CN104864914A - 基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，包括光纤光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若干个，分别安装在气缸需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过波分复用器复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置进行处理。本发明采用了无电检测、本征安全的光纤传感检测技术，确保系统安全，采用差动式的信号处理方法，不仅消除了温度对压力测量的影响，同时实现了气体压力和温度两个参数的动态在线监测。

Description

基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测方法和系统

技术领域

本发明属于光纤传感检测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测方法和系统。

背景技术

检测压缩机气缸内气体的动态变化过程，对研究压缩机性能，分析判断故障产生原因十分重要。压力和温度是反映压缩气体状态最重要的物理参量，且两者关系密切，一般需要同时检测。

对于压缩汽缸内的气体，其状态随着活塞的运动而发生改变，因此气体的压力和温度参数是动态变化的，需要进行在线动态检测。

目前检测压缩机气缸内气体状态变化的方法主要有两种。一种是间接测量法，由于该方法中间环节多，测量精度低，在实际中很少使用。另外一种是直接测量法，即采用一定的方法将检测装置与气缸连通，直接获取压力的状态信号。目前使用的检测装置主要是机械式和电子式两种。

由于直接法中气体是直接作用在检测装置上，对于易燃易爆性压缩气体，采用需要通电的电磁式装置进行检测无疑是不安全的。

专利CN2010896Y提供了一种压缩汽缸气体压力的机械式检测装置，优点是安全性好、读数稳定、工作可靠。缺点是针对维修场合下汽缸压力检测设计的，不能用于在线监测；专利CN2429654Y提供了一种能用于压缩机气缸压力检测的方便气阀，优点是直接检测方式，而且适合在线检测，安装不会破坏气缸镜面。其缺点是信号传输需要通电，安全性不高。专利CN103234693A公开了一种数字式汽车气缸压力检测装置和方法。该发明的缺点是使用传感器较多，且采用电类传感器，缺乏安全性。

总之，上述发明都是针对一个参数(压力)的检测，不能同时满足安全性、远程在线和双参数检测的需求。一种既安全，又能实现气体压力和温度同时在线检测的方法和装置目前尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测方法和系统，既安全，又能实现气体压力和温度同时在线检测。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若干个，分别安装在气缸需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过波分复用器复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置进行处理；

所述的光纤光栅传感器包括壳体，壳体内部通过弹性膜片分割为2个内腔，分别为真空仓和压力仓，毛细封装管穿过弹性膜片，光纤穿在毛细封装管内且一端引出壳体，设置在光纤上的2个光栅分别位于真空仓和压力仓中，壳体通过安装座安装，安装座上设有与压力仓连通的进气孔，壳体上设有与真空仓连通的真空抽气孔。

按上述系统，光纤光栅传感器分别安装在气缸各气阀和气缸活塞两边的缸头端。

按上述系统，每个光纤光栅传感器中的2个光栅的初始波长差大于1.5nm，其中波长小的光栅封装在真空仓中，波长大的光栅封装在压力仓中，两光栅压力和温度灵敏度系数对应相等；各光纤光栅传感器光栅的中心波长及其间隔，满足波分复用和信号检测要求。

按上述系统，所述的光纤光栅动态解调仪为波长调制型解调仪，所含光源为宽带光源，波长范围涵盖所有接入的光纤光栅传感器的光栅反射谱范围，最高解调频率大于汽缸活塞工作频率的5倍。

根据上述基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统实现的在线检测方法，其特征在于：

对其中一个光纤光栅传感器，假设2个光栅为第一光栅、第二光栅，它们的波长变化量分别表示为：

Δλ₁＝K_P1·P+K_T1·ΔT  (1)，

Δλ₂＝-K_P2·P+K_T2·ΔT  (2)，

式中：Δλ₁、Δλ₂分别为第一光栅、第二光栅的波长变化量，K_P1、K_P2分别为第一光栅、第二光栅的压力灵敏度系数，K_T1、K_T2分别为第一光栅、第二光栅的温度灵敏度系数，P、ΔT分别为该光纤光栅传感器所受的压力和温度变化量；

令K_P1＝K_P2，K_T1＝K_T2，通过解公式(1)和(2)得到：

$P=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{P1}+K_{P2}},\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{T1}+K_{T2}},$

