傳感器安裝偏差對功率流測試誤差的影響分析

李朝暉 劉 彥 彭偉才

中國艦船研究設計中心，武漢430064

傳感器安裝偏差對功率流測試誤差的影響分析

李朝暉 劉 彥 彭偉才

中國艦船研究設計中心，武漢430064

為分析傳感器安裝偏差對功率流測試誤差的影響，將安裝偏差分解為位置偏差和角度偏差兩個部分，并分別基于互功率譜法和波分解法建立傳感器安裝偏差與功率流測試誤差之間的數學模型。仿真分析結果表明：所建立的互功率譜法和波分解法功率流測試誤差模型完全一致；位置偏差對功率流的影響由兩個傳感器位置偏差之差決定，角度偏差對功率流測試誤差的影響與頻率無關，但始終使得功率流向更小的方向變化，而總誤差為兩種安裝偏差各自產生誤差之積。

功率流；互功率譜法；波分解法；測試誤差；安裝偏差

1 引言

管路系統承擔著水、油、蒸汽的輸送任務，是現代艦船中不可或缺的重要輔助系統。然而由于其縱橫交錯、遍及全船，且往往與船體直接相連，因此一旦管路振動出現異常，這種振動和噪聲就會通過馬腳、穿艙件、空氣介質等途徑傳遞至船體進而向外輻射，直接影響艦船的聲隱身性能。開展管路功率流測試是分析管路振動傳遞特性、解決管路振動的重要手段，為此管路功率流測量研究受到國內外學者的重視［1－4］。

充液管路功率流的測試方法主要有波分解法和互功率譜法，其中波分解方法源于管道聲學中聲強測量的雙話筒法，主要特點是通過對測量場的精確測量，利用波理論進行不同軸向模態波的波分解，獲得各波的幅值信息，進而進行能量流計算［5］。而互功率譜法則是依據有限差分法，獲取沿管壁傳遞的力與速度的一般表達式，通過力信號與速度信號頻域內互功率譜的方法進行能量流頻域的計算與分析［6］。這兩種方法在梁和管路功率流測試中得到了廣泛的應用［7－8］。

由于上述兩種測試方法都需要在多個截面布置傳感器，傳感器安裝偏差勢必會對測試誤差產生一定的影響。然而目前尚缺少這方面的研究，為此本文從理論出發，推導安裝偏差與測試誤差之間的數學模型，進而研究安裝間距偏差、角度偏差對基于這兩種測試方法的功率流測試誤差的影響規律，為功率流測試方法工程應用提供理論指導。

2 理論建模

縱向波、彎曲波和扭轉波為沿管壁傳遞的三種主要波形，除考慮近場波影響時，彎曲波功率流測試采用4通道模型以外，其它情況均為2通道模型。為便于研究同時又不失一般性，本文僅以2通道模型的波分解法展開討論。傳感器布置方式如圖1所示。

圖1 傳感器布置原理圖Fig.1 Sensors placement

2.1 互功率譜法功率流測試誤差模型

如圖1所示，將安裝偏差分解為位置偏差和角度偏差，并將兩個加速度傳感器測得的信號分別設為Q1和Q2；x1處因安裝產生的位置偏差和角度偏差分別為Δ1和θ1；x2處安裝產生的位置偏差和角度偏差分別為Δ2和θ2；沿管壁傳遞的雙向傳輸波幅值理論上分別為Ap和Am。則傳感器測量的信號為：

依據互功率譜法，功率流一般表達式為：

式中，GQ2Q1為兩個傳感器測得加速度的互譜；K為與波形有關的系數；k為傳輸波的波數。

將傳感器信號Q1和Q2結果帶入式（2），整理后得存在偏差條件下的功率流表達式為：

目前，互功率譜法和波分解法均基于梁模型，在該假設前提下，當兩個傳感器不在同一平面內時，位置偏差以兩個傳感器所在截面的間距計算，角度偏差以角度與該截面的夾角計算。

2.2 波分解法功率流測試誤差模型

由波分解法獲取的沿管壁傳遞的功率流可表示為：

式中，A+，A-為測試所得到的正反兩向傳輸波的幅值。

A+，A-可由傳感器測試信號Q1和Q2估算得到：

求解方程（5），可得：

結合式（1）、（3）、（4）和式（6），可得存在安裝偏差情況下，波分解法測得的功率流為：

由式（3）和式（7）可見，測試方法雖然不同，但功率流誤差模型完全一致。

3 仿真分析

由式（2）和式（6）可知，互功率譜法和波分解法計算功率流的理論值均為：

為使分析結果更具一般性，橫坐標選用無量綱頻率kL，為此需要先確定kL的取值范圍。由波分解理論可知，布置間距必須小于最高分析頻率對應波長的1/2，即

3.1 角度偏差為零時不同位置偏差組合對功率流測試誤差的影響

由于理論上波分解法最大可分析無量綱頻率無限接近于π，為此分析［0，3］頻帶內，不同偏差組合對功率流測試誤差的影響，如圖2所示。由圖可見，當δ1－δ2≠0時，在無量綱頻率kL大于2以后，測試誤差迅速上升，即便是±5%的偏差組合也可能造成約300%的誤差。而實際上，由于式（9）中分母為sinkL，致使當kL趨向于π時，功率流誤差T趨向于無窮大，除非δ1－δ2＝0使得分子分母中sinkL項相抵消。由于無法確保兩端安裝位置偏差之差為零，因此實際工程中，一定要確保分析頻率kL在2以下，建議選擇為π／2，這也與文獻［9］建議的最優間距為λmin／4相吻合。

