CN114136428A - 测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试方法及系统，系统包括光源模块、光纤传感探头、信号调理装置，上位机处理系统。光纤传感探头包括两个光纤基元，转轴振动信号测量光纤基元包括发射光纤，第一组接收光纤，第二组接收光纤；键相信号测量光纤基元包括发射光纤和一组接收光纤。上位机处理系统包括上位机和相应的上位机处理程序，上位机处理程序包括振动信号和键相信号的时域波形显示模块、振动信号频域波形显示模块、转子实时转速显示模块以及转子振动的振幅、相位计算模块。本发明主要用于强磁场条件下、传感器安装空间狭小的悬臂转子振动测量，能够实时监测转子的振动情况，且整套系统所占物理空间小。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试方法及系统。
背景技术
旋转机械是指主要依靠旋转动作完成特定功能的机械，被广泛运用于农业、能源、化工、矿业、制造业等领域，在现代化工业生产中起着重要的作用。随着工业的高速发展，旋转机械也朝着大功率、高转速方向发展，对于旋转机械的生产标准也日益严格，要求更加高速化、精密化。为了提高旋转机械的工作效率，有的旋转机械被设计为电机与从动机一体的悬臂结构，主动机与从动机的一体化设计避免了联轴器、皮带、齿轮等中间传动部件造成的能量损耗，进一步提升了机组的效率。悬臂转子由于电机与从动机一体化的设计，对于转子的制造、装配精度要求很高，而在设计、制造、装配、维修过程中的误差以及转子在运行过程中附着的沉积物、磨损、腐蚀等会形成不平衡质量加大机组振动。振动会引发噪声和能量损耗，降低机械性能和使用寿命，甚至会造成转子断裂和机组报废等重大事故，造成巨大的经济损失和惨痛的人员伤亡。因此针对悬臂转子振动的实时监测对具有悬臂结构的旋转机械的正常运行和故障诊断具有重要意义。
传统的旋转机械转子振动测量采用电涡流传感器或者加速度传感器。加速度传感器采集的加速度信号要转换为位移信号要经过两次积分，这对积分器的要求极高，积分效果也不够理想，且加速度传感器采集的转子振动信号是经过轴承座传递的原始信号的衰减信号，不能很好的还原出真实的转子振动信号；电涡流传感器存在着不抗电磁干扰、对被测物体表面要求高以及对温度敏感等不足。在实际应用中电涡流传感器和加速度传感器还要与提供键相信号的光电传感器组合使用，因此传感器安装所占的空间较大。
悬臂转子由于电机转子与从动机转子的一体化设计，密封性要求高，其机械结构中可用于传感器安装的空间狭小，难以同时满足振动传感器和键相传感器的安装条件，电机转动造成的电磁干扰使得电涡流传感器使用进一步受限。反射强度调制式光纤传感器具有非接触式测量，抗电磁干扰，精度高，频率响应宽，结构简单，成本低，尺寸小等优点，成为近年来的研究热点。
发明内容
针对现有悬臂转子振动测量装置的上述缺陷，本发明的目的是提供一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试方法及系统。由此实现在传感器安装空间狭窄条件下的悬臂转子振动信号和键相信号的测量，进而得到转子振动的振幅和相位，从而减小传感器的安装空间，并能够在强磁场条件下使用。
一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，包括光源模块、光纤传感探头、信号调理装置及上位机处理系统；
所述光源模块与光纤传感探头的入射端口连接；所述信号调理装置与光纤传感探头的出射端口连接，上位机处理系统与所述信号调理装置连接；
所述光纤传感探头的光照射在转子的反光片上；
所述光纤传感探头包括转轴振动测量光纤基元和键相测量光纤基元；转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元以光纤传感探头的中心为参照左右排列；
所述转轴振动测量光纤基元包括第一发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤，所述第一接收光纤以第一发射光纤为中心紧密排布，第二接收光纤紧密排布在第一接收光纤外围，
所述键相信号测量光纤基元包括第二发射光纤和第三接收光纤，所述第三接收光纤以第二发射光纤为中心紧密排布。
作为本发明的进一步改进，六根所述第一接收光纤以第一发射光纤为中心成正六边形紧密排布，十二根第二接收光纤成正六边形紧密排布在第一接收光纤外围，第一接收光纤、第二接收光纤与第一发射光纤同轴共面。
作为本发明的进一步改进，所述第一发射光纤、第一接收光纤、第二接收光纤均为数值孔径0.22、纤芯半径150μm的多模光纤。
作为本发明的进一步改进，六根所述第三接收光纤以第二发射光纤为中心成正六边形紧密排布，第三接收光纤与第二发射光纤同轴共面。
作为本发明的进一步改进，第二发射光纤和第三接收光纤均为数值孔径0.22、纤芯半径100μm的多模光纤。
作为本发明的进一步改进，转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元的中心距为3mm；传感器探头最前端直径为5mm；光纤传感探头外部设置金属铠装管。
