CN115655771B

CN115655771B - 相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法

Info

Publication number: CN115655771B
Application number: CN202211680447.9A
Authority: CN
Inventors: 刘繄; 吴新宇; 宋涵; 王博一; 王洁; 李志康
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2042-12-27
Also published as: CN115655771A

Abstract

本申请公开了相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法。包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上。本申请旋转机械设备故障监测系统，采用相移光纤光栅替换窄边坡布拉格光栅解调系统中的布拉格光纤光栅进行增敏，其灵敏度可以根据相移光纤光栅参数进行调节，增敏倍数在5‑100倍之间可调。本技术方案相比传统布拉格光纤光栅旋转机械设备故障监测方法，具有高得多的灵敏度，十分适合高刚性主轴等精密设备的故障监测。

Description

相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法

技术领域

本申请涉及机械测量的技术领域，尤其涉及相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法。

背景技术

工程中常常通过分析加速度信号特征对设备故障进行诊断。但是待测部位加速度信号易受干扰，往往混有许多非监测部位的振动信息，需要后期进行繁琐的信号处理与识别工作，才能实现正确的故障信号判定。有没有其他形式信号能够既能反映设备故障情况，又能不受其他振源干扰（或者少受其他振源干扰），一直是高端装备故障诊断领域的国际前沿课题。目前研究表明，设备上的应变信号具有这种优势。相比振动信号，应变信号只携带局部信息，信号干扰因素少得多，是设备故障诊断的新发展方向，目前已有学者开始探索研究，利用应变信号解决了一些低刚度机械结构的故障诊断问题。但是对于高端精度设备，这种方法还有一定局限性。因为许多高精度旋转机械装备，特别是高精度数控机床，为了减小受力变形往往将支撑结构刚度设计得很大，这使得设备应变很小，从而导致以应变信号为基础的旋转机械设备故障诊断方法难以运用。如何大幅提高故障诊断系统中应变传感测量的灵敏度，是困扰该领域的一个技术难题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法，能够提高对旋转机械设备故障监测的准确性。

第一方面，本申请提供一种相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统，包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上。

可选地，所述可调激光器通过光环形器连接相移光纤光栅。

可选地，所述相移光纤光栅所处的光纤上设有光纤隔离器。

可选地，所述可调激光器为窄线宽可调激光器。

可选地于，所述可调激光器的线宽40MHz。

可选地，所述数据采集装置包括数据采集卡和计算器，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，所述计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据。

第二方面，本申请提供一种采用如上述旋转机械设备故障监测系统实施的故障监测方法，包括以下步骤：

在可调激光器逐点扫描下，获得相移光纤光栅所产生的透射光谱分布数据；

将所述透射光谱数据用两条直线分别拟合其上升与下降沿，得到前坡函数与后坡函数；

将所述可调激光器的输出波长调至斜率绝对值较大的边坡函数中点，以作为可调激光器的激光工作点；

基于所述激光工作点，在高速AD采样系统辅助下，获得旋转机械设备的故障信息。

可选地，还包括温度补偿的过程，所述温度补偿包括：

通过高速AD采样系统采集预定时间内旋转机械设备振动所致的光强信号；

将所述光强信号平均，并与初始激光工作点对应的初始光强进行作差比较，并将差值除以线性拟合曲线的最大斜率值，得到激光点受温度引起的激光工作点的漂移补偿量；

将当前激光工作波长增减所述漂移补偿量，直至将激光波长工作点恢复到初始状态。

可选地，所述将当前激光工作波长增减所述漂移补偿量，以将激光波长工作点恢复到初始状态，具体为：

当激光工作点位于前坡函数时，对当前激光工作波长增加补偿量以获得正确的波长补偿；

当激光工作点位于后坡函数时，对当前激光工作波长减少补偿量以获得正确的波长补偿。

可选地，所述增减所述漂移补偿量以预定时间间隔的方式持续进行，直至激光工作波长始终稳定在初始波长附近。

以上提供的相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法，将使用相移光纤光栅替换窄边坡布拉格光栅解调系统中的布拉格光纤光栅进行增敏，能够较为准确地适用于对高刚度旋转机械设备故障监测。

