CN117553899A - 基于光纤光栅振动传感器测量系统、装置及存储介质 - Google Patents

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CN117553899A CN202311578524.4A CN202311578524A CN117553899A CN 117553899 A CN117553899 A CN 117553899A CN 202311578524 A CN202311578524 A CN 202311578524A CN 117553899 A CN117553899 A CN 117553899A
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明公开了基于光纤光栅振动传感器测量系统，包括以下步骤：S1、校准光纤光栅振动传感器的灵敏度；S2、基于测点位置和光纤光栅振动传感器的类型选择合适的安装方式；S3、将光纤光栅振动传感器与数据采集器或监测系统连接形成光纤振动传感器监测系统，并进行系统调试和校准；S4、同步获取风机实时参数；相比现有技术，本发明通过相应算法，补偿因为重力因素导致的相位信息，可以有效地去除因重力造成的相位信息偏差，从而获得准确可靠的振动监测结果；建立数学模型，便于风机处理和分析振动数据：将振动数据从不同的坐标系转换为统一的坐标系，可以方便数据处理和分析，避免不同坐标系下的数据无法比较或分析不便的情况。

Description

基于光纤光栅振动传感器测量系统、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及光纤光栅振动传感技术领域，具体涉及基于光纤光栅振动传感器测量系统、装置及存储介质。
背景技术
为了监测风机叶片振动，主控需要通过振动传感器可以实时监测风机叶片的挥舞和摆振方向振动情况。叶片在运转过程中，由于制造、安装误差、介质对叶片的冲击等原因，叶片会出现振动现象。叶片振动也会产生噪声污染，同时会缩短叶片的使用寿命，严重时还会导致叶片脱落，从而影响风机的正常运行。通过对叶片振动进行测量，可以了解叶片振动的频率、振幅、速度等参数，从而判断出风机的运行状态是否正常。如果发现叶片振动异常，可以及时采取措施进行维修和调整，避免出现严重故障。叶片振动测量还可以为风机的设计和优化提供参考依据，提高风机的性能和稳定性。
光纤振动传感器的特点和优势，被广泛应用在风机叶片摆振和挥舞方向振动监测。但是在安装光纤振动传感器于风机叶片后，通常需要去掉由重力造成的相位信息，这是因为这些相位信息可能会对振动信号的分析产生干扰。振动传感器是一种用于测量机械系统振动状态的装置，常用于风力发电机组的状态监测和故障诊断；相位信息则是关于振动波形的相对时间位置的信息，它可以帮助识别特定的机械状态或故障。然而，当在风机叶片上安装振动传感器时，由于叶片的倾斜角度和重力的影响，由重力造成的相位信息会混入振动信号中。这会对振动信号的分析产生干扰，可能导致误判或漏判。例如，如果振动信号中混入了由重力造成的相位信息，可能会导致对振动幅值的错误估计，或者对振动源的错误识别。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中重力造成的相位信息对振动信号的分析产生干扰，导致误判或漏判，针对此不足，提出了基于光纤光栅振动传感器测量系统、装置及存储介质。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
基于光纤光栅振动传感器测量系统，包括以下步骤：
S1、基于标准器件或标准方法，校准光纤光栅振动传感器的灵敏度；
S2、基于测点位置和光纤光栅振动传感器的类型选择合适的安装方式；
S3、将光纤光栅振动传感器与数据采集器或监测系统连接形成光纤振动传感器监测系统，并进行系统调试和校准；
S4、确认风机叶片上是否安装方位角测量传感器；
S5、若已安装方位角测量传感器，则跳转S7；若无安装方位角测量传感器，则跳S6；
S6、采集光纤光栅振动传感器的波长数据，截取一个周期内的数据N，所述周期为2π，根据A＝(2π/N)×n，其中，n为一个周期内任意一个点的标号，计算得到风机叶片的方位角A；
S7、同步获取风机实时参数；
S8、通过其中，i为实时采样点数；λi为光纤光栅振动传感器实测波长；λ0为光纤光栅振动传感器实测中心波长；kacc为灵敏度；Acci为单向实时加速度，计算得到单向实时加速度Acci；
S9、获取光纤光栅振动传感器实时数据；获取光纤光栅振动传感器在X向、Y向和Z向的灵敏度、实测振动波长和实测中心波长；
S10、基于风机实时参数，结合S6获取的光纤光栅振动传感器实时数据，形成数学模型；
S11、根据数学模型转换在空间标准坐标系下重力带来的相位信息，并进行解除。
作为本发明的进一步优选，所述基于标准器件或标准方法，校准光纤光栅振动传感器的灵敏度，包括：
基于标准器件或标准方法，确定光纤光栅振动传感器的标准灵敏度；
将光纤光栅振动传感器当前的灵敏度与标准灵敏度进行对比，并校准光纤光栅振动传感器的灵敏度。
作为本发明的进一步优选，所述光纤光栅振动传感器包括FBG。
作为本发明的进一步优选，所述振动传感器的安装精度小于1°。
作为本发明的进一步优选，所述风机实时参数包括振动波长数据λ、叶轮倾角T、方位角A、桨距角P和叶片锥角C。
