CN1031133A - 旋转体物理参数分布动态测量设备 - Google Patents

Abstract

一种物理参数分布动态测量设备，适用于应用光 纤传感技术测量强电磁场等强干扰环境中高速旋转 体物理参数动态分布。它是由传感元件、光源、驱动 器、包括有光学天线及底座的出射光时间分配器、无 接触分波光接收机、数据处理设备、及光纤和电缆组 成。本发明解决了旋转体物理参数无接触传输问题， 能对强干扰环境中旋转体特别是高速旋转体(如发电 机转子)的物理参数进行实时监测，以保证旋转体安 全正常满负荷运行。

Description

本发明涉及一种物理参数分布动态测量设备，它特别适用于应用光纤传感技术测量强电磁场等强干扰环境中高速旋转体的物理参数动态分布。

至今为止，利用光纤传感技术测量强磁场等强干扰情况下旋转体，特别是高速旋转体表面和内部动态物理参数的分布，尚未见报导。例如，在现有技术中对发电机转子温度分布动态的测量是利用热敏电阻作为传感元件，将多个传感元件固定在转子上，用双绞金属线通过炭刷滑环引出，以直接测量热敏电阻阻值来查得相对应的温度。日本专利GO1K13/08、7/20披露了东京芝浦电气株式会社发明的一种“转子温度检出装置”，它是使用旋转变压器，将负载在转子上的另件构成测温回路。但上述现有技术由于不能在强磁场等强干扰情况下正常工作，从而使测量精度受到极大影响。其次由于对高速旋转体的信号不能及时响应，从而也影响了测试精度，限制了使用范围。并且，由于这些设备的安装受到了被测对象的限制，因而在某些工作环境下在实际应用中是难以实现的。

本发明的任务，是为在强磁场等强干扰情况下，大型发电机、电动机以及其它机器的旋转体部件在运行过程中，设计出一种对旋转体上各点的物理参数（如温度、湿度、压力等）分布能进行实际监测的测量设备，以保证这些旋转体部件满负荷安全运行。

按照本发明的任务，所设计的旋转体物理参数分布动态测量设备包括：固定于旋转体上不止一个的传感元件（传感元件的多少取决于希望测量旋转体物理参数分布的范围，即测点的多少，传感元件的选择取决于测量物理参数的种类，如测压力选择压力传感元件等），按置于旋转体转轴上的由出射光时间分配器底座及对应于每一个传感元件的光学天线组成的出射光时间分配器，按置于出射光时间分配器底座内的与每一个传感元件相对应的光源、驱动器，无源光纤器件，置于旋转体之外的无接触分波光接收机，计算机数据处理设备以及连接这些部份或部件的光纤、电缆。

根据设备中使用传感元件的不同，本发明有两种不同的类型。第一种是仍用常规敏感元件为传感元件的旋转体物理参数动态分布测量设备。第二种是对第一种的改进，它是用光纤传感器作为传感元件的。这里，光纤传感器可选用吸收式光纤传感器或光致发光光纤传感器。由于使用传感元件的不同，设备中线路连接也各有不同，但是不管使用那一种传感元件，本发明都是通过测量光学天线的出射光强的变化来定义相应传感元件安置处旋转体的物理参数的。

众所周知，如能测得旋转体需测各点的物理参数，即可得到旋转体的物理参数分布，而实时地测得需测各点的物理参数变化，即可得到旋转体物理参数的动态分布。本发明在旋转体上需测各点上分别固定有传感元件，通过旋转体上需测各点的物理参数变化来改变作为传感元件的常规敏感元件的参数，或对作为传感元件的光纤传感器内的光（由光源提供的）进行强度调制，而常规敏感元件的参数又对光源的光强进行调制，这样通过测量调制光强即可得到传感元件安置处旋转体的物理参数及其变化。由于本发明提供了若干个测点的物理参数及其变化，这就构成了旋转体物理参数的动态分布。为了避免光源输出光强的变化引入较大的误差，对于常规敏感元件及吸收式光纤传感器，本发明除有一受物理参数调制发射光强的被调制光源外，还采用了一个参考光源。参考光源的发射波长不同于被调制光源的发射波长。（而对于吸收式光纤传感器作为传感元件的测量设备来说，参考光源的波长选择，应使参考光通过光纤传感器时，其波长处于传感器吸收带之外，以恒定衰耗通过光纤传感器而不受物理参数调制）于是参考光源在任何物理参数下均保持常数。当使用光致发光光纤传感器时，本发明只采用了一个光源。这时，当光源发射的激励光经光纤定向耦合器送至光致发光光纤传感器时，一部份被吸收转变为光强受物理参数调制，波长不同于激励光波长的光，另一部份被传感器反射后，仍然是原波长且不受物理参数调制的光。这样，不管使用上述那一种传感元件，本发明都可以用从光学天线发射出的调制光强与参考光强之比来定义物理参数。这样光源本身不稳定的因素即可消除，为了使参考光与调制光能在同一传输线中传输，本发明在光路中采用了WDM（波分复用）技术，以便用同一根光纤传输调制光及参考光。

