CN112378343A - 风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动信号检测技术，特别是风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统与方法，包括宽带光源、光纤跳线、电源线、光纤单向隔离器、第一光纤耦合器、手动精密滑台、第一光纤光栅传感器、直流稳压电源、高速数据缓存服务器、信号调理电路板、光纤分路器、光电转换器、精密运算放大器、第二光纤光栅传感器、数据采集卡、工业控制计算机和用户终端机。本发明通过采用光纤激光传感测/光纤光栅传感基础技术原理对行星齿轮箱内部振动状况进行检测，具备抗电磁干扰的优异性能，相应也就能明显提高所检测到的信号信噪比、灵敏度，可有效对齿根应变信号进行检测，在行星齿轮箱振动检测领域具有较强的普适通用性。

Description

风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统与方法

技术领域

本发明涉及振动信号检测技术，特别是风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统与方法。

背景技术

行星齿轮箱作为风力发电机传动系统中的重要节点，以实现增速传动。因其长期处于低速重载工况之下，并且受到交变载荷作用，导致其可靠性降低。行星齿轮箱处于风力发电机传动系统中的核心环节，当其出现故障时，轻则导致风力发电机停机，影响工作效率，严重时可造成严重事故，甚至损毁整台设备，造成重大经济损失。

目前，针对行星齿轮箱状态检测的方法主要依赖于振动信号，即在行星齿轮箱外壳部位安装加速度传感器，采集齿轮箱的震动信号。而由于行星齿轮箱的复杂结构及运动形式，由齿轮接触造成的加速度响应会通过多条传递路径到达加速度传感器位置，从而造成多条路径信号相互耦合，互相影响，对信号分析工作造成极大困扰，因此传动的行星齿轮箱状态检测方法取得成效甚微。在此基础上，发展出了基于其他响应信号的状态检测方法，如应变、温度以及声发射信号等，并取得了一定的效果，其中以齿根应变信号为代表的信号由于没有传递路径的调制成分干扰，并可以直接/间接反映行星齿轮箱内部各个组件的运动状态，在行星齿轮箱状态检测领域取得了较好的效果。

鉴于行星齿轮箱特殊结构，其内齿圈处于固定状态，是安装应变传感器的理想位置。然而目前齿根应变信号主要是通过电阻应变片采集，风力发电机内部特殊的电磁环境决定了在现场部署该类型传感器必定存在大量干扰，从而降低信号的信噪比，限制了基于齿根应变信号的行星齿轮箱状态检测方法的推广应用。因此，行星齿轮箱状态检测急需一种小巧、轻便并且能够抵抗电磁干扰的齿根应变信号检测方法。而光纤光栅传感技术的发展正好填补了这项空缺，其具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，是对风力发电机行星齿轮箱齿根应变信号采集的理想器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统与方法，其具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等技术优势，是对风力发电机行星齿轮箱齿根应变信号采集的理想器件。

本发明的目的是这样实现的：一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统，包括宽带光源、光纤跳线、电源线、光纤单向隔离器、第一光纤耦合器、手动精密滑台、第一光纤光栅传感器、直流稳压电源、高速数据缓存服务器、信号调理电路板、光纤分路器、光电转换器、精密运算放大器、第二光纤光栅传感器、数据采集卡、工业控制计算机和用户终端机，直流稳压电源通过电源线连接宽带光源、信号调理电路板与工业控制计算机各自的电源输入端，宽带光源的光信号输出端通过光纤跳线连接光纤单向隔离器的光信号输入端，光纤单向隔离器的光信号输出端通过第一光纤连接第一光纤耦合器的光信号输入端，第一光纤耦合器的光信号输入/输出端通过第二光纤连接第一光纤光栅传感器的光信号输入/输出端，第一光纤光栅传感器本体则呈丝状且相应具备可拉伸收缩弹性，第一光纤光栅传感器一端固接手动精密滑台的基座固接且其另一端固接手动精密滑台的丝杠滑台，第一光纤耦合器的光信号输出端通过第三光纤连接光纤分路器的光信号总输入端，光纤分路器的光信号分输出端通过第四光纤连接第二光纤耦合器的光信号输入端，第二光纤耦合器的光信号输入/输出端通过第五光纤连接第二光纤光栅传感器的光信号输入/输出端，第二光纤光栅传感器安装在置于风力发电机行星齿轮箱中的行星齿轮内齿圈上，第二光纤耦合器的光信号输出端通过第六光纤连接光电转换器的光信号输入端，光电转换器与精密运算放大器配装在信号调理电路板上，光电转换器的电信号输出端通过信号调理电路板自身设置有的信号电路有线配合电连接精密运算放大器的电信号输入端，精密运算放大器的电信号输出端有线电连接由直流电源供电的数据采集卡的电信号输入端，数据采集卡的电信号输出端通过屏蔽数据电缆有线电连接工业控制计算机的电信号输入端，工业控制计算机以单向通信高速数据缓存服务器的方式通过局域网无线或有线连接高速数据缓存服务器，高速数据缓存服务器以单向通信用户终端机的方式通过局域网无线或有线连接用户终端机。