作为本发明的进一步优选，所述数学模型为
k11＝cosTcosCsinP+sinTsinAsinP-sinTcosAsinCcosP、
k12＝cosTcosCsinP-sinTsinAcosP-sinTcosAsinCsinP、
k13＝cosTsinC+sinTcosAcosC、
k21＝-cosAsinP-sinAsinCcosP、
k22＝cosAcosP-sinAsinCsinP、
k23＝sinAcosC、
k31＝-sinTcosCsinP+sinAcosTsinP-cosTcosAsinCcosP、
k32＝-sinTsinC+cosTcosAcosC、
k33＝-sinCsinT+cosTcosAcosC，
其中，T是叶轮倾角；A是方位角；P是桨距角；C是叶片锥角；
Xi是光纤光栅振动传感器X向实测振动波长；Xi0是光纤光栅振动传感器X向实测中心波长；kxacc是X向振动灵敏度；
Yi是光纤光栅振动传感器Y向实测振动波长；Yi0是光纤光栅振动传感器Y向实测中心波长；kyacc是Y向振动灵敏度；
Zi是光纤光栅振动传感器Z向实测振动波长；Zi0是光纤光栅振动传感器Z向实测中心波长；kzacc是Z向振动灵敏度。
基于光纤光栅振动传感器测量装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1至6中任一项所述的系统。
一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，至少一条程序指令用于被处理器加载并执行以实现如权利要求1至6任一所述的系统。
本发明提出的基于光纤光栅振动传感器测量系统、装置及存储介质，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过相应算法，补偿因为重力因素导致的相位信息，可以有效地去除因重力造成的相位信息偏差，从而获得准确可靠的振动监测结果；
2、建立数学模型，便于风机处理和分析振动数据：将振动数据从不同的坐标系转换为统一的坐标系，可以方便数据处理和分析，避免不同坐标系下的数据无法比较或分析不便的情况；
3、通过将振动数据从旋转坐标系转换为固定坐标系，可以消除旋转对测量的影响，提高测量准确性；
4、通过对振动数据进行坐标系转换，可以将测量结果与机器的状态变量进行比较和分析，从而更准确地判断机器的状态，预测潜在的故障和问题；
5、通过数学模型，解除重力带来的相位信息，提高振动数据测量的准确性、全面性和可靠性，从而更好地指导风机设备的维护和检修。
附图说明
图1是本发明的光纤振动传感器系统安装示意图；
图2是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
针对重力影响造成的相位偏差，可以开发或使用现成的补偿算法来修正相位信息。本发明采用数学模型进行实时修正，能够准确地预测并消除重力对相位信息的影响。
基于光纤光栅振动传感器测量系统，包括以下步骤：
S1、基于标准器件或标准方法，校准光纤光栅振动传感器的灵敏度。
基于标准器件或标准方法，确定光纤光栅振动传感器的标准灵敏度。
将光纤光栅振动传感器当前的灵敏度与标准灵敏度进行对比，并校准光纤光栅振动传感器的灵敏度，获取振动传感器的灵敏度k与中心波长λ0数值。
S2、基于测点位置和光纤光栅振动传感器的类型选择合适的安装方式。
根据测点位置和传感器类型选择合适的安装方式，注意传感器应牢固、稳定地安装在叶片上，以避免传感器松动或脱落。在安装振动传感器时，也应考虑到风机的运行特性和实际工况，并遵循相应的安装规范和操作要求，以确保振动监测的准确性和可靠性。安装振动传感器，要求安装精度在1°以内，避免三轴方向产生交叉耦合，提高测量精度。
所述光纤光栅振动传感器包括FBG。
S3、将光纤光栅振动传感器与数据采集器或监测系统连接形成光纤振动传感器监测系统，并进行系统调试和校准，确保监测系统的准确性和稳定性。
S4、确认风机叶片上是否安装方位角测量传感器。
S5、若已安装方位角测量传感器，则跳转S7；若无安装方位角测量传感器，则跳S6；
S6、采集光纤光栅振动传感器的波长数据，截取一个周期内的数据N，所述周期为2π，根据A＝(2π/N)×n，其中，n为一个周期内任意一个点的标号，计算得到风机叶片的方位角A。
S7、同步获取风机实时参数；所述风机实时参数包括振动波长数据λ、叶轮倾角T、方位角A、桨距角P和叶片锥角C，获取数据时，必须保证数据同步，不可错周期。
S8、光纤光栅振动传感器波长数据通常不能直接转换为加速度数值，因为波长数据和加速度之间没有直接的物理关系。加速度数值则是通过测量物体的振动速度对时间的变化率来得到的。所以需要以下转换公式，建立波长数据与加速度之间的关系，从而获取实时加速度值。
通过其中，i是实时采样点数；λi是光纤光栅振动传感器实测波长；λ0是光纤光栅振动传感器实测中心波长；kacc是灵敏度；Acci是单向实时加速度，计算得到单向实时加速度Acci。
S9、获取光纤光栅振动传感器实时数据；获取光纤光栅振动传感器在X向、Y向和Z向的灵敏度、实测振动波长和实测中心波长。
S10、基于风机实时参数，结合S6获取的光纤光栅振动传感器实时数据，形成数学模型。
所述数学模型为
k11＝cosTcosCsinP+sinTsinAsinP-sinTcosAsinCcosP、
