本發(fā)明屬于缸套表面形變測量，特別是涉及一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法。

背景技術(shù)：

1、在發(fā)動機領(lǐng)域，缸套變形的研究至關(guān)重要。缸套變形通常借助有限元分析方法進行預(yù)測，然而，由于其是多物理場耦合作用的結(jié)果，眾多影響因素以及建模簡化、分析假設(shè)的差異會影響計算結(jié)果的準確性。所以，對缸套變形的測試與分析不可或缺，其能為計算提供精準邊界條件并修正有限元分析模型。

2、一直以來，缸套變形測試困難重重，特別是動態(tài)工作變形的測試。通常，缸套變形數(shù)據(jù)多在機體組件裝配和工作后的靜態(tài)下實測獲取，國內(nèi)外發(fā)動機廠家常采用三維測量儀進行靜態(tài)變形測試，雖能了解加工制造公差、評估螺栓預(yù)緊力等的影響，以及不同材料和工作溫度帶來的熱變形情況，但此方法在發(fā)動機靜態(tài)下進行，忽略了燃燒導(dǎo)致的組件溫度差異和燃氣壓力產(chǎn)生的機械載荷。

3、不僅如此，精密測量儀器價格高昂且僅能測量靜態(tài)數(shù)據(jù)，對于工作狀態(tài)下的發(fā)動機，缸套動態(tài)變形研究主要依靠電渦流傳感器、應(yīng)變片傳感器等，然而這些傳統(tǒng)方法存在諸多局限。

4、在此背景下，基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。其具有高靈敏度，能夠測到更微小的應(yīng)變，相較于傳統(tǒng)的應(yīng)變片等方法，在測量精度和對微小形變的捕捉能力上表現(xiàn)更為出色。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出了一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明提出一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法，所述方法具體為：

3、在缸套外部安裝若干個低頻高靈敏的光纖光柵加速度傳感器，通過測量缸套表面振動加速度的形式，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進行濾波、放大和降噪處理，用頻譜分析確定振動頻率成分和幅值，通過積分運算將加速度轉(zhuǎn)化為速度再到位移來得到缸套表面形變情況。

4、進一步地，將光纖光柵加速度傳感器準確穩(wěn)固地安裝在氣缸套表面，在柴油機運行時，氣缸套表面由于活塞運動和燃燒過程產(chǎn)生振動，并將振動傳遞給光纖光柵加速度傳感器，光纖光柵加速度傳感器的質(zhì)量塊和懸臂梁進行振動，帶動上下光纖光柵產(chǎn)生伸縮形變，進而引起光纖光柵的反射波長發(fā)生漂移。

5、進一步地，通過光纖解調(diào)儀解調(diào)中心波長的變化情況獲取中心波長變化量即波長漂移量和加速度之間的關(guān)系，光纖光柵加速度傳感器檢測振動并通過光纖解調(diào)儀將加速度信號轉(zhuǎn)換為光信號波長變化，從而將波長變化傳輸?shù)接嬎銠C進行處理。

6、進一步地，將計算機處理后得到的電信號進行濾波、放大和降噪處理，用頻譜分析確定振動頻率成分和幅值，通過積分運算將加速度信號轉(zhuǎn)化為速度再到位移信號，根據(jù)位移信號結(jié)合氣缸套幾何形狀和力學特性計算缸套表面形變大小。

7、進一步地，針對不同缸套測量需求設(shè)計不同靈敏度的光纖光柵加速度傳感器，具體為：

8、將缸套上任意位置處由于應(yīng)變而產(chǎn)生的位移情況視作具有特定規(guī)律的正弦函數(shù)來進行理解和分析，正弦函數(shù)的表達式為：

9、x＝asin(2πft)

10、對正弦函數(shù)進行兩次求導(dǎo)操作，從而得到其加速度a為：

11、a＝a(2πf)2sin(2πft)

12、其中，a為振幅等于半徑變化量δr，缸套的周長變化量為δl時，半徑變化量為δr，并且頻率周期n為曲軸轉(zhuǎn)速；

13、之后通過使用光纖解調(diào)儀的分辨率p，代入靈敏度計算公式即可得到所需要的傳感器靈敏度k。

14、進一步地，靈敏度計算公式為：

15、

16、進一步地，柴油機氣缸套表面按照6列4排傳感器進行排列。

17、進一步地，每一列傳感器與光纖解調(diào)儀相連測量波長漂移量信號，光纖解調(diào)儀與計算機相連，計算機上波長漂移量進行處理，根據(jù)標準加速度計標定得到的加速度與振動頻率的關(guān)系，進而得到所測加速度數(shù)據(jù)，所測的加速度數(shù)據(jù)利用計算機積分得到位移量數(shù)據(jù)，也就是缸套表面變形數(shù)據(jù)。

