（轮机工程专业论文）船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究.pdf

t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np o w e ri n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti ns h i ph y d r a u l i cs y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i ud o n g ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nh a i q u a n j u n e2 0 1l 。0j 、一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 丛照这压丕统功奎萱能丛麦鲍理论皇塞坠鲤塞：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：弓f ，j 暂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密函( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：岔j7 导师签名： j ， 日期：2 0 ，厂年月2 8 日 ，rj ，一 中文摘要 摘要 液压技术凭借其工作平稳，操控简单，功率重量比大，能够实现无级调速且 调速范围宽等一系列优点被广泛的应用于船舶运输业。然而，当液压技术发挥重 要作用的同时，液压系统也存在一些难以克服的困难和问题，其中最突出的就是 针对液压系统的故障诊断。 本文通过对现有船舶液压系统故障诊断方法的学习和积累，提出一种基于功 率流理论，将参数测量法和智能仪表技术相结合的功率智能仪表，并对其进行相 应的理论分析和实验研究。所做的工作主要有： 1 应用现代流体力学的相关理论知识，结合m e m s 微传感器的原理分析，建 立了流量一压差数学模型，并通过理论分析对流量传感器进行优化设计。同时， 通过对船舶液压系统压力测量技术的学习和积累，选取一种带不锈钢隔膜的压力 传感器作为压力检测元件，并对其进行理论分析。 2 根据功率智能仪表的需求分析，完成了对智能仪表硬件电路相关元件的选 型工作，并对其进行原理分析。同时，结合硬件电路对智能仪表进行软件设计， 并在设计过程中进行相应的调试工作。 3 结合对功率智能仪表的理论分析，加工并制作出样机，并通过实验检验功 率智能仪表的测量效果，通过分析实验结果，实现对功率智能仪表的优化设计。 针对功率智能仪表的开发还有很长的一段路要走，本文通过对功率智能仪 表的理论与实验分析，对将功率流理论应用于实际的船舶液压系统故障诊断提供 了很好的平台，为今后继续在这一领域进行更为深入的研究和开发奠定了良好的 基础。 关键词：液压系统；功率流；m e m s ；智能仪表 ，、j， ；_； 英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i ct e c h n o l o g ya r ew i d e l yu s e d i ns h i p t r a n s p o r tw i t has e r i e so f a d v a n t a g e s ，s u c ha si t ss t e a d yw o r k ，s i m p l em a n i p u l a t i o n ，g o o dr a t i oo fp o w e rt o w e i g h t ，a c h i e v i n gw i d e l yv a r i a b l es p e e dr a n g e h o w e v e r ，a st h eh y d r a u l i ct e c h n o l o g y p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e , t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，s t i l lh a ss o m ei n s u r m o u n t a b l ep r o b l e m s ， t h em o s tp r o m i n e n ti st h ef a u l td i a g n o s i sf o r h y d r a u l i cs y s t e m s b a s e do nl e a r n i n ga n da c c u m u l a t i n gt h ee x i s t i n gf a u l td i a g n o s i sm e