CN218717412U - 一种基于fbg的泵状态监测的一体化集成结构及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构及系统，能够同时实时监测泵的压力、流量、振动状态。一体化集成结构主体为具有多光纤传感器接口的法兰盘结构，监测泵压力的传感器为光纤法珀压力传感器，监测泵流量的传感器为FBG涡街流量传感器，监测泵振动的传感器为FBG振动传感器，均通过相应接口接入一体化集成结构。本发明所提供的泵状态监测的光纤传感器一体化集成结构能够实现同时对泵的多运行状态参量进行在线监测。结构简单、体积小，满足小型化、轻量化的基本要求，能在多物理场耦合的系统当中使用，不受其他参量的耦合影响。

Description

一种基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构及系统

技术领域

本发明涉及机电部件状态监测领域，具体为一种可同时在线监测泵的压力、流量、振动多参量的光纤传感器一体化集成结构及系统。

背景技术

机电系统中泵是常用部件之一，为流体提供动力，它的稳定工作是装备安全可靠运行的重要保证。例如，现代飞机中的泵在实际工作中承受着较高的温度、压力和振动载荷，系统一旦在空中发生故障就会导致机毁人亡的灾难性后果，其工作状态直接影响到航空发动机的性能。但泵普遍具有部件众多、结构复杂、故障特征难以获取等特点，通过实时监测系统对泵运行时的压力、流量、振动等状态进行监测，对于维护泵的运行稳定性、延长其使用寿命十分必要。

目前对于泵的状态评估主要采用泵出口处的压力、流量、振动信号，但是所采用的传感器均为电学类的传感器，而电学类传感器最大的问题是其走线复杂和抗电磁干扰的能力不强。此外常用的流量传感器的流阻很大，导致对流体状态影响也很大。而对于流体状态的监测仅仅只对压力进行监测是不够的，光纤光栅因其独特的优势可以代替电学类传感器测得泵出口处的压力信号和流量信号。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，包括法兰盘，第一传感器，第二传感器，第三传感器；法兰盘的中心具有法向通孔、以及连接法向通孔内壁面与法兰盘外壁面的两个径向通孔，第一传感器与第二传感器分别置于两个所述径向通孔中，第三传感器置于法兰盘的外壁面。

优选的是，第一传感器包括FP压力传感器，第二传感器包括FBG涡街流量计，第三传感器包括FBG振动传感器。

优选的是，法兰盘两个所述径向通孔轴线相互垂直。

优选的是，所述FP压力传感器包括端盖，第一外壳，导热硅脂，金属圆筒；端盖与金属圆筒通过第一外壳形状连接，金属圆筒内具有导热硅脂，导热硅脂内具有毛细石英管，毛细石英管内部具有FBG。

优选的是，所述FBG振动传感器包括第二外壳，质量块，光纤光栅，柔性铰链，质量块通过柔性铰链单侧连接在第二外壳内壁，光纤光栅连接于质量块与第二外壳内壁间。

优选的是，所述FBG涡街流量计包括旋涡发生体，所述旋涡发生体置于法兰盘的所述法向通孔中部。

优选的是，所述旋涡发生体包括迎流面，所述迎流面的直径为所述法向通孔直径的0.2～0.3。

优选的是，第一传感器，第二传感器与第三传感器与法兰盘的连接方式包括焊接、胶接、机械连接。

本申请另一方面提供了一种基于FBG的泵状态监测的光纤传感器系统，包括，泵，油箱，管道，所述泵将所述油箱的油输出到所述管道，所述泵的出口安装有一体化集成结构，所述管道安装FBG，所述FBG与所述一体化集成结构连接FBG解调仪，所述FBG解调仪连接上位机；

所述一体化集成结构连接FP解调仪。

优选的是，所述管道安装FBG的具体位置为，在所述管道总长1/3、 2/3处安装所述FBG。

优选的是，所述FBG包括FBG涡街流量计与FBG振动传感器。

本申请的优点包括：本发明所提供的一种流量压力、振动传感器结构一体化的设计结构简单、体积小，满足小型化、轻量化的基本要求，且大大降低对流路内流体状态影响。

本发明所提供的一种流量压力传感器结构一体化中包括压力、流量、振动等多种光纤传感器直接嵌入主体法兰结构，能够实现同时对泵的多运行状态参量进行在线监测。

本发明所提供的流量及压力传感器传感原理利用应变及光谱中心波长变化间的关系监测参量，能在多物理场耦合的管路当中使用，不受其他参量的耦合影响。

附图说明

图1为本申请基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构简图；

图2为FP型压力传感器结构简图；

图3为FBG涡街流量计发生体截面图；

图4为FBG振动传感器结构简图；

图5为基于FBG的泵状态监测的光纤传感器系统；

其中，1-法兰盘，2-第一传感器，3-第二传感器，4-第三传感器， 21-端盖，22-第一外壳，23-密封圈，24-毛细石英管，25-导热硅脂，26- 金属圆筒,8-光纤光栅，9-端盖，10-凸台，41-第二外壳，42-光纤光栅， 43-质量块，44-柔性铰链。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

