船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉曉利

（中國(guó)人民解放軍91315 部隊(duì)，遼寧 大連 116000）

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的動(dòng)力中樞，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系到船舶的航行安全。通過振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)了解船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，從而采取應(yīng)對(duì)措施，消除故障隱患。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)本體表面振動(dòng)及其特征信息可以直接或間接反映其工作狀態(tài)。因此，可基于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)。即通過多個(gè)無線加速度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋或氣缸表面的振動(dòng)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)計(jì)算分析，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否正常?；诖?，本文將船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，提出一種以壓電振動(dòng)換能器為振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的自供電振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，探討該系統(tǒng)的硬件架構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)。

1 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

壓電振動(dòng)換能器基于壓電材料的正壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的收集。在外界振動(dòng)環(huán)境的激勵(lì)下，正壓電效應(yīng)的作用可將壓電材料的機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電能輸出。因此，微型線性壓電振動(dòng)換能器的發(fā)展和應(yīng)用是以正壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和壓電材料的提供為前提條件。壓電振動(dòng)換能器是指利用正壓電效應(yīng)收集轉(zhuǎn)換能量的裝置。壓電材料受到外部振動(dòng)激勵(lì)在正壓電效應(yīng)作用下實(shí)現(xiàn)機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成電能。因此，壓電振動(dòng)換能器的開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)是正壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和壓電材料的運(yùn)用。本研究提出運(yùn)用壓電振動(dòng)換能器為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供電能，由于換能器輸出能量微弱，需借助薄膜電池，通過一定時(shí)間的充電聚集電能在快速放電以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，確保船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度傳感節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，本次提出的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)硬件部分主要包括加速度傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、PC 端顯示器、CC430 單片機(jī)、薄膜電池、壓電振動(dòng)換能器等。加速度傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由換能器供電。PC 端主要包括無線-USB 接口和顯示軟件構(gòu)成。系統(tǒng)使用薄膜電池存儲(chǔ)換能器轉(zhuǎn)換的電能，當(dāng)存儲(chǔ)電能達(dá)到一定容量時(shí)，通過電源管理電路為傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能，確保傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定采集船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)，通過CC430 單片機(jī)處理振動(dòng)信號(hào)并傳輸至中繼節(jié)點(diǎn)。最后，由中繼節(jié)點(diǎn)將振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至PC 端，呈現(xiàn)給用戶。為滿足低功耗要求，傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選用CC430 單片機(jī)，該單片機(jī)自帶無線發(fā)射芯片，同時(shí)選用低功耗的ADXL312 型加速度傳感器，大大降低系統(tǒng)功耗。

2 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓電振動(dòng)換能器

壓電振動(dòng)換能器主要有核心單元、封裝單元兩部分。其中，核心單元負(fù)責(zé)收集轉(zhuǎn)換振動(dòng)機(jī)械能，封裝單元主要負(fù)責(zé)制造低真空環(huán)境，方便高效獲取振動(dòng)能。該系統(tǒng)采用滿足外部振動(dòng)頻率808Hz，加速度1G 環(huán)境要求的換能器核心單元，基于實(shí)際船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，最終選用MEMS 壓電換能器，基本參數(shù)如下：

梁長(zhǎng)3665μm；梁寬2835μm；梁厚130μm；質(zhì)量塊長(zhǎng)8560μm；質(zhì)量塊寬15500μm；質(zhì)量塊厚530μm；兩單元數(shù)6；Pzt 厚5μm。

2.2 電源管理電路

電源管理電路的主要作用是基于負(fù)載和外部環(huán)境變化存儲(chǔ)和釋放壓電換能器輸出電能的電路。具體來說，電源管理電路首先對(duì)換能器輸出交流電壓整流，實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，為后續(xù)電路提供直流電壓。其次，換能器最大功率點(diǎn)跟蹤，優(yōu)化輸出功率；最后，為薄膜電池電路提供充電電壓，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)。圖2 為該系統(tǒng)的電源管理電路結(jié)構(gòu)。