t h o d sf o r s h i p sh y d r a u l i cs y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dak i n do fp o w e ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ， w h i c hw a sb a s e do np o w e rf l o wt h e o r y , c o m b i n e dt h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta n d t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , t h e nd i dc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , w i mt h ea p p l i c a t i o no ft h er e l e v a n tm o d e mf l u i dm e c h a n i c st h e o r e t i c a l ， s t u d y i n g t h e p r i n c i p l eo fm e m sm i c r o s e n s o r s ，w ed e d u c e dt h ed i f f e r e n t i a l p r e s s u r e v e l o c i t ym o d e la n do p t i m i z e dt h ed e s i g no ff l o ws e n s o r sb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，b a s e do ns t u d y i n gt h ep r e s s u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y f o rh y d r a u l i cs y s t e m ，w es e l e c t e dap r e s s u r es e n s o rw h i c hh a das t a i n l e s ss t e e l d i a p h r a g ma sp r e s s u r em o n i t o r i n gd e v i c e s ，a n dd i dc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o t h en e e d so ft h ei n t e l l i g e n tp o w e ri n s t r u m e n t ，w e c o m p l e t e dt h es e l e c t i o no fw o r k - r e l a t e dh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n dd i dc o r r e s p o n d i n g p r i n c i p l ea n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，b yc o m b i n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，w ed e s i g n e d t h es o f t w a r e ，a n dm a d et h ea p p r o p r i a t ed e b u g g i n gi nt h ed e s i g np r o c e s s f i n a l l y , b a s e do ns t u d y i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fi n t e l l i g e n tp o w e r i n s t r u m e n t ，w ep r o c e s s e da n dp r o d u c e ds o m ep r o t o t y p e s w et e s t e dt h em e a s u r e e f f e c to fp o w e ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sb yd o i n gs p e c i f i ce x p e r i m e n t s ，a c h i e v e dt h e o p t i m a ld e s i g no fp o w e ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sb ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e r ei ss t i l lal o n gw a yt o g o f o rt h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s b a s i n go nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fp o w e ri n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s ，t h i sp a p e rp r o v i d e dag o o dp l a t f o r mf o rt h ep o w e rf l o wt h e o r yu s i n gi n t h ea c t u a lf a u l td i a g n o s i so f s h i ph y d r a u l i cs y s t e m ，a n dl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h e m o r ei n - d e p t hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti nt h i sa r e af o rf u t u r e k e yw o r d s ：h ) d r a u l i cs y s t e m s ；p o w e rf l o w ；m e m s ；i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t *j 入o f 卜 矿 詹h 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 液压故障诊断的概述1 1 1 1 液压故障及其特点1 1 1 2 液压故障诊断的技术途径及发展趋势2 1 2 基于功率流理论的液压故障诊断方法2 1 3 智能仪表现状与发展3 1 3 1 仪器仪表“3 1 3 2 智能仪表的性能特点6 1 4 船舶液压系统功率智能仪表7 第2 章船舶液压系统功率传感器的理论研究9 2 1 液压系统流量测量的现状及m e m s 简介9 2 1 1 流量测量的现状9 2 1 2 船舶液压系统流量测量的特点1 0 2 1 3m e m s 简介11 2 1 4m e m s 传感器1 3 2 2 基于m e m s 芯体的新型流量传感器1 6 2 2 1 流量一压差数学模型的建立1 6 2 2 2 流量传感器的尺寸优化2 4 2 3 压力传感器的选型：2 6 2 4 本章小结2 7 第3 章智能仪表电路的硬件设计2 8 3 1 硬件设计总体思路2 8 3 2 信号调理电路2 8 3 3 模数转换装置3 1 3 4 微处理系统3 3 3 5 显示单元3 5 3 6 本章小结3 7 第4 章智能仪表电路的软件设计3 8 4 1 软件设计总体思路3 8 4 1 1 软件设计开发环境3 8 4 1 2 结构化主程序设计3 9 4 2 初始化模块4 0 4 2 1 单片机p 8 9 v 5 1 的初始化4 0 4 2 2 模数转换装置a d c 0 8 0 9 的初始化4 1 4 2 3 液晶显示模块的初始化4 2 4 3 数据采集模块4 2 4 4 中断模块4 4 4 5 延时模块4 5 4 6 数据处理模块4 5 4 7 液晶显示模块4 5 4 8 本章小结4 6 第5 章功率智能仪表的制作与实验研究4 7 ，j 5 1 实物制作4 7 5 1 1m e m s 微传感芯体的标定4 7 5 1 2 功率传感器的制作4 9 5 1 3 智能仪表实验平台的制作5 l 5 2 实验平台和测试系统5 l 5 3 功率智能仪表的实验分析5 2 5 3 1 流量传感器的实验分析5 2 5 3 2 压力传感器的实验分析5 4 5 3 3 功率智能仪表的实验分析5 6 5 4 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 1 6 1 论文结论6 l 6 2 相关工作展望6 2 参考文献6 3 致i 射6 5 研究生履历6 6 冷， 产 一 弘 j 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 第1 章绪论 1 1 液压故障诊断的概述 液压技术( h y d r a u l i c s ) ，是指利用在密闭管路中流动的液压油，进行能量的 转换、传递、分配和控制的技术，也称为液压传动( f l u i dp o w e r - h y d r a u l i c s ) 。 