大型机械装备光纤光栅震动检测方法及检测传感器

摘要

一种大型机械装备光纤光栅震动检测方法及检测传感器。该传感器探头部分主要有磁耦合传感探头和光纤光栅传感探头两部分组成。检测大型机械装备震动是将该传感器中的磁耦合传感探头、金属膜片、光纤光栅和一个光纤光栅解调系统依次连接，磁耦合传感探头对着被测物体。磁耦合传感探头与被测物体之间发生磁耦合力促使磁耦合探头发生位移变化，并依次导致金属膜片中心偏离原位置和光纤光栅波长发生漂移，光纤光栅解调系统得到光纤光栅波长漂移值并对整个过程做出分析。本发明具有结构简单、制作和安装方便、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、信号可远程传输、频率动态响应速度快、可检测高频信号、不受温度影响、能在环境恶劣和易燃易爆场所使用。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种大型机械装备运行状态分析的非接触式光纤光栅检测方法及检测传感器，主要用于机械中旋转体振动和轴向位移的实时监测，属于传感器技术领域。

背景技术：

大型机械装备的运行状态，特别是其中关键部件的正常运行，对安全生产和人民生命财产的保护都是十分重要的。目前普遍采用非接触方法监测大型旋转机械的运行状态，在非接触传感器中应用较多的是电涡流式传感器和光电传感器。电涡流式传感器因具有结构简单，灵敏度高，频率响应范围宽、不受油污等介质影响、长期工作稳定可靠等特点而备受重视，多年来一直是大型旋转机械振动测量、轴向位移测量的首选，但也存在着致命的缺点，在检测过程中需要前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，最终将机械位移转化成电压信号传输，因此，在易燃易爆危险场所使用该类传感器存在着极大的安全隐患，容易引发火灾、爆炸等危险。另外电涡流式传感器温度漂移较大，温度稳定性差；并且信号无法进行长距离传输，在传输过程中损耗较大，影响测量精度。光电传感器是另一种常用非接触式传感器，是基于光学原理的方法，通过比较发出光和接收光的强弱来测量被测物的位置或位移，该方法具有较高的精度和大的测量范围，但被测物对光的吸收比较大，反射光较弱，对光接收装置要求高，一般需要在被测物表面安装强反光镜片；而且对测量的环境要求高，环境中的灰尘等都会造成对测量结果的影响，因此该类传感器无法在有灰尘、油污的恶劣工业环境中使用。

自1989年Morey首次提出将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到了世界范围的广泛重视，并且得到了迅速的发展。光纤光栅传感技术的长期、实时、在线监测的稳定性都已经受到专家们广泛的关注和认可，并成为大型结构工程(如桥梁、大坝、石化等)健康监测的核心技术之一。在健康监测中应用的光纤光栅传感器多为接触式传感器，将光栅贴于等强度悬臂梁上，被测物的移动触使悬臂梁发生变形，导致光栅也随之发生形变，通过测量光栅的波长飘移来判断被测物位移的变化。悬臂梁光纤光栅传感器对频率动态响应特性差，不能应用于高频测量。此外，接触式光纤光栅传感器由于传输线易和旋转体或旋转轴缠绕，也滞碍其在旋转机械健康监测中的应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术缺点，提供一种结构简单，制作和安装方便，灵敏度高，抗电磁干扰能力强，信号可远程传输，可检测高频信号，无需温度补偿，能在高灰尘、高油污等恶劣环境中使用，并且在易燃易爆场所本质安全的非接触式光纤光栅动态检测传感器，本发明同时提供一种利用该传感器检测大型机械装备震动的方法。

实现本发明的目的的技术方案是：

一种非接触式光纤光栅动态检测传感器，它主要由磁耦合传感探头和光纤光栅传感探头两部分组成，其中磁耦合传感探头是由第1磁铁和第2磁铁通过连接软铁连接形成的一U型传感探头；光纤光栅传感探头由光纤光栅和金属膜片构成，光纤光栅两端分别固定在第1毛细钢管和第2毛细钢管中，第1毛细钢管固定于金属套筒一端，第2毛细钢管垂直固定于金属膜片中央的硬心位置，并预拉伸光纤，金属膜片固定于金属套筒另一端，磁耦合传感探头通过连接杆与金属膜片中央的硬心连接。

本发明的一种大型机械装备光纤光栅震动检测方法，其特征在于：将上述的非接触式光纤光栅动态检测传感器中的磁耦合传感探头、金属膜片、光纤光栅和一个光纤光栅解调系统依次连接起来，将其非接触式传感器探头中的金属套筒固定于安装支架上，磁耦合传感探头对着被测物体，通过调节安装支架确定磁耦合传感探头与被测物体之间的初始间距，使磁耦合U型探头与被测物体形成一闭合磁路，磁耦合传感探头与被测物体之间发生磁耦合力促使磁耦合传感探头发生位移变化，并依次导致金属膜片偏离原位置和光纤光栅波长发生漂移，光纤光栅解调系统得到光纤光栅波长漂移值并对整个过程做出分析。