圖2 ［0，3］頻帶內不同位置偏差組合對功率流測試誤差的影響Fig.2 Effects on error of power flow by different position deviation groups in［0，3］

在［0，π／2］頻率范圍內，分析上述四種偏差組合對功率流測試誤差的影響，如圖3所示。

圖3 ［0，λ/2］頻帶內不同位置偏差組合對功率流測試誤差的影響Fig.3 Effects on error of power flow by different position deviation groups in［0，λ/2］

由圖可見，（0.05，－0.05）偏差組合與（0.02，－0.08）組合因偏差之差相同，對功率流測試誤差影響也相同；而（－0.1，－0.1）偏差組合因偏差之差為零，并不產生測試誤差。這一規律通過對功率流誤差表達式分析也可得出。由式（9）可知，在其他參數不變的前提下，功率流測試誤差由兩個傳感器位置偏差之差決定，即：只要兩個傳感器位置偏差之差相同，對功率流測試誤差的影響就相同；兩端位置偏差大小與方向均相同時，將不對功率流測試誤差產生影響。

在kL為［0，π／2］分析頻段內，±5%的安裝誤差最高可導致10%的測試誤差，而±10%的安裝誤差可導致20%的測試誤差。在工程管路中，彎曲波攜帶的能量占主導地位，且彎曲波波速隨頻率變化而變化。對于管徑在Ф100 mm以下的管路，在分析頻率2 k以上時，對應的布置間距往往在0.2 m以下，而傳感器的安裝基座往往在2 cm～4 cm。因此，在安裝時很可能產生10%甚至20%的位置偏差，必須引起足夠的重視。即便對于波速不隨頻率變化的扭轉波和縱向波，在管徑Ф100 mm以下、分析頻率2 k以上時，對應的布置間距往往在0.5 m以下，因安裝產生5%的誤差也是很有可能的。此外在分析頻段內，功率流測試誤差隨著頻率的升高而降低，因此當存在偏差且δ1－δ2≠0時，功率流低頻測試精度往往得不到保證。

3.2 角度偏差對功率流測試誤差的影響

由式（9）可知，兩傳感器角度偏差相互影響，最終體現為小于1的系數cosθ1cosθ2，這意味著角度偏差對功率流測試誤差的影響不隨頻率變化，但始終使得功率流向更小的方向變化。而當存在位置偏差時，角度偏差對功率流的影響如圖4所示。由圖可見，在kL為［0，π／2］分析頻段內，對于δ1－δ2＜0的偏差組合，存在角度偏差可部分抵消位置偏差帶來的影響；而對于δ1－δ2＞0的偏差組合，存在角度偏差將加劇對功率測試誤差的影響。

圖4 不同位置、角度偏差組合對功率流測試誤差的影響Fig.4 Effects on error of power flow by different position and angle deviation groups

在實際工程中，如果能將兩端傳感器角度偏差均控制在10°以內，則cosθ1cosθ2項產生的誤差約為3%，如果能控制在5°以內，對應的誤差約為1%。但我們并不能因此忽視角度偏差的影響，因為總誤差將以兩種安裝偏差各自產生誤差之積體現，即位置偏差的存在可能會放大角度偏差的影響。經過計算發現，如果在實際工程中嚴格控制安裝偏差，將位置偏差控制在2%以內，角度偏差控制在5°以內，則因安裝偏差造成的影響可有效控制在3%以內，這時可忽略安裝偏差的影響。

值得注意的是，由式（9）可知，測試偏差T與坐標原點選擇（x1）及雙向傳輸波幅值（Ap，Am）沒有關系，因此上述結論具有普遍適用性，便于工程應用。

4結論

本文主要研究傳感器安裝偏差對功率流測試誤差的影響。首先分別基于互功率譜法和波分解法建立位置偏差和角度偏差與功率流測試誤差之間的數學模型，然后基于該模型研究了位置偏差和角度偏差對功率流的影響規律，結論如下：

1）互功率譜法和波分解法功率流誤差模型完全一致，因此，安裝偏差影響規律也相同；

2）在僅存在位置偏差條件下，功率流測試誤差由兩個傳感器位置偏差之差決定：只要兩個傳感器位置偏差之差相同，對功率流測試誤差的影響就相同；兩端位置偏差大小與方向均相同時，將不對功率流測試誤差產生影響。

3）角度偏差對功率流測試誤差的影響不隨頻率變化，但始終使得功率流向更小的方向變化。且對于δ1－δ2＜0的偏差組合，存在角度偏差可部分抵消位置偏差帶來的影響；對于δ1－δ2＞0的偏差組合，存在角度偏差將加劇對功率測試誤差的影響。

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The Effect of Mounting Deviation on Measuring Error of Power Flow

Li Zhao－hui Liu Yan Peng Wei－cai
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to analyze the influence of mounting deviation on measuring accuracy of power flow，the effect of mounting deviation on error of power flow based both on cross spectral density method and wave decomposition method were developed respectively.The mounting deviation was divided into position deviation and angle deviation.It is shown that the two models are identical.The error caused by position deviation is decided by the difference of position deviation between two transducers，the error caused by the angle deviation does not vary with frequency and always make the power flow smaller than normal，and the total error is the product of the both.

power flow；cross－power spectrum method；wave decomposition method；measuring error；mounting deviation

O329，U664.84

：A

：1673－3185（2011）04－25－04

2011-04-19

國防科工局“十一五”預研項目

李朝暉（1967－），男，碩士，高級工程師。研究方向：噪聲振動控制。E-mail：Lzhui701＠126.com

劉 彥（1979－），男，博士，工程師。研究方向：噪聲振動控制。E-mail：liuyanhit＠gmail.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.005