论文总字数：31221字

摘 要

在水利工程运行过程中，闸门的振动是否会促激闸墩产生振动，从而导致闸墩的结构失去稳定或变形。是务必要考虑的安全问题。在每一个水利工程中，钢结构平面闸门都是必不可少的重要组成部分，闸门的振动影响着整个水利工程的

运作。因此，研究平面闸门的振动测试系统还是十分必要的。

在本次测试实验中，针对振动信号的分析主要是时域分析。即运用测振传感器，测量平面闸门振动的具体情况，并将测得的振动信号以位移、速度、加速度的单位形式进行表现，通过大量的实验数据累积,获得足够的样本函数，求得其

概率意义上的统计特征参数。然后进行数据分析。

本次试验选取了ADXL345三轴向加速度传感器，传感器芯片以LGA封装形式封装，传感器整体采用防水、密封、抗压结构，选用M6接头为传感器输出接头形式，最后结合INV306数字信号处理器构成了此次测试的测振系统。

关键词：平面闸门，振动传感器，振动测量，数字信号处理系统

ABSTRACT

During the operation of hydraulic engineering, whether the vibration of the gate will cause the vibration of the pier, which leads to the loss of stability or deformation of the structure of the pier. Be sure to consider the security issues. In each water conservancy project, the plane gate of the steel structure is an important part, the vibration of the gate affects the operation of the whole water conservancy project. Therefore, it is very necessary to study the vibration test system of plane gate.

In this test, the analysis of vibration signal is mainly based on time domain analysis. Using vibration sensor, the specific circumstances of the plane gate vibration measurement, and measurement of vibration signal in the form of displacement, velocity and acceleration of the unit performance, the accumulation of a large number of experimental data, get enough sample function, the probability statistical characteristic parameters are obtained. Then carries on the data analysis.

This experiment selects adxl345 three-axis acceleration sensor, sensor chip encapsulated by the LGA package form, the overall sensor made of waterproof, seal and compressive structure, selection of M6 connector for sensor output connector form. Finally, combined with inv306 digital signal processor constitutes the test of vibration system.

Keywords: plane gate, vibration sensor, vibration measurement, digital signal processing system

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2水工平面闸门振动的激励机理及测试意义 1

第2章 振动传感器的设计 2

2.1振动测试原理 3

2.1.1振动量 3

2.1.2 周期振动与简谐振动 4

2.1.3 振动参数 5

2.2 振动传感器 6

2.2.1 振动传感器原理简介和性能指标 6

2.2.2 三轴加速度传感器的结构设计 10

2.2.3 三轴加速度传感器芯片的选用 17

2.3本章小结 18

第3章 振动测试系统的设计 19

3.1大容量数据自动采集和信号处理系统 19

3.2 测试系统和内容 21

3.2.1测试系统 21

3.2.2测试内容 23

3.3本章小结 23

第4章 测试数据与图形 24

4.1 1#闸门各运行工况振动监测分析 24

4.1.1 测点信息 24

4.1.2 振动趋势分析 24

4.2 倒管过程振动监测分析 28

4.2.1 测点信息 28

4.2.2 振动趋势分析 28

4.3 2#闸门大流量时振动监测分析 31

4.3.1 测点信息 31

4.3.2振动分析 32

4.4本章小结 35

第5章 分析与讨论 36

5.1 闸门结构动态特性分析与讨论 36

5.2 闸门振动监测数据分析与讨论 36

附 录 40

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》2月1日正式公布，文件提出：水利工程的建设与农业的发展息息相关，我国是农业大国，因此水利工程的发展成为了当下国家的一个重要战略目标，我国将加大资金投入，努力做好水利工程的开发，为社会主义建设铺下坚实的基础。

在水利工程运行过程中，平面闸门的作用是控制水流量、调节水位，排放杂物等.因此，在水利工程中，闸门的振动是否会促激闸墩产生振动，从而导致闸墩的结构失去稳定或变形。是务必要考虑的安全问题。另外，闸门的长期振动也会导致紧固螺栓松动，从而引发安全隐患，而且，在闸门使用过程中，由于闸门振动的缘故，经常有漏水、失事等问题发生。该课题对预防由闸门振动引发的事故起到极大的作用。

1.2水工平面闸门振动的激励机理及测试意义

在每一个水利工程中，钢结构平面闸门都是必不可少的重要组成部分，闸门的振动影响着整个水利工程的运作。因此，研究平面闸门的振动测试系统还是十分必要的。

闸门振动是水利工程中很常见的问题，水流、以及闸门自身的结构都会引发闸门的振动。闸门一旦振动，就会诱发闸墩产生振动，从而导致闸墩结构不稳定甚至是变形，最终会引发很严重的安全事故，从而严重影响到水利工程的正常运行，另外，闸门的长期振动也会导致紧固螺栓松动，从而引发安全隐患。为了预防这些安全问题，长期以来国内外已经有很多专家学者对此进行了探索和研究：

