刘晓利

（中国人民解放军91315 部队，辽宁 大连 116000）

船舶发动机是船舶的动力中枢，其正常运转关系到船舶的航行安全。通过振动故障监测技术可以实时精准了解船舶发动机的工作状态，及时发现故障征兆，从而采取应对措施，消除故障隐患。船舶发动机本体表面振动及其特征信息可以直接或间接反映其工作状态。因此，可基于船舶发动机振动信号实现故障监测。即通过多个无线加速度监测节点实时获取船舶发动机气缸盖或气缸表面的振动信号，通过数据计算分析，判断发动机工作是否正常。基于此，本文将船舶发动机振动信号作为监测对象，提出一种以压电振动换能器为振动监测节点的自供电振动故障监测系统，探讨该系统的硬件架构及软件设计。

1 船舶发动机振动故障监测系统总体设计

压电振动换能器基于压电材料的正压电效应来实现能量的收集。在外界振动环境的激励下，正压电效应的作用可将压电材料的机械形变转换为电能输出。因此，微型线性压电振动换能器的发展和应用是以正压电效应的发现和压电材料的提供为前提条件。压电振动换能器是指利用正压电效应收集转换能量的装置。压电材料受到外部振动激励在正压电效应作用下实现机械变形转换成电能。因此，压电振动换能器的开发和应用的基础是正压电效应的发现和压电材料的运用。本研究提出运用压电振动换能器为船舶发动机振动故障监测系统的无线传感器监测节点提供电能，由于换能器输出能量微弱，需借助薄膜电池，通过一定时间的充电聚集电能在快速放电以驱动负载，确保船舶发动机振动加速度传感节点稳定运行，本次提出的船舶发动机振动故障监测系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构

该系统硬件部分主要包括加速度传感器监测节点、PC 端显示器、CC430 单片机、薄膜电池、压电振动换能器等。加速度传感器监测节点由换能器供电。PC 端主要包括无线-USB 接口和显示软件构成。系统使用薄膜电池存储换能器转换的电能，当存储电能达到一定容量时，通过电源管理电路为传感器节点提供电能，确保传感器长期稳定采集船舶发动机振动信号，通过CC430 单片机处理振动信号并传输至中继节点。最后，由中继节点将振动数据传输至PC 端，呈现给用户。为满足低功耗要求，传感器监测节点选用CC430 单片机，该单片机自带无线发射芯片，同时选用低功耗的ADXL312 型加速度传感器，大大降低系统功耗。

2 船舶发动机振动故障监测系统硬件设计

2.1 压电振动换能器

压电振动换能器主要有核心单元、封装单元两部分。其中，核心单元负责收集转换振动机械能，封装单元主要负责制造低真空环境，方便高效获取振动能。该系统采用满足外部振动频率808Hz，加速度1G 环境要求的换能器核心单元，基于实际船舶发动机振动数据，最终选用MEMS 压电换能器，基本参数如下：

梁长3665μm；梁宽2835μm；梁厚130μm；质量块长8560μm；质量块宽15500μm；质量块厚530μm；两单元数6；Pzt 厚5μm。

2.2 电源管理电路

电源管理电路的主要作用是基于负载和外部环境变化存储和释放压电换能器输出电能的电路。具体来说，电源管理电路首先对换能器输出交流电压整流，实现交直流转换，为后续电路提供直流电压。其次，换能器最大功率点跟踪，优化输出功率；最后，为薄膜电池电路提供充电电压，实现电能转移、存储。图2 为该系统的电源管理电路结构。

图2 电源管理电路

整流后的输出电能保存在储能电容中，若储能电压超过ULVO 检测器阈值，降压转换器开始工作，电能释放，转移至后续储能电路中。若储能电压低于ULVO 阈值，降压转换器停止工作，储能电容继续充能，直至储能电压超过UVLO 检测器阈值。如此循环。

2.3 储能电路

经过电源管理电路调整后得到3.6V 电压，但直接给振动加速度传感器节点无法保证其稳定工作。因此，该系统还加入了二级储能装置，先通过储能电路将换能器输出电能存储至薄膜电池中，再通过瞬放电路为传感器节点供电，确保其稳定工作。系统采用CBC3105 储能芯片，其自带电能转移电路，可将换能器输出电能转储至薄膜电池中，当换能器核心模块LTC3588 休眠时，CBC3105 储可将Cout 的能量缓冲到薄膜电池中，具体储能电路如图3 所示。

图3 储能电路

2.4 传感器电路

船舶发动机的振动涉及振动加速度、振动速度、振动位移等物理量，由于加速度物理量的测量最简便，该系统选用振动加速度传感器采集振动信号，传感器型号ADXL312，功耗低，分辨率高，测量范围达±16g，可通过SPI 或I2C 数字接口访问，振动加速度传感器电路如图4 所示。

图4 振动加速度传感器电路

2.5 总电路

基于上文设计的振动故障监测系统总体架构及关键电路设计得出系统总体电路图，如图5 所示。

图5 系统总体电路设计

该系统利用LTC3588 实现换能器的交直流转换，借助BUCK 电路进行一级能量聚集、释放，负载为CBC3105储能电路，充电电流40μA，总体负载电流215μA。CBC3105 作为二级储能装置可转储换能器的输出电能，当储能电压达到阈值时，为振动加速度传感器供电，实现传感器稳定监测船舶发动机振动信号，采集的振动信号经由IIC 总线传输至CC430F5137 单片机，经过单片机处理后的振动信号进行无线传输至中继节点，最后传输至PC 端，以图表形式显示给用户。

3 船舶发动机振动故障监测系统软件设计

该系统的振动加速度监测节点程序流程图6 所示，首先，进行协议栈初始化，开启CC430 中断，确认振动加速度传感器是否开启以及是否已采集振动数据，接着，开启低功耗休眠模式。根据硬件电路设计，一旦加速度传感器成功上电并采集到振动信号，就会产生中断信号唤醒CC430 单片机，如有唤醒数据，则启动加速度传感器并读取数据，读取完成后，传感器进入低功耗待机模式，判断传感器是否成功接入网络，如成功则将振动信号数据发送给控制节点。振动监测节点采集传输数据后，如果需要增加传输距离，则需增加中继节点，其主要作用是传输振动监测节点数据，以便将数据传输到更远的位置。

图6 振动加速度监测节点程序

4 结语

综上所述，本次设计的船舶发动机振动故障监测系统采用功能强大、功耗低的CC430单片机作为系统的控制核心，采用加速度传感器采集船舶发动机振动信号数据，利用压电振动换能器为加速度传感器提供电能，保证其稳定运行，从而实现对振动信号的实时采集。该系统可实时采集振动信号并在PC 端显示，当振动信号数据超过阈值时可自动报警。也可对振动信号进行频谱分析，提供故障诊断依据。但本研究只设计系统的软硬件设计，对振动信号处理分析方面的研究有待完善。