论文总字数：27516字

摘 要

建设水利工程的根本目的就是为了更好的控制和调配水资源，方便人们的生产生活。模态测试系统在水利工程建设中得到广泛应用，这其中就有很多原因包括用料比较少，造价成本低低，施工比较安全方便，而且并不影响河道洪水。闸门模态试验在水利工程建设中更是不能够或缺的。

这次论文主要研究在试水期间出现强烈振动现象的闸门问题，并通过使用压电式加速度传感器和脉冲锤击法来建立模态测试系统，既而凭借模态试验来分析获取结构模态振型以及模态参数。其中，我们通过研究各种加速度传感器的优点性能以及使用的范围，通过选取加速度传感器芯片的方式，来自己设计一个加速度传感器。

结果表明：在很大的范围内闸门存在固有频率的分布，从而引起流激振动，也就是它的内在原因所在。特别是垂向最低固有频率不仅低于顺流向频率，而且还低于横向频率，这就表明垂向模态刚度很显然要低于另外两个水平方向，所以我们将关键点放在了闸门在特殊水力条件下的垂向振动试验。

关键词：平面闸门 振动传感器 加速度传感器 压电加速度计 数据采集

Design of the Piezoelectric Accelerometer and the Gate Modal

Test System

Abstract

Water conservancy project construction is to control and allocate the nature of surface water and groundwater in order to people ' s production and life . But pour siphon project has advantages like the makings less , safe construction , low cost , convenient , do not affect river flood catharsis , so in of hydraulic engineering construction widely applied . Which plane gate is the indispensable components about water conservancy construction , and therefore entity modeling and finite element analysis so as to improve the structure design and performance is very important.

This paper deals with one plane gate with violent vibration in the outlet of inverted siphon. Through experimental model analysis the structural mode shape and parameters were obtained by using the hammer excitation method. The results show that the nature frequency of gate is in a wide range and flow-induced vibration occurs easily. Further testing and studying for gate should focus on vertical vibration under the flow condition in inverted siphon because of its lower vertical nature frequency.

Key Words: Plane gate; piezoelectric accelerometer; data acquisition; Modal sensor;Vibration sensor；Three-axis acceleromete; Accelerometer sennor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 概述 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外现状 1

1.3 要解决的问题 2

1.3.1倒虹吸工程 2

1.3.2 水工平面闸门振动的激励机理 2

1.3.3 模态分析 3

1.4 本章小结 4

第 2 章 压电加速度计芯片选用与结构设计 5

2.1加速度传感器简介 5

2.1.1 加速度传感器种类 5

2.1.2加速度传感器应用 5

2.1.3加速度传感器工作原理 6

2.2 单轴压电加速度计芯片的选用 7

2.2.1压电加速度传感器简介 7

2.2.2内装集成芯片的压电加速度传感器及其优点 8

2.2.3 ICP压电加速度传感器 8

2.2.4 ADXL105压电加速度传感器 9

2.3 压电式加速度计的结构设计 10

第 3 章 压电加速度计的性能分析 18

3.1压电加速度计的性能指标 18

3.1.1技术指标 18

3.1.2传感器主要工作特性 18

3.1.3本加速度传感器具体性能指标 19

第 4 章 测试系统设计 21

4.1 模态分析 21

4.1.1 模态分析原理 22

4.1.2 模态参数识别原理 24

4.2 模态测试系统和试验方法 25

4.2.1 模态测试系统 25

4.2.2 试验方法 26

4.3 本章小结 27

第 5 章 模态测试与分析 28

5.1 模态试验测点布置 28

5.2 闸门模态测试结果数据 29

5.2.1 闸门来水方向 29

5.2.2 闸门垂直方向 29

5.2.3 闸门侧向方向 30

5.3模态测试结构分析 39

第 6 章总结与展望 41

6.1 总结 41

6.2展望 41

参考文献 42

致谢 44

第 1 章 概述

1.1 课题背景及意义

世界各国都很注重开发利用水能资源，将它放在优先开发地位，从而可以看出水能资源的重要性。水能开发利用的历史也相当悠久，我国历史上就出现过利用水能的发明“水磨”、“水碾”。现代所采用的水力发电是人们对水能利用的最直接最高级的阶段，能源的重要部分其中就包括水电，世界上五分之一左右的电力供应都是水电来提供，与化石能源等供电相比较而言，其优点彰显无疑，无论在气体释放还是资源循环使用方面，其都完全与国家可持续发展要求契合，水资源的开发利用应该放在能源开发的首要位置，这与全世界人民的利益息息相关，同时这也是人类保护生态、实现可持续发展的必然选择。

