基于光纤光栅的旋转叶片变形监测方法与系统研究

摘要

旋转叶片作为旋转机械的重要组成部分,其安全性直接影响到旋转机械的整体安全性,叶片故障所导致的后果往往十分严重,对叶片工作中的状态进行监测具有十分重要的意义。叶片的变形是叶片状态最直观的描述,因此对叶片的变形情况进行监测显得尤为重要。本文的主要研究内容之一即为叶片变形监测方法的研究。光纤光栅传感技术是近年来发展迅速的一种传感技术,由于光纤光栅传感器具有无源无电、抗电磁干扰能力强、信号传输距离远、能在易燃易爆、灰尘油污等恶劣工作环境下工作、采用时分或波分复用技术易于实现大规模分布式网络测量等诸多优点,因此在大型机械装备状态监测中的应用前景十分广阔。而如何将光纤光栅有效应用到机械装备状态监测中,是现在许多研究人员都在研究的热点问题。结合以上两方面问题,本文的目的就是研究如何使用光纤光栅来实现对旋转叶片变形的监测。设计一种结构、寻求一种方法,将光纤光栅传感技术应用到旋转叶片变形监测中,为光纤光栅在机械结构状态监测中的应用提供一种方法和思路。针对这一目的,本文所做的主要工作包括:
　　1.对叶片结构和工作时的受力状态进行了理论分析,研究了叶片变形产生的机理与叶片变形的主要形式。
　　2.提出了使用光纤光栅进行叶片变形监测的方法,确定了用于测量变形信号的传感器的传感方法与类型,设计出了以光纤光栅为传感元件的传感器。这部分工作是本文的重点内容。
　　3.介绍了信号的分析与处理方法。首先介绍了光纤光栅的解调方法,然后介绍了信号的处理方法,包括时域分析、频谱分析和小波分析。
　　4.使用本文中设计的传感器分别进行了静态实验、转速测量实验和低速下信号的采集实验,确定了传感方法的可行性,为后续高速旋转状态下叶片变形的测量打下基础。

目录

中文摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1 论文研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 叶片状态监测方法的研究现状

1.2.2 光纤光栅在安全监测中的应用现状

1.3 课题来源及论文研究内容

第2章 叶片变形的理论分析及仿真计算

2.1 叶片变形的理论分析

2.1.1 叶片结构与类型

2.1.2 叶片的工作条件和变形形式

2.1.3 叶片工作时的受力分析

2.2 叶片变形的仿真分析

2.2.1 被测叶片的参数

2.2.2 建立仿真模型

2.2.3 划分网格与定义边界条件

2.2.4 仿真计算结果

2.3 本章小结

第3章 基于光纤光栅的非接触式变形监测方法研究

3.1 叶尖定时监测方法

3.1.1 叶尖定时测量法的原理

3.1.2 叶尖定时传感器

3.2 光纤布拉格光栅(FBG)传感的基本原理

3.3 光纤光栅叶尖定时传感器的设计

3.3.1 传感器总体设计

3.3.2 传感器探头的设计

3.3.3 转换部分的设计

3.3.4 光纤光栅叶尖定时传感器实物及内部结构

3.4 叶尖定时信号的转换方法分析

3.5 本章小结

第4章 定时信号处理与分析方法研究

4.1 波长信号的解调

4.2 定时脉冲信号的分析方法

4.2.1 异步变形的分析方法

4.2.2 同步变形的分析方法

4.3 本章小结

第5章 监测系统的组成与实验研究

5.1 监测系统的组成

5.1.1 旋转实验平台

5.1.2 解调设备

5.2 静态实验研究

5.2.1 传感器的静态特性参数

5.2.2 静态实验

5.3 转速测量实验研究

5.3.1 实验方法

5.3.2 实验数据与处理结果

5.3.3 误差产生的原因

5.4 定时脉冲信号的采集

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 研究生期间发表的论文