圖2 電源管理電路

整流后的輸出電能保存在儲(chǔ)能電容中，若儲(chǔ)能電壓超過ULVO 檢測(cè)器閾值，降壓轉(zhuǎn)換器開始工作，電能釋放，轉(zhuǎn)移至后續(xù)儲(chǔ)能電路中。若儲(chǔ)能電壓低于ULVO 閾值，降壓轉(zhuǎn)換器停止工作，儲(chǔ)能電容繼續(xù)充能，直至儲(chǔ)能電壓超過UVLO 檢測(cè)器閾值。如此循環(huán)。

2.3 儲(chǔ)能電路

經(jīng)過電源管理電路調(diào)整后得到3.6V 電壓，但直接給振動(dòng)加速度傳感器節(jié)點(diǎn)無法保證其穩(wěn)定工作。因此，該系統(tǒng)還加入了二級(jí)儲(chǔ)能裝置，先通過儲(chǔ)能電路將換能器輸出電能存儲(chǔ)至薄膜電池中，再通過瞬放電路為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，確保其穩(wěn)定工作。系統(tǒng)采用CBC3105 儲(chǔ)能芯片，其自帶電能轉(zhuǎn)移電路，可將換能器輸出電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)至薄膜電池中，當(dāng)換能器核心模塊LTC3588 休眠時(shí)，CBC3105 儲(chǔ)可將Cout 的能量緩沖到薄膜電池中，具體儲(chǔ)能電路如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)能電路

2.4 傳感器電路

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)涉及振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度、振動(dòng)位移等物理量，由于加速度物理量的測(cè)量最簡(jiǎn)便，該系統(tǒng)選用振動(dòng)加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，傳感器型號(hào)ADXL312，功耗低，分辨率高，測(cè)量范圍達(dá)±16g，可通過SPI 或I2C 數(shù)字接口訪問，振動(dòng)加速度傳感器電路如圖4 所示。

圖4 振動(dòng)加速度傳感器電路

2.5 總電路

基于上文設(shè)計(jì)的振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)及關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)得出系統(tǒng)總體電路圖，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用LTC3588 實(shí)現(xiàn)換能器的交直流轉(zhuǎn)換，借助BUCK 電路進(jìn)行一級(jí)能量聚集、釋放，負(fù)載為CBC3105儲(chǔ)能電路，充電電流40μA，總體負(fù)載電流215μA。CBC3105 作為二級(jí)儲(chǔ)能裝置可轉(zhuǎn)儲(chǔ)換能器的輸出電能，當(dāng)儲(chǔ)能電壓達(dá)到閾值時(shí)，為振動(dòng)加速度傳感器供電，實(shí)現(xiàn)傳感器穩(wěn)定監(jiān)測(cè)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)，采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由IIC 總線傳輸至CC430F5137 單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行無線傳輸至中繼節(jié)點(diǎn)，最后傳輸至PC 端，以圖表形式顯示給用戶。

3 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖6 所示，首先，進(jìn)行協(xié)議棧初始化，開啟CC430 中斷，確認(rèn)振動(dòng)加速度傳感器是否開啟以及是否已采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，接著，開啟低功耗休眠模式。根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，一旦加速度傳感器成功上電并采集到振動(dòng)信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)喚醒CC430 單片機(jī)，如有喚醒數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)加速度傳感器并讀取數(shù)據(jù)，讀取完成后，傳感器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，判斷傳感器是否成功接入網(wǎng)絡(luò)，如成功則將振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集傳輸數(shù)據(jù)后，如果需要增加傳輸距離，則需增加中繼節(jié)點(diǎn)，其主要作用是傳輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的位置。

圖6 振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序

4 結(jié)語

綜上所述，本次設(shè)計(jì)的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大、功耗低的CC430單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，采用加速度傳感器采集船舶發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，利用壓電振動(dòng)換能器為加速度傳感器提供電能，保證其穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)并在PC 端顯示，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)可自動(dòng)報(bào)警。也可對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提供故障診斷依據(jù)。但本研究只設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)處理分析方面的研究有待完善。