1.2 国内外现状

经过多年的发展，我国的水电建设取得了很大成就，今年水电装机容量突破l亿千瓦，占全部电力总装机容量的四分之一，提供了全国约五分之一的电力需求。3亿无电人口的用电问题因为小水电的建设用上了电，他们的夜晚也不会再在黑暗中度过，并且能更有效的解决农村偏远地区的用电问题；目前在全国，政府己建成 800个左右小水电电气化县，让一些生态环境不好濒临环境失衡的山区和荒漠区域以电代柴，减少了植被砍伐，环境问题被很好的治理，大大促进了农村地区经济和社会的发展进步；大型水电的建设，不仅提高了河流的防洪能力，而且保护了河流两岸人民免遭洪水灾害，当地政府也相当支持，因为这不仅仅会大力改善工业生产方式、农业灌溉条件、城市生活用水质量包括航运发展条件。国外的水电发展也不甘落后，美国在世界水电装机容量第一，在日本水资源利用率到了78%；当然中国也不甘示弱，二滩、葛洲坝、新安江、小浪底、三峡等水电站的相继建设使用，为当地经济发展注入新的活力，有力促进了地区特色旅游和当地人民就业，体现了经济和社会效益的有力结合。而随着石油能源逐渐枯竭，各国对水能的开发利用加大投入，水电各个方面的技术也越来越成熟，倒虹吸平面闸门也在水电开发过程中起到了重要作用。

1.3 要解决的问题

1.3.1倒虹吸工程

在发展我国农田水利建造的实践中，修缮和重新规划了大量的闸门以及倒虹吸管，这是源于倒吸虹工程施工方便，节约相应的成本等优势，对建设高产稳产农田，旱涝保收，供应城市工生活用水都起到重要的作用。在流量确定的条件下，进行倒虹吸管的水面线连接计算和管径选择，如果管径加大则管内流量和水头损失变小，而下游水位上升，有利于提高流量灌溉面积。但当管径增大后，管道的用量和辅助工程量将增加。因此，管径选择，径的选择应根据自然条件和水质要求，从经济合理性和技术的可靠性进行比较分析。倒虹吸管的管径和水头损失与管流量直接有联系 ，遵循计算标准并通过工程类比法，起初要先知道管道内水流的速度，之后在最小输水流量条件下的流速匹配管内不淤的状态，之后凭借一般情况下水电站压力钢管的直径来明确。倒虹吸管管径直接关系到水头损失以及管道内水流的速度。管道材料成本、水头磨损以及钢管加工与运输条件等都是重要的影响因素对于确定管径来说。管径确定之后，根据数据，参考与之相联系不淤水流速度的计算手段，计算获取管道内不淤水流速度来相对比参照，并考证管径。管道水头损失是局部水头损失和沿程的总和，总局部水头损失包括进口至出口所有局部水头损失。在进出口设置截止阀这可以方便从管道维护检修、进出疏浚清淤和临时暂停供水和水位调节。为节省材料成本和工程投资成本，根据不想同段内部水流的压力，从上到下可以将钢管的管线分为不同的压力等级，从而计算出有差异的截面的管壁厚度。水压和分级的设计计算应考虑了加工的安全性、管体均匀性等各种原因。为提高工程作业的安全性，压力级别差不宜太大。

1.3.2 水工平面闸门振动的激励机理

闸门振动会用到水流条件，闸门结构，以及相互作用这几个方面的内容，属流体诱发振动。很长一段时间，己经有不少学者提出：泄水结构振动的振源根据其性质分可以有：周期、随机和冲击型三种类形，而周期性波动与尾流可能会影响排水结构导致相对大的周期振动。在对平面闸门进行垂直方向振动系统测试后，发现闸门底缘自由剪切层破坏导致产生了旋涡，而这恰恰影响了在闸门底缘的流体力，进而导致周期性振动。闸门在垂直方向振动流体惯性模式就是在闸门振动的情况下，闸孔实际经过水流的面积的变化造成了流水量的脉动，不过流量的脉动和其惯性效应在孔口片面出现压力差的改变，这种改变促使并加重了闸门振动。之后我们发现自激振动与闸门的开度比相关联，并且觉察到45°或60°顷角平面闸门底缘对防止自激闸门振动有好处。流体力、闸门尺寸、系统的动力等都与振动相关联。通过试验我们可以知道，闸门只有在一个小范围内发生强烈振动的时候，其它范围内的振动幅度会不大。

1.3.3 模态分析

模态分析是研究和分析结构动力的一种有力手段，并且在工程振动方面作为辨识法使用。一般情况下，模态分析是表示一种模态分析方法。特定的振动模式和阻尼比以及固有频率都是每个模态应该包含的，在机械工程上，机械结构固有振动特性就是我们所说的模态。通凭借测试分析可以得到模态参数，而这种测试分析过程被称作为模态分析。如果通过有限元计算手段获取的这个分析过程，然后这个过程被称作为计算模态分析；如果它的模态参数是凭借测试的方式把输入和输出信号的系统模态参数识别后得到的这种分析被称作为试验模态分析。弹性结构的一个全体和固有特性就是所说的振动模态。在容易遭受改变的频率的界限内，我们利用模态分析手段来了解各阶主要的模态特性，这就可能会得到结构在此频段内各样的振源影响的情况下的实际振动响应。因此，模态分析在设计与诊断方面越来越重要。当前我们在解决工程振动方面问题的时候，理论和试验模态分析这两种分析方法是用的最多的。

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