基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置

摘要

一种基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置，包括光纤光栅加速度传感器组、1×N光纤耦合器、环形器、M个前置波分复用器、后置波分复用器、宽带光源、光电转换滤波模块、非平衡迈克尔逊干涉仪解调模块、现场可编程门阵列模块、净化电源箱、微处理器工控主板模块。其中采用光纤光栅加速度传感器安装在水电机组的顶盖或机架上，通过设置固定差别长度的铠装光缆连接进行光信号传输，然后对光信号干涉法解调。将该装置应用在水电机组振动测量具有灵敏度高，传感及检测部分完全绝缘，低噪声、低频率响应等优点，该装置能检测出低达0.1Hz的振动信号，从而满足水电机组低频振动信号0.4Hz-200Hz频响范围的监测功能，并改善已有的低频振动传感器的长期运行稳定性差、精度降低等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水电站机组检测装置，特别是一种基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置。

背景技术

水轮发电机事故多表现为振动故障。振动信号具有多维性、广泛性、并具有一般实用性，因而水轮机组监测系统将振动作为主要监测项目。其中大中型水轮发电机组的转频较低，约为1～2Hz，水轮机尾水管产生水流涡旋引起的机组振动更低，约为转频的1/5～1/3，此外，一旦水电机组在运行过程中发生事故甩负荷，甩负荷过渡过程中振动信号的频率将更低。

目前常用的水电机组振动监测的传感器采用的是基于地震波检测改良的DP低频传感器，监测振动频率范围为0.5Hz-200Hz，可以输出速度或者位移信号，具体实施方法参考专利CN92102774-“地震式低频振动测量装置”，但是该装置现场使用中存在大量信号失效、稳定性较差等问题，同时还可能引起共振，导致测量不准确。

另一种方式是采用压电式加速度计或者伺服式加速度计，然后再通过积分电路进行低频振动监测，如专利CN201410561597-“水电站机组振动测量监测方法”。该装置由于使用的是电子式的传感器，需要克服传感器需要供电的影响、远程传输电磁干扰、甚至信号衰减等问题，而且该方式是采用模拟信号的硬件积分进行加速度对速度或位移信号的转换。

此外，专利ZL201320620060.4-“一种变压器光纤光栅振动波谱在线监测系统”涉及采用非平衡迈克尔逊干涉仪进行振动信号解调过程，其特征是单一通道内部的不同波长传感器的串联结构，并获得变压器的振动信号中高频信号，频响范围在10Hz-1KHz，没有涉及低频信号的实时并行处理，以及振动速度信号和振动位移信号的获取。

专利201310253212.6实现的一种外差式激光干涉角振动测量方法及装置，其特征在其使用小于一个载波周期的模型段对低信噪比、非平稳角振动激光多普勒信号波形进行数字化频率解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。但是其没有提及低频信号，尤其低至0.1Hz的信号测量，以及多通道的同步监测。

但是，无论目前水电机组采用的是常规低频振动监测，都需要对传感器进行供电，甚至需要在信号传输过程中进行信号中继放大的电路处理，由于水电机组传感器安装环境条件恶劣，周围存在强电磁环境，因此目前实际应用中存在低频振动传感器寿命过短，测量精度易下降，导致测量失效。

发明内容

本发明的目的是针对当前水电机组振动监测实际运用中的不足而提供一种测量数据可靠、准确度高,效果显著的基于光纤传感的水电站机组振动测量装置。该装置由光纤光栅加速度传感器组和干涉法解调装置两部分共同组成。其具有前端传感器部分属于无源传感器，无需供电，避免电磁干扰；后端部分采用干涉法进行光信号的解调处理，并采用高精度的现场可编程门阵列模块进行多通道同步采集和并行处理，利用隔直流滤波及相位载波算法降低积分电路直流漂移对信号的影响，本装置最低可测量0.1Hz低频振动信号，因而实现了对于水电机组低频振动信号在0.4Hz-200Hz之间的高精度测量。

本发明所采用的技术措施是：一种基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置，它包括依次连接的光纤光栅加速度传感器组、M个前置波分复用器、1×N光纤耦合器、环形器、宽带光源；其特征是环形器还与非平衡迈克逊干涉仪解调模块连接，非平衡迈克逊干涉仪解调模块与后置波分复用器连接、后置波分复用器连接光电滤波转换模块后，再与现场可编程门阵列模块连接；净化电源箱为非平衡迈克逊干涉仪解调模块、光电滤波转换模块、宽带光源、现场可编程门阵列模块和微处理器工控主板模块供电。