18、本發(fā)明還提出一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)所述一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法的步驟。

19、本發(fā)明還提出一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)所述一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法的步驟。

20、與現(xiàn)有的傳統(tǒng)應(yīng)變片技術(shù)相比，本發(fā)明所述光纖光柵加速度傳感器測量法的優(yōu)點在于：

21、1.抗干擾性強：光纖傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_，能解決傳統(tǒng)應(yīng)變片易受電磁干擾而產(chǎn)生測量誤差的問題，確保測量結(jié)果的準確性。

22、2.高靈敏度：特別是低頻高靈敏的特性，能夠更精準地檢測微小振動加速度變化，這彌補了傳統(tǒng)應(yīng)變片在捕捉細微表面形變特征方面的不足。

23、3.良好的耐久性：光纖材料耐腐蝕、耐磨，可在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，而傳統(tǒng)應(yīng)變片可能因環(huán)境因素影響性能，導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定。

24、4.分布式測量能力：能同時獲取多個位置的振動信息，全面掌握缸套表面形變狀況，傳統(tǒng)應(yīng)變片通常只能單點測量，無法提供整體的形變情況。

25、5.遠距離傳輸優(yōu)勢：光信號遠距離傳輸衰減小，方便數(shù)據(jù)采集與處理，傳統(tǒng)應(yīng)變片的電信號長距離傳輸易有損耗和干擾，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

26、6.安裝便捷：在缸套外部安裝相對簡單，無需復(fù)雜的粘貼工藝和高精度的表面處理，解決了傳統(tǒng)應(yīng)變片安裝繁瑣、校準困難的問題。

27、7.出色的溫度補償：對溫度變化不敏感或能有效補償，減少溫度對測量結(jié)果的影響，傳統(tǒng)應(yīng)變片在溫度變化大的環(huán)境中測量結(jié)果偏差較大的問題得以改善。

技術(shù)特征：

1.一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法，其特征在于，所述方法具體為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將光纖光柵加速度傳感器準確穩(wěn)固地安裝在氣缸套表面，在柴油機運行時，氣缸套表面由于活塞運動和燃燒過程產(chǎn)生振動，并將振動傳遞給光纖光柵加速度傳感器，光纖光柵加速度傳感器的質(zhì)量塊和懸臂梁進行振動，帶動上下光纖光柵產(chǎn)生伸縮形變，進而引起光纖光柵的反射波長發(fā)生漂移。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過光纖解調(diào)儀解調(diào)中心波長的變化情況獲取中心波長變化量即波長漂移量和加速度之間的關(guān)系，光纖光柵加速度傳感器檢測振動并通過光纖解調(diào)儀將加速度信號轉(zhuǎn)換為光信號波長變化，從而將波長變化傳輸?shù)接嬎銠C進行處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，將計算機處理后得到的電信號進行濾波、放大和降噪處理，用頻譜分析確定振動頻率成分和幅值，通過積分運算將加速度信號轉(zhuǎn)化為速度再到位移信號，根據(jù)位移信號結(jié)合氣缸套幾何形狀和力學特性計算缸套表面形變大小。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，針對不同缸套測量需求設(shè)計不同靈敏度的光纖光柵加速度傳感器，具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，靈敏度計算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，柴油機氣缸套表面按照6列4排傳感器進行排列。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每一列傳感器與光纖解調(diào)儀相連測量波長漂移量信號，光纖解調(diào)儀與計算機相連，計算機上波長漂移量進行處理，根據(jù)標準加速度計標定得到的加速度與振動頻率的關(guān)系，進而得到所測加速度數(shù)據(jù)，所測的加速度數(shù)據(jù)利用計算機積分得到位移量數(shù)據(jù)，也就是缸套表面變形數(shù)據(jù)。

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項所述方法的步驟。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，用于存儲計算機指令，其特征在于，所述計算機指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種基于光纖光柵加速度傳感器的船舶柴油機氣缸套表面形變測量方法。所述方法通過在缸套外部安裝低頻高靈敏的光纖光柵加速度傳感器，通過測量缸套表面振動加速度的形式，缸套表面振動，引起傳感器的光纖光柵變形使得波長發(fā)生漂移，將得到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進行濾波、放大、降噪等處理，用頻譜分析確定振動頻率成分和幅值，通過積分運算將加速度轉(zhuǎn)化為速度再到位移來得到表面形變情況。這是一種全新的方法，對比傳統(tǒng)的用應(yīng)變片測量形變的方式其抗干擾能力強、靈敏度高、耐久性好、可實現(xiàn)分布式測量、具有溫度補充優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：柴全,杜宇,辛森,劉镕瑄,段超,張建中
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2