1 引言

輸水管道的流量控制一般通過調(diào)節(jié)閘門開度大小實現(xiàn)。某水利樞紐工程的輸水管道由兩個管線組成，每個管線均設(shè)計由出口控制閘門，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)樞紐布置及閘門運行要求，為避免管道產(chǎn)生過大的水擊壓力，設(shè)計下游水位較高，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)振動的可能性。為了適時調(diào)節(jié)閘門開度，確保下泄流量，工作閘門需長時間局部開啟運行。出口閘門的水力特性和誘發(fā)振動是極其復(fù)雜的流固耦合問題。因此，通過振動在線監(jiān)測分析，對確保閘門及閘墩的安全運行具有重要作用，是確保引水工程安全運行的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

為了有效地監(jiān)測水下閘門振動，本文在分析ADXL330三軸加速度計結(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)振動測試的特點和要求，設(shè)計了基于ADXL330的水下結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測加速度傳感器，并應(yīng)用于輸水管道閘門振動的監(jiān)測系統(tǒng)中。

2 ADXL330加速度計

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

ADXL330是美國ADI公司采用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的新型三軸加速度計芯片。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固定外部薄片形成差動電容器(CS1和CS2)。無加速度時兩電容器電容相等。當(dāng)施加了加速度時，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。通過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出，就能夠測得相應(yīng)的加速度值。

ADXL330在16引腳芯片級封裝(4 mm×4mm×1.45 mm)內(nèi)集成了一個三軸傳感單元及其信號調(diào)理電路，如圖2所示。ADXL330具有最大±3.6g測量范圍，能夠測量靜態(tài)重力加速度，以及由運動、沖擊或振動產(chǎn)生的動態(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 水下振動測試傳感器設(shè)計

由于輸水管線閘門工作年度周期性特點，對水下閘門振動測試傳感器除了常規(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)計制作了適合水下振動測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

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

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

低溫工作時，將傳感器置于低溫箱中，使溫度下降到-20℃并保持1 h，觀測傳感器的工作情況一直正常。低溫儲存試驗時，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)行測量，傳感器工作情況正常。試驗結(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 閘門振動測試與分析

為了準(zhǔn)確全面地捕捉各種運行工況下閘門及閘墩等重要結(jié)構(gòu)部件在各個方向上的振動狀況，同時考慮到閘門及閘墩長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)計制作的耐高低溫變化和耐壓防水的三軸向振動加速度傳感器。測試系統(tǒng)如圖4所示。為了確保測試系統(tǒng)安全可靠，在測試系統(tǒng)配置上采用傳感器冗余配置，即在每個閘門上均設(shè)置了兩個三軸加速度傳感器。同時為減少水流對傳感器的沖刷，將測量閘門振動的傳感器安裝在閘門的背水面。圖5為所測閘門振動信號。在整個輸水期內(nèi)，振動測試系統(tǒng)一直處于正常工作狀態(tài)，為輸水系統(tǒng)安全可靠運行起到了保駕護(hù)航作用。

5 結(jié) 論

MEMS加速度計具有高集成度、低價格、高可靠性等優(yōu)點。本文采用ADXL330三軸加速度計芯片，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)振動測試的特點和要求，設(shè)計了適合水下結(jié)構(gòu)振動測試的加速度傳感器以及振動測試系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某輸水管線閘門振動監(jiān)測系統(tǒng)中?，F(xiàn)場應(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)振動監(jiān)測需要，具有低成本、高精度、易安裝和安全可靠等特點。 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理