CN109443430A - 基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统包括：光纤光栅传感网路，包括安装于液压管路上的多个光纤光栅传感器；采集设备，通过传感光纤与多个光纤光栅传感器连接，采集光纤光栅传感器上的传感数据；上位机软件系统，包括通信模块、缓存模块、存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块。本发明采用分布式光纤光栅传感技术，实现对管路运行状态的多参数、多场监测，并将图像处理技术引入故障诊断中，同时考虑时间和空间维度，在二维图像信号上实现管路松动故障的实时在线诊断。

Description

基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统

技术领域

本发明属于光纤光栅传感和机械工程领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统。

背景技术

液压系统在航空航天、交通运输、船舶动力以及工程机械等领域中应用广泛，管路系统作为其核心部件，往往工作在高温、高压、强振动环境下，长期运行会导致卡箍松动、疲劳裂纹甚至泄漏等故障的产生，从而导致安全事故的发生，因此其可靠性与稳定性是保证整个液压系统安全运行的前提。其中最常见的是卡箍松动故障，关于液压管路卡箍故障检测已有大量研究，但是缺少完整的管路状态实时监测与故障诊断系统；且故障诊断方法局限于对单维信号的处理，没有充分利用管路结构同时考虑空间维度上的信息。

光纤光栅作为一种新型传感器近几年被广泛应用于结构状态检测领域，与传统的电类传感器相比，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、难腐蚀等优势，适用于狭小空间的安装与测量，且传输容量大、传输损耗小，可实现远距离、多点分布式远距离测量与检测，对于实现液压管路系统多参数多场分布式状态监测及故障诊断具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法充分利用管路结构，且无法同时考虑空间维度上的信息的缺陷，提供一种对液压管路系统多场多参数分布式状态在线监测，且可实现故障定位的基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统，包括：

光纤光栅传感网路，包括安装于液压管路上的多个光纤光栅传感器；

采集设备，通过传感光纤与多个光纤光栅传感器连接，采集光纤光栅传感器上的传感数据；

上位机软件系统，包括通信模块、缓存模块、存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块；

所述通信模块与所述采集设备之间通过局域网连接，接收所述采集设备采集的实时监测数据；

所述缓存模块，与所述通信模块连接，缓存所述实时监测数据；

所述存储模块，与所述缓存模块连接，用于存储所述实时监测数据；

所述实时监测模块，与所述缓存模块连接，用于从缓存模块中获取实时监测数据并实时显示所选监测点的应变响应、温度以及加速度信号的变化情况；

所述信号处理模块，与所述缓存模块连接，用于从缓存模块中获取实时监测数据并进行处理和分析，分别从时域、频域及非线性信号处理方面对监测信号进行处理、分析、显示，并进行故障特征提取，结合分布式光栅传感技术，实时显示对应于液压管路结构的特征值分布；

所述故障诊断模块，用于结合支持向量机在图像分类上的应用和分布式光栅传感技术，同时考虑监测信号在时间和空间维度上的分布，将信号转化为图像进行处理；同时，结合信号自然态相位在时间上连续的线性特性，以自然态相位作为图像在时间维度上的信号，具体流程如下：

(1)对于一个光纤光栅传感器，取长度为k个采样点的信号s(t)，根据希尔伯特变换计算信号瞬时相位IP(t)：

其中H[s(t)]表示其希尔伯特变换，对瞬时相位进行解卷绕将其转换为自然态相位；

(2)对多个光纤光栅应变传感器信号进行上述处理，并按其沿液压管路的分布顺序，生成多个二维样本图像，作为样本集；

(3)令k＝2000、1000、500,……，并根据实际情况调整增量大小，分别用支持向量机分类方法进行训练、测试，确定使分类准确率最高的k值，记作K；

(4)将k＝K的样本集作为训练集存储进文本，进行实时在线故障诊断时读入系统，对实时采集的数据按步骤(1)和(2)进行在线处理生成测试样本，实现管路故障实时在线诊断，并将诊断结果呈现给用户；