随着工业现代化的迅猛发展，液压技术凭借其工作平稳，操控简单，功率重量比 大，能够实现无级调速且调速范围宽等一系列优点被广泛的应用于船舶运输业， 其中包括舵机，发电机，甲板机械等等。 然而，液压技术在工业化发展中发挥重要作用的同时，液压系统也存在一些 难以克服的困难和问题，其中最突出的就是针对液压系统的故障诊断。液压系统 一旦出现故障，由于其自身弊端导致判断故障的原因和确定发生故障的部位都比 较困难。然而，液压故障一旦得不到妥善处理，轻则导致设备受损，产品质量下 降，生产中断，严重的甚至危及人身安全，环境污染，造成巨大的经济损失。因 此，针对液压系统故障诊断技术的研究和实践是极具社会意义和学术价值洲1 4 】。 1 1 1 液压故障及其特点 液压故障，是指液压系统或液压元件由于丧失应达到的功能或出现某些问题 而发生的事故，例如泵轴扭断，泵容积效率下降等等。常见的液压故障有系统出 现噪声和振动、液压冲击、爬行、高温及泄露等等，轻微的故障可导致液压元件 的磨损、腐蚀、蠕变；严重的故障可以导致整个液压系统的瘫痪【5 1 。 液压故障与一般的电气和机械故障相比，其特点是： ( 1 ) 液压故障往往发生在系统的深层内部，表面的故障症状数量非常有限， 由于不方便拆卸，检测条件有限，很难通过直接观察来进行故障诊断。 ( 2 ) 液压故障的症状与原因之间存在着多种多样的交叉和重叠，一个症状 可能由多个故障源叠加起来形成的，一个故障源也可能引起多种症状，这对分析 故障原因造成和很大麻烦。 ( 3 ) 液压系统的设备在工作过程中，受到很多随机性因素的影响，例如环 境温度的改变，电网电压的变化，外界污染物的侵入等等，这使得液压故障诊断 的方向很不明确。 ( 4 ) 由于制作过程和应用环境的不同，液压元件之间的磨损程度和劣化速 度差距很大，无法利用一般的寿命标准进行分析，往往需要对具体的液压设备与 1 第1 章绪论 元件制定磨损标准，这又长期的数据积累，实际意义不大。 1 1 2 液压故障诊断的技术途径及发展趋势 液压故障诊断，是对液压系统的设备运行情况进行检测，判断其是否出现异 常和故障，并在确定发生故障后找到发生故障的部位，分析发生故障的性质和原 因。目前针对液压系统的故障诊断除了传统的依靠人的感官，主要还包括振动诊 断法、声学诊断法、热力学诊断法、油液分析法、参数测量法、模糊逻辑诊断法、 专家系统和灰色诊断法等等【6 】。 然而随着科学技术的不断进步，液压故障诊断经验的不断积累，液压故障诊 断技术的发展趋势为： ( 1 ) 不解体化。不解体检测的研究方向是开发可置于液压系统内部的传感 器。 ( 2 ) 高精度化。主要体现在信号处理技术方面，是指提高信号分析的信噪 比，对于较复杂的液压系统，其信号、系数是瞬态的、非平稳的、突变的。 ( 3 ) 智能化。是指开发智能故障诊断系统，是信号处理、分析、故障识别 甚至故障处理自动完成，以减轻故障诊断的工作量，并提高诊断速度和正确性。 ( 4 ) 网络化。随着计算机网络的发展及通信技术的进步，利用各种通信手 段将各个诊断系统，诊断系统和控制系统联系起来，可提高诊断的质量和精度。 1 2 基于功率流理论的液压故障诊断方法 在工程技术领域，我们将能量的流速称之为功率。以液压系统为例，液压油 作为工作介质在液压系统中流动，通过液压泵的工作从电动机转化过来的液压功 率，随着液压油在液压管路及阀件间的流动进行分配和消耗，最终到达液压马达 的液压功率还需满足驱动负载的需要。由此可以想象，在液压系统中，液压油可 以看作是液压功率的载体，随着液压油在系统中的流动，液压功率也在系统中进 行流动、分配以及消耗，这就是功率流理论的基本思想。 当液压系统中的某一位置出现故障时，液压功率作为系统运行状况的表征参 数也将随之发生异常变化。然而，由于液压故障具有隐蔽性和交错性的特点，一 个故障源可能引起多个位置的功率发生变化，且不易检查，这时就需要根据图论 的相关知识来确定系统在什么位置安置功率传感器可以更有效的，全面的监测系 统的工作状态，可制定最优的状态监测点和最少的全信息状态监测传感器数量。 2 溶，；一 ( 一 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 功率流的大小是通过同时发生的两个变量的乘积来表示的，相对于电功率流 为电流和电压的乘积，机械功率流为合力与速度的乘积，那么液压功率流则为流 量和压强的乘积。而流量参数和压强参数的检测是利用参数测量法来实现的，所 以基于功率流理论的液压故障诊断方法其实是将功率流理论与参数测量法相结 合，在参数测量法的基础上，与逻辑分析相结合，大大提高了故障诊断的快速性 和准确性口刮。 为了让基于功率流理论的液压故障诊断方法可以快速，准确的进行检测，普 通的仪器仪表难以满足其性能要求，所以技术更先进，功能更强大的智能仪表走 进了我们的视线。 1 3 智能仪表现状与发展 1 3 1 仪器仪表 仪器仪表，是人们对客观物质世界进行测量、分析、控制与显示的基本手段 和基础设备，是科学技术发展的重要工具。