新型发动机振动加速度监测系统在某型机应用研究

盛竟茹　李振　樊雅丽

摘 要：本文以某型机发动机振动加速度监测系统为研究对象，通过对传统电磁感应测振和压电效应测振原理进行比较，介绍了一种新型振动加速度监测系统，可以代替原系统，使发动机振动参数输出更加稳定。

关键词：振动监测；压电效应；应用

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

1 引言

发动机振动是衡量发动机工作品质的一个重要参数，振动过大会加速机件的疲劳损坏，降低发动机工作寿命。振动加速度监测系统是采集测量发动机振动参数重要系统。某型飞机在用户使用过程中，频繁暴露出发动机振动参数采集显示不稳定问题，进一步分析发现主要原因为发动机振动速度传感器故障所致，由于振动速度传感器为机械振子式结构，受材料和振动环境影响，随着使用时间增长，产品可靠性逐渐降低。本文通过原理分析，介绍了一种基于压电效应的振动加速度检测系统。

2 发动机振动加速度监测系统现状

2.1 发动机振动加速度监测系统组成

发动机振动监测系统包含振动速度传感器和加速度放大器两部分。振动速度传感器感受垂直方向的振动加速度（基于电磁感应原理，传感器输出的交流信号电压值与发动机的垂直振动速度成正比），交流信号经振动放大器转换成线性电压信号，直接供发参系统采集显示。发动机的早期机械故障都可以通过振动值骤增表现出来，通过对发动机振动值的监测，可以提前发现故障并防止事故发生， 达到延长发动机使用寿命。

2.2 振动速度传感器

传感器为电动式传感器，是一种测量机械振动的地震式拾振器。当传感器壳体随发动机一起振动时，其内部活动系统则保持在相对静止的位置上，能确切地反映出发动机的实际振动。传感器的电气工作原理是基于电磁感应法则。当永久磁铁的磁力线经过两个空气隙传感器的壳体所闭合，并被在空气隙中的与壳体刚性联结的线圈相切割时，在线圈中感应出与两者相对速度成正比的电动势。

2.3 振动加速度放大器

放大器是系统的电子部件，它将来自传感器的交流电压信号通过滤波，放大，检波等处理后传送给指示器进行指示，同时还有一路送给记录装置进行记录。放大器的结构为按功能单元级连接组成，每个功能单元由一个至多个运算放大器和必要的外围电路构成，组成电路的功能单元有同相跟随器、选频放大器、比例放大器、全波检波器、延迟电压比较器、多谐振荡器和直流稳压器等组成。

3 发動机振动加速度监测系统故障分析

由于振动加速度传感器自身固有振动频率与发动机工作区振动中心频带接近，导致振动传感器与发动机发生谐振，造成振动指示值偏大且指示不稳定。另外，振动速度传感器在受到小于20Hz的低频振动（振动加速度大于1.5g）时，传感器内部的振子组件会撞击壳体，致使其输出信号的波形发生畸变（正常情况为正弦波）从而导致整个振动加速度监测系统的指示值变大。

虽然可以通过更换振子材料（降低传感器固有频率）、增大振子组件与壳体间隙等措施解决上述问题，但研制更加可靠的产品从功能和性能上替代原产品已经刻不容缓。

4 基于压电效应的发动机振动加速度监测系统

4.1 压电效应原理

压电效应原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上有电荷产生[1]。

4.2 新型振动速度传感器

新型振动传感器可以利用压电材料的压电效应原理制作。在压电材料的特定极化方向上加上质量块，并进行一定量值的预紧以达到刚性连接的要求。当压电材料受到加速度作用时，在压电材料表面会产生与之成比例的电荷信号，通过对电荷信号的采集可以获得振动加速度的大小，从而实现测量目的。

4.3 新型振动加速度放大器

振动加速度放大器主要完成来自振动传感器交流信号的放大、RMS交直流转换、信号的滤波、直流电压的比较，最终输出0～5V DC和告警信号，并为振动传感器提供工作电流。要实现该功能，硬件电路主要由交流信号放大电路、RMS交直流转换电路、滤波电路、比较电路、直流信号输出接口电路、告警信号输出接口电路、DC/DC转换电路、恒流源发生电路八部分组成。

5 结论

新型振动加速度监测系统与原系统相比，功能相同，工作更加稳定可靠，安装时可以进行原位替换，满足发动机振动参数的采集测量要求，在该型机上有良好的应用前景。

参考文献：

[1]李莉，刘威.振动传感器的原理及应用[J].电子元件与材料，2014（04）：81-82.