如图1一种基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，包括法兰盘1，第一传感器2，第二传感器3，第三传感器4；法兰盘1的中心具有法向通孔、以及连接法向通孔壁面与法兰盘1外壁面的两个径向通孔，第一传感器2与第二传感器3分别置于两个所述径向通孔中，第三传感器4 置于法兰盘1的外壁面。

在一些可实施方案中，第一传感器2包括FP压力传感器，第二传感器3包括FBG涡街流量计，第三传感器4包括FBG振动传感器。

在一些可实施方案中，法兰盘1两个所述径向通孔相互垂直。

如图2为监测燃油管路的FP压力传感器，附图2中光纤法珀压力传感器主要包括了端盖21、第一外壳22、O型密封圈、毛细石英管24、导热硅脂25、薄壁圆筒26。端盖21与第一外壳22通过螺纹连接固定薄壁圆筒26在第一外壳22中的位置；O型密封圈放置在薄壁圆筒26的密封槽内实现密封；毛细石英管24插入端盖21中，一端实现固定；将导热硅脂25灌入薄壁圆筒26中，深度超过布拉格光栅的深度；将插有毛细石英管24的端盖21旋进第一外壳22中，毛细石英管24的另一端面通过与薄壁圆筒26内端面接触实现固定。装配完成后，能够实现无任何液压油泄漏的现象。

在一些可实施方案中，如图4，所述FBG振动传感器包括第二外壳 41，质量块43，光纤光栅42，柔性铰链44，质量块43通过柔性铰链44 单侧连接在第二外壳41内壁，光纤光栅42连接于质量块43与第二外壳 41内壁间。如图4为FBG振动传感器示意图，在一根直径为10mm的铜柱上进行线切割和热处理完成弹性元件的加工，然后在实验台上用 353ND胶将与跳线焊接好的FBG粘贴固定在传感器的两个质量块上，完成传感器制作。

如图3为监测燃油管路的FBG流量传感器，端盖和旋涡发生体焊在一起，管路上方焊接一个凸台，凸台上方开有一个跟旋涡发生体一样大小的孔，端盖从凸台上方插入，中间插入垫片进行密封，端盖上方用个螺钉拧紧固定。装配完成后，能够实现无任何液压油泄漏的现象，所述 FBG涡街流量计包括旋涡发生体，所述旋涡发生体置于法兰盘1的所述法向通孔中部。

在一些可实施方案中，所述旋涡发生体包括迎流面，所述迎流面的直径为所述法向通孔直径的0.2～0.3。

在一些可实施方案中，第一传感器2，第二传感器3与第三传感器4 与法兰盘的连接方式包括焊接、胶接、机械连接。

本申请另一方面提供了一种基于FBG的泵状态监测的光纤传感器系统，如图5所示，包括，泵，油箱，管道，所述泵将所述油箱的油输出到所述管道，所述泵的出口安装有一体化集成结构，所述管道安装FBG，所述FBG与所述一体化集成结构连接FBG解调仪，所述FBG解调仪连接上位机；所述一体化集成结构连接FP解调仪，本系统根据关键的泵出口安装集成式的FBG的泵状态监测的一体化集成结构，能够在泵出口获得同一点处的相关状态参数，能够根据相关参数实施实时监控。此外，管道的传感器监控能够一出口的状态监控实现数据场，能够实现数据的整体监控。

在一些可实施方案中，所述管道安装FBG的具体位置为，在所述管道总长1/3、2/3处安装所述FBG。

在一些可实施方案中，所述FBG包括FBG涡街流量计、FBG振动传感器。

本发明的工作过程为：

FP压力传感器

首先将刻有布拉格光栅的光纤Ⅰ穿入毛细石英管24中，使用耐高温胶固定。将光纤Ⅱ插入穿入毛细石英管24中并将刻有布拉格光栅的光纤Ⅰ接入解调仪中实时监测法珀腔的腔长值，确定初始腔长值后，耐高温胶注入锥形孔内固定光纤Ⅱ。将制作好的毛细石英管24插入端盖21中，导热硅脂25和O型密封圈放入薄壁圆筒26中，导热硅脂25的深度要超过布拉格光栅的深度，最终将薄壁圆筒26插入第一外壳22，通过螺纹拧紧端盖21完成传感器的装配。