一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测方法，S1、宽带光源发出的C波段宽带激光经光纤跳线输入光纤单向隔离器；S2、经过单向隔离器的激光经第一光纤耦合器输入第一光纤光栅传感器，经过手动调节与第一光纤光栅传感器固接的丝杠滑台将从单向隔离器发出的激光光谱滤波调制至反射窄带光谱，由第一光纤光栅传感器调制反射的窄带激光再次输入第一光纤耦合器；S3、第一光纤耦合器再将窄带激光转发给光纤分路器；S4、经光纤分路器分路后从其中一路分输出端发出的窄带激光进入第二光纤光栅传感器，第二光纤光栅传感器通过行星齿轮位于其内齿圈的齿根应变振动作用相应将收到的窄带激光调制成具有特定波长与光谱的待检测激光，再对待检测激光信号进行反射输出；S5、反射的待检测激光再次输入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器再将待检测激光转发给光电转换器，光电转换器将经第二光纤耦合器转发的待检测激光转换成相应的电流信号发送至精密运算放大器，精密运算放大器将电流信号转换为放大特定倍数的电压信号发送至数据采集卡，数据采集卡采集电压信号；S6、工业控制计算机定时定长采集通过屏蔽数据电缆从数据采集卡输出的所有电压信号，并根据光纤传感原理将电压信号还原为应变数值电信号，之后将采集到的应变数值电信号分别发送到自身带有的缓存器存储并通过局域网发送至高速数据缓存服务器存储；S7、高速数据缓存服务器对器工业控制计算机发送的应变数值电信号进行信号处理与特征提取，使之形成特征数据集，以便由用户终端机随时调取；S8、用户终端机通过局域网从高速数据缓存服务器中调取特征数据，并根据行星齿轮箱运动特点对特征数据进行重组，得到待分析信号数据，再由工程人员根据当前以及先前采集记录的分析信号数据判断相应行星齿轮箱振动状态，进而实现对风力发电机行星齿轮箱振动状态进行在线检测。

综上所述，与现有技术相比，本发明的技术优点是：

1.本发明以光纤光栅应变传感器为基础，相对于传统应力应变检测方法，因光纤光栅传感器本身具有体积小的优势，可将光纤光栅传感器直接安装于被测点，直接感应被测量点处的应变，降低传递路径调制成分的干扰，并且光纤光栅传感器安装方式不影响行星齿轮箱的正常运行，未向本系统中引入人为变量，使得采集到的动态应变信号能够直接反应行星齿轮箱中各组件的运行状态，获取的信号信噪比较高。

2.本发明中在光纤光栅传感器内部被调制的激光信号为中心波长为1550nm的窄带激光信号，相对于传统以电信号为基础的传感器，光纤光栅传感器获取的信号更加稳定。并且对复杂电磁环境下的干扰具有极的抵抗作用，最终得到信号更加纯净，能够更加直观的反应被测行星齿轮箱的运行状态。

3.本发明中的光纤光栅传感器信号解调部分采用边缘滤波方式，其自身(滤波光纤)固定于精密滑台上，通过调节丝杠滑台相对其基座的位移量从宽带光源发出的光谱中得到预期的窄带光谱，通过一次调节便可确定系统所需窄带光谱范围，以适应不同应用场景；在此基础上构建的激光解调方式简单，性价比高，并且精度高适用于动态测量。