本方案的具体特点还有，当M=N且N≠0、N≤25，宽带光源发出的光通过环形器进入1×N光纤耦合器实现N路光信号输出，N路中每1路接1个前置波分复用器，共计M个；光纤光栅加速度传感器组直接连接M个前置波分复用器：每个前置波分复用器中的1个通道连接1个光纤光栅加速度传感器，可以并联1至8个不同波长的光纤光栅加速度传感器，且只与后置波分复用器中的1个通道对应；然后M个前置波分复用器再与1×N光纤耦合器连接。

当M=0时且N≠0、N≤25，光纤光栅加速度传感器组为N个不同波长的光纤光栅加速度传感器并联结构；每1个光纤光栅加速度传感器与1×N光纤耦合器的1路连接，其中每1路光纤光栅加速度传感器唯一对应后置波分复用器的1个通道。

光纤光栅加速度传感器的波长范围为C+L波段内即1525nm-1610nm；然后每1路光纤光栅加速度传感器的带有振动加速度信号特征反射光信号再通过1×N光纤耦合器后，经环形器将每1路反射光信号送至非平衡迈克逊干涉仪解调模块；通过具有载波调制的非平衡迈克逊干涉仪解调模块对每1路反射光信号产生干涉，从而将带有振动信号特征的反射光信号转换为带有相位特征的干涉光信号；干涉光信号再进入唯一波长对应的后置波分复用器内唯一通道进行波长分离，分离后的光信号具有振动相位特征、波长唯一特征、时间差别特征；通过后置波分复用器的每1路光信号进入光电转换滤波模块，将光信号转换成与每1路光纤光栅加速度传感器对应的电压信号；

然后每1路电压信号被现场可编程门阵列模块进行多通道同步采集，并采用时分复用算法、并行多通道相位检测算法计算，最后处理得到振动加速度数字信号；振动加速度数字信号再送入微处理器处理得到振动速度信号，再进一步得到振动位移信号。

所述光纤光栅振动加速度传感器包括：一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶；第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上固定设置有补偿柱；第二侧壁上开有竖直槽；在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块，上质量块和下质量块对称安装于弹性片上下两侧；弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔；调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板顶部设置有第二微孔，调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接，调节梁和第二侧壁之间设置有第一弹性垫片，第一紧固螺钉使第一弹性垫片产生形变；调节梁的横板通过第二紧固螺钉与补偿柱连接，且第二紧固螺钉与调节梁的横板之间装有第二弹性垫片，第二紧固螺钉穿过第二弹性垫片和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔中；光纤光栅依次穿过第一微孔，竖直槽和第二微孔，并在第一微孔处与折起片固定在一起，在第二微孔处与调节梁固定在一起。

所述光纤光栅振动加速度传感器经过上述结构封装后在两端留有50厘米光缆外接线，然后直接安装在顶盖和机架上；并通过一个法兰与铠装连接光缆连接，铠装连接光缆另一端连接至后端装置。

所用光纤光栅振动加速度传感器采用预应力拉伸光纤光栅封装而成，并在光栅区域进行聚酰亚胺涂覆。

所述光纤光栅振动加速度传感器组，当光纤光栅加速度传感器之间存在有串联结构时，其特征为同一个波长的传感器应采用设置固定差别长度的铠装连接光缆，即在1×N光纤耦合器实现N路光信号输出时，在第N路与第N-1路之间的连接光缆相差50m的长度，在第N+1路与第N-1路之间的铠装连接光缆相差2×50m的长度，依次类推。

光纤光栅振动加速度传感器的波长灵敏度≥140pm/g，灵敏度测量曲线如图3所示；本装置监测频率响应范围可以在0.1Hz-300Hz，传感器谐振频率在200Hz以上。传感器的灵敏度在200Hz以内基本一致，波动非常小；针对传感器获得的振动信号在通过非平衡迈克尔逊干涉仪解调模块、现场可编程门阵列模块、微处理器工控主板模块处理之后，装置所得幅频响曲线为图4所示，满足水电机组低频振动0.4Hz-200Hz之间的测量要求。

本发明所述非平衡迈克逊干涉仪解调模块内部包括1个非平衡迈克尔逊干涉仪和1块载波调制电路模块；其中非平衡迈克逊干涉仪采用臂长差小于等于5mm的封装结构，如美国Optiphase公司的干涉仪。载波调制电路模块采用嵌入式ARM芯片（AcornRISCMachine）内部数字模拟转换器输出恒定正弦波信号组成，如采用意法半导体的STM32芯片。

