CN112379127B - 一种组合式可变灵敏度的多维fbg加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器，包括三个轴向互相垂直设置的传感单元，三个传感单元相互独立互不干扰。质量块与滑杆间隙配合且质量块可在滑杆上进行短行程滑动，通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度可改变传感单元阻尼。各传感单元中单独布置一根光纤光栅，光纤光栅固定在两个支撑块之间。可实现多维加速度传感检测，通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度来调整不同方向上的灵敏度。传感检测性能良好，精确度较高，体积较小，方便接入传感网络，对于大功率电站风机的实时振动监测与故障诊断具有实际应用意义。

Description

一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器，属于特种装备实时振动监测与故障诊断的光纤传感技术领域。
背景技术
大功率风机是火电厂中消耗厂用电比重很大的动力类设备，如锅炉送风机、引风机、一次风机、排粉风机等各类风机设备。由于环境保护要求的不断提高，增加了各种除尘、脱硫、脱硝等系统，使得锅炉排烟系统的引风机和脱硫增压风机的功率不断增大，这使得电站锅炉的各类风机设备经常处于快速变负荷运行状态，增加了设备发生事故的可能性，给风机设备的安全性带来隐患。国内外火电厂经常有大功率电站风机发生严重故障的报道，风机的非计划停机也往往会造成很大的经济损失。因此，需要对大功率风机的机械状态进行实时准确监测。
目前，大容量火电机组的各类风机上都安装有振动测试，将信号接入监控信息系统，对风机在运行过程中的轴承振动状态进行在线监测，实施振动超标报警。但是接入监控信息系统的风机振动数据都是经过平均处理的振动有效值数据，振动监测仍停留在DCS观测振动趋势数据的技术状态，不包含瞬时振动信息，不能用于深入的故障分析与诊断，不具备实时在线诊断风机设备故障的功能。
发明内容
针对背景技术中上述存在的风机振动测试问题，本发明提供一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器，能够克服风机振动测试存在的精确度较差、体积较大等缺陷与问题，实现多维的实时、高精度以及灵敏度可调性检测，可应用于大功率风机机械振动状态的准确检测，保障大型风机的安全稳定运行。同时，还可以根据不同方向上的实际检测需求进行灵敏度可调性检测。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于包括置于中空结构的空间内中的三个传感单元：x向传感单元（4）、y向传感单元（5）与z向传感单元（6）；三个传感单元在中空结构的空间内两两相互轴向垂直，且沿中空结构的空间内竖直方向依次间隔排列布置，相互独立互不干扰。
上述技术方案中，x向传感单元（4）与y向传感单元（5）在水平面上相互垂直且在竖直平面上相互平行设置；y向传感单元（5）与z向传感单元（6）在水平面上平行且在竖直平面上相互垂直设置。
上述技术方案中，三个传感单元均包括滑杆、质量块、支撑块、悬臂梁的连杆结构；每个传感单元内设有一个悬臂梁，悬臂梁的一端与传感器壳体固定连接，另一端与质量块固定连接；质量块与滑杆间隙配合且质量块可在滑杆上进行短行程滑动，通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度能够改变传感单元阻尼。
上述技术方案中，传感器壳体（2）与顶部的传感器上盖（1）、底部的传感传感器底座（3）相连接形成中空结构的空间。
上述技术方案中，各向的传感单元均包括一个质量块、光纤光栅、光纤、悬臂梁、滑杆和两个支撑块；滑杆上设置所述质量块，且滑杆两端与传感器壳体（2）两个侧面上的出纤孔固定连接，悬臂梁与滑杆垂直设置，且悬臂梁的一端与传感器壳体（2）固定连接，另一端与质量块固定连接，两个支撑块设置在悬臂梁上且位于悬臂梁两端之间，且该向支撑块的伸出位置与滑杆的布置方向互相平行；与悬臂梁平行地设置该向的光纤，在光纤上设置光纤光栅。