与此同时，针对提高应变测量灵敏度之后带来的温度漂移问题，设计了一种特殊的温度估计与实时补偿方法。利用旋转机械振动的周期性特点，将一段时间内测量的应变信号看作交流分量与直流分量两部分之和。其中直流分量代表了温度的影响，交流分量代表了机械振动影响。对一段时间内的测量电压求平均值就可以得到这段信号的直流分量，代表了此时相移光纤光栅处的温度信息，将该值与初始激光工作点对应的电压值进行作差比较，就可以获得相移光纤光栅温升造成的工作点漂移值，然后再经过相移光纤光栅边坡斜率换算即可得到激光工作点漂移补偿量；最后将当前激光工作波长增减补偿量即可将激光波长工作点恢复到初始状态。反复循环使用该方法，就可以使激光器的波长跟踪光栅透射谱移动，起到稳定静态工作点的目的。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1示出了本申请相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统结构示意图。

图2-1为本申请实施例的机床的主轴故障监测系统示意图。

图2-2为本申请实施例的风机的主轴故障监测系统示意图。

图3为本申请实施例提供的相移光谱逐点扫描的示意图。

图4-1为本申请实施例提供的相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测方法的流程图。

图4-2为本申请实施例提供的激光器波长逐点输出示意图。

图4-3为本申请实施例提供的数据采集卡在不同波长下的相移光谱示意图。

图4-4为本申请实施例提供的相移光纤光栅灵敏度最大处的局部放大示意图。

图4-5为本申请实施例提供的激光工作点输出光强与外界信号关系示意图。

图5-1为本申请实施例提供的温度补偿方法的示意图。

图5-2为本申请实施例提供的相移光纤光栅温度补偿示意图。

其中，图中元件标识如下：

1-可调激光器；2-光环形器；3-光隔离器；4-相移光纤光栅；5-主轴；6-光探测器；7-1-机床；7-2-风机；8-数据采集卡；9-计算机；10-数据采集装置。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参考图1，本申请提相移光纤光栅4增敏的旋转机械设备故障监测系统，包括可调激光器1、光纤、光环形器2、相移光纤光栅4、光探测器6、光隔离器3及数据采集装置10。

其中，该光纤连接在可调激光器1、光环形器2之间，连接在光环形器2、相移光纤光栅4之间，以及连接在光环形器2、光探测器6之间。相移光纤光栅4固定在主轴5上，用以采集待监测主轴5的振动所致的应变。可调激光器1发出的激光，由光纤所传导，经过光环形器2后到达相移光纤光栅4。由于待监测主轴5的振动所致应变会带来由相移光纤光栅4所输出激光波长较输入时产生变化，因而从相移光纤光栅4所输出的激光反射传导至光经光环行器，而后从光探测器6转换为电信号，由数据采集装置10采集。

进一步的，光环形器2、相移光纤光栅4之间的光纤的末端设有用于消除反射回光干涉的光纤隔离器3。光纤隔离器3末端的光纤端面采用斜端面处理。所述的光纤隔离器3能够有效衰减透过光栅的其他波长光波，阻止这些光波通过光环形器2返回探测器，最终起到减小光波干涉影响，对系统的稳定性具有显著提升效果。

图2-1和图2-2示出了二种不同形式的待监测旋转机械设备。相移光纤光栅4所安装的待监测旋转机械设备，可以是机床7-1，如图2-1所表示的。当然，相移光纤光栅所安装的待监测旋转机械设备，可以是风机7-2。

本实施例中，所述的可调激光器1为窄线宽可调激光器1，优选线宽40MHz。光探测器6为高速光探测器6。所述的数据采集装置10包括数据采集卡8和计算器，所述光探测器6的输出端通过数据采集卡8与计算机9连接，计算机9用于监测反射回光的反射光谱分布数据，并计算最佳工作波长后调节所述可调激光器1。

请参考图3，因待监测旋转机械设备的主轴5的振动所致应变，由相移光纤光栅4所传导出的激光图谱转变为三角形投射谱型区域。由图3可以看出，输入至相移光纤光栅4的激光即可调激光器1所输出激光为类似的正余弦波长，与而由相移光纤光栅4所传导出的三角形投射谱型区域存在明显的形状差异。

对三角形投射谱进行解调过程，可以用下式表示的函数：

前坡函数

；

后坡函数

；

其中，变量λ为透射光谱波长，参数k ₁、k ₂为三角形透射光谱拟合函数斜率，b ₁ 、b ₂为三角形透射光谱拟合函数截距。

请参考图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5，示出了上述解调的具体过程。

S1、通过可调激光器1逐点扫描并记录相移光纤光栅4所产生的透射光谱分布数据。

这里，关于逐点扫描的设计考虑是：本方法需要将可调激光器1输出波长定位到光谱上的灵敏度最大的点处，要想得到灵敏度最大点处，就需要得到相移光纤光栅4的光谱信号。而本方法是不可能直接一次性得到所有的光谱信号，因此需要先“逐点扫描”从而得到相移光纤光栅4的光谱形状，然后再根据光谱的形状进行直线拟合与数据处理，进而最终确定灵敏度最大点。