所述历史数据模块，用于从缓存模块中获取数据并存储，方便进行离线数据分析，随时查看液压管路在过去某时间段内的运行状态数据。

接上述技术方案，所述采集设备为高速动态解调仪。

接上述技术方案，所述多个光纤光栅传感器包括应变传感器、温度传感器、加速度传感器；

所述应变传感器沿液压管路轴向安装，在保持预拉伸的状态下高温固化在液压管路表面，实时监测在流体作用下管路表面的应变响应；

所述温度传感器通过导热膏依附于液压管路表面，实时监测液压管路系统运行过程中液压管路表面关键监测点的温度变化情况；

所述加速度传感器通过U型卡槽水平安装于液压管路关键监测点上表面，实时监测液压管路系统运行过程中液压管路的振动情况。

本发明产生的有益效果是：本发明将光纤光栅传感技术、通信技术、信号处理技术和网络技术结合应用于液压管路系统的实时在线监测及故障诊断中，建立实时在线监测系统，进行智能化的实时在线监测与故障诊断，可以节约大量人力物力。同时，采用分布式光纤光栅传感技术，实现对管路运行状态的多参数、多场监测，并将图像处理技术引入故障诊断中，同时考虑时间和空间维度，在二维图像信号上实现管路故障实时在线诊断。再者，通过存储模块对实时监测数据进行及时存储，防止数据丢失；且设置历史数据模块，可随时查看液压管路在过去某时间段内的运行状态数据，方便进行离线数据分析。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统框图的结构示意图；

图2故障诊断中二维图像样本示意图(图中FBG表示光纤光栅传感器，这里特指光纤光栅应变传感器)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，本发明提供的基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统，包括光纤光栅传感网络、采集系统以及上位机软件系统；所述光纤光栅传感网路包括安装于管路本体上的基于光纤光栅传感的传感器如：应变、温度和加速传感器等；所述采集系统包括了传导光纤和高速动态解调仪；所述上位机软件系统与所述采集设备通过局域网连接，包括通信模块、缓存模块、存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块，通过通信模块接收由采集系统采集的实时监测数据，并存放于缓存模块；所述存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块从缓存模块中获取数据，并完成相应操作。

所述光纤光栅传感网络包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器及光纤光栅加速度传感器，安装于管路表面关键监测点，实现管路运行状态的多参数、多场实时在线监测及故障诊断。

其中，应变传感器实时监测在流体作用下管路表面的应变响应，结合分布式光纤光栅传感技术，沿管路轴向安装多个应变传感器，重点安装于卡箍附近，以实时在线监测液压管路系统运行过程中管路表面各监测点的应变响应分布。光纤光栅应变传感器安装技术如下：轴向安装于管路表面，在保持预拉伸的状态下采用353ND胶水高温固化，传输光纤采用光纤套管保护。

光纤光栅温度传感器采用已经封装好的温度传感器，通过导热膏将已经封装好的温度传感器依附于管路表面，安装于管路上油液入口处和出口处，实时监测液压管路系统运行过程中油液入口处和出口处的温度变化情况。

光纤光栅加速度传感器采用已经封装好的加速度传感器，通过U型卡槽水平安装于管路关键监测点上表面，实时监测液压管路系统运行过程中管路的振动情况。

上述的传感器均基于光纤光栅传感技术，因此方便组网，易于实现对液压管路系统的多参数多场分布式状态监测与故障诊断。

所述上位机软件系统通过局域网与采集设备连接，并通过通信模块从采集设备接收数据，存放于缓存模块。存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块从缓存模块中获取数据，并完成相应操作。

所述实时监测模块用于实时显示所选监测点的应变响应、温度以及加速度信号的变化情况。

所述信号处理模块采用当前信号处理领域的主流方法，包括：小波降噪、频谱分析、瞬时相位分析、样本熵分析、多重分形去趋势波动分析，分别从时域、频域及非线性信号处理方面对监测信号进行处理、分析、显示；并进行故障特征提取，结合分布式光栅传感技术，实时显示对应于管路结构的特征值分布。

所述故障诊断模块结合SVM在图像分类上的应用和分布式光栅传感技术，不同于传统的故障诊断技术，同时考虑监测信号在时间和空间维度上的分布，将信号转化为图像进行处理；同时，结合信号自然态相位在时间上连续的线性特性，以自然态相位作为图像在时间维度上的信号，具体流程如下：