4.本发明通过1×N光纤分路器将窄带光源分成N份，连接多个光纤光栅传感器实现多个齿根被测点的振动检测。鉴于行星齿轮系统特殊结构与运动特点，要实现对行星齿轮箱内部多个组件状态进行动态监测，则需要通过计算行星齿轮啮合齿序，匹配布置多个传感器方能够获取各个组件的运行状态，确保采集的信号中包含完整组件运动状态信息，进而实现对行星齿轮箱内部所有组件进行动态检测。

综上所述，本发明通过采用光纤激光传感测/光纤光栅传感基础技术原理对行星齿轮箱内部振动状况进行检测，具备抗电磁干扰的优异性能，相应也就能明显提高所检测到的信号信噪比、灵敏度，可有效对齿根应变信号进行检测，在行星齿轮箱振动检测领域具有较强的普适通用性。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的光电连接原理图。

具体实施方式

一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统，如图1所示，包括宽带光源1、光纤跳线2、电源线3、光纤单向隔离器4、第一光纤耦合器5a、手动精密滑台6、第一光纤光栅传感器7、直流稳压电源8、高速数据缓存服务器9、信号调理电路板10、光纤分路器11、光电转换器12、精密运算放大器13、第二光纤光栅传感器15、数据采集卡17、工业控制计算机19和用户终端机20，直流稳压电源8通过电源线3连接宽带光源1、信号调理电路板10与工业控制计算机19各自的电源输入端，宽带光源1的光信号输出端通过光纤跳线2连接光纤单向隔离器4的光信号输入端，光纤单向隔离器4的光信号输出端通过第一光纤连接第一光纤耦合器(1×2光纤耦合器：“1×2光纤耦合器”中的“1×2”代表其一端设置有一个光信号输入/输出端口，另一端为设置有两个光信号输入/输出端口)5a的光信号输入端，第一光纤耦合器5a的光信号输入/输出端通过第二光纤连接第一光纤光栅传感器7的光信号输入/输出端，第一光纤光栅传感器7/边缘滤波光栅本体则呈丝状且相应具备可拉伸收缩弹性，第一光纤光栅传感器7一端固接手动精密滑台6的基座固接且其另一端固接手动精密滑台6的丝杠滑台，第一光纤耦合器5a的光信号输出端通过第三光纤连接光纤分路器(1×N光纤分路器：“1×N光纤分路器”中的“1×N”代表其一端设置有一个光信号输入端口，另一端为设置有N个/路光信号输出端口)11的光信号总输入端，光纤分路器11的光信号分输出端通过第四光纤连接第二光纤耦合器(1×2光纤耦合器)5b的光信号输入端，第二光纤耦合器5b的光信号输入/输出端通过第五光纤连接第二光纤光栅传感器15/齿根应变检测光纤光栅传感器的光信号输入/输出端，第二光纤光栅传感器15安装在置于风力发电机行星齿轮箱16中的行星齿轮内齿圈上，第二光纤耦合器5b的光信号输出端通过第六光纤连接光电转换器12的光信号输入端，光电转换器12与精密运算放大器13配装在信号调理电路板10上，光电转换器12的电信号输出端通过信号调理电路板10自身设置有的信号电路有线配合电连接精密运算放大器13的电信号输入端，精密运算放大器13的电信号输出端14有线电连接由直流电源供电的数据采集卡17的电信号输入端，数据采集卡17的电信号输出端通过屏蔽数据电缆18有线电连接工业控制计算机19的电信号输入端，工业控制计算机19以单向通信高速数据缓存服务器9的方式通过局域网无线或有线连接高速数据缓存服务器9，高速数据缓存服务器9以单向通信用户终端机20的方式通过局域网无线或有线连接用户终端机20。