上述技术方案中，每个传感单元中单独布置一根光纤光栅。
上述技术方案中，光纤光栅位于两个支撑块之间。
上述技术方案中，传感单元沿光纤光栅方向的两侧设有光缆接头，光纤光栅通过两个光缆接头连接且固定在两个支撑块之上，经过出纤孔后延伸至传感器壳体的外部。
上述技术方案中，三个质量块（41、 51、61）均为正六面体结构，并在其中心位置开有贯穿质量块的圆孔，各滑杆（47）、57、67）与各对应圆孔间隙配合。
上述技术方案中，三个质量块与各自滑杆的间隙配合连接处的滑杆表面粗糙度相同或不同。
本发明的有益效果是：
本发明设计的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器可通过三个独立的传感单元获得3个轴向的加速度，实现对加速度多维的实时、高精度检测，进而实现对大功率风机机械振动状态的实时监测与故障诊断，具有较好的应用前景。
在本发明一种组合式多维FBG加速度传感器中，传感单元包括质量块、支撑块、光纤光栅、光纤、悬臂梁相互连接为一体结构，且位于同一水平面。x向传感单元与y向传感单元在水平面上相互垂直，在竖直平面上相互平行，y向传感单元与z向传感单元在水平面上平行，在竖直平面上相互垂直。传感单元在传感器壳体中空结构的空间内两两相互垂直，并沿传感器壳体竖直方向依次排列布置，整体结构紧凑。
当有外界振动信号时，传感单元中的质量块在惯性力的作用下沿滑杆做短行程的直线运动，带动悬臂梁发生一定程度的转动，从而带动粘贴于支撑块上的光纤光栅伸缩，进而造成光纤光栅的中心波长发生变化，由于本发明独特的传感单元结构设计以及在各传感单元在三个轴向方向上相互独立、相互垂直、位置准确，从而实现了精确和多维的振动加速度测量。
同时，本发明可通过改变传感单元中质量块与滑杆处的动摩擦系数，调整滑杆与质量块间的摩擦特性，可以根据不同方向上的灵敏度检测需求进行适度调整。
此外，本发明每个传感单元相互独立，每个传感单元中单独布置一根光纤光栅，传感单元沿光纤光栅方向的两侧设有光缆接头，光纤光栅通过两个光缆接头且固定在两个支撑块之上，经过出纤孔后延伸至传感器壳体的外部，光栅栅区位于两个支撑块之间，这解决了现有技术中传感测量出纤过多、不便于组网等问题。
故本发明设计的组合式多维FBG加速度传感器具有精确度较高、体积较小、多维检测、灵敏度检测可调、利于接入传感网络的优点，不仅能够为大功率风机机械振动状态的准确评估提供技术支持，也能够为其他旋转体特种装备机械振动状态的监测和故障诊断提供技术借鉴，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器的整体结构示意图。
图2是本发明组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器中x向传感单元的结构示意图。
图1-2中附图标记说明如下：传感器上盖1，传感器壳体2，传感器底座3，x向传感单元4，x向质量块41，x向支撑块42，x向光纤光栅43，x向光纤44，x向悬臂梁45，x向出纤孔46，y向传感单元5，y向质量块51，y向支撑块52，y向光纤光栅53，y向光纤54，y向悬臂梁55，y向出纤孔56，z向传感单元6，z向质量块61，z向支撑块62，z向光纤光栅63，z向光纤64，z向悬臂梁65，z向出纤孔66，组合式多维FBG加速度传感器7。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
根据本发明实施的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器7，包括传感器上盖1、传感器壳体2和传感器底座3，传感器壳体2的顶部、底部分别与传感器上盖1、传感器底座3相连接，传感器底座3和传感器上盖1之间通过螺钉连接。传感器壳体2的内部设有三个轴向传感单元。
