CN101109649A - 检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法与装置，该方法是利用粘贴或埋入的方式将光纤光栅传感器固定在旋转体上，通过光纤光栅解调器对光纤光栅传感器的反射波长进行解调，也可以将几个光栅同时安装在旋转物体的不同位置上，当旋转物体运行状态稳定时，传感光栅反射回的光波是恒定的；当旋转物体运行状态发生改变时，传感光栅反射回的光波长将发生相应的变化，传感光栅的波长信息被送入光纤光栅解调器进行分析处理。从而可以分析旋转物体多处的状态分布情况，实现旋转物体在线运行状态的非接触长期实时检测，本发明具有结构简单、安装方便、稳定性高、抗电磁干扰能力强等方面的优点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种非接触检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法，主要用于机械中旋转体的运行状态的非接触实时在线的检测，属于传感器技术领域。
技术背景：
旋转机械的工作状况关系到整个机械装备的正常运行，特别是对大型高速旋转机械的关键部位的应力、应变、振动及温度等状态的实时监测，对安全生产十分必要。长期以来，旋转机械运行状态的在线监测一直未能得到解决，因此本发明对于旋转机械运行状态的在线监测具有重大意义。有效而又完善的监测系统可以判断旋转体的工作状态，在线掌握旋转体相关物理量的变化趋势，定位故障所在，以便及时排除故障，并提出相应维护决策与措施，从而延长旋转体使用寿命，避免重大事故的发生。
由于旋转体的旋转，若采用传输线导出信号，可能导致传输线与旋转体或者旋转轴缠绕，因此，如何将信号导出并且对旋转体的运行状态进行实时监测成为技术瓶颈。传统的旋转体运行状态检测系统是采用无线发射接收模块将旋转体运行状态信号导出。该方法虽然解决了信号的导出问题，但对结构产生破坏，例如检测直升机旋翼的压力，首先是在旋翼上钻孔，然后将压力传感器放入孔中在进行测量，然而这样却破坏了旋翼原有的应力结构分布，也难以实现准确的压力测量，由此还带来巨额的投资。另外这种结构因受使用环境所限制，电磁干扰大，不适宜较潮湿的环境下工作，由于无线发射模块需要电源，所以需要经常更换电池，因此不适合长期实时安全监测。为了解决上述问题，在2001年第3期的《航空工程与维修》中，中国民航飞行学院发表一篇文章中指出采用Chadwick Helmuth公司生产的135M-12型电子闪频仪测量螺旋桨振动的方法，这种方法不用破坏机翼的的本身，而是用振动值来检测。具体方法是将靶标粘贴在螺旋桨叶根部，地面开车后，转速分别在1200r/min和2000r/min，在螺旋桨正前方20m处，用照射灯照射靶标，调节该装置在相应转速中，待靶标的反射亮点稳定后，从指示仪表上读出振动值，由此可以掌握螺旋桨的振动程度和振动数据，该方法虽然解决了破坏问题，但由于采用传输信号仍然容易受到电磁干扰，另外不能实现实时监测。又如，在2001年第2期的《直升机技术》和2002年第5期的《振动工程学报》中，南京理工大学和南京航空航天大学振动所也提出根据机体振动幅值频谱来识别旋翼故障类型和程度，他采用神经网络系统完成机体振动幅值频谱来识别旋翼故障类型和故障程度之间的映射关系，来达到检测的目的。但是该方法组建神经网络进行运算较为繁琐，这种间接的方式不可能准确地掌握运行状态，另外所用光电传感器容易受到电磁干扰。
本发明的目的是利用光纤光栅传感技术提供一种非接触实时在线的检测的方法和装置，它具有结构简单、抗干扰能力强、稳定性好并在旋转体运行状态中进行非接触监测。
发明内容：
本发明所提出的旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法与装置不同于已有技术的是，该发明采用一对准直器实现旋转体运行状态的非接触测量，从而避免了采用传输线导致传输线与旋转体或旋转轴缠绕的问题，又因为所采用的光纤光栅传感器为无源器件，从而避免了安装在旋转体上的无线模块能源耗尽从而导致系统无法正常运行的弊端，另外该发明所采用的光纤光栅传感器是检测光波长变化，其传感的物理量由光波长表征，不受传输光强变化的影响，从而从根本上解决旋转机械中旋转体的在线状态非接触监测的技术难题。
