基于光纤光栅传感的旋转机械振动检测方法与实验研究

摘要

旋转机械设备在现代工业生产中担负着非常重要的角色，诸如汽轮机、燃气轮机、压缩机、风机、泵、水轮机、发电机和航空发动机等旋转机械广泛应用于电力、石化、冶金和航空航天等部门，因此旋转机械运行状态的安全性对于国家的经济发展至关重要。旋转机械振动是造成机械设备故障的重要原因，通过机械振动信号监测可以获知机械设备的运行状况，从而有效地预防机械故障和突发事故。现有的旋转机械平行振动和扭转振动的检测方法多数为电类磁类传感技术，其易受到电磁干扰的影响，稳定性差，且不便于多点布置检测。近年来，光纤光栅以其不受电磁干扰、可分布式测量等优点在众多领域得到应用，若将其应用于旋转机械振动检测能够弥补传统检测方法的不足，具有重要的研究价值。 本论文以旋转机械平行振动和扭转振动的检测为应用背景，基于光纤光栅的传感原理，提出了应用于机械平行振动检测的灵敏度可调的FBG二维振动传感器和应用于旋转轴系扭振检测的FBG扭振传感器。论文对两种传感器的传感特性展开了深入研究，组建了旋转机械实验台振动多点检测集成系统，并在该系统中利用所设计的传感器进行了应用检测。本论文完成的主要工作及研究成果如下： 1.针对当前国内外关于机械平行振动和扭转振动检测技术的研究现状进行了综述，通过对比分析和探究，总结出各类检测方法的优缺点，提出当前面临的问题和研究工作。 2.针对旋转机械平行振动的检测，设计了灵敏度可调的FBG二维振动传感器，建立了传感器的结构模型和理论模型，并利用有限元软件对传感器进行了模态仿真分析，最后通过实验研究了传感器的传感特性，实验结果与理论计算、仿真分析的结果很好的吻合。实验结果表明：传感器X、Y向灵敏度可调范围分别为8.049pm/g~76.145pm/g、8.199pm/g~75.335pm/g，稳定工作频率区间为0-180Hz。 3.针对旋转轴系扭转振动的检测，设计了FBG扭振传感器，首先建立了旋转轴系扭振力学模型，接着对FBG扭振传感器的结构和原理进行了阐述，建立了传感器的应变模型和振动模型，然后对传感器特性进行了数值分析和有限元仿真分析，最后搭建了实验系统对传感器的传感特性进行了实验研究，验证了理论模型和仿真分析的正确。实验表明：传感器的线性度为1.376％，拟合方程为△λ1+△λ3－△λ2－△λ4=0.3603β+0.0614（β的单位为rad/s2），传感器的灵敏度为0.3603pm/(rad/s2)，与理论相比偏大4.9%，传感器的#1和#2光纤质量球系统的一阶扭振固有频率分别为29.39Hz，27.35Hz，与激振器激振实验的结果一致。 4.组建了旋转机械实验台振动多点检测集成系统，利用此系统在恒速空载和正弦激励负载两种工况下，实现一线多点的检测。在此系统中采用所设计的灵敏度可调的FBG二维振动传感器对旋转实验台的伺服电机和齿轮变速箱的平行振动情况进行了实时检测，采用所设计的FBG扭振传感器对旋转实验台的旋转轴系扭振进行了实时检测，根据检测的结果对旋转机械的振动特性进行了分析。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机械平行振动测量技术研究现状

1.2.2 轴系扭转振动检测技术研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 灵敏度可调的光纤光栅二维振动传感器

2.1 光纤光栅传感的基本原理

2.2 二维振动传感器的原理和模型

2.2.1 结构模型

2.2.2 传感原理分析

2.3 有限元仿真分析

2.4 传感特性实验

2.4.1 动态特性实验

2.4.2 静态特性实验

2.4.3 温度补偿特性实验

2.4.4 结果分析

2.5 本章小结

第3章 光纤光栅扭转振动传感器

3.1 旋转轴系扭振理论分析

3.1.1 旋转机械扭振机理分析

3.1.2 旋转轴系扭振力学模型

3.2 光纤光栅扭振传感器的原理与模型

3.2.1 结构模型

3.2.2 应变模型

3.2.3 振动模型

3.3 仿真分析

3.3.1 数值分析

3.3.2 有限元仿真分析

3.4 传感特性实验

3.4.1 幅频特性实验

3.4.2 灵敏度实验

3.4.3 抗横向干扰特性实验

3.4.4 温度补偿特性实验

3.5 本章小结

第4章 旋转机械振动的光纤光栅检测应用研究

4.1 旋转实验台振动多点检测集成系统

4.1.1 集成系统的组建

4.1.2 旋转轴系模态仿真分析

4.2 旋转实验台平行振动检测实验与分析

4.2.1 恒速空载下振动检测实验

4.2.2 变化载荷下振动检测实验

4.3 旋转轴的扭转振动检测实验研究

4.3.1 恒速空载下扭振检测实验

4.3.2 变化负载下扭振检测实验

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士期间参与的科研项目

附录B 攻读硕士期间取得的研究成果