本发明的关键之一，在于提供了一种安置于旋转体之上的出射光时间分配器，以及和这一分配器配合设计的无接触分波光接收机。

出射光时间分配器是一将旋转体各静止测点的反映物理参数及其变化的相对应的信号按时间顺序逐一发射出去的设备。它是由出射光时间分配器底座及与每一个传感元件相对应的一组光学天线族组成。这里，本发明充分利用了旋转体自身的旋转作用。分布于旋转体各静止测点的反映物理参数及其变化的相对应的光信号是通过出射光时间分配器中对应的光学天线随旋转体旋转逐一发射出去的。这些从旋转的光学天线族发射的光信号通过大气通道逐一顺序地扫描过置于旋转体之外的静止的无接触光接收机的接收天线而被按时间顺序逐一接收，并由光接收机解调后变换成分布于旋转体上各测点的反映物理参数及其变化的相对应的时序电脉冲信号。这样本发明就解决了旋转体特别是高速旋转体上多点动态测量信号的无接触传输问题。本发明的无接触光接收机是由两个不同接收波长的光接收机组成，以能分别接收不同波长的调制光和参考光。

本发明的计算机数据处理设备把光信号解调后变换成的电信号通过专用计算机软件处理。计算出旋转体各对应点的物理参数。这一设备包括接口设备、计算机及终端设备。

采用本发明，可以对旋转体特别是高速旋转体（如大型发电机转子）的各种物理参数（如温度、压力等）进行实时监测，以保证旋转体安全、正常、满负荷运行，并且具有抗干扰性能高、精度高、适用范围广、检测速度快等优点，特别对于高速旋转体较之现有技术更有不可比拟的优越性。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

图1是使用吸收式光纤传感器的旋转体物理参数分布动态测量设备的工作原理图。

图2是使用常规敏感元件作传感器的旋转体物理参数分布动态测量测备的工作原理图。

图3是使用光致发光光纤传感器的旋转体物理参数分布动态测量设备的工作原理图。

图4是出射光时间分配器及光源、驱动器结构示意图。

图5是物理参数及其变化所对应的光信号变换为时序电脉冲工作示意图。

图6是数据处理设备接口逻辑图。

图1中，（1）为每一个光源的驱动器，（2）为与每一个传感器对应的光源（参考光源和被调制光源），（3）为光纤，（4）为安置于各测点的吸收式光纤传感器，（5）为出射光时间分配器，（6）为空气通道，（7）为无接触分波光接收机，（8）为数据处理设备。

这里光源（2）输出的激励光光功率由驱动器（1）确定，传感器（4）物理参数及其变化对光源输出的激励光光强进行调制，于是传感器物理参数的变化就转变为光源输出光功率的变化，将此光功率通过光纤送到时间分配器（5）发射，从而使旋转体上的各测点的光信号通过大气通道（7）传输到分波光接收机（8）进行光解调，变成时序电脉冲信号，再由数据处理设备将其处理为对应测点的物理参数显示和打印出来。

图2中，（1）为每一个光源的驱动器，（2）为与每一个传感器对应的光源（参数光源和被调制光源），（3）为光纤，（4）为安置于各测点的常规敏感元件，（5）为出射光时间分配器，（6）为空气通道，（7）为无接触分波光接收机，（8）为数据处理设备。

这里常规敏感元件物理参数及其变化通过驱动器对光源激励光的光强进行调制。调制后的光信号通过光纤送到出射光时间分配器发射，从而使旋转体上各测点光信号通过大气通道传输到无接触分波光接收机进行光解调变成电信号，再由数据处理设备将其处理为对应测点的物理参数显示和打印出来。

图3中，（1）为驱动器，（2）为光源，（3）为光纤，（4）为光致发光光纤传感器，（5）为光纤定向耦合器，（6）为出射光时间分配器，（7）为空气通道，（8）为无接触分波光接收机，（9）为数据处理设备。