科学发展史上那些重大的发现，往往 都是伴随着测量工具和测量手段的革新而产生的。我国著名科学家，“两弹一星 功勋奖章”获得者钱学森先生曾经说过：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和 基础”。我国另一位著名科学家，中国光学事业奠基人王大珩先生也曾指出：“机 器是改变世界的工具，仪器是认识世界的工具 。由此可以看出，仪器仪表在人 类发展史上扮演着极其重要的角色，仪器仪表的先进水平，是一个国家乃至人类 社会科技发展水平和经济发展水平的重要保障和前提，也是推动我国和谐社会建 设进程的巨大动力。 在人类文明的历史长河中，对测量最早的认知是关于重量和时间的度量，也 体现了当时人类社会的生活需求。人类历史上记载过公元前2 5 0 0 年使用天平的 证据，以及公元前1 4 5 0 年古埃及用来计时的绿石板影钟。而我国最有影响力的 四大发明之一指南针，也早在战国时期就有了雏形，其在韩非子有度篇和 鬼谷子一书中都有记载，当时人们利用天然磁铁就已经制成指南工具“司 南”( 图1 1 ) 。而后，随着人类对客观物质世界的不断认知和深入探索，先后 出现了早期的一些仪器仪表，主要涉及光学，温度，数学等几个大的领域，其中 有代表性的有f i n n 略发明的望远镜和显微镜，华伦海特发明的华氏温度计，以及 3 第1 章绪论 一些精密的圆周仪，量角器等等。到了近代，英国物理学家法拉第发现在磁体 与闭合线圈发生相对运动时，在闭合线圈中产生电流的现象，进而提出“磁电效 应”和“磁场 的概念，由此为以电磁为核心的新一代仪器仪表的出现提供了 理论基础和创作灵感。 图1 1 古代的指南工具“司南” f i g 1 1t h ea n c i e n tg u i d et o o l ss i n a n 随着现代科学技术的飞速进步，现代仪器仪表的发展历程主要经历了三个阶 段。第一代的仪器仪表是结合电磁测量原理和力学转换原理，进而最终通过指针 来显示测量值，又称为“模拟式 仪表( 图1 2 ) ，相对于后来出现的新型仪器 仪表，第一代仪器仪表的功能相对简单，精度和响应速度也比较低。2 0 世纪5 0 年代初期，数字技术的出现使仪器仪表的发展取得了巨大突破，第二代“数字式 仪器仪表( 图1 3 ) 应运而生。数字技术，就是把测量对象的被测量先量化为相 应的直流电压值，经过电压及频率转换得到数字信号，再对数字信号进行处理后 实现数字形式显示的一项技术。数字式仪表相对于模拟式仪表，具有更快的响应 速度和更高的测量精度，相继出现了数字频率计，数字功率计，以及数字万用表 等等。 4 ，、 l j i o 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 图1 2 模拟式仪表图1 3 数字式仪表 f i g 1 2t h ea n a l o gi n s t r u m e n t f i g 1 3t h ed i g i t a li n s t r u m e n t 到了2 0 世纪7 0 年代初，随着计算机技术的飞快发展，以及集成电路的出现， 1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司研制出世界上第一个微处理器。由此电子计算机从庞 然大物急缩到可置于仪器仪表内的集成芯体，使仪器仪表的发展取得新的进步。 2 0 世纪7 0 年代中期以来，随着微电子技术的迅猛发展，科学家们实现了在一 片芯体上同时集成c p u 、存储器、i o 接口，甚至模数转换及数模转换装置的大 规模集成电路，即单片微控制器( s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ) ，简称单片机。单 片机的问世促使仪器仪表的发展发生根本性的革命。以单片机为核心，结合计算 机技术，自动控制技术以及测量技术为一体，进而实现一定智能作用的新型仪器 仪表，我们称之为智能仪表( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ) ，即第三代仪器仪表( 图1 4 ) 。 智能仪表通常具有数据存储及数据处理功能，可以通过软件编程来实现用户的各 种仪器仪表要求，尤其能够实现硬件系统无法实现的某些功能。简单的说，智能 仪表相对于前两代仪器仪表，它的应用功能得到了前所未有的广泛开发。除此之 外，智能仪表还可以通过运算及逻辑处理实现各种补偿及校正功能，用以克服仪 表硬件本身的测量缺陷，使仪器仪表的性能指标提高了几个等级。o o - t 3 1 5 第1 章绪论 图1 4 智能仪表 f i g 1 4t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t 1 3 2 智能仪表的性能特点 智能仪表将计算机技术，自动控制技术和测量技术等综合应用于仪器仪表的 设计中，从而使仪器仪表体积更小，功能增强，它所具有的软件功能更意味着可 以将人工智能嵌入其中。