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磁流变阻尼器作为一种在结构振动控制中表现优良的智能阻尼器件,目前已广泛应用于车辆、桥梁、海洋钻井平台等大型系统结构中。研究表明,阻尼器的内部状态参数如温度、压力及活塞杆加速度等对阻尼器的性能有重要影响,其在服役期间可能会有性能衰减或者失效的情况,如果不及时处理,将会造成灾难性的后果。因此,对阻尼器内部状态进行在线监测具有十分重要的意义。针对在阻尼器密闭的内部空间里多参数传感器的能量供给及信号输出问题,本文设计了一套基于振动能量回收的磁流变阻尼器内部状态无线监测系统。该系统通过采集阻尼器内磁流变液的流体动能驱动无线传感系统工作,从而获取阻尼器内部状态信息。具体研究内容如下:
①设计了一套能量回收装置,利用阻尼器振动时流动的磁流变液冲击叶轮,使其带动三相交流发电机工作输出电能。基于质量守恒定律,分析了活塞杆正弦运动下流体动能的理论功率。然后,设计了相应的能量管理电路进行AC/DC整流,使用MAX6433芯片对超级电容的充放电过程进行管理,提高电能利用效率。最后,将整流后的电能经过稳压处理,为负载提供稳定可靠的工作电压。
②根据无线监测系统的设计要求,给出了系统的总体设计方案,完成了无线收发芯片和传感器件的选型。给出了其外围电路如阻抗匹配电路、片外程序存储器EEPROM接口电路、串行通信接口电路。设计了温度、压力、加速度三个状态参数的检测电路,给出了无线发送单元和接收模块的整体设计以及相应的抗干扰措施。
③基于无线发射模块和无线接收模块的通信协议,提出了解决数据冲突问题的方法。利用模块化的软件编程思想,在keilC51软件上编写并优化了相关数据采集和无线收发程序。基于MicrosoftVisualC++6.0开发平台,编写了利用MSComm控件来实现串口通信的串口显示软件。
④分析了所设计能量管理电路放电驱动负载的可行性并进行实验验证。搭建了系统测试平台,对不同激振频率下系统充放电特性进行了测试和分析。通过对传感器的合理布局,获取了正弦激励下阻尼器内部的温度、压力、加速度数据,数据精确度符合要求。测试了不同激励电流和激振频率对参数的影响,对实验结果进行了分析。