作为本发明的进一步改进，所述光源模块包括直流电源、光源恒流电路和LED光源，直流电源、光源恒流电路和LED光源依次连接；LED光源与光纤传感探头之间通过F/C接口连接。
作为本发明的进一步改进，信号调理装置包括光电转换模块、滤波模块、放大模块和数据采集卡；光纤传感探头与光电转换模块之间通过F/C接口连接，光电转换模块、滤波模块、放大模块和数据采集卡依次连接。
一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统的测量方法，包括以下步骤：
入射进光纤传感探头转轴振动测量光纤基元的第一发射光纤的光照射在转子上，转子的振动信息被调制进反射光耦合进入第一接收光纤和第二接收光纤；当入射进光纤传感探头键相测量基元第二发射光纤的光照射到反光片上时，产生一个脉冲信号，转子的键相信号被调制进脉冲信号耦合进入到第三接收光纤；光纤传感探头采集的转子振动信号和键相信号通过光电转换模块转换为模拟电信号，并经过滤波模块、放大模块和数据采集卡形成能够被上位机处理的数字电信号；
进入到上位机的两路转子振动信号经过比除运算后得到转子振动信号的时域谱图和频域谱图，对键相信号运用脉冲计数得到转子的实时转速，对转子振动信号进行频谱分析运算得到转子振动的振幅和相位。
作为本发明的进一步改进，所述上位机处理系统实时显示转子振动信号和键相信号的频域波形，以及得到的转子振动的幅值、相位以及转子实时转速。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种同时测量测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，本发明的光纤传感探头由一个转轴振动测量光纤基元和一个键相测量光纤基元组成，在一个传感器中实现了振动信号测量和键相信号测量的集成，实现了传感器的小型化和集成化，避免了多个传感器使用时的传感器安装空间不足的问题。对比传统的电涡流振动传感器，本发明提出的基于光纤传感器的测试系统，能够克服电磁干扰，使用范围更广。该系统消除现有测量装置安装空间大、结构复杂的问题，并且能在强磁场条件下使用。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
图1是本发明涉及的一种同时测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感探头立体简图；
图2是本发明涉及的一种同时测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感探头主视图；
图3是本发明涉及的一种同时测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感系统的整体简图；
图4是本发明涉及的一种同时测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感系统的工作流程框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
如图1至图2所示，本发明一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，包括光源模块、光纤传感探头6、信号调理装置及上位机处理系统；
所述光源模块与光纤传感探头6的入射端口连接；所述信号调理装置与光纤传感探头6的出射端口连接，上位机处理系统与所述信号调理装置连接；
所述光纤传感探头6设置在转子7一侧，所述转子7上设置有反光片8；
所述光纤传感探头6包括转轴振动测量光纤基元和键相测量光纤基元；转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元以光纤传感探头的中心为参照左右排列；
所述转轴振动测量光纤基元包括第一发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3，所述第一接收光纤2以第一发射光纤1为中心紧密排布，第二接收光纤3紧密排布在第一接收光纤2外围，
所述键相信号测量光纤基元包括第二发射光纤4和第三接收光纤5，所述第三接收光纤5以第二发射光纤4为中心紧密排布。
所述光源模块由5V直流电源、LED型光源和光源恒流电路组成，光源恒流电路使得流过光源的电流恒定，进而保证发射光的稳定性。
所述光纤传感探头由一个转轴振动测量光纤基元和一个键相测量光纤基元组成，两个基元之间的中心距为3mm，光纤传感探头的直径为5mm。
所述转轴振动测量光纤基元是由发射光纤和两组接收光纤组成，所述第一组6根接收光纤以发射光纤为中心成正六边形紧密排布，第二组12根接收光纤成正六边形紧密排布在第一组接收光纤外围；所述发射光纤和接收光纤的数值孔径为0.22，纤芯半径为150μm，两组接收光纤与发射光纤同轴共面。
所述键相信号测量光纤基元是由发射光纤和一组接收光纤组成，所述6根接收光纤以发射光纤为中心成正六边形紧密排布；所述发射光纤和接收光纤的数值孔径为0.22，纤芯半径为100μm，接收光纤与发射光纤同轴共面。