本发明采用的宽带光源是C+L波段平坦宽带光源（1525nm-1610nm），功率为50mw至100mw，光源平坦度为不高于1.5dB，用于向光纤光栅传感器组提供发射光源，可以采用深圳浩源光电公司或天津峻峰光电公司的宽带光源。

本发明所用净化电源箱采用高保真音响级电源净化模块和线性电源组成，用于交流电源或市电电源调节和净化，能持续提供低纹波、更纯净的供电电源，较佳的可以采用市场上的深圳乾隆盛公司的F1000电源净化模块和朝阳线性电源。

本发明的光电转换滤波模块采用高精密、低失真运算放大器AD8067，且单元本底噪声低于1mV，用于对微弱光信号进行光电转换及进行带通滤波处理。

本发明所述现场可编程门阵列模块，可以采用NI仪器的基于SBRIO核心板设计的模块，为了减少针对低频信号的噪声信号影响，采集通道采用的24位采集精度，采样频率大于100K，并针对同一通道内同一波长采用时分复用算法，然后通过内部逻辑电路硬件实现多通道相位检测算法然后将硬件算法解调的振动加速度数字信号传给微处理器工控主板模块。

本发明如图1所示，为了达到对水电机组的低频信号振动监测功能，该装置的特征为两个解调部分：（1）光路解调过程：装置的针对振动信号解调，需要先由安装在水电机组顶盖、机架光纤光栅振动加速度传感器将水电机组振动信号转换为每1路光纤光栅加速度传感器的反射光信号，然后每1路反射光信号在非平衡迈克逊干涉仪模块中形成稳定、低噪的干涉光信号，再通过后置波分复用器将每1路不同波长的干涉光信号分离出来，再进入光电滤波转换模块将干涉光信号变换成模拟电压信号。（2）解调过程：如图1和图5所示，在光电滤波转换模块经过了光电转换及隔直流滤波环节后输出的多路模拟电压信号，通过现场可编程门阵列模块的多通道同步采集计算，并针对同一通道内同一波长采用时分复用算法，同时硬件实现多通道相位检测算法、降采样计算法将模拟电压信号变换成振动加速度数字信号，再经过多通道高通滤波环节送入微处理器工控主板模块；经过微处理器工控主板模块实现第一多通道隔直流滤波环节、第一多通道积分环节得到振动速度信号；也可以再继续经过至少1个第二多通道隔直流滤波环节、第二多通道积分环节得到振动位移信号，从而满足水电机组振动信号0.4Hz-200Hz频响范围的监测功能。其中，所述现场可编程门阵列模块采集、解调算法后的振动加速度信号、振动速度信号、振动位移信号及其获取和计算环节都是采用数字信号进行处理，无模拟信号的衰减问题。

本发明的有益效果在于：

1、光纤光栅加速度传感器属于无源远距离传感监测传感器，光纤具有强绝缘性，不受电磁干扰，而其它类型的如地震检波式的DP传感器、压电式传感器等有源型传感器容易出现失稳现象，导致测量的频率信号逐渐严真，甚至长时间运行后无法检测到低频信号，丢失有效信息；因而光纤光栅加速度传感器在供电、传输信号不会衰减、测量信号无需放大等方面存在更方便的使用优势，从而达到长期使用寿命更长，测量精度长时间保持精准的状况。

2、本装置采用的多通道光纤光栅加速度组光路结构设计，相比市面上的其它种类的传感器，通道数量可以多很多，在需要实时同步监测多个水电机组大量传感器时，采用本发明设计的多通道监测装置可以更方便的实现，从而可以降低电厂成本。

3、采用光路的非平衡迈克逊干涉法进行振动信号解调法，具有高灵敏度、高分辨率、大动态范围等测量原理上的优势，相对其他类型的振动信号解析，该方法测量最低频率可以达到0.1Hz甚至更低；本发明所得到的装置实际测试中可以很好的解析0.2Hz的低频振动信号，因而在满足水电机组低频振动监测范围0.4Hz-200Hz内能够更好的还原真实振动信号。

附图说明

图1是光纤水电站机组振动测量装置硬件结构框图；图2是光纤光栅加速度传感器结构示意图；图3是多个传感器的灵敏度测量曲线；图4是光纤光栅加速度传感器幅频特性曲线；图5是装置信号解调整体流程图。

图2中：10-支座；11-第一侧壁；12-第二侧壁；13-第一台阶；14-横梁；15-第二台阶；16-第三台阶；17-导槽；18-竖直槽；20-弹性片；21-折起片；22-第一微孔；23-调节框；30-上质量块；31-下质量块；32-第一长槽；40-调节梁；41-第一紧固螺钉；42-第一弹性垫片；43-第二弹性垫片；44-第二紧固螺钉；45-第二微孔；46-凸缘；50-补偿柱；60-光纤光栅；70-限位螺钉；71-第三弹性垫片。

具体实施方式

为实现本发明，以下为一个较优实施例，可以实现本发明，但本发明不仅限于以下实施例。

如图1所示，基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置，它包括依次连接的光纤光栅加速度传感器组、M个前置波分复用器（本实施例采用M=0）、1×N光纤耦合器、环形器、宽带光源（本实施例采用C波段即可）；环形器还与非平衡迈克逊干涉仪解调模块连接，非平衡迈克逊干涉仪解调模块与后置波分复用器连接、后置波分复用器连接光电滤波转换模块后，再与现场可编程门阵列模块连接；净化电源箱为非平衡迈克逊干涉仪解调模块、光电滤波转换模块、宽带光源、现场可编程门阵列模块和微处理器工控主板模块供电。

为了达到本发明的目的，本发明中的光纤光栅振动加速度传感器，如附图2所示，它包括：一支座10，支座10为u字型结构，具有第一侧壁11和第二侧壁12，第一侧壁11的内侧具有第一台阶13；第二侧壁12顶端有向第一侧壁11延伸的横梁14，在第二侧壁12的外侧设置有第二台阶15和第三台阶16，在第二台阶15上设置有调节梁40，在第三台阶16上固定设置有补偿柱50；第二侧壁12上开有竖直槽18；在支座10上设置有倒T型的弹性片20，弹性片20的头部固定在第一侧壁11内侧的第一台阶13上，弹性片20的尾部固定连接上质量块30和下质量块31，上质量块30和下质量块31对称安装于弹性片20上下两侧；弹性片20的中部设置有一向上的折起片21，在折起片21上设置有第一微孔22；调节梁40包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘46，在第二台阶15上设置有导槽17，凸缘46与导槽17相适配使调节梁40的凸缘46在导槽17中枢转；调节梁40的竖板顶部设置有第二微孔45，调节梁40的竖板通过第一紧固螺钉41与支座10的第二侧壁12连接，调节梁40和第二侧壁12之间设置有第一弹性垫片42，第一紧固螺钉41使第一弹性垫片42产生形变；调节梁40的横板通过第二紧固螺钉44与补偿柱50连接，且第二紧固螺钉44与调节梁40的横板之间装有第二弹性垫片43，第二紧固螺钉44穿过第二弹性垫片43和横板旋入到补偿柱50上的螺纹孔中；光纤光栅60依次穿过第一微孔22，竖直槽18和第二微孔45，并在第一微孔22处与折起片21固定在一起，在第二微孔45处与调节梁40固定在一起。

所述光纤光栅振动加速度传感器经过上述结构封装后在两端留有50厘米光缆外接线，然后直接安装在顶盖和机架上；并通过一个法兰与铠装连接光缆连接，铠装连接光缆另一端连接至后端装置。

光纤光栅振动加速度传感器组中同一个波长的传感器采用设置固定差别长度的铠装连接光缆，按照不同水电机组要求安装在机架或者顶盖上，其中传感器波长为C波段内1525nm-1565nm之间的波长，每个传感器从安装点通过单芯铠装连接光缆与远端控制柜的解调仪器相连接，其中传感器的灵敏度特性曲线如图3所示。

如图1所示，采用C波段的宽带光源发出的光通过环形器进入1×N光纤耦合器实现N路光信号输出，令M=0，满足N≤25，光纤光栅加速度传感器组为N个光纤光栅加速度传感器并联结构，N路光信号中每1路直接传输至1个光纤光栅加速度传感器；然后每1路光纤光栅加速度传感器的带有振动加速度信号特征反射光信号再通过1×N光纤耦合器后，经环形器将每1路反射光信号送至非平衡迈克逊干涉仪解调模块；通过具有载波调制的非平衡迈克逊干涉仪解调模块对每1路反射光信号产生干涉，干涉后的光信号再进入唯一波长对应的后置波分复用器内唯一通道进行波长分离，分离后的干涉光信号具有振动相位特征、波长唯一特征、时间差别特征；通过后置波分复用器的每1路光信号进入光电转换滤波模块，将光信号转换成对应的每1路电压信号。