这里光源输出激励光的光功率是由驱动器输出电流所确定的，激励光通过光纤经由光纤定向耦合器送至光致发光光纤传感器后，一部份被吸收并转变为光强受物理参数调制的光，另一部份被传感器反射返回的仍是其光强不受物理参数调制的光。调制光和参考光再经由光纤定向耦合器，通过出射光时间分配器发射。

上述三个附图中，光源都可以是发光二极管（LED）。

图4是本发明出射光时间分配器的一个实例。图中，（1）为出射光时间分配器底座，（2）为准直天线，（3）为光纤，（4）为被调制光光源，（5）为参考光光源（对于使用光致发光光纤传感器时无须此光源），（6）为天线支架，（7）为光源支架。

这里，底座是一带有轴套的有一定壁厚及强度的圆柱筒，在圆柱筒的筒壁上开有与准直天线数相等的窗孔，所有窗孔沿圆柱筒角向排列，相邻窗孔中心与圆柱筒的垂直连接线之间的夹角为一锐角（α），其大小取决于被测点的多少。并且每一个窗孔的中心线与圆柱筒的径向重合，所有光源、驱动器安置于圆柱筒内，而每一个准直天线则分别安置于圆柱筒上的窗孔内，安装时，窗孔的中心线应和准直天线的光轴重合。底座安置于旋转体的转轴上，安装的方位应使位于底座上的准直天线的光轴所在平面垂直于旋转体转轴的轴线。准直天线是由组合微光学组件或自聚焦透镜组成。

图5中，n个测点的光信号（参考光和调制光），分别经输出光纤F₁、F₂、F₃……F_n到达设置在旋转体转轴RL侧向各自的准直天线PA₁、PA₂、PA₃、……PA_n。当旋转体旋转一周后，在与旋转体转轴垂直并位于准直天线发射光束路径TB上的无接触分波光接收机的光学接收天线A_a、B_a就分别接收到了n个测点的参考光和调制光脉冲组成的脉冲串。由于采用了WDM技术，含有参考光和调制光两个波长的复合光信号可同时到达准直天线。光学接收天线A_a与B_a是放置在同一平面上的，它们的光轴之间夹角为φ，由于旋转体转轴以角速度W由A_a旋转到B_a，因此光学天线A_a和B_a先后收到由同一准直天线发出的复合光信号。然而，AC通道与BC通道分别是一无接触分波光接收机，它们是由光学接收天线、光电探测器及相应的前置放大器组成。AC通道只响应复合光信号中的参考光信号，BC通道只响应复合光信号中的调制光信号。于是AC、BC分波通道就将调制光和参考光信号分离，并形成一定时间间隔的二个光脉冲信号。借助于旋转体本身以角速度W旋转，当第二个准直天线转到对准光学接收天线A_a和B_a时，A_c及B_c通道就记下了第二个测点送来的两个光脉冲。第3、第4直至第n个测点的信号，按同样方式接收。这样，旋转体每旋转一周，A_c、B_c通道就记下旋转体上分布的n个测点信号，即空间物理参数变换为时序光脉冲TOP_a和TOP_b。这里，参考光脉冲与调制光脉冲之间的时间间隔为t_o，t_o的大小取决于Aa、Ba天线光轴对旋转体转轴轴心的夹角φ，而脉冲的宽度τ取决于光学接收天线Aa、Ba的通光口径，即角θ（全光束接收）和旋转体的旋转周期T_o有如下关系：

τ＝Tθ/2π

这里，光学接收天线Aa、Ba由复合光学透镜或栅状透镜构成。光电探测器DS和DG安置在天线的焦点上，Bc通道的DS为只响应1μm波长以下的硅探测器，而AC通道的DG为只响应1μm波长以上的锗探测器。锗探测器上的光窗是一双面蒸镀SiO薄膜的单晶硅片。而光接收机的前置放大器ORa与ORb的作用则是把记录下来的时序光脉冲信号解调后变换成了对应的时序电脉冲信号，并放大到一定电平。