（1）谢智雄和周建方通过ANSYS 软件对闸门在各种工作情况下的受力进行了分析计算，结合大量的实验数据发现了附加水体对闸门自振的影响。这是让我国在弧形闸门振动研究领域的一大突破，不仅为以后的弧形闸门研究做了铺垫，而且为完善闸门结构的设计提供了依据，有效的减少了因为闸门设计的问题而影响到闸门自振与受振诱发事故的情况。

（2）古华和严根华根据流固耦合效应对闸门自振特性的影响，在实际的水利工程中，通过ANSYS 软件对该水利工程中平面闸门的自振进行的分析计算，发现流水对闸门的自振现象有着很大的影响，而且通过大量的试验数据推算，他们还得出了相应的规律，对预防闸门自振以及闸门的设计有着深远的影响。

（3）国外的Thang等针对闸门竖向的振动，通过大量的实验研究，分析讨论了水流对它的作用影响，发现闸门在振动时并非大范围的发生振动，一般情况下，闸门基本只在很小的范围内发生振动。另外闸门的大小，水流的大小以及水利工程的动力特性是影响闸门振动的罪魁祸首。在设计闸门时，可以从这三方面考虑，结合实际情况，针对设计闸门，预防闸门振动带来的不良影响。

（4）潘锦江针对对闸门振源的分类研究，分别给予了相应的治理措施，并提出，在设计闸门时，设计单位要根据水利工程的具体情况，考虑闸门以及闸墩各方面的振动情况,以安全为第一，设计好闸门。并且要在施工时，做出相应的技术指导，防范于未然。只有这样才能使安全系数最大化。

平面闸门在每一个水利工程中，都是不可或缺的重要组成部分，它的安全在很大程度上影响着整个水工建筑的运作，稍有偏差，就会造成不可估量的后果，因此，研究水工平面闸门的振动测试系统是十分必要的。

第2章 振动传感器的设计

2.1振动测试原理

机械振动是一种机械运动，一般理解为：物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的“往复运动”。

在许多场合，振动都被认为是不好的。比如，振动会加速精密仪器的磨损，极大的缩短精密仪器的使用寿命，造成很大的经济损失，振动还会影响一些仪器的功能，类似一些加工仪器，一旦产生了振动，则会很大程度的影响到加工零件的加工精度，振动还可能引起大程度的变形，很多桥梁危房都因为振动而坍塌毁坏，交通工具的振动也会引发一系列的安全事故，尤其一些强烈的振动而引发的噪音已经成了日常生活中的一大公害。当然，除了消极面，振动也给人类的生活带了很大的便利，振动的合理运用可以极大程度的提高生产率。因此，为兴利除弊，必须对振动进行测试和研究。

2.1.1振动量

在本次课题中，振动量即振动的物理量有三个，即位移、速度和加速度。它们都是有关时间的函数，速度是位移对时间的一阶导数,加速度是位移对时间的二阶导数。在本次测试实验中，针对振动信号的分析主要是时域分析。即运用测振传感器，测量平面闸门振动的具体情况，并将测得的振动信号以位移、速度、加速度的单位形式进行表现，通过大量的实验数据累积，获得足够的样本函数，求得其概率意义上的统计特征参数，即统计规律。

下面就振动的三个物理量位移、速度、加速度，针对本次测试试验中的平面闸门，我们进行讨论和研究。

（1）振动位移

振动位移是指物体振动时相对于某一参考坐标位置的变化，而在此次测试实验中，我们选取质点的平衡位置为参考点，与参考点的偏移距离即是位移的大小。函数如下：

（2.1）

（2）振动速度

物体振动时振动位移随时间的变化率即为振动速度，速度是位移对时间的一阶导数：

（2.2）

（3）振动加速度

物体振动速度随时间的变化率即为振动加速度，加速度是位移对时间的二阶导数，即速度对时间的一阶导数：

（2.3）

由此可见，振动的三个物理量是息息相关的，它们之间是积分与微分的关系，只要知道其中一个，就可以求他其他两个物理量。

2.1.2 周期振动与简谐振动

按一定时间间隔做重复变化的振动，称为周期振动。在周期振动中，振幅由最大值到最小值，再由最小值到最大值变化一次所需要的时间称为振动周期。

简谐振动是最简单又最重要的一种周期振动。它是指机械系统的某个物理量按时间的正弦或余弦函数规律变化的振动。其数学表达式为：

(2.4)

或 （2.5）

式中 为振幅，表示振动体离开平衡位置的最大位移；

为周期，为振动体完成一次振动所占的间隔时间；

为初相位，即时的相位，表示振动体的初始位置。

式（2.4）和式（2.5）中，令，称为角频率或圆频率，则式（2.4）可写成：

（2.6）

式中，相位角是决定振动物体在时刻运动状态的重要参数。

对简谐振动的位移表达式（2.6）求一阶导数和二阶导数，可得简谐振动的速度和加速度表达式为：

（2.7）

（2.8）

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