与之前介绍的仪器仪表相比，智能仪表所具有的功能特 点主要体现在： ( 1 ) 在测量过程中可实现软件控制。将计算机技术应用于仪器仪表，一方 面可简化硬件的结构，提高仪器仪表的自动化程度；另一方面可以通过软件的编 程，来实现仪器仪表的多种不同功能。 ( 2 ) 可对测量数据进行相应的处理。智能仪表突出的特点就是能够对测量 数据进行存储和运算，主要表现在改进测量结果的精确度以及对结果的后续加工 两个方面。 ( 3 ) 能够实现多种功能。单片机的介入使智能仪表一机多用的多功能化得 以实现，通过测量过程的的软件控制以及数据处理能力，能够实现诸如故障自动 诊断，量程自动切换，图形显示以及输出打印等之前的仪器仪表无法比拟的多种 功能，而且各种新的功能还在不断的进行开发。 ( 4 ) 通信能力增强。智能仪表根据需求一般都配有通信接口，或者更为先 6 一 ， ， ： 妒 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 进的无线网络技术，这使智能仪表具有远程操作的能力，能够与计算机或其他相 关仪器仪表配合工作，完成更加复杂的任务n 郇。 1 4 船舶液压系统功率智能仪表 通过对船舶液压系统故障诊断技术的学习和对功率流理论的研究，提出一种 针对船舶液压系统故障诊断的功率智能仪表。其工作原理是将功率流理论与参数 测量法相结合，并最终依靠智能仪表的先进功能来实现对船舶液压系统的故障诊 断。功率智能仪表主要由功率传感器与智能仪表硬件电路组成，如图1 5 所示为 功率传感器的结构示意图。 图1 5 功率传感器示意图 f i g 1 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w e rs e n s o r 如图1 6 所示为功率智能仪表的实物设计图。 图1 6 功率智能仪表 f i g 1 6t h ep o w e ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t 7 第1 章绪论 功率传感器由流量传感器和压力传感器两部分组成，分别感测出与流量和压 力相对应的电信号，在智能仪表硬件电路中完成对信号的运算及处理，并最终通 过液晶屏实现对被测量的实时显示。 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 第2 章船舶液压系统功率传感器的理论研究 船舶液压系统功率传感器主要由流量传感器和压力传感器两部分组成，其作 用是把船舶液压系统中的流量和压力参数转化为与之对应的电信号，以便于识别 和控制。下面分别针对流量传感器和压力传感器进行理论研究。 2 1 液压系统流量测量的现状及m e m s 简介 2 1 1 流量测量的现状 流量自古以来就是人们密切关注且不断改进的对象，在距今数千年前的古埃 及就已经出现堰的雏形，那时人们通过测量尼罗河的流量来预报年成。而我国的 都江堰水利工程在那时也已经开始利用宝瓶口岩壁上所刻有的“水则 来观测水 位。到了1 9 世纪中期，节流式流量计的出现奠定了近代流量计的理论基础，随 后又相继出现了孔板式流量计，压差式流量计，容积式流量计等等。到了2 0 世 纪5 0 年代以后，随着科学技术的突飞猛进，以及社会各界对流量计的大幅需求， 又相继出现涡轮式、涡街式以及电磁式等众多相对新颖的流量测量仪表。 流量是指单位时间内流经管道或明渠有效面积的流体量，用质量表示时称为 质量流量，用体积表示时称为体积流量。测量管道或明渠中流体流量的仪器仪表 称之为流量计，测量质量流量的称为质量流量计，例如热式流量计和科里奥利流 量计；测量体积流量的称为体积流量计，例如涡街流量计，涡轮流量计以及电磁 流量计。由于流体种类繁多且工作环境多变，各种流体的物性参数和使用状态参 数差异极大，往往一种流量测量方法或测量仪器只能适用于某一种流体在特定条 件下的测量，所以世界上并不存在十全十美的流量测量装置。下面介绍几种应用 广泛的流量计及其优缺点和使用上的局限性。 容积式流量计是利用精密的标准容器对被测对象进行连续的计量，可用来测 量气体和液体的流量，由于其直接根据体积进行流量累计，已成为目前流量测量 领域精度最高的测量仪表之一。但当容积式流量计应用于较大的测量管道时，其 体积过于庞大且价格较贵，而且由于存在机械部件，在工作时对流体的扰动较大， 容易造成器件的磨损。 涡轮流量计是通过测量置于管道内的涡轮在流体作用下的转速来反映流量 的大小。涡轮流量计的测量精度也比较高，测量范围宽泛且压力损失比较小，在 9 第2 章船舶液压系统功率传感器的理论研究 工业上的应用十分广泛。但涡轮流量计对流体的温度、密度以及粘度等影响比较 敏感，而且同样由于具有转动机械部件，对流体流动扰动大，容易造成轴承的磨 损。 电磁流量计是根据法拉第电磁感应原理设计的测量导电介质的流量计。