(1)对于一个光纤光栅传感器，取长度为k个采样点的信号s(t)，根据希尔伯特变换计算信号瞬时相位IP(t)，如公式(1)：

其中H[s(t)]表示其希尔伯特变换。对瞬时相位进行解卷绕将其转换为自然态相位；

(2)对N个光纤光栅应变传感器信号进行上述处理，并按其沿管路的分布顺序，生成一幅二维样本图像，如图2所示；

(3)按以上步骤生成多幅二维样本图像，作为样本集；

(4)令k＝2000、1000、500,……(其中2000为1s内的采样点数，是一个样本数据的最大长度)，并根据实际情况调整增量大小，分别用SVM分类方法进行训练、测试，确定使分类准确率最高的k值，记作K；

(5)将k＝K的样本集作为训练集存储进文本，进行实时在线故障诊断时读入系统，对实时采集的数据按步骤(1)和(2)进行在线处理生成测试样本，实现管路卡箍松动故障的实时在线诊断，并将诊断结果呈现给用户。

所有信号处理方法以及故障诊断方法都在MATLAB环境中实现，并集成到上位机软件系统，大大提高了处理效率。

所述历史数据模块从数据库中查询相应时间段内的监测数据或相应信号处理结果，实现历史数据的静态显示与动态回放。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统，其特征在于，包括：

光纤光栅传感网路，包括安装于液压管路上的多个光纤光栅传感器；

采集设备，通过传感光纤与多个光纤光栅传感器连接，采集光纤光栅传感器上的传感数据；

上位机软件系统，包括通信模块、缓存模块、存储模块、实时监测模块、信号处理模块、故障诊断模块及历史数据模块；

所述通信模块与所述采集设备之间通过局域网连接，接收所述采集设备采集的实时监测数据；

所述缓存模块，与所述通信模块连接，缓存所述实时监测数据；

所述存储模块，与所述缓存模块连接，用于存储所述实时监测数据；

所述实时监测模块，与所述缓存模块连接，用于从缓存模块中获取实时监测数据并实时显示所选监测点的应变响应、温度以及加速度信号的变化情况；

所述信号处理模块，与所述缓存模块连接，用于从缓存模块中获取实时监测数据并进行处理和分析，分别从时域、频域及非线性信号处理方面对监测信号进行处理、分析、显示，并进行故障特征提取，结合分布式光栅传感技术，实时显示对应于液压管路结构的特征值分布；

所述故障诊断模块，用于结合支持向量机在图像分类上的应用和分布式光栅传感技术，同时考虑监测信号在时间和空间维度上的分布，将信号转化为图像进行处理；同时，结合信号自然态相位在时间上连续的线性特性，以自然态相位作为图像在时间维度上的信号，具体流程如下：

(1)对于一个光纤光栅传感器，取长度为k个采样点的信号s(t)，根据希尔伯特变换计算信号瞬时相位IP(t)：

其中H[s(t)]表示其希尔伯特变换，对瞬时相位进行解卷绕将其转换为自然态相位；

(2)对多个光纤光栅应变传感器信号进行上述处理，并按其沿液压管路的分布顺序，生成多个二维样本图像，作为样本集；

(3)令k＝2000、1000、500,……，并根据实际情况调整增量大小，分别用支持向量机分类方法进行训练、测试，确定使分类准确率最高的k值，记作K；

(4)将k＝K的样本集作为训练集存储进文本，进行实时在线故障诊断时读入系统，对实时采集的数据按步骤(1)和(2)进行在线处理生成测试样本，实现管路故障实时在线诊断，并将诊断结果呈现给用户；

所述历史数据模块，用于从缓存模块中获取数据并存储，方便进行离线数据分析，随时查看液压管路在过去某时间段内的运行状态数据。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统，其特征在于，所述采集设备为高速动态解调仪。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的液压管路实时在线监测与故障诊断系统，其特征在于，所述多个光纤光栅传感器包括应变传感器、温度传感器、加速度传感器；

所述应变传感器沿液压管路轴向安装，在保持预拉伸的状态下高温固化在液压管路表面，实时监测在流体作用下管路表面的应变响应；

所述温度传感器通过导热膏依附于液压管路表面，实时监测液压管路系统运行过程中液压管路表面关键监测点的温度变化情况；

所述加速度传感器通过U型卡槽水平安装于液压管路关键监测点上表面，实时监测液压管路系统运行过程中液压管路的振动情况。