三轴加速度计在水下结构振动测试中的应用

1 引言

输水管道的流量控制一般通过调节闸门开度大小实现。某水利枢纽工程的输水管道由两个管线组成，每个管线均设计由出口控制闸门，闸门尺寸达到3 m×3 m，孔口尺寸为2.5 m×2.5 m，设计水头为65 m，其中35 m为挡水头，30 m为水击压力产生的水头。根据枢纽布置及闸门运行要求，为避免管道产生过大的水击压力，设计下游水位较高，闸门始终处于淹没状态下工作，大大增加了诱发闸门结构振动的可能性。为了适时调节闸门开度，确保下泄流量，工作闸门需长时间局部开启运行。出口闸门的水力特性和诱发振动是极其复杂的流固耦合问题。因此，通过振动在线监测分析，对确保闸门及闸墩的安全运行具有重要作用，是确保引水工程安全运行的关键技术问题之一。

为了有效地监测水下闸门振动，本文在分析ADXL330三轴加速度计结构、工作原理和标定方法的基础上，根据水下结构振动测试的特点和要求，设计了基于ADXL330的水下结构振动监测加速度传感器，并应用于输水管道闸门振动的监测系统中。

2 ADXL330加速度计

加速为计是将运动加速度或重力转换为电信号的传感器，主要用于振动参数的测量，在工业测量与控制中有着广泛应用。加速度计按测量轴数目分为单轴、双轴、三轴。传统的加速度计是由压电材料制成的。

ADXL330是美国ADI公司采用MEMS技术生产的新型三轴加速度计芯片。这种传感器采用表面微处理加工技术制造，传感单元如图1所示。随横梁上的中心薄片与两个固定外部薄片形成差动电容器(CS1和CS2)。无加速度时两电容器电容相等。当施加了加速度时，中心薄片移近某一固定薄片远离另一固定薄片，引起电容变化。通过测量电路将电容量的变化转换为电压输出，就能够测得相应的加速度值。

ADXL330在16引脚芯片级封装(4 mm×4mm×1.45 mm)内集成了一个三轴传感单元及其信号调理电路，如图2所示。ADXL330具有最大±3.6g测量范围，能够测量静态重力加速度，以及由运动、冲击或振动产生的动态加速度，具有10000g额定耐冲击强度。

ADXL330采用单电源供电，电压范围为2.0～3.6 V。ADXL330的带宽范围为0.5 Hz～1.6kHz，由内置电阻RFILT=32 kΩ和外接电容Cx确定，抗混与降噪滤波器的-3 dB带宽为

3 水下振动测试传感器设计

由于输水管线闸门工作年度周期性特点，对水下闸门振动测试传感器除了常规精度和稳定性等要求外，还提出一些特殊要求，包括：传感器及其连接电缆必须满足防水要求，耐压深度30 m，在结构设计与安装上具有抗腐蚀和水流冲击能力，枯水期最低贮存温度-40℃等。

根据上述要求，考虑到尽量减少安装工作和连接电缆，本文采用ADXL330设计制作了适合水下振动测试的三轴加速度传感器。

3.1 电路原理图

由于ADXL330的灵敏度与供电电源的电压成比例，为消除电源以及连接电线的影响，使各个传感器具有互换性，本文采用稳压芯片为传感器供电，如图3所示，并将稳压芯片与传感器芯片制作在同一线路板上，确保电源稳定、一致、可靠。外部电源VCC经稳压芯片LT1762-3.3得到VDC=3.3 V作为传感器电源，因此传感器灵敏度Sa=330 mv／g。外部电源可采用现场极易获得的VDC=5 V。滤波电容采用0.001 μF，根据式(1)传感器的-3 dB带宽为500 Hz。

3.2 传感器标定

传感器的标定可以采用重力标定方法，分别沿所要标定的灵敏度轴将加速度计旋转180°以上，并记录传感器输出的最小值amin和最大值amax，则灵敏度Sa=(amax-amin)／2。

3.3 环境试验

为了考核传感器能否适应所处工作环境和储存环境，对所封装后的传感器进行各项环境试验，包括防水试验、低温工作和低温储存试验等。

防水试验时，将传感器置于2 MPa压力的水中24 h后，检查密封情况良好，然后测试其工作情况正常。

低温工作时，将传感器置于低温箱中，使温度下降到-20℃并保持1 h，观测传感器的工作情况一直正常。低温储存试验时，将低温箱温度降到-40℃并保持1 h后取出，在常温存放0.5 h后进行测量，传感器工作情况正常。试验结果如表1所示。由表1看出，传感器灵敏度误差较小，可满足使用要求。

4 闸门振动测试与分析

为了准确全面地捕捉各种运行工况下闸门及闸墩等重要结构部件在各个方向上的振动状况，同时考虑到闸门及闸墩长期工作在水下以及安装维护等方面的具体情况，应用本文专门设计制作的耐高低温变化和耐压防水的三轴向振动加速度传感器。测试系统如图4所示。为了确保测试系统安全可靠，在测试系统配置上采用传感器冗余配置，即在每个闸门上均设置了两个三轴加速度传感器。同时为减少水流对传感器的冲刷，将测量闸门振动的传感器安装在闸门的背水面。图5为所测闸门振动信号。在整个输水期内，振动测试系统一直处于正常工作状态，为输水系统安全可靠运行起到了保驾护航作用。

5 结 论

MEMS加速度计具有高集成度、低价格、高可靠性等优点。本文采用ADXL330三轴加速度计芯片，根据水下结构振动测试的特点和要求，设计了适合水下结构振动测试的加速度传感器以及振动测试系统，并成功应用于某输水管线闸门振动监测系统中。现场应用表明，应用该传感器芯片构成的三轴加速度传感器能够满足水下结构振动监测需要，具有低成本、高精度、易安装和安全可靠等特点。