图6是本发明中的数据处理设备。它是将从AC、BC通道得到的光解调信号-时序电脉冲信号处理成旋转体上对应点的物理参数，即旋转体上的物理参数分布。这里本发明提出了如下设计思想和实施方案：在在光接收机ORa和ORb得到的脉冲串中，需要获得的有用信息是各脉冲的峰值（表示物理参数）和相应的序号（代表所在旋转体上的位置）。为达到此目标，在计算机统一管理下，在计算机和AC、BC通道之间各引入一个峰值保持、取样、淬灭和多点序号识别的接口电路ACC和BCC，构成一个完整的数据处理设备。以调制通道BC为例，若把BC通道的输出信号一路胪教崛〉缏稴C，作为同步取样标志状态信号，一路进入峰值保持电路PKC对峰值保持电容充电至信号峰值，并保持。置计算机CPU于查询取样标志状态，并执行取样程序，标志的状态被输入并被测试。如果无脉冲输入，状态标志置1，计算机执行转移指令，继续查询，如果一当脉冲信号出现，状态标志转为置0，计算机开始对保持电容上的脉冲峰值进行取样存贮。当取样完毕后，即发出一个信号至淬灭电路QC将保持电容上的电压淬灭，使保持电容做好迎接第二个脉冲的准备。随后计算机又继续查询状态标志，如果下一个脉冲到来，状态标志置0，计算机对保持电容上的下一个脉冲峰值取样存贮，然后又发出信号将保持电容上的电压淬灭，由此顺次完成n个脉冲的峰值取样和存贮。为了识别脉冲的序号，当整个系统启动后，按设计的采样程序，计算机首先查询参考通道AC中的同步标志状态，而对调制通道BC中出现的同步标志置之不顾。一旦参考通道的状态标志置0，计算机立即对参考脉冲取样，存贮，并淬灭保持电容上的电压，随后马上转向对调制通道的状态标志查询，对调制通道中的脉冲串按顺序（即序号）进行取样存贮，从而识别出脉冲序号和相应的峰值。于是旋转体上相应各点的物理参数即可得到。由计算机终端设备OUTA输出。

Claims (14)

1、一种旋转体物理参数分布动态测量设备，其特征在于，它是由固定于旋转体上不止一个的传感元件，安置于旋转体转轴上并包括有底座、与每一个传感元件对应的光学天线的出射光时间分配器，与每一个传感元件对应的光源、驱动器，无接触分波光接收机，数据处理设备以及连接这些部份或部件的光纤和传输线组成。

2、按权利要求1所述的测量设备，其特征在于所述的出射光时间分配器，其底座是一带有轴套的有一定壁厚的圆桩筒，在筒壁上，沿圆柱筒径向有不止一个的窗孔，光学天线逐一安置于窗孔内，光源、驱动器安置于圆柱筒内，底座的轴套将出射光时间分配器固定于旋转体转轴上。

3、按权利要求2所述的测量设备，其特征在于所述的光学天线为准直天线。

4、按权利要求3所述的测量设备，其特征在于所述的准直天线由组合微光学组件或自聚焦透镜组成。

5、按权利要求1所述的测量设备，其特征在于所述的传感元件为常规敏感元件，每一个常规敏感元件对应有一个驱动器、二个光源（参考光源和受物理参数调制的光源）和一个光学天线，常规敏感元件由传输线与对应的驱动器输入端连接，驱动器的输出端接对应的两个光源，两个光源的另一端用同一根光纤与对应的光学天线连接。

6、按权利要求1所述的测量设备，其特征在于所述的传感元件为光纤传感器。

7、按权利要求6所述的测量设备，其特征在于所述的光纤传感器为吸收式光纤传感器，每一个吸收式光纤传感器对应有一个驱动器、两个光源（参考光源和受物理参数调制的光源）、和一个光学天线，驱动器的输出端与对应的两个光源连接，两个光源的另一端用同一根光纤与传感器连接。传感器的另一端用光纤与对应的光学天线连接。

8、按权利要求6所述的测量设备，其特征在于所述的光纤传感器为光致发光光纤传感器，每一个传感器对应有一个驱动器、一个光源、一个光学天线及光纤定向耦合器，驱动器输出端与光源连接，光源另一端用光纤经光纤定向耦合器同传感器和光学天线连接。

9、按权利要求1所述的测量设备，其特征在于所述的无接触分波光接收机包括两个不同波长的光接收机，每一个光接收机是由光学接收天线、光电探测器及相应的前置放大器组成。

10、按权利要求9所述的测量设备，其特征在于所述的两个不同波长的光接收机，有一个的光电探测器是硅探馄鳎硪桓鍪钦嗵讲馄鳌?

11、按权利要求10所述的测量设备，其特征在于所述的锗探测器的光窗为一蒸镀了Sio薄膜的单晶硅片。

12、按权利要求9所述的测量设备，其特征在于所述的两个光接收机的光学接收天线是用复合光学透镜或栅状透镜组成。

13、按权利要求1所述的测量设备，其特征在于所述的数据处理设备包括接口电路、计算机和终端设备。

14、按权利要求13所述的测量设备，其特征在于所述的接口电路是由峰值保持、取样、淬灭和多点识别四种电路组成。

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