然后每1路电压信号被现场可编程门阵列模块进行多通道同步采集，并采用时分复用算法、并行多通道相位检测算法计算，最后处理得到振动加速度数字信号；振动加速度数字信号再送入微处理器工控主板模块，通过软件处理得到振动速度信号，再进一步得到振动位移信号。

非平衡迈克逊干涉仪解调模块内部包括1个非平衡迈克尔逊干涉仪和1块载波调制电路模块。其中非平衡迈克逊干涉仪可以采用美国Optiphase公司的干涉仪、北京半导体所或者中国电子23所封装的非平衡迈克逊干涉仪，其臂长差小于等于5mm。载波调制电路模块采用嵌入式ARM芯片（AcornRISCMachine）内部数字模拟转换器输出恒定正弦波信号组成，如采用意法半导体的STM32芯片。

反射光信号进入实施2.5KHz载波调制模块调制的非平衡迈克尔逊干涉仪模块，通过臂长差5mm的光路结构和法拉第旋转镜消除偏振效应之后将反射光信号中的振动信号特征转换为带有相位特征的干涉光信号。然后对干涉光信号进行波分复用，通过如图1所示的光电滤波转换模块将光信号转换放大为正负10V内的有效电压信号输出。

光电转换滤波模块可以采用的基于芯片AD8067的单元模块，多达16通道设计，其本底噪声低于1mV，光信号检测强度需在nW级。

现场可编程门阵列模块可以选择市场已有的核心板再进行外围电路的设计配置，比如NI仪器的SBRIO核心板。由于信号频率低，同时为了消除光路和电路的双重噪声，需要采用24位的外围采集芯片，采集频率需要高于100KHz，对16路低频振动信号进行并行处理。

现场可编程门阵列模块在针对同一通道同一波长处理时采用LABVIEW编写时分算法，区别对待同一波长的光纤光栅加速度振动传感器；干涉信号相位检测算法较佳采用的是相位载波微分相乘或者反正切算法实时硬件逐点运算，实时解调干涉信号。

微处理器工控主板模块可以采用主频高、内存大的工业级嵌入式主板，如浪潮、研华等，较佳的主板有研华的嵌入式5271主板。通过现场可编程门阵列模块传输振动加速度数字信号至微处理器工控主板，需要实时对加速度信号进行分步处理，如图4所示。最好的方式可以先对加速度信号进行第一多通道隔直流滤波信号处理，进行多阶的有限长单位冲激响应滤波器去噪设计，然后可以采用多项式拟合积分算法进行第一时域积分计算，这样就可以得到振动速度信号，并且可以一定程度抑制数字相位载波算法解调过程中的直流漂移现象。如果需要得到振动位移信号，可以重复上述过程，如图1所述，进行第二多通道隔直流滤波设计，再进行第二时域积分运算，这样就可以得到所需的振动位移信号。

最终通过传感器和解调系统各个模块的联合信号处理，实现传感器的幅频特性曲线为如图3所示，整个装置可以检测到低至0.1Hz的有效低频信号，针对实际水电机组低频振动监测应用，满足低频0.4Hz的振动有效信号测量。

净化电源箱可以采用高保真音响级电源净化模块和线性电源组合而成，提供纯净和稳定的直流电压，较佳的可以采用市场上的深圳乾隆盛公司的F1000电源净化模块和朝阳线性电源。

基于非平衡迈克尔逊干涉仪解调的光纤光栅振动监测装置可以满足水电站机组振动信号检测，由于采用基于光纤传感的光纤光栅加速度传感器，在传感器前端安装处及信号从前端传输至配电柜安装的解调仪器之间几乎完全绝缘，避免了电信号的远程传输的损耗、噪声干扰、甚至需要进行信号放大处理等影响因素。此外，由于传感器的谐振频段在200Hz以上，所以与水电机组的中频振动信号基本不会产生谐振。因此，本发明解决了原有惯性低频振动传感器测量信号失真或失效、精度差等问题，同时发明了一种新的稳定性好、寿命长，测量数据的可靠性、准确度高的传感监测装置，在水电站振动在线监测、测量将有良好的推广前景。