该方法是利用粘贴或埋入的方式，将光纤光栅传感器固定在旋转体上，以检测旋转体的运行状态(如应力，应变，振动，温度等)。在该发明中，光源发出的光经过Y型耦合器和传输光纤进入前准直器，一个准直器与Y型耦合器连接，并固定于支撑架上，称为前准直器；另一个准直器固定在电机主轴上，与光纤光栅相连，称为后准直器，通过调节支撑架前准直器和后准直器很好的耦合，从而使光能耦合效率最高，也实现将旋转体运行状态转化为传感光栅反射光波长的改变的非接触测量，经过准直器聚焦后的光通过传输光纤，进入光纤光栅传感器。当旋转物体运行状态稳定时，传感光栅反射回的光波是恒定的；当旋转物体运行状态发生改变时，传感光栅反射回的光波长将发生相应的变化，传感光栅的波长信息被送入光纤光栅解调器进行分析处理以实现对旋转体的在线运行状态的监测。
该方法也可以将几个光纤光栅传感器同时固定在旋转体的不同位置，通过对多路信号解调，从而可以实现旋转体多场、多参量的分布测量。且光纤本身重量极轻，传感器的粘贴技术难题也已经解决，因此不会对旋转体的结构产生任何影响。
本发明设计的用于检测旋转体运行状态的光纤光栅传感装置是一种非接触的无源测量装置，该装置中光源1、光纤光栅解调器2分别和Y型耦合器3相连接，Y型耦合器3另一端通过传输光纤4与前准直器6相连接，并固定于支撑架5上，；后准直器7固定在电机主轴12上，与光纤光栅传感器10相连。通过调节支撑架5，使前准直器6和后准直器7很好的耦合，从而使光能耦合效率最高，以减少损耗。光纤光栅传感器10固定于旋转体上8，当旋转体8运行状态发生改变时，会引起传感光栅栅距的变化，从而导致传感光栅反射光波长发生漂移，反射光又经过传输光纤、后准直器、前准直器、Y型耦合器进入数据分析处理系统进行信号分析。
本发明相对于传统的检测旋转体运行状态的传感器最大的特点是无源以及非接触测量，传输信号不受光强变化的影响，另外其结构简单，安装方便，测量稳定性高，灵敏度和精确度也极大提高；而且动态性能好，能测量旋转体运行状况的瞬态变化。由于本发明采用的传感器是光纤光栅传感器，属于光学传感器，因此该系统不受电磁干扰，可靠性稳定性较好。
附图说明
图1.检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法与装置工作原理图
图2.旋转物体运行状态检测系统主视图
其中：1-光源、2-光纤光栅解调器、3-Y型耦合器、4-传输光纤、5-支撑架、6-前准直器、7-后准直器、8-旋转物体、9-传输光纤、10-光纤光栅传感器、11-电机、12-电机主轴。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1、2所示，本发明检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法与装置主要包括光源1、光纤光栅解调器2、Y型耦合器3、传输光纤4、支撑架5、前准直器6、后准直器7、旋转物体8、传输光纤9、光纤光栅传感器10、电机11、电机主轴12、检测时将光纤光栅传感器10和传输光纤9粘贴或埋入在旋转体8上，当旋转体8运行状态发生改变时，会引起传感光栅栅距的变化，从而导致传感光栅反射光波长发生漂移，反射光又经过传输光纤4后准光源发出的光经过Y型耦合器3和传输光纤4进入前准直器6，前准直器和后准直器很好的耦合，从而使光能耦合效率最高，后准直器7固定于电机主轴12上，随电机主轴12一起旋转，后准直器7、旋转物体8、传输光纤9、光纤光栅传感器10和电机主轴12具有相同的角速度。由于前准直器6和后准直器7能很好的耦合，保证光的传输，且不受任何干扰。
Claims (2)
1.一种检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测方法其特征在于：将光纤光栅传感器光粘贴或埋入的方式固定在旋转体上，当光源发出的光通过Y型耦合器和传输光纤进入到准直器，通过调节支撑架使前准直器和后准直器将光进行耦合，经过准直器聚焦后的光通过传输光纤，进入光纤光栅传感器，当旋转体运行状态发生改变时，会引起传感光栅栅距的变化，从而导致传感光栅反射光波长发生漂移，反射光通过传输光纤、后准直器、前准直器、Y型耦合器返回到光纤光栅解调器进行数据分析处理。
2.一种检测旋转机械运行状态的光纤光栅传感检测装置其特征在于：该装置包括光源(1)、光纤光栅解调器(2)、Y型耦合器(3)、传输光纤(4)、支撑架(5)、前准直器(6)、后准直器(7)、旋转物体(8)、传输光纤(9)、光纤光栅传感器(10)、电机(11)、电机主轴(12)，光源(1)、光纤光栅解调器(2)一端与Y型耦合器(3)相连接，Y型耦合器(3)另一端通过传输光纤(4)与前准直器(6)相连接，并固定于支撑架(5)上，后准直器(7)固定在电机主轴(12)上，光纤光栅传感器(10)和传输光纤(9)粘贴或埋入在旋转体(8)上，传输光纤(9)和光纤光栅传感器(10)串接在一起，随电机主轴12一起旋转，并具有相同的角速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |