大型柴油发动机状态监测关键参数的光纤式传感设计及实验研究

发布时间：2017-12-12 16:36

  本文关键词：大型柴油发动机状态监测关键参数的光纤式传感设计及实验研究

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【摘要】：大型柴油发动机的高效精确运转离不开发动机状态监测系统对关键参数的全面感知。状态关键参数承载着柴油发动机运转时的各项状态信息：振动参数是健康状态信息的载体,振动状态参数监测也是发动机故障诊断的主要方法；流量参数是动力状态信息的载体,流量状态参数监测依据进气量来调节燃烧室中喷油量,决定了发动机的动力性。目前柴油发动机中状态监测系统多是基于传统的电传感技术,由于柴油机的工作环境恶劣,其传感信号容易受到干扰产生测量误差。相比之下,光纤类传感器具有免疫电磁干扰和本质安全的优良特性,在恶劣环境中应用具有天然优势。因此,将光纤式传感技术应用于柴油发动机的状态参数监测,具有很重要的研究意义。本文以大型柴油发动机的状态参数监测为应用背景,围绕振动与流量两项关键参数,基于光纤式传感技术,进行了加速度传感器与流速传感器的建模推导,结构设计和模拟仿真,并制作传感器实物,进行了测试实验研究。针对振动参数,在总结研究现状的基础上,以杠杆悬臂梁结构为设计研究方向。首先建立振动传感的初步模型,对模型中输出响应,机械微调装置和施加预应力三个部分进行推导计算,并使用Ansys软件进行模拟仿真分析,包括模态分析、谐响应分析、静态响应分析、动态响应分析和横向扰动分析,得出传感器的理论性能参数。然后依据理论参数,优化振动传感模型,绘制图纸,制作了光纤式加速度传感器实物。最后对传感器进行测试实验研究,包括标准化标定实验、瞬态冲击实验和发动机振动状态监测应用测试。试验结果表明：该传感器的灵敏度可以达到75.6 pm/(m/s2) (100Hz),线性误差低于2.31%,重复性误差低于2.76%,横向扰动灵敏度低于响应灵敏度的5%,动态范围约为70db,共振频率约为138Hz,系统阻尼系数较低,并验证了该传感器应用于发动机振动状态监测的可行性。针对进气流量参数,结合流体中的受力分析,设计了一种新型的基于面受力的等强度悬臂梁结构流速传感器,首先对传感模型进行推导计算,结果表明：PDMS硅胶材料比金属材料更适合空气流速测量。其次使用Ansys软件进行流固耦合模拟仿真,得出理论静态性能参数。然后依据理论参数,优化流量传感模型,制作了光纤式流速传感器实物。最后模拟发动机的进气流量监测,进行标准化标定实验。实验结果表明,该传感器灵敏度较高,其输出波长偏移量与流速平方成正比,灵敏度系数约为13.7。重复性误差低于6.14%,迟滞约为3.7%,系统阻尼比大于1,验证了该传感器在空气流量监测中的可行性。最后总结全文的研究工作,根据实验测试中遇到的实际问题,提出需要改进的地方,对下一步的优化工作进行了展望。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK427

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本文编号：1283195