CN103344317A - 非接触式光纤光栅振动传感器和振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供非接触式光纤光栅振动传感器，包括封装体，封装体内设有薄膜片和凸台，薄膜片的中间设有硬心，硬心一端与凸台之间设有凹槽；硬心另一端连接有活动头，活动头外连接有端盖，端盖通过连接件与封装体的头部连接，活动头内设有永磁铁；封装体内设有光纤，光纤头部悬空在硬心与凸台之间的凹槽内，凸台与光纤上一点固定连接，光纤尾部与封装体的尾部固定连接并引出封装体；光纤上设有悬臂式光纤光栅和固定式光纤光栅，悬臂式光纤光栅位于硬心与凸台之间的凹槽内，固定式光纤光栅位于凸台和封装体尾部之间。本发明具有更强的抗电磁干扰能力，对于复杂的工况环境有更强的适应性，利用光纤光栅的优势便于实现多参数分布式动态测量。

Description

非接触式光纤光栅振动传感器和振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工业领域的振动测试技术，具体属于一种非接触式光纤光栅振动传感器及利用其进行旋转机械轴振动测量的装置和方法。

背景技术

目前，在旋转机械轴振动运用最广的传感测试技术主要有两种：接触式测量和非接触式测量。对于接触式传感器测量时，破坏了测试对象的真实环境，对于高精度的检测应用并不广泛。两种类型的传感器都为将轴的振动量转换为电信号进行传输，工作于恶劣的测试环境时，易受电磁干扰，对于一些易燃易爆的恶劣工况也存在极大的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触式光纤光栅振动传感器及方法，实现对旋转轴振动的测量，并采用光信号传输，具有更强的抗电磁干扰能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非接触式光纤光栅振动传感器，其特征在于：它包括封装体，封装体内设有薄膜片和凸台，薄膜片的中间设有硬心，硬心一端与凸台之间设有凹槽；硬心另一端连接有活动头，活动头外连接有端盖，端盖通过连接件与封装体的头部连接，活动头内设有永磁铁；

所述封装体内还设有光纤，光纤的头部悬空在硬心与凸台之间的凹槽内，凸台与光纤上一点固定连接，光纤尾部与封装体的尾部固定连接并引出封装体；光纤上设有2个光纤光栅，分别为悬臂式光纤光栅和固定式光纤光栅，悬臂式光纤光栅位于硬心与凸台之间的凹槽内，固定式光纤光栅位于凸台和封装体尾部之间。

按上述方案，所述的硬心与活动头通过螺钉连接。

按上述方案，所述的薄膜片、硬心、螺钉、凸台和凹槽为一体式结构，成为带螺钉一体化圆薄膜片。

一种旋转机械轴振动测量装置，其特征在于：它包括传感器固定架，传感器固定架上固定有位于旋转机械轴轴向的轴向传感器和位于旋转机械轴径向的径向传感器，轴向传感器和径向传感器分别与旋转机械轴之间设有间距，轴向传感器和径向传感器均为上述非接触式光纤光栅振动传感器。

一种利用上述旋转机械轴振动测量装置实现的旋转机械轴振动测量方法，其特征在于：

在初始状态，获得固定式光纤光栅的中心波长初始值λ₁和悬臂式光纤光栅的中心波长初始值λ₂；

当旋转机械轴发生振动时，旋转轴与永磁铁的相对距离发生改变，进而引起磁力的变化；随着磁力的改变，致使硬心的挠度发生变化；与其连接的固定式光纤光栅与硬心发生相同的形变，进而使固定式光纤光栅在应变温度耦合影响下中心波长发生漂移，悬臂式光纤光栅对固定式光纤光栅进行温度补偿，光纤光栅中心波长漂移与气隙间距的关系如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{3{B_r}^2{A}_g(1-u^2)a^4(1-P_e)(1-\frac{b^4}{a^4}+4\frac{b^2}{a^2}\mathrm{In}\frac{b}{a})}{32\mathrm{\πEL}{\mathrm{\μ}}_0{b}^2{h}^3}\•\frac{1}{{(1+\frac{B_r{L}_g}{{\mathrm{\μ}}_0{H}_c{L}_m})}^2},$

