hz),線性誤差低于2.31%,重復(fù)性誤差低于2.76%,橫向擾動(dòng)靈敏度低于響應(yīng)靈敏度的5%,動(dòng)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(yàn)證了該傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測的可行性。針對進(jìn)氣流量參數(shù),結(jié)合流體中的受力分析,設(shè)計(jì)了一種新型的基于面受力的等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)流速傳感器,首先對傳感模型進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)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(jìn)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(shí)物。最后模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量監(jiān)測,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(fù)性誤差低于6.14%,遲滯約為3.7%,系統(tǒng)阻尼比大于1,驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試中遇到的實(shí)際問題,提出需要改進(jìn)的地方,對下一步的優(yōu)化工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK427

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本文編號：1283195