所述发射光纤和接收光纤的接口均采用标准FC螺纹接口分别与光源和光电转换模块连接。
所述信号调理装置包括光电转换模块、滤波模块、放大模块和A/D转换模块，所述信号调理装置的输入端通过标准FC螺纹接口与光纤传感探头的接收光纤接口相连，输出端通过USB接口与上位机相连。
所述信号调理装置能够将光纤传感探头接收光纤的光信号转换为电信号，并进行放大滤波去除干扰信号，经A/D转换后将数字信号送到上位机进行处理。
所述上位机处理系统由上位机和上位机处理程序组成，所述上位机处理系统能够将光纤传感探头的转轴振动测量光纤基元的两组接收光纤信号进行比除运算，得到转轴振动信号输出调制曲线；所述上位机处理系统能够将光纤传感探头的键相信号测量光纤基元的接收光纤信号转换为键相脉冲曲线。
所述上位机处理系统能够实时显示转子振动信号和键相信号的频域波形，并能够计算出转子振动的幅值、相位以及转子实时转速。
一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统的测量方法，包括以下步骤：
入射进光纤传感探头转轴振动测量光纤基元的第一发射光纤1的光照射在转子7上，转子的振动信息被调制进反射光耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3；当入射进光纤传感探头键相测量基元第二发射光纤4的光照射到反光片8上时，产生一个脉冲信号，转子的键相信号被调制进脉冲信号耦合进入到第三接收光纤5；光纤传感探头6采集的转子振动信号和键相信号通过光电转换模块12转换为模拟电信号，并经过滤波模块13、放大模块14和数据采集卡15形成能够被上位机16处理的数字电信号；
进入到上位机16的两路转子振动信号经过比除后得到转子振动信号的时域谱图和频域谱图，对键相信号运用脉冲计数得到转子的实时转速，对转子振动信号进行频谱分析运算可得到转子振动的振幅和相位。
实施例2
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示。
如图1至图2所示，一种同时测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感探头6，包括一个转轴振动测量光纤基元和一个键相测量光纤基元。转轴振动测量光纤基元包括第一发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3，所述第一接收光纤2以第一发射光纤1为中心成正六边形紧密排布，第二接收光纤3成正六边形紧密排布在第一接收光纤2外围，第一接收光纤2、第二接收光纤3与第一发射光纤1同轴共面。第一接收光纤2由6根光纤组成，第二接收光纤3由12根光线组成。第一发射光纤1、第一接收光纤2、第二接收光纤3均为数值孔径为0.22，纤芯半径为150μm的多模光纤。
键相信号测量光纤基元包括第二发射光纤4和第三接收光纤5，所述第三接收光纤5以第二发射光纤4为中心成正六边形紧密排布，第三接收光纤5与第二发射光纤4同轴共面。第三接收光纤5由6根光纤组成。第二发射光纤4和第三接收光纤5均为数值孔径为0.22，纤芯半径为100μm的多模光纤。
转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元以光纤传感探头的中心为参照左右排列，两个基元的中心距为3mm。为减小光纤传感探头对转子工作环境的影响，尽可能缩减探头前端尺寸，将传感器探头最前端直径缩减至仅5mm。为了避免所述光纤在使用过程中被折断和损耗，在传感器光纤线缆外部设置金属铠装管。
如图3至4所示，一种测量转轴振动和键相信号的悬臂转子振动光纤传感系统，包括光纤传感探头、光源模块、信号调理装置及上位机处理系统。光源模块由输出电压为5V的直流电源9、光源恒流电路10和波长为820nm的LED光源11组成。信号调理装置由光电转换模块12、滤波模块13、放大模块14和数据采集卡15组成。上位机处理系统由上位机16和相应的处理程序组成。
5V直流电源9驱动LED光源11产生波长为820nm的光，光源恒流电路10通过恒流使得流过LED光源11的电流始终保持稳定，进而保证了入射进光纤传感探头6发射光纤的稳定性，LED光源11与光纤传感探头6之间通过F/C接口连接。入射进光纤传感探头转轴振动测量光纤基元第一发射光纤1的光照射在转子7上，转子的振动信息被调制进反射光耦合进入第一接收光纤2和第二接收光纤3；在转子7上粘贴反光片8，当入射进光纤传感探头键相测量基元第二发射光纤4的光照射到反光片8上时，会产生一个脉冲信号，转子的键相信号被调制进脉冲信号耦合进入到第三接收光纤5。光纤传感探头6采集的转子振动信号和键相信号通过光电转换模块12转换为模拟电信号，并经过滤波模块13、放大模块14和数据采集卡15形成能够被上位机16处理的数字电信号。光纤传感探头6与光电转换模块12之间通过F/C接口连接，数据采集卡15与上位机16之间通过USB接口连接。进入到上位机16的2路转子振动信号经过比除可以消除光纤的弯曲损耗、本征损耗、附加损耗、外界振动、反射面粗糙度和光源功率波动等因素对光纤传感器输出特性的影响。比除后的振动信号和键相信号经过上位机程序的处理可以得到转子振动信号和键相信号的时域谱图和频域谱图，对键相信号运用脉冲计数可以得到转子的实时转速，对转子振动信号进行频谱分析运算可以得到转子振动的振幅和相位。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (10)