式中，Δλ₁为固定式光纤光栅的中心波长漂移量，Δλ₂为悬臂式光纤光栅的中心波长漂移量，B_r为永磁铁剩磁，A_g为气隙截面积，u为泊松比，a为薄膜片的半径，P_e为光纤有效光弹系数，b为硬心半径，μ₀为真空绝对导磁率，E为弹性模量，L为传感器的光纤光栅工作有效长度，h为薄膜片厚度，L_g为气隙间距，L_m为永磁铁在充磁方向的长度，H_c为永磁铁矫顽力；

传感器工作时，根据上式由两光纤光栅中心波长漂移量可获得气隙间距L_g，通过与气隙间距初始值L_g0相减，即可获得旋转机械轴在该传感器方向上的振动分量；

对旋转轴振动检测时，分别布置轴向传感器和径向传感器测量旋转机械轴在轴向和径向的振动分量，最终获得旋转机械轴的完整振动量。

本发明的工作原理为：实现对振动量的监测包括三个物理量转换过程：当旋转轴发生振动时，旋转轴与永磁铁的相对距离发生改变，进而引起磁力的变化；随着磁力的改变，致使硬心的挠度发生变化；与其连接的固定式光纤光栅与硬心发生相同的形变，进而使固定式光纤光栅在应变温度耦合影响下中心波长发生漂移，悬臂式光纤光栅只受温度的影响，实现对固定式光纤光栅的温度补偿。由两光纤光栅中心波长漂移量可获得气隙间距，与气隙间距初始值L_g0相减，即可获得旋转机械轴在该传感器方向上的振动分量，最终实现对旋转机械轴的振动进行实时有效的监测。

本发明的有益效果为：与以往传感器相比，本发明装置通过光纤传输光信号，具有更强的抗电磁干扰能力，对于复杂的工况环境有更强的适应性，传输距离更远，利用光纤光栅的优势便于实现多参数分布式动态测量。

附图说明

图1是本发明一实施例的立体图。

图2是本发明一实施例的剖面结构图。

图3是带螺钉一体化圆薄膜片的结构示意图。

图4是本发明一实施例的工作示意图。

图中：1.封装体，2.光纤，3.固定式光纤光栅，4.悬臂式光纤光栅，5.粘胶层，6.连接件，7.带螺钉一体化圆薄膜片，7.1薄膜片，7.2硬心，7.3螺钉，7.4凸台，7.5凹槽，8.端盖，9.活动头，10.永磁铁，11.轴向传感器，12.X径向传感器，13.Y径向传感器，14.旋转机械轴，15.传感器固定架。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明一实施例的立体图，图2是本发明一实施例的剖面结构图，图3是带螺钉一体化圆薄膜片的结构示意图，本装置包括封装体1，封装体内设有薄膜片7.1和凸台7.4，薄膜片7.1的中间设有硬心7.2，硬心7.2一端与凸台7.4之间设有凹槽7.5；硬心7.2另一端连接有活动头9，活动头9外连接有端盖8，端盖8通过连接件6与封装体1的头部连接，活动头9内设有永磁铁10；封装体1内还设有光纤2，光纤2的头部悬空在硬心7.2与凸台7.4之间的凹槽7.5内，凸台7.4与光纤2上一点固定连接，光纤2尾部与封装体1的尾部固定连接并引出封装体1；光纤2上设有2个光纤光栅，分别为悬臂式光纤光栅4和固定式光纤光栅3，悬臂式光纤光栅4位于硬心7.2与凸台7.4之间的凹槽7.5内，固定式光纤光栅3位于凸台7.4和封装体1尾部之间。为了使得传感效果更好，避免引入更多的非线性因素，本实施例中硬心7.2与活动头9通过螺钉7.3连接。进一步的，所述的薄膜片7.1、硬心7.2、螺钉7.3、凸台7.4和凹槽7.5为一体式结构，成为带螺钉一体化圆薄膜片7。

一种旋转机械轴振动测量装置，如图4所示，它包括传感器固定架15，传感器固定架15上固定有位于旋转机械轴14轴向的轴向传感器11、位于旋转机械轴14X径向的径向传感器12和位于旋转机械轴14Y径向的径向传感器13；轴向传感器11、X径向传感器12和Y径向传感器13分别与旋转机械轴14之间设有间距，作为传感器的工作量程；轴向传感器11、径向传感器12和Y径向传感器13均为上述非接触式光纤光栅振动传感器。X径向传感器12和Y径向传感器13沿旋转机械轴14同一截面周向垂直布置，即可实现对轴的轴心轨迹的实时监测；轴向传感器11可以获得旋转机械轴14轴向振动，结合两种布置方式即可获得旋转轴的实时振动状态。同样可以在传感器的封装体1上开孔将布置的两传感器的光纤焊接在一起，实现分布式多点监测。