以Δλ₁-Δλ₂和Δλ₁+Δλ₂作为传感参量，实现压力、温度参数同时测量。

本发明的有益效果为：采用了无电检测、本征安全的光纤传感检测技术，可用于易燃易爆气体的物理参量的在线检测；采用差动式的信号处理方法，不仅消除了温度对压力测量的影响，同时实现了气体压力和温度两个参数的动态在线监测；设计了基于双光纤光栅的推挽式传感受力结构，减小了传感器的尺寸，节省了安装空间，降低了安装难度。

附图说明

图1为光纤光栅传感器结构示意图。

图2为本发明一实施例的结构示意图。

图中：1-弹性膜片、2-第一光栅、3-第二光栅、4-毛细封装管、5-真空仓、6-压力仓、7-壳体、8-真空抽气孔、9-进气孔、10-安装座、11-光纤、12-气缸、13-光纤光栅传感器、14-波分复用器、15-光纤光栅动态解调仪、16-采集处理装置。

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。

如图2所示，本实施例提供一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，包括光纤光栅传感器13、波分复用器14、光纤光栅动态解调仪15和采集处理装置16；其中光纤光栅传感器13为若干个，分别安装在气缸12需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器13采集的信号通过波分复用器14复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪15解调为电信号由采集处理装置16进行处理。

如图1所示，所述的光纤光栅传感器包括壳体7，壳体7内部通过弹性膜片1分割为2个内腔，分别为真空仓5和压力仓6，毛细封装管4穿过弹性膜片1，光纤11穿在毛细封装管4内且一端引出壳体7，设置在光纤上的2个光栅分别位于真空仓5和压力仓6中，分别为第一光栅2和第二光栅3，壳体7通过安装座10安装，安装座10上设有与压力仓6连通的进气孔9，壳体7上设有与真空仓5连通的真空抽气孔8。

真空仓压力小于光纤光栅传感器的压力检测精度，压力仓与被测气体连通，压力相等。

光纤光栅传感器分别安装在气缸各气阀和气缸活塞两边的缸头端，用于检测进气、排气阀以及气缸内的气体压力、温度。

优选的，每个光纤光栅传感器中的2个光栅的初始波长差大于1.5nm，构成差动式结构，其中波长小的光栅封装在真空仓中，波长大的光栅封装在压力仓中，两光栅压力和温度灵敏度系数对应相等；各光纤光栅传感器光栅的中心波长及其间隔，满足波分复用和信号检测要求。

所述的光纤光栅动态解调仪为波长调制型解调仪，所含光源为宽带光源，波长范围涵盖所有接入的光纤光栅传感器的光栅反射谱范围，最高解调频率大于汽缸活塞工作频率的5倍。

系统的工作原理：通气孔将压力仓和被测气体连通，压力仓气体压力等于被测气体压力。当气体压力变化时，弹性膜片在气体压力作用下发生形变，使其中一个光栅受拉波长变大，同时另一光栅受压波长变小。气体温度变化则使两光栅的波长同向移动。通过检测光栅的波长变化，并采用差分信号处理方法，可分别检测出气体的压力和温度。

利用上述系统实现的在线检测方法，对其中一个光纤光栅传感器，假设2个光栅为第一光栅、第二光栅，它们的波长变化量分别表示为：

Δλ₁＝K_P1·P+K_T1·ΔT  (1)，

Δλ₂＝-K_P2·P+K_T2·ΔT  (2)，

式中：Δλ₁、Δλ₂分别为第一光栅、第二光栅的波长变化量，K_P1、K_P2分别为第一光栅、第二光栅的压力灵敏度系数，K_T1、K_T2分别为第一光栅、第二光栅的温度灵敏度系数，P、ΔT分别为该光纤光栅传感器所受的压力和温度变化量；

令K_P1＝K_P2，K_T1＝K_T2，通过解公式(1)和(2)得到：

$P=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{P1}+K_{P2}},\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{T1}+K_{T2}},$

以Δλ₁-Δλ₂和Δλ₁+Δλ₂作为传感参量，实现压力、温度参数同时测量。

本实施例中，往复式压缩机气缸的主要工作参数：活塞运动频率为5.6Hz，进气压力和温度分别为1.3MPa和45℃，排气压力和温度分别为2.3MPa和75℃。每个气缸有2个进气阀和2个排气阀。