结构 上一般分为两部分，传感器和转换器。由于其检测部件都在测量管道的外部，对 流体流动无扰动作用，没有压力损失，可应用于一些特殊的场合。但电磁流量计 也存在一些问题，其被测介质必须是可导电的液体，容易受到外界电磁干扰以及 电源波动带来的测量误差，成本较高且调试麻烦。 压差流量计是根据流体流经在管道内安装的动压测定装置或节流装置所产 生的静压差来测量流量的大小。一般有两种方式：强节流方式和弱节流方式。前 者利用双压力传感器感测压差信号，动态响应较好，但当管道内的静压较高时， 由于压差信号较弱，往往会被传感器自身的精度误差所掩盖，而通过加强节流作 用使压差信号变强时又会造成节流前后过大的压力损失，对管路的能量传输造成 不利影响。后者先把节流前后的压力信号引出管外，再通过压差计获得压差信号， 这种做法尽管能大幅度减少节流前后的压力损失，但由于引线而造成的液容效 用，大大降低了传感器的频率响应，而且易造成信号的失真。 浮子流量计又称为转子流量计，其结构相对简单，由一个锥形管和一个置于 锥形管内部的可上下自由移动的浮子( 又称转子) 组成。通过迫使流体在锥形管内 由下向上流动，通过测量浮子的浮起高度进行流量的度量。浮子流量计的压力损 失较小，可用于较低的雷诺数，测量范围较宽，对上游直管段的要求低，但其目 前只适用于中小管径，低流速的流动状态，如果管道内的流速较高，则需要选用 略大规格的仪表，增加管道布局的复杂性n 引。 2 1 2 船舶液压系统流量测量的特点 船舶液压系统由于其自身的特点和局限性，目前很难找到一种适合的动态流 量测量仪表，造成这种现象的主要原因是液压管路的流量测量相对于其他管路的 流量测量有很大的区别： ( 1 ) 液压油作为一种携带较大功率的做功介质，工作时具有很高的工作压 力，这就要求流量测量仪表能够耐高压，这使得能量损失较大的孔板式流量计和 些不耐高压的流量计无法应用于其中。 1 0 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 ( 2 ) 船舶液压系统中液压油的流量通常很小，因此管径也设计的比较小。 这使得i s 0 5 1 6 7 标准中规定的许多流量测量仪表( 要求被测管径在d n 5 0 m m 以 上) 不适用于这些管路的测量。 ( 3 ) 船舶液压系统常用的液压油是以石油精炼得到的矿物油为基础，通过 与各种添加剂按特定的比例调和而成，其导电率一般都能到达1 0 。1 m h o e m 左 右。这使得动态特性极佳的电磁流量计被排除在船舶液压领域的流量测量行列之 外。 ( 4 ) 船舶液压系统的调速机构一般都要求能够在大范围内实现无级调速， 其调速比有时甚至高达4 0 0 以上，这就要求应用于船舶液压系统的流量测量仪表 的流量比( 最大流量与最小流量之比) 要足够大。这使得流量l t ；d , 的流量测量仪 表不适用于船舶液压系统。 针对目前船舶液压系统流量测量领域所存在的困难，结合船舶液压系统功率 传感器的需求分析，提出一种基于m e m s 的船舶液压系统流量传感器。 2 1 3m e m s 简介 随着微纳米科技( m i c r o n a n os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 的迅猛发展，微机 电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) ，也称为微传感器与微执行器 ( m i c r o m a c h i n e dt r a n s d u c e r s ) 技术，凭借着其形状尺寸和操作尺寸极小等优势， 已经成为科学家们从微观领域认识和改造客观物质世界的一项热门的高新技术。 m e m s 结合了微细加工技术和微电子技术，将微传感器，微执行器，控制电路 及能量装置组合在一起，是一种集获取，信号处理及执行操作于一身的集成装置 或系统，既可以完成传统大尺寸系统所无法实现的任务，也可以把独立微器件应 用于大尺寸的系统中来实现提高系统稳定性，便携性及智能化的要求。凭借着这 些优势，m e m s 实现了众多当初被认为是不可能实现的科学和工程，并具有广 阔的学术意义和市场前景，在世界范围内取得辉煌的成就，成为新的经济增长点， 被誉为是2 l 世纪最关键的科技之一。 1 9 5 9 年，著名物理学家，诺贝尔物理奖得主理查德一费曼( r i c h a r dp f e y n m a n ) 在美国物理学会年度会议上发表了题为 t h e r ei sp l e n t yo fr o o ma tt h e b o t t o m 的著名演讲，揭开科学家们研究m e m s 技术的序幕。在演讲中，他指出 可以用大的机械来加工比其小很多的小机械，还能用这些小机械加工更小的微机 第2 章船舶液压系统功率传感器的理论研究 械。这些理论为日后m e m s 技术的发展提供了灵感和方向。 