三軸加速度計(jì)在水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用

1 引言

輸水管道的流量控制一般通過調(diào)節(jié)閘門開度大小實(shí)現(xiàn)。某水利樞紐工程的輸水管道由兩個(gè)管線組成，每個(gè)管線均設(shè)計(jì)由出口控制閘門，閘門尺寸達(dá)到3 m×3 m，孔口尺寸為2.5 m×2.5 m，設(shè)計(jì)水頭為65 m，其中35 m為擋水頭，30 m為水擊壓力產(chǎn)生的水頭。根據(jù)樞紐布置及閘門運(yùn)行要求，為避免管道產(chǎn)生過大的水擊壓力，設(shè)計(jì)下游水位較高，閘門始終處于淹沒狀態(tài)下工作，大大增加了誘發(fā)閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)的可能性。為了適時(shí)調(diào)節(jié)閘門開度，確保下泄流量，工作閘門需長(zhǎng)時(shí)間局部開啟運(yùn)行。出口閘門的水力特性和誘發(fā)振動(dòng)是極其復(fù)雜的流固耦合問題。因此，通過振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)分析，對(duì)確保閘門及閘墩的安全運(yùn)行具有重要作用，是確保引水工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

為了有效地監(jiān)測(cè)水下閘門振動(dòng)，本文在分析ADXL330三軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)、工作原理和標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了基于ADXL330的水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)加速度傳感器，并應(yīng)用于輸水管道閘門振動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

2 ADXL330加速度計(jì)

加速為計(jì)是將運(yùn)動(dòng)加速度或重力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，主要用于振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，在工業(yè)測(cè)量與控制中有著廣泛應(yīng)用。加速度計(jì)按測(cè)量軸數(shù)目分為單軸、雙軸、三軸。傳統(tǒng)的加速度計(jì)是由壓電材料制成的。

ADXL330是美國(guó)ADI公司采用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的新型三軸加速度計(jì)芯片。這種傳感器采用表面微處理加工技術(shù)制造，傳感單元如圖1所示。隨橫梁上的中心薄片與兩個(gè)固定外部薄片形成差動(dòng)電容器(CS1和CS2)。無加速度時(shí)兩電容器電容相等。當(dāng)施加了加速度時(shí)，中心薄片移近某一固定薄片遠(yuǎn)離另一固定薄片，引起電容變化。通過測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出，就能夠測(cè)得相應(yīng)的加速度值。

ADXL330在16引腳芯片級(jí)封裝(4 mm×4mm×1.45 mm)內(nèi)集成了一個(gè)三軸傳感單元及其信號(hào)調(diào)理電路，如圖2所示。ADXL330具有最大±3.6g測(cè)量范圍，能夠測(cè)量靜態(tài)重力加速度，以及由運(yùn)動(dòng)、沖擊或振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)加速度，具有10000g額定耐沖擊強(qiáng)度。

ADXL330采用單電源供電，電壓范圍為2.0～3.6 V。ADXL330的帶寬范圍為0.5 Hz～1.6kHz，由內(nèi)置電阻RFILT=32 kΩ和外接電容Cx確定，抗混與降噪濾波器的-3 dB帶寬為

3 水下振動(dòng)測(cè)試傳感器設(shè)計(jì)

由于輸水管線閘門工作年度周期性特點(diǎn)，對(duì)水下閘門振動(dòng)測(cè)試傳感器除了常規(guī)精度和穩(wěn)定性等要求外，還提出一些特殊要求，包括：傳感器及其連接電纜必須滿足防水要求，耐壓深度30 m，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝上具有抗腐蝕和水流沖擊能力，枯水期最低貯存溫度-40℃等。

根據(jù)上述要求，考慮到盡量減少安裝工作和連接電纜，本文采用ADXL330設(shè)計(jì)制作了適合水下振動(dòng)測(cè)試的三軸加速度傳感器。

3.1 電路原理圖

由于ADXL330的靈敏度與供電電源的電壓成比例，為消除電源以及連接電線的影響，使各個(gè)傳感器具有互換性，本文采用穩(wěn)壓芯片為傳感器供電，如圖3所示，并將穩(wěn)壓芯片與傳感器芯片制作在同一線路板上，確保電源穩(wěn)定、一致、可靠。外部電源VCC經(jīng)穩(wěn)壓芯片LT1762-3.3得到VDC=3.3 V作為傳感器電源，因此傳感器靈敏度Sa=330 mv／g。外部電源可采用現(xiàn)場(chǎng)極易獲得的VDC=5 V。濾波電容采用0.001 μF，根據(jù)式(1)傳感器的-3 dB帶寬為500 Hz。

3.2 傳感器標(biāo)定

傳感器的標(biāo)定可以采用重力標(biāo)定方法，分別沿所要標(biāo)定的靈敏度軸將加速度計(jì)旋轉(zhuǎn)180°以上，并記錄傳感器輸出的最小值amin和最大值amax，則靈敏度Sa=(amax-amin)／2。

3.3 環(huán)境試驗(yàn)

為了考核傳感器能否適應(yīng)所處工作環(huán)境和儲(chǔ)存環(huán)境，對(duì)所封裝后的傳感器進(jìn)行各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)，包括防水試驗(yàn)、低溫工作和低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)等。

防水試驗(yàn)時(shí)，將傳感器置于2 MPa壓力的水中24 h后，檢查密封情況良好，然后測(cè)試其工作情況正常。

低溫工作時(shí)，將傳感器置于低溫箱中，使溫度下降到-20℃并保持1 h，觀測(cè)傳感器的工作情況一直正常。低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)時(shí)，將低溫箱溫度降到-40℃并保持1 h后取出，在常溫存放0.5 h后進(jìn)行測(cè)量，傳感器工作情況正常。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1看出，傳感器靈敏度誤差較小，可滿足使用要求。

4 閘門振動(dòng)測(cè)試與分析

為了準(zhǔn)確全面地捕捉各種運(yùn)行工況下閘門及閘墩等重要結(jié)構(gòu)部件在各個(gè)方向上的振動(dòng)狀況，同時(shí)考慮到閘門及閘墩長(zhǎng)期工作在水下以及安裝維護(hù)等方面的具體情況，應(yīng)用本文專門設(shè)計(jì)制作的耐高低溫變化和耐壓防水的三軸向振動(dòng)加速度傳感器。測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。為了確保測(cè)試系統(tǒng)安全可靠，在測(cè)試系統(tǒng)配置上采用傳感器冗余配置，即在每個(gè)閘門上均設(shè)置了兩個(gè)三軸加速度傳感器。同時(shí)為減少水流對(duì)傳感器的沖刷，將測(cè)量閘門振動(dòng)的傳感器安裝在閘門的背水面。圖5為所測(cè)閘門振動(dòng)信號(hào)。在整個(gè)輸水期內(nèi)，振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一直處于正常工作狀態(tài)，為輸水系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起到了保駕護(hù)航作用。

5 結(jié) 論

MEMS加速度計(jì)具有高集成度、低價(jià)格、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。本文采用ADXL330三軸加速度計(jì)芯片，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了適合水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試的加速度傳感器以及振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某輸水管線閘門振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，應(yīng)用該傳感器芯片構(gòu)成的三軸加速度傳感器能夠滿足水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)需要，具有低成本、高精度、易安裝和安全可靠等特點(diǎn)。 加速度計(jì)相關(guān)文章:加速度計(jì)原理