本实施例的检测方案是：检测进气、排气阀以及气缸内的气体压力、温度。在气阀上各安装1支光纤光栅传感器，另外，在气缸活塞两边的缸头端各安装1支光纤光栅传感器。

制作、安装光纤光栅传感器需要注意的事项：

a).真空仓中的压力小于传感器的检测精度0.001MPa。

b).在气阀上安装的光纤光栅传感器尺寸应满足相关规定，安装传感器后不影响气阀的正常工作。

c).光纤光栅传感器的信号输出光缆为耐高温(不低于120℃)型光缆。

d).为了体现光纤光栅复用技术的优势，设计时对6个光纤光栅传感器光栅的波长进行了规划:13-1的波长分别为(1286.5nm，1289.1nm)，13-2的波长分别为(1295.5nm，1298.2nm)，13-3的波长分别为(1300.6nm，1303.2nm)，13-4的波长分别为(1306.1nm，1309nm)，13-5的波长分别为(1312.3nm，1314.8nm)，13-6的波长分别为(1317.5nm，1320.2nm)。

波分复用器:为1×8型结构，即8个输入端，1个输出端。

光纤光栅动态解调仪:为波长调制型光纤光栅解调仪，最高解调频率为400Hz，光源的波长范围为1283～1325nm。

系统的连接方式为：6个光纤光栅传感器的信号同时接入波分复用器中，形成一路光信号输出，再接入光纤光栅动态解调仪中，把不同的光信号转化成相应的电信号，再接入采集处理装置中进行数据采集、处理、存贮和显示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器、波分复用器、光纤光栅动态解调仪和采集处理装置；其中光纤光栅传感器为若干个，分别安装在气缸需要检测压力和温度的地方，所有光纤光栅传感器采集的信号通过波分复用器复用到同一根光纤上经过光纤光栅动态解调仪解调为电信号由采集处理装置进行处理；

所述的光纤光栅传感器包括壳体，壳体内部通过弹性膜片分割为2个内腔，分别为真空仓和压力仓，毛细封装管穿过弹性膜片，光纤穿在毛细封装管内且一端引出壳体，设置在光纤上的2个光栅分别位于真空仓和压力仓中，壳体通过安装座安装，安装座上设有与压力仓连通的进气孔，壳体上设有与真空仓连通的真空抽气孔。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：光纤光栅传感器分别安装在气缸各气阀和气缸活塞两边的缸头端。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：每个光纤光栅传感器中的2个光栅的初始波长差大于1.5nm，其中波长小的光栅封装在真空仓中，波长大的光栅封装在压力仓中，两光栅压力和温度灵敏度系数对应相等；各光纤光栅传感器光栅的中心波长及其间隔，满足波分复用和信号检测要求。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统，其特征在于：所述的光纤光栅动态解调仪为波长调制型解调仪，所含光源为宽带光源，波长范围涵盖所有接入的光纤光栅传感器的光栅反射谱范围，最高解调频率大于汽缸活塞工作频率的5倍。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气缸气体压力和温度在线检测系统实现的在线检测方法，其特征在于：

对其中一个光纤光栅传感器，假设2个光栅为第一光栅、第二光栅，它们的波长变化量分别表示为：

Δλ₁＝K_P1·P+K_T1·ΔT         (1)，

Δλ₂＝-K_P2·P+K_T2·ΔT        (2)，

式中：Δλ₁、Δλ₂分别为第一光栅、第二光栅的波长变化量，K_P1、K_P2分别为第一光栅、第二光栅的压力灵敏度系数，K_T1、K_T2分别为第一光栅、第二光栅的温度灵敏度系数，P、ΔT分别为该光纤光栅传感器所受的压力和温度变化量；

令K_P1＝K_P2，K_T1＝K_T2，通过解公式(1)和(2)得到：

$P=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{P1}+K_{P2}},\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{K_{T1}+K_{T2}}$

以Δλ₁-Δλ₂和Δλ₁+Δλ₂作为传感参量，实现压力、温度参数同时测量。