一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测方法，如图1所示，S1、宽带光源1发出的C波段宽带激光经光纤跳线3输入光纤单向隔离器4，单向隔离器4的作用是保护光源，防止检测系统的反射光进入光源从而造成光源损坏；S2、经过单向隔离器4的激光经第一光纤耦合器5a输入第一光纤光栅传感器7，经过手动调节与第一光纤光栅传感器7固接的丝杠滑台将从单向隔离器4发出的激光光谱滤波调制至反射窄带光谱，由第一光纤光栅传感器7调制反射的窄带激光再次输入第一光纤耦合器5a；S3、第一光纤耦合器5a再将窄带激光转发给光纤分路器11，光纤分路器11将由第一光纤光栅传感器7反射的窄带激光均匀分成N路，以便对其N路分别输出的应变信号进行测量；S4、经光纤分路器11分路后从其中一路分输出端发出的窄带激光进入第二光纤光栅传感器15，第二光纤光栅传感器15通过行星齿轮位于其内齿圈的齿根应变振动作用相应将收到的窄带激光调制成具有特定波长与光谱的待检测激光，再对待检测激光信号进行反射输出；S5、反射的待检测激光再次输入第二光纤耦合器5b，第二光纤耦合器5b再将待检测激光转发给光电转换器12，光电转换器12将经第二光纤耦合器5b转发的待检测激光转换成相应的电流信号发送至精密运算放大器13，精密运算放大器13将电流信号转换为放大特定倍数的电压信号发送至数据采集卡17，数据采集卡17采集电压信号；S6、工业控制计算机19定时定长采集通过屏蔽数据电缆18从数据采集卡17输出的所有电压信号，并根据光纤传感原理将电压信号还原为应变数值电信号，之后将采集到的应变数值电信号分别发送到自身带有的缓存器存储并通过局域网发送至高速数据缓存服务器9存储；S7、高速数据缓存服务器9对器工业控制计算机19发送的应变数值电信号进行信号处理与特征提取，使之形成特征数据集，以便由用户终端机20随时调取；S8、用户终端机20通过局域网从高速数据缓存服务器9中调取特征数据，并根据行星齿轮箱运动特点对特征数据进行重组，得到待分析信号数据，再由工程人员根据当前以及先前采集记录的分析信号数据判断相应行星齿轮箱振动状态，进而实现对风力发电机行星齿轮箱16振动状态进行在线检测。

光纤光栅传感器的使用原理说明：将一根光纤光栅传感器固定于手动精密滑台6上，确保传感区域位于手动精密滑台6的移动平台(丝杠滑台)与基座之间；其次，通过旋转手动精密滑台6的丝杠旋钮，移动平台与基座之间的距离相应会随之增大或减少，进而扯动与之固定连接的光纤光栅传感器，造成光纤光栅传感器被拉伸或放松，最终影响其内部的栅格间距，造成其反射光谱中心波长发生变化，而当移动平台处于适当位置时，其反射光谱中心恰好光纤光栅传感器光谱范围内线性区域，并且范围较小，此时的反射光光谱称之为窄带光谱。

本发明采用的所有器件均为已有市售或基于现有技术定制的产品，其主要器件的产品信息为：

手动精密滑台6为由精密滚珠丝杠副驱动的小型滑台装置，其主要结构为固定基座以及在滚珠丝杠副驱动下的移动平台；当手动扭动滚珠丝杠时，移动平台与固定基座之间的间距可调整；本发明统使用的手动精密滑台6型号“壹禾机械DXZX0220-16”，其最大行程16mm。

信号调理电路板为基于现有PCB技术定制开发的电路板，该电路板仅为承载光电转换器12、精密运算放大器13(OP37G)、信号输出端子14(屏蔽连接端子)及电容、电阻等器件的PCB电路板。

宽带光源1的生产厂家为浩源光电，即ASE(放大自发辐射)宽带光源，可发出C波段宽带激光，波长范围中心波长1545nm，光谱范围1527-1566nm，输出功率10.5dbm。

光纤单向隔离器4的生产厂家为MOI，双P级，中心波长1550nm。

边缘滤波光栅与齿根应变检测光纤光栅传感器为定制加工的光纤光栅应变传感器，中心波长1550nm，栅区长度2mm。

光电转换器12的为铟镓砷光电探测器，生产厂家为欧圣德，波长范围1100-1650nm，响应电流0.85A/W。

精密运算放大器13生产厂家为Texas Instruments，型号为OP37G。

数据采集卡17生产厂家为National Instrument(NI)，型号为USB 6009。

Claims (2)