一种利用上述旋转机械轴振动测量装置实现的旋转机械轴振动测量方法，在初始状态，获得固定式光纤光栅的中心波长初始值λ₁和悬臂式光纤光栅的中心波长初始值λ₂；当旋转机械轴发生振动时，旋转轴与永磁铁的相对距离发生改变，进而引起磁力的变化；随着磁力的改变，致使硬心的挠度发生变化；与其连接的固定式光纤光栅与硬心发生相同的形变，进而使固定式光纤光栅在应变温度耦合影响下中心波长发生漂移，悬臂式光纤光栅对固定式光纤光栅进行温度补偿，光纤光栅中心波长漂移与气隙间距的关系如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{3{B_r}^2{A}_g(1-u^2)a^4(1-P_e)(1-\frac{b^4}{a^4}+4\frac{b^2}{a^2}\mathrm{In}\frac{b}{a})}{32\mathrm{\πEL}{\mathrm{\μ}}_0{b}^2{h}^3}\•\frac{1}{{(1+\frac{B_r{L}_g}{{\mathrm{\μ}}_0{H}_c{L}_m})}^2},$

式中，Δλ₁为固定式光纤光栅的中心波长漂移量，Δλ₂为悬臂式光纤光栅的中心波长漂移量，B_r为永磁铁剩磁，A_g为气隙截面积，u为泊松比，a为薄膜片的半径，P_e为光纤有效光弹系数，b为硬心半径，μ₀为真空绝对导磁率，E为弹性模量，L为传感器的光纤光栅工作有效长度，h为薄膜片厚度，L_g为气隙间距，L_m为永磁铁在充磁方向的长度，H_c为永磁铁矫顽力；

传感器工作时，根据上式由两光纤光栅中心波长漂移量可获得气隙间距L_g，通过与气隙间距初始值L_g0相减，即可获得旋转机械轴在该传感器方向上的振动分量；

对旋转轴振动检测时，分别布置轴向传感器和径向传感器测量旋转机械轴在轴向和径向的振动分量，最终获得旋转机械轴的完整振动量。

旋转机械轴振动测量方法的原理为：

根据磁学理论、永磁铁的退磁曲线与负载曲线确定其工作点，传感器工作时气隙截面积与永磁铁极面积相等即A_m=A_g时，磁力公式如式（1）：

$F=\frac{{B_r}^2{A}_g}{2{\mathrm{\μ}}_0{(1+\frac{B_r{L}_g}{{\mathrm{\μ}}_0{H}_c{L}_m})}^2}---\left(1\right),$

式中：F为永磁铁磁力，B_r为永磁铁剩磁，A_g为气隙截面积，A_m为永磁铁极面积，L_g为气隙间距，L_m为永磁铁在充磁方向的长度，H_c为永磁铁矫顽力，μ₀为真空绝对导磁率。

由弹性力学小挠度理论可知周向固定的带螺钉一体化圆薄膜片硬心挠度如式（2）所示：

$w=\frac{3(1-u^2)}{16}\frac{q\·a^4}{E\·h^3}(1-\frac{b^4}{a^4}+4\frac{b^2}{a^2}\mathrm{In}\frac{b}{a})---\left(2\right),$

式中：w为硬心挠度，u为泊松比，a为薄膜片的半径，b为硬心半径，E为弹性模量，h为薄膜片厚度，q为分布载荷。

根据光纤光栅的原理可知两个光纤光栅的中心波长与应变的关系如式（3）、（4）所示：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}=(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}+({\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\ζ}}_s)\mathrm{\ΔT}---\left(3\right),$

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=({\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\ζ}}_s)\mathrm{\ΔT}---\left(4\right),$

式中，Δλ₁为固定式光纤光栅的中心波长漂移量，Δλ₂为悬臂式光纤光栅的中心波长漂移量，λ₁为固定式光纤光栅中心波长初始值，λ₂为悬臂式光纤光栅的中心波长初始值，P_e为光纤有效光弹系数，Δε为应变，α_s为光纤的热膨胀系数，ζ_s为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量；

通过式（3）和（4）实现对该传感器的应变温度解耦：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(5\right),$

结合（1）、（2）和（5）式可获的光纤光栅中心波长漂移与气隙间距的关系如式（6）所示(传感器的光纤光栅工作有效长度设为L)：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}=(1-P_e)\frac{w}{L}$