本发明的检测方法中，光纤光栅解调系统对光纤光栅波长漂移进行分析是通过比较光栅波长的波峰和波谷的相对变量实现的，消除了温度在检测过程中对光栅波长漂移的影响，无需温度补偿。

本发明工作原理：在一定间距范围内，磁耦合传感探头与被测物体之间会产生一个封闭的磁场，磁耦合力的大小与间距有关，间距越小，磁耦合力越大。根据间隙远近形成不同大小磁耦合力带动金属膜片中心偏离原位置的挠度转变为光纤光栅的轴向应变，膜片中心垂直受力时，膜片所有变形量中，膜片中心在垂直方向偏离原位置的挠度最大，故该方案可以得到更高的灵敏度和量程。通过光纤光栅解调系统测量光纤光栅的波长漂移以判断磁耦合传感探头与被测物体之间的间距，以此得出被测物体的运行状态。

当被测物体正常运转时，光纤光栅解调系统检测到的光纤光栅的光波漂移也是周期性稳定变化的；当被测物体运行状态发生故障时，磁耦合传感探头与被测物体之间的间距也会发生不规则变化，导致磁耦合力、金属膜片的挠度以及光纤光栅的波长漂移也随之发生不规则变化，最后光纤光栅解调系统得到安全界限以外的信号，并引发报警。该解调方法是通过比较光栅波长的波峰和波谷的相对变量实现的，这便可消除温度在检测过程中的影响，实现了无需温度补偿的检测方法，并简化了探头的整体结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.该传感器是一种基于光纤光栅技术的非接触磁耦合传感器，在工作现场不存在电类设备，因此有效避免了电的因素引起的危险，可以应用到易燃易爆场所，并且磁耦合传感探头对环境状况要求低，能在高灰尘、高油污等恶劣环境中使用。

2.采用膜片结构，相对于悬臂梁和简支梁结构，频率动态响应速度快，可进行高频测量。

3.采用膜片中心最大挠度处的位移直接传递到光纤光栅，相对于利用膜片其他方位的变形更容易被光纤光栅感知，灵敏度更高。

4.在本传感器中，光纤不仅作为敏感元件，而且是信号的传输介质，使得信号可以低损耗、甚至无损耗远距离传输，提高了传感器的远程检测能力以及检测精度。

5.磁耦合探探头与被测物体之间形成闭合的耦合磁场，不受外界电磁干扰，并且光纤光栅具有绝对的抗电磁干扰能力，因此本传感装置抗电磁干扰能力强。

6.在信号解调方面，采用比较输出波长信号波峰和波谷的相对变量实现对目标信号的检测，这可消除温度在检测过程中的影响，实现了无需温度补偿的检测方法，因此检测装置不受温度影响，可适应低温和高温环境。

7.探头的整体结构简单，便于制作和安装。

附图说明：

图1是大型机械装备光纤光栅震动检测方法工作原理图

图2是磁耦合传感探头主视图

图中：1-光纤光栅解调系统、2-光纤光栅、3-第1毛细钢管、4-第2毛细钢管、5-金属套筒、6-金属膜片、7-连接杆、8-磁耦合传感探头、8-a-连接软铁、8-b-第1磁铁、8-c-第2磁铁、9-安装支架、10-被测物体。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

非接触式光纤光栅动态检测传感器整体安装结构：将光纤光栅2两端用胶分别粘入第1毛细钢管3和第2毛细钢管4中，其中第1毛细钢管3与金属套筒5一端相连，第2毛细钢管4与金属膜片6中央硬心相连，金属膜片6焊接在金属套筒5另一端，在此安装过程中一并将光纤光栅2预紧，将第1磁铁8-b和第2磁铁8-c通过连接软铁8-a连接形成的一U型传感探头——磁耦合传感探头8，磁耦合传感探头8通过连接杆7与金属膜片6中央硬心连接，这样即构成非接触式光纤光栅动态检测传感器。

利用非接触式光纤光栅动态检测传感器检测大型机械装备震动时，将检测传感器中磁耦合传感探头8、金属膜片6、光纤光栅2，和一个光纤光栅解调系统1依次连接，检测传感器中的金属套筒5固定于安装支架9上，磁耦合传感探头8对着被测物体10，通过调节安装支架9确定磁耦合传感探头8与被测物体10之间的初始间距。

检测原理：在一定间距范围内，磁耦合传感探头8与被测物体10之间会产生一个封闭的耦合磁场，磁耦合力的大小与间距有关，间距越小，磁耦合力越大。磁耦合力通过连接杆7使金属膜片6发生变形，逐使光纤光栅2产生形变，通过光纤光栅解调系统1测量光纤光栅2的波长漂移以判断磁耦合传感头8与被测物体10之间的间距，以此得出被测物体10的运行状态。

当被测物体10正常运转时，光纤光栅解调系统1检测到的光纤光栅2的光波漂移也是周期性稳定变化的；当被测物体10运行状态发生故障时，磁耦合传感头8与被测物体10之间的间距也会发生不规则变化，导致磁耦合力、金属膜片6的挠度以及光纤光栅2的波长漂移也随之发生不规则变化，最后光纤光栅解调系统1得到安全界限以外的信号，并引发报警。