将用于监测管路压力的光纤法珀压力传感器通过卡套接头接入液压管路中，刻有布拉格光栅的光纤一接到解调仪上，再将解调仪连接在电脑上。得到光纤法珀腔和光纤布拉格光栅的反射光谱，分离出温度对法珀腔反射信号的影响，实现温度补偿，从而得到高精度的压力测量值。

FBG涡街流量计：

FBG涡街流量计，即FBG涡街流量传感器，首先将在管路凸台上放一个垫片，再将端盖和旋涡发生体插入凸台中，上面用4个螺钉进行固定，完成安装后，再在外壁压力波动最大点经过仿真得到压力波动最大点用 353ND胶的A、B组分按10:1的比例胶黏贴光纤光栅，再将监测管路流量的FBG涡街流量传感器通过卡套接头接入液压管路中，刻有布拉格光栅的光纤接到解调仪上，再将解调仪连接在电脑上。得到光纤布拉格光栅的反射光谱，将数据导入Matlab中进行处理得到压力变化的频率，从而测得流量大小。

FBG振动传感器：

在一根直径为10mm的铜柱上进行线切割和热处理完成弹性元件的加工，然后在实验台上用353ND胶将与跳线焊接好的FBG粘贴固定在传感器的两个质量块上，完成传感器制作。粘贴光纤光栅时，先将它放置在实验台上一个中间有10×10mm凹槽的铝块上。取一根光纤光栅，首先去掉一端的涂覆层，与跳线焊接在一起，焊接的损耗值显示为0dB，接在光纤光栅解调仪上输出正常。然后再解开光栅另外一端胶带，穿过弹性元件上的光纤光栅安装孔，利用重物的重力对FBG加预紧力，同时观察解调仪上位机的波长峰值偏移情况。将353ND胶的A、B组分按10:1的比例调制后涂抹在穿有FBG的安装孔内。利用热风枪温度调整至150℃分别对左右安装孔进行加热使353ND胶固化。在加热时，质量块两边分别加热20min，尽量保持两质量块的情况对称。

该传感器由两根FBGs、质量块、两个正交布置的柔性铰链和底座组成，两个柔性铰链的形状相同，x向柔性铰链沿着x轴摆动，y向柔性铰链沿着y轴摆动。利用柔性铰链的转动刚度和FBG轴向刚度为振动系统提供弹性力，质量块作为惯性元件提供系统的惯性力。工作时，待测物体带动底座做同频率的振动，同时由于质量块的惯性，产生以柔性铰链长度方向为轴线的小幅摆动，发生位移，进而使得固定在质量块上的FBG 发生轴向的伸缩变形，使FBG的中心波长随振动而变化，产生与振动加速度成比例的漂移。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，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。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，包括法兰盘(1)，第一传感器(2)，第二传感器(3)，第三传感器(4)；法兰盘(1)的中心具有法向通孔、以及连接法向通孔内壁面与法兰盘(1)外壁面的两个径向通孔，第一传感器(2)与第二传感器(3)分别置于两个所述径向通孔中，第三传感器(4)置于法兰盘(1)的外壁面。

2.如权利要求1所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，第一传感器(2)包括FP压力传感器，第二传感器(3)包括FBG涡街流量计，第三传感器(4)包括FBG振动传感器。

3.如权利要求1所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，两个所述径向通孔轴线相互垂直。

4.如权利要求2所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，所述FP压力传感器包括端盖(21)，第一外壳(22)，导热硅脂(25)，金属圆筒(26)；端盖(21)与金属圆筒(26)通过第一外壳(22)形状连接，金属圆筒(26)内具有导热硅脂(25)，导热硅脂(25)内具有毛细石英管(24)，毛细石英管(24)内部具有FBG。

5.如权利要求2所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，所述FBG振动传感器包括第二外壳(41)，质量块(43)，光纤光栅(42)，柔性铰链(44)，质量块(43)通过柔性铰链(44)单侧连接在第二外壳(41)内壁，光纤光栅(42)连接质量块(43)与第二外壳(41)内壁。

6.如权利要求2所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，所