所述传感单元包括x向传感单元4、y向传感单元5与z向传感单元6，三个传感单元均通过其中的滑杆结构和悬臂梁结构与传感器壳体2进行螺纹连接安装在壳体的中空空间中。x向传感单元4与y向传感单元5在水平面上相互垂直，在竖直平面上相互平行，y向传感单元5与z向传感单元6在水平面上平行，在竖直平面上相互垂直。传感单元在传感器壳体2中空结构的空间内两两相互垂直，沿传感器壳体2竖直方向依次排列布置，相互独立，互不干扰。
所述x向传感单元4包括x向质量块41、x向支撑块42、x向光纤光栅43、x向光纤44、x向悬臂梁45、x向出纤孔46、x向滑杆47，其结构如图2所示，y向传感单元5和z向传感单元6的结构与此类似；所述y向传感单元5包括y向质量块51、y向支撑块52、y向光纤光栅53、y向光纤54、y向悬臂梁55、y向出纤孔56、y向滑杆57；所述z向传感单元6包括z向质量块61、z向支撑块62、z向光纤光栅63、z向光纤64、z向悬臂梁65、z向出纤孔66、z向滑杆67；其中，x向传感单元按照图1所示的位置安装在传感器壳体2上，具体安装方式是：其中的x向滑杆47于传感器壳体2两个侧面的x向出纤孔46处进行螺纹连接，x向悬臂梁45的一端与传感器壳体2螺纹连接，另一端与x向质量块41螺纹连接，x向悬臂梁45上设有两个x向支撑块42，x向支撑块42的位置与x向滑杆47在水平方向上互相平行。同理，y向传感单元5和z向传感单元6的结构组成及安装方式与x向传感单元4类似。
所述x向传感单元4中的x向质量块41为方形结构，并在其中心位置开有贯穿x向质量块41的圆孔，x向滑杆47通过圆孔与x向质量块41采用间隙配合连接。同理，y向传感单元5与z向传感单元6中y向质量块51和z向质量块61与y向滑杆57和z向滑杆67的连接方式与此类似。
所述传感单元在传感器壳体2中空结构的空间内两两相互垂直，并沿传感器壳体2竖直方向依次排列布置，整体结构紧凑。这种传感单元独特的结构设计和组合式的布置与安装，可通过三个独立的传感单元获得3个轴向的加速度，实现对加速度多维的实时、高精度检测。
所述x向质量块41、y向质量块51、z向质量块61与x向滑杆47、y向滑杆57、z向滑杆67的间隙配合连接处的滑杆表面粗糙度略有差异，可通过改变表面粗糙度来改变质量块与滑杆之间的摩擦特性，从而对FBG加速度传感器7在x、y、z三个轴向方向的检测灵敏度进行调整，进而实现FBG加速度传感器7在多维方向上的灵敏度可调性检测。
本发明的工作原理说明如下：
为了解决现有技术的缺点，本发明设计的组合式多维FBG加速度传感器具有精确度较高、体积较小、多维检测、灵敏度可调性检测、利于接入传感网络的优点，不仅能够为大功率风机机械振动状态的准确评估提供技术支持，也能够为其他旋转体类的特种装备机械振动状态的准确监测和故障诊断提供技术借鉴，具有广泛的应用前景。
先将本发明的组合式多维FBG加速度传感器采用螺纹连接的方式与风机转子的轴承座表面固定连接，然后再将传感器中每个传感单元两侧的光纤光栅通过光缆接头接入内置宽带光源的光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪与电脑连接。风机启动后，转子正常运转过程中产生的振动使传感器中传感单元的质量块在惯性力的作用下沿滑杆进行短行程移动，从而带动FBG拉伸产生波长漂移量，光纤光栅解调仪中内置的宽带光源的输出光波经过光纤耦合器进入组合式多维FBG加速度传感器7，这束输入光波在FBG加速度传感器7中被光纤光栅反射，携带转子机械振动状态的轴向加速度信号的反射光波经过FBG加速度传感器7和光纤耦合器，最后进入光纤光栅解调仪，由光纤光栅解调仪对反射光波的光谱进行测量，并将测量结果传输到PC端进行数据换算和存储，即得到三个轴向方向上加速度参数的变化情况，进而获得大型风机转子的实时机械振动状态。