1.一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，包括光源模块、光纤传感探头(6)、信号调理装置及上位机处理系统；
所述光源模块与光纤传感探头(6)的入射端口连接；所述信号调理装置与光纤传感探头(6)的出射端口连接，上位机处理系统与所述信号调理装置连接；
所述光纤传感探头(6)设置在转子(7)一侧，所述转子(7)上设置有反光片(8)；
所述光纤传感探头(6)包括转轴振动测量光纤基元和键相测量光纤基元；转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元以光纤传感探头的中心为参照左右排列；
所述转轴振动测量光纤基元包括第一发射光纤(1)、第一接收光纤(2)、第二接收光纤(3)，所述第一接收光纤(2)以第一发射光纤(1)为中心紧密排布，第二接收光纤(3)紧密排布在第一接收光纤(2)外围；
所述键相信号测量光纤基元包括第二发射光纤(4)和第三接收光纤(5)，所述第三接收光纤(5)以第二发射光纤(4)为中心紧密排布。
2.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，
六根所述第一接收光纤(2)以第一发射光纤(1)为中心成正六边形紧密排布，十二根第二接收光纤(3)成正六边形紧密排布在第一接收光纤(2)外围，第一接收光纤(2)、第二接收光纤(3)与第一发射光纤(1)同轴共面。
3.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，
所述第一发射光纤(1)、第一接收光纤(2)、第二接收光纤(3)均为数值孔径0.22、纤芯半径150μm的多模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，
六根所述第三接收光纤(5)以第二发射光纤(4)为中心成正六边形紧密排布，第三接收光纤(5)与第二发射光纤(4)同轴共面。
5.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，
第二发射光纤(4)和第三接收光纤(5)均为数值孔径0.22、纤芯半径100μm的多模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于，
转轴振动测量光纤基元和键相信号测量光纤基元的中心距为3mm；所述光纤传感探头(6)直径为5mm；光纤传感探头(6)外部设置金属铠装管。
7.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于；
所述光源模块包括直流电源(9)、光源恒流电路(10)和LED光源(11)，直流电源(9)、光源恒流电路(10)和LED光源(11)依次连接；LED光源(11)与光纤传感探头(6)之间通过F/C接口连接。
8.根据权利要求1所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统，其特征在于；
信号调理装置包括光电转换模块(12)、滤波模块(13)、放大模块(14)和数据采集卡(15)；光纤传感探头(6)与光电转换模块(12)之间通过F/C接口连接，光电转换模块(12)、滤波模块(13)、放大模块(14)和数据采集卡(15)依次连接。
9.权利要求1至8任一项所述的一种测量振动和键相信号的悬臂转子振动光纤测试系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
入射进光纤传感探头转轴振动测量光纤基元的第一发射光纤(1)的光照射在转子(7)上，转子的振动信息被调制进反射光耦合进入第一接收光纤(2)和第二接收光纤(3)；当入射进光纤传感探头键相测量基元第二发射光纤(4)的光照射到反光片(8)上时，产生一个脉冲信号，转子的键相信号被调制进脉冲信号耦合进入到第三接收光纤(5)；光纤传感探头(6)采集的转子振动信号和键相信号通过光电转换模块(12)转换为模拟电信号，并经过滤波模块(13)、放大模块(14)和数据采集卡(15)形成能够被上位机(16)处理的数字电信号；
进入到上位机(16)的两路转子振动信号经过比除运算后得到转子振动信号的时域谱图和频域谱图，对键相信号运用脉冲计数得到转子的实时转速，对转子振动信号进行频谱分析得到转子振动的振幅和相位。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述上位机处理系统实时显示转子振动信号和键相信号的时域、频域波形，能够计算转子振动的幅值、相位以及转子实时转速。
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