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{3{B_r}^2{A}_g(1-u^2)a^4(1-P_e)(1-\frac{b^4}{a^4}+4\frac{b^2}{a^2}\mathrm{In}\frac{b}{a})}{32\mathrm{\πEL}{\mathrm{\μ}}_0{b}^2{h}^3}\•\frac{1}{{(1+\frac{B_r{L}_g}{{\mathrm{\μ}}_0{H}_c{L}_m})}^2}---\left(6\right),$

有式（6）根据上式由两光纤光栅中心波长漂移量可获得气隙间距L_g，通过与气隙间距初始值L_g0相减，即可获得旋转机械轴在该传感器方向上的振动分量，从而获得旋转轴的振动状态。

Claims (5)

1.一种非接触式光纤光栅振动传感器，其特征在于：它包括封装体，封装体内设有薄膜片和凸台，薄膜片的中间设有硬心，硬心一端与凸台之间设有凹槽；硬心另一端连接有活动头，活动头外连接有端盖，端盖通过连接件与封装体的头部连接，活动头内设有永磁铁；

所述封装体内还设有光纤，光纤的头部悬空在硬心与凸台之间的凹槽内，凸台与光纤上一点固定连接，光纤尾部与封装体的尾部固定连接并引出封装体；光纤上设有2个光纤光栅，分别为悬臂光纤光栅和固定式光纤光栅，悬臂式光纤光栅位于硬心与凸台之间的凹槽内，固定式光纤光栅位于凸台和封装体尾部之间。

2.根据权利要求1所述的非接触式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的硬心与活动头通过螺钉连接。

3.根据权利要求2所述的非接触式光纤光栅振动传感器，其特征在于：所述的薄膜片、硬心、螺钉、凸台和凹槽为一体式结构，成为带螺钉一体化圆薄膜片。

4.一种旋转机械轴振动测量装置，其特征在于：它包括传感器固定架，传感器固定架上固定有位于旋转机械轴轴向的轴向传感器和位于旋转机械轴径向的径向传感器，轴向传感器和径向传感器分别与旋转机械轴之间设有间距，轴向传感器和径向传感器均为权利要求1至3中任意一项所述的非接触式光纤光栅振动传感器。

5.一种利用权利要求4所述的旋转机械轴振动测量装置实现的旋转机械轴振动测量方法，其特征在于：

在初始状态，获得固定式光纤光栅的中心波长初始值λ₁、悬臂式光纤光栅的中心波长初始值λ₂和气隙间距初始值L_g0；

当旋转机械轴发生振动时，旋转轴与永磁铁的相对距离发生改变，进而引起磁力的变化；随着磁力的改变，致使硬心的挠度发生变化；与其连接的固定式光纤光栅与硬心发生相同的形变，进而使固定式光纤光栅在应变温度耦合影响下中心波长发生漂移，悬臂式光纤光栅对固定式光纤光栅进行温度补偿，光纤光栅中心波长漂移与气隙间距的关系如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{3{B_r}^2{A}_g(1-u^2)a^4(1-P_e)(1-\frac{b^4}{a^4}+4\frac{b^2}{a^2}\mathrm{In}\frac{b}{a})}{32\mathrm{\πEL}{\mathrm{\μ}}_0{b}^2{h}^3}\•\frac{1}{{(1+\frac{B_r{L}_g}{{\mathrm{\μ}}_0{H}_c{L}_m})}^2},$

式中，Δλ₁为固定式光纤光栅的中心波长漂移量，Δλ₂为悬臂式光纤光栅的中心波长漂移量，B_r为永磁铁剩磁，A_g为气隙截面积，u为泊松比，a为薄膜片的半径，P_e为光纤有效光弹系数，b为硬心半径，μ₀为真空绝对导磁率，E为弹性模量，L为传感器的光纤光栅工作有效长度，h为薄膜片厚度，L_g为气隙间距，L_m为永磁铁在充磁方向的长度，H_c为永磁铁矫顽力；

传感器工作时，根据上式由两光纤光栅中心波长漂移量可获得气隙间距L_g，通过与气隙间距初始值L_g0相减，即可获得旋转机械轴在该传感器方向上的振动分量；

对旋转轴振动检测时，分别布置轴向传感器和径向传感器测量旋转机械轴在轴向和径向的振动分量，最终即可获得旋转机械轴的完整振动量。

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