1.一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测系统，其特征在于：包括宽带光源、光纤跳线、电源线、光纤单向隔离器、第一光纤耦合器、手动精密滑台、第一光纤光栅传感器、直流稳压电源、高速数据缓存服务器、信号调理电路板、光纤分路器、光电转换器、精密运算放大器、第二光纤光栅传感器、数据采集卡、工业控制计算机和用户终端机，直流稳压电源通过电源线连接宽带光源、信号调理电路板与工业控制计算机各自的电源输入端，宽带光源的光信号输出端通过光纤跳线连接光纤单向隔离器的光信号输入端，光纤单向隔离器的光信号输出端通过第一光纤连接第一光纤耦合器的光信号输入端，第一光纤耦合器的光信号输入/输出端通过第二光纤连接第一光纤光栅传感器的光信号输入/输出端，第一光纤光栅传感器本体则呈丝状且相应具备可拉伸收缩弹性，第一光纤光栅传感器一端固接手动精密滑台的基座固接且其另一端固接手动精密滑台的丝杠滑台，第一光纤耦合器的光信号输出端通过第三光纤连接光纤分路器的光信号总输入端，光纤分路器的光信号分输出端通过第四光纤连接第二光纤耦合器的光信号输入端，第二光纤耦合器的光信号输入/输出端通过第五光纤连接第二光纤光栅传感器的光信号输入/输出端，第二光纤光栅传感器安装在置于风力发电机行星齿轮箱中的行星齿轮内齿圈上，第二光纤耦合器的光信号输出端通过第六光纤连接光电转换器的光信号输入端，光电转换器与精密运算放大器配装在信号调理电路板上，光电转换器的电信号输出端通过信号调理电路板自身设置有的信号电路有线配合电连接精密运算放大器的电信号输入端，精密运算放大器的电信号输出端有线电连接由直流电源供电的数据采集卡的电信号输入端，数据采集卡的电信号输出端通过屏蔽数据电缆有线电连接工业控制计算机的电信号输入端，工业控制计算机以单向通信高速数据缓存服务器的方式通过局域网无线或有线连接高速数据缓存服务器，高速数据缓存服务器以单向通信用户终端机的方式通过局域网无线或有线连接用户终端机。

2.一种风力发电机行星齿轮箱多路应变动态检测方法，其特征在于：S1、宽带光源发出的C波段宽带激光经光纤跳线输入光纤单向隔离器；S2、经过单向隔离器的激光经第一光纤耦合器输入第一光纤光栅传感器，经过手动调节与第一光纤光栅传感器固接的丝杠滑台将从单向隔离器发出的激光光谱滤波调制至反射窄带光谱，由第一光纤光栅传感器调制反射的窄带激光再次输入第一光纤耦合器；S3、第一光纤耦合器再将窄带激光转发给光纤分路器；S4、经光纤分路器分路后从其中一路分输出端发出的窄带激光进入第二光纤光栅传感器，第二光纤光栅传感器通过行星齿轮位于其内齿圈的齿根应变振动作用相应将收到的窄带激光调制成具有特定波长与光谱的待检测激光，再对待检测激光信号进行反射输出；S5、反射的待检测激光再次输入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器再将待检测激光转发给光电转换器，光电转换器将经第二光纤耦合器转发的待检测激光转换成相应的电流信号发送至精密运算放大器，精密运算放大器将电流信号转换为放大特定倍数的电压信号发送至数据采集卡，数据采集卡采集电压信号；S6、工业控制计算机定时定长采集通过屏蔽数据线缆从数据采集卡输出的所有电压信号，并根据光纤传感原理将电压信号还原为应变数值电信号，之后将采集到的应变数值电信号分别发送到自身带有的缓存器存储并通过局域网发送至高速数据缓存服务器存储；S7、高速数据缓存服务器对器工业控制计算机发送的应变数值电信号进行信号处理与特征提取，使之形成特征数据集，以便由用户终端机随时调取；S8、用户终端机通过局域网从高速数据缓存服务器中调取特征数据，并根据行星齿轮箱运动特点对特征数据进行重组，得到待分析信号数据，再由工程人员根据当前以及先前采集记录的分析信号数据判断相应行星齿轮箱振动状态，进而实现对风力发电机行星齿轮箱振动状态进行在线检测。

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