本发明包括三个轴向互相垂直设置的传感单元，所述传感单元包括x、y、z向传感单元，传感单元均通过其中的滑杆结构和悬臂梁结构通过螺纹连接安装在传感器壳体中，传感单元在传感器壳体中空结构的空间内两两相互垂直，沿传感器壳体竖直方向依次排列布置，三个传感单元相互独立，互不干扰。三个传感单元均包括滑杆、质量块、支撑块、悬臂梁的连杆结构，每个传感单元内设有一个悬臂梁，悬臂梁的一端与传感器壳体螺纹连接，另一端与质量块螺纹连接，质量块与滑杆采用间隙配合的方式连接，质量块可在滑杆上进行短行程滑动，通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度可改变传感单元阻尼。每个传感单元中单独布置一根光纤光栅，传感单元沿光纤光栅方向的两侧设有光缆接头，光纤光栅固定在两个支撑块之间，经过出纤孔后延伸至传感器壳体的外部。发明有益的效果是：本发明构建了组合式的多维加速度检测方法，通过三个传感单元的结构设计和组合式的安装布置，可实现多维的加速度传感检测；同时，可通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度来调整不同方向上的灵敏度。因此，本发明的传感检测性能良好，精确度较高，检测灵敏度可调，体积较小，方便接入传感网络，且可实现多维加速度检测，对于大功率电站风机的实时振动监测与故障诊断具有实际应用意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于包括置于中空结构的空间内中的三个传感单元：x向传感单元（4）、y向传感单元（5）与z向传感单元（6）；三个传感单元在中空结构的空间内两两相互垂直，且沿中空结构的空间内竖直方向依次间隔排列布置，相互独立互不干扰；
三个传感单元均包括滑杆、质量块、支撑块、悬臂梁的连杆结构；每个传感单元内设有一个悬臂梁，悬臂梁的一端与传感器壳体固定连接，另一端与质量块固定连接；质量块与滑杆间隙配合且质量块可在滑杆上进行短行程滑动，通过改变滑杆与质量块接触面的表面粗糙度能够改变传感单元阻尼。
2.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：x向传感单元（4）与y向传感单元（5）在水平面上相互垂直且在竖直平面上相互平行设置；y向传感单元（5）与z向传感单元（6）在水平面上平行且在竖直平面上相互垂直设置。
3.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：传感器壳体（2）与顶部的传感器上盖（1）、底部的传感器底座（3）相连接形成中空结构的空间。
4.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：各向的传感单元均包括一个质量块、光纤光栅、光纤、悬臂梁、滑杆和两个支撑块；滑杆上设置所述质量块，且滑杆两端与传感器壳体（2）两个侧面上的出纤孔固定连接，悬臂梁与滑杆垂直设置，且悬臂梁的一端与传感器壳体（2）固定连接，另一端与质量块固定连接，两个支撑块设置在悬臂梁上且位于悬臂梁两端之间，且在该悬臂梁设置方向上的支撑块的伸出位置与滑杆的布置方向互相平行；与悬臂梁平行地设置该向的光纤，在光纤上设置光纤光栅。
5.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：每个传感单元中单独布置一根光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：光纤光栅位于两个支撑块之间。
7.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：传感单元沿光纤光栅方向的两侧设有光缆接头，光纤光栅通过两个光缆接头连接且固定在两个支撑块之上，经过出纤孔后延伸至传感器壳体的外部。
8.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：三个质量块（41、 51、61）均为正六面体结构，并在其中心位置开有贯穿质量块的圆孔，各滑杆（47）、57、67）与各对应圆孔间隙配合。
9.根据权利要求1所述的组合式可变灵敏度的多维FBG加速度传感器（7），其特征在于：三个质量块与各自滑杆的间隙配合连接处的滑杆表面粗糙度相同或不同。
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