S2、将近似三角形的透射光谱数据用两条直线分别拟合其上升与下降沿，得到前坡函数与后坡函数。

S3、将可调激光器1输出波长调至斜率绝对值较大的边坡函数中点波长位置作为可调激光器1的激光工作点。

S4、基于该激光工作点下，通过相移光纤光栅4，采集旋转机械设备动应变信息。

此处，通过相移光纤光栅4采集旋转机械设备动应变，属于已知技术，再次略述。其通常的思路是：旋转机械设备动应与相移光纤光栅4的波长变化之间存在预定关系，并根据该预设关系由当前旋转机械设备所带来的相移光纤光栅4的波长变化，便可得到旋转机械设备动应变信息。

在该步骤中，当要实现实现对高刚性旋转机械设备的微弱故障的早期监测与预警，该情形对相移光纤光栅4所输出的激光信息的采集更为苛刻，此时可增设高速AD采样系统。

由于相移光纤光栅4在使用时受温度影响，相移光纤光栅4的谱型会发生变化，往往可能造成可调激光器1的输出激光波长偏离出三角形线性投射光谱区域，造成测量时出现量程变小和测量误差。

针对此类问题，在对旋转机械设备进行故障监测时，采用特定的温度补偿方法，具体步骤如图5-1、5-2所示。具体包括：

S1、利用高速AD采样系统测量一段时间内旋转机械设备振动引起的光强信号进行平均；

S2、将平均光强与初始激光工作点对应的初始光强进行作差比较，然后再将差值除上线性拟合曲线的最大斜率值，所得结果为激光点受温度引起的激光工作点漂移补偿量；

S3、将当前激光工作波长增减补偿量，即可将激光波长工作点恢复到初始状态。

针对本补偿方法的步骤S3而言，具体的操作方式是，当激光工作点位于前坡函数时，要对当前激光工作波长增加补偿量已获得正确的波长补偿；反之，当激光工作点位于后坡函数时，要对当前激光工作波长减少补偿量已获得正确的波长补偿。特殊的温度补偿方法在整个监测过程中，按照一定的时间间隔持续不断进行，确保激光工作波长始终稳定在初始波长附近。

应当注意的是，本申请旋转机械设备故障监测系统，采用相移光纤光栅4替换窄边坡布拉格光栅解调系统中的布拉格光纤光栅进行增敏，其灵敏度可以根据相移光纤光栅4参数进行调节，增敏倍数在5-100倍之间可调。

本申请方法中，还针对提高应变测量灵敏度之后带来的温度漂移问题，设计了温度补偿。在该温度补偿的过程中，利用旋转机械设备振动的周期性特点，将一段时间内测量的应变信号看作交流分量与直流分量两部分之和。其中直流分量代表了温度的影响，交流分量代表了机械振动影响。对一段时间内的测量电压求平均值就可以得到这段信号的直流分量，代表了此时相移光纤光栅4处的温度信息，将该值与初始激光工作点对应的电压值进行作差比较，就可以获得相移光纤光栅4温升造成的工作点漂移值，然后再经过相移光纤光栅4边坡斜率换算即可得到激光工作点漂移补偿量；最后将当前激光工作波长增减补偿量即可将激光波长工作点恢复到初始状态。反复循环使用该方法，就可以使激光器的波长跟踪光栅透射谱移动，起到稳定静态工作点的目的。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种采用旋转机械设备故障监测系统所实施的故障监测方法，其特征在于，该旋转机械设备故障监测系统包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上；该故障监测方法包括以下步骤：

将所述透射光谱分布数据用两条直线分别拟合其上升与下降沿，得到前坡函数与后坡函数；

基于所述激光工作点，在高速AD采样系统辅助下，获得旋转机械设备的故障信息；

还包括温度补偿的过程，所述温度补偿包括：

2.根据权利要求1所述故障监测方法，其特征在于，所述将当前激光工作波长增减所述漂移补偿量，以将激光波长工作点恢复到初始状态，具体为：

3.根据权利要求1所述故障监测方法，其特征在于，所述增减所述漂移补偿量以预定时间间隔的方式持续进行，直至激光工作波长始终稳定在初始波长附近。