k12＝cosTcosCsinP-sinTsinAcosP-sinTcosAsinCsinP、
k13＝cosTsinC+sinTcosAcosC、
k21＝-cosAsinP-sinAsinCcosP、
k22＝cosAcosP-sinAsinCsinP、
k23＝sinAcosC、
k31＝-sinTcosCsinP+sinAcosTsinP-cosTcosAsinCcosP、
k32＝-sinTsinC+cosTcosAcosC、
k33＝-sinCsinT+cosTcosAcosC，
其中，T是叶轮倾角；A是方位角；P是桨距角；C是叶片锥角；
Xi是光纤光栅振动传感器X向实测振动波长；Xi0是光纤光栅振动传感器X向实测中心波长；kxacc是X向振动灵敏度；
Yi是光纤光栅振动传感器Y向实测振动波长；Yi0是光纤光栅振动传感器Y向实测中心波长；kyacc是Y向振动灵敏度；
Zi是光纤光栅振动传感器Z向实测振动波长；Zi0是光纤光栅振动传感器Z向实测中心波长；kzacc是Z向振动灵敏度。
S11、根据数学模型转换在空间标准坐标系下重力带来的相位信息，并进行解除。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于标准器件或标准方法，校准光纤光栅振动传感器的灵敏度；
S2、基于测点位置和光纤光栅振动传感器的类型选择合适的安装方式；
S3、将光纤光栅振动传感器与数据采集器或监测系统连接形成光纤振动传感器监测系统，并进行系统调试和校准；
S4、确认风机叶片上是否安装方位角测量传感器；
S5、若已安装方位角测量传感器，则跳转S7；若无安装方位角测量传感器，则跳S6；
S6、采集光纤光栅振动传感器的波长数据，截取一个周期内的数据N，所述周期为2π，根据A＝(2π/N)×n，其中，n为一个周期内任意一个点的标号，计算得到风机叶片的方位角A；
S7、同步获取风机实时参数；
S8、通过其中，i为实时采样点数；λi为光纤光栅振动传感器实测波长；λ0为光纤光栅振动传感器实测中心波长；kacc为灵敏度；Acci为单向实时加速度，计算得到单向实时加速度Acci；
S9、获取光纤光栅振动传感器实时数据；获取光纤光栅振动传感器在X向、Y向和Z向的灵敏度、实测振动波长和实测中心波长；
S10、基于风机实时参数，结合S6获取的光纤光栅振动传感器实时数据，形成数学模型；
S11、根据数学模型转换在空间标准坐标系下重力带来的相位信息，并进行解除。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，所述基于标准器件或标准方法，校准光纤光栅振动传感器的灵敏度，包括：
基于标准器件或标准方法，确定光纤光栅振动传感器的标准灵敏度；
将光纤光栅振动传感器当前的灵敏度与标准灵敏度进行对比，并校准光纤光栅振动传感器的灵敏度。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，所述光纤光栅振动传感器包括FBG。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，所述振动传感器的安装精度小于1°。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，所述风机实时参数包括振动波长数据λ、叶轮倾角T、方位角A、桨距角P和叶片锥角C。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于光纤光栅振动传感器测量系统，其特征在于，所述数学模型为
k11＝cosTcosCsinP+sinTsinAsinP-sinTcosAsinCcosP、
k12＝cosTcosCsinP-sinTsinAcosP-sinTcosAsinCsinP、
k13＝cosTsinC+sinTcosAcosC、
k21＝-cosAsinP-sinAsinCcosP、
k22＝cosAcosP-sinAsinCsinP、
k23＝sinAcosC、
k31＝-sinTcosCsinP+sinAcosTsinP-cosTcosAsinCcosP、
ka2＝-sinTsinC+cosTcosAcosC、
k33＝-sinCsinT+cosTcosAcosC，
其中，T是叶轮倾角；A是方位角；P是桨距角；C是叶片锥角；
Xi是光纤光栅振动传感器X向实测振动波长；Xi0是光纤光栅振动传感器X向实测中心波长；kxacc是X向振动灵敏度；
Yi是光纤光栅振动传感器Y向实测振动波长；Yi0是光纤光栅振动传感器Y向实测中心波长；kyacc是Y向振动灵敏度；
Zi是光纤光栅振动传感器Z向实测振动波长；Zi0是光纤光栅振动传感器Z向实测中心波长；kzacc是Z向振动灵敏度。
7.基于光纤光栅振动传感器测量装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1至6中任一项所述的系统。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，至少一条程序指令用于被处理器加载并执行以实现如权利要求1至6任一所述的系统。
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