三维机械差动压电式加速度传感器设计研究.pdf

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1、54传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第1O期三维机械差动压电式加速度传感器设计研究邵毅敏，鲜敏(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)摘要：针对目前轴承振动监测存在的问题，基于单惯性质量块，提出了一种应用于轴承振动监测和故障诊断的三维机械差动压电式加速度传感器。建立了该传感器的质量一弹簧一阻尼的动力学模型，获得传感器的性能指标和动态响应曲线。同时利用有限元方法对该模型的特性进行了仿真分析，仿真结果表明：三维机械差动压电式加速度传感器具有固有频率高、输出灵敏度高和测

2、量频率范围宽的特性，可用于轴承振动信号的获取。同时具有结构简单、尺寸小等优点。关键词：轴承振动监测；三维；压电；机械差动；加速度传感器中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)10-0054-03Designandresearch0n3Dmechanicaldiferential●■』●1J●DleZ0eleCtrlCacceleratlOnsensorSHA0Yi—min．XIANMin(StateKcyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity

3、，Chongqing400030，China)Abstract：Aimingatproblemsinbearingvibrationmonitoring，a3Dmechanicaldifferentialpiezoelectricaccelerationsensorisproposedtobeappliedinbearingvibrationmonitoringandfaultdiagnosisbasedonsingleinertialmass．Mass—spring—damperdynamicmodelofthesensorisbuihandper

4、formanceindexesanddynamicresponsecurvesareobtained．Meanwhile，themodelissimulatedwithFEM，thesimulationresultsshowthatthe3Dmechanicaldifferentialpiezoelectricaccelerationsensorisabletoacquirethebearingvibrationsignalwithhighnatural~equencyandhighoutputsensitivityandwidemeasuremen

5、t~equencyrange．Meanwhile，ithasadvantagesofsimplestructureandsmallsizes．Keywords：bearingvibrationmonitoring；3D；piezoelectric；mechanicaldifferential；accelerationsensor0引言出灵敏度低和测量频率范围低等缺点，普通三维压电式加轴承作为现代机械设备中的关键部件，广泛用于能源、速度计存在结构和工艺复杂、输出灵敏度低和环境条件要机械、航空航天、航海等领域，并发挥着至关重要的作求高等不足。用J。据统计

6、，旋转机械设备中的很多故障均与滚动轴基于上述问题，本文提出一种新型三维机械差动压电承有着密切的联系。其中，7O％的机械故障由振动故障引式加速度传感器，该加速度传感器不仅可以实现对轴承的起，而30％的振动故障由滚动轴承引起的。当轴承出现故三维振动信号的获取，而且存在结构简单、尺寸小、固有频障时，轻则系统功能降低，重则发生严重甚至灾难性的事率高、输出灵敏度高等优点。故。因此，对轴承振动状态进行监测有利于发现轴承早期1加速度传感器的结构故障、预防事故及降低经济损失。三维机械差动压电式加速度传感器结构由基座、外壳、轴承振动信号的获取大多是基于一维加速度传感器

7、或预紧板、压电元件、信号输出线、导电盘、惯性质量块、航空二维加速度传感器获取，但这并不能完全表达轴承各向的接头等组成，传感器结构如图1所示。其中，惯性质量块为振动状态，采用多个一维或二维加速度传感器获取轴承各带凸台的正方体，压电元件共6片，均为形状、大小一致的向的振动状态需要良好的安装条件且存在传递路径不一致薄型圆片，对称分布在惯性质量块的6面，能实现，l，，z的问题。而三维应变式加速度传感器存在安装要求高、输向加速度测量。收稿日期：2013-03-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(51035008)；国家“十二五”科技支撑计划资助项目(201

8、1BAF09B01)第l0期邵毅敏，等：三维机械差动压电式加速度传感器设计研究55当传感器受到3个方向(X，