紧接着2 0 世纪6 0 年代中期到2 0 世纪8 0 年代，随着半导体集成电路工艺的 出现和发展，m e m s 历经了大约2 0 年左右的萌芽阶段。1 9 5 4 年，史密斯最先通 过实验发现半导体的电阻率随应力变化的现象，既压阻效应。1 9 5 8 年，科学家 们把用单晶硅制作的应变片粘贴在弹性体上，测量其受力情况。7 0 年代中期，i b m 实验室的k u r tp e t e r s e n 和他的合作者们利用体硅微机械加工技术研发了薄膜型 ( d i a p h r a g m - t y p e ) 硅微加工压力传感器，是m e m s 技术最早进入商业化的实例。 8 0 年代末期，美国加州大学伯克利分校的两个年轻人启动一个直径约为1 2 3 肛m ， - 厚度仅为l p m 的静电发动机，随后利用显微镜观测其运转情况，虽然只转动了 数秒，却标志着m e m s 科技的大跨步，激发了科学界及大众对m e m s 研究的极 大热情n 蚓1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界范围内对m e m s 科技的研究进入了突飞猛进的 发展阶段。各国政府，企业，包括私人基金机构都设立基金支持m e m s 科技的 研究工作。m e m s 技术的发展展示出强大的生命力，凭借其优越的性能在越来越 多的领域得到广泛的推广，并取得了辉煌的成就，如图所示为m e m s 技术的一些 典型应用吻1 。 表2 1m e m s 的典型应用 t a b 2 1t y p i c a la p p l i c a t i o n so fm e m s m e m s 信息技术光学显微技术生物技术化学分析医疗机器人航空技术 喷微微 生 微微 墨光asp微 创 血 小小 磁眼物微 机机 打储 ftc 通 伤液 飞卫 盘镜芯泵，器 械 印 存 mmr 道手分机星 片人手 机 术 析 我国的国家自然基金委员会，国家教委，国家科委等机构在这段时期内也陆 续制定了相关的研究计划，鼓励和支持针对m e m s 科技的研究和开发，并取得了 实质性的进展。然而，我们在成功的同时也需要审视自身存在的问题，那就是我 们的技术受国外先进科技成果的影响较大，自主创新的水平还比较落后，而且往 1 2 ， 船舶液压系统功率智能仪表的理论与实验研究 往与实际产业存在距离。针对这一情况，我们在国外先进技术的基础上，积极地 发散思维，进行大胆的尝试，开创自主研发的新局面是至关重要，并极具市场前 景的。 2 1 4m e m s 传感器 传感器( s e n s o r ，t r a n s d u c e r ) ，是指将外部模拟信号转换成电信号的一种装 置，微机电传感器是结合微机械j o t 技术与微电子加工技术制作的传感器。相对 于传统的传感器，概括起来具有以下优点：( 1 ) 可提高传感器的性能，包括较高 的信噪比，响应速度快，测量精度高等。( 2 ) 微型化和集成化，可在同一芯体上 集成多个敏感元件，还可在芯体上集成线路，预先实现数模转换，阻抗匹配等功 能。( 3 ) 低成本，半导体加工技术同趋成熟，能够批量生产。微型传感器的这些 优势使其具有广阔的应用领域和市场前景。现如今，随着航运运输业的高速发展， 对自动化及智能化的呼声日益升高，把m e m s 高新技术应用于船舶液压系统的 流量测量是一种极具价值的创新尝试，具有广阔的发展空间乜引。 微机电传感器根据敏感元件的原理分为压阻、电容、压电，谐振和隧道式等。 根据智能仪表的需求分析对比不同类型的微机电传感器：电容传感器灵结构相对 简单，温度系数小，功耗低，但其对检测环境的电磁干扰较敏感，线性度差；压 电传感器灵敏度高，线性度良好，但其对压电材料要求高，且加工制作复杂，容 易造成电荷泄露；谐振传感器灵敏度高，重复性好，滞后小，但其尺寸受到空间 限制，激励和检测回路之间容易产生同频干扰，影响传感器性能；隧道式传感器 灵敏度极高，但其电路结构非常复杂，对电机表面状态非常敏感，不易于制作和 控制；压阻传感器制作简单，灵敏度高，压阻尺寸较小，不受空间限制，容易实 现与电路的集成，易于测量和控制。根据功率传感器的需求分析，比较多种微传 感器在液压流量测量领域的性能优势，最终决定选用性能优越，技术成熟的压阻 传感器作为研究对纠2 帕8 1 。如图2 1 所示为压阻式微机电传感器。 第2 章船舶液压系统功率传感器的理论研究 硅 鹜孑l 图2 。l 压阻式微机电传感器 f i g 2 1p i e z o r e s i s t i v em i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls e n s o r p 型秘褒 键台玻璃 压阻式微机电传感器主要由承载膜片和膜片上的敏感压阻构成，当膜片受应 力发生变形时，敏感电阻的阻值改变，通过电桥测量阻值变化量从而测得压力。 电阻受应力时阻值改变的现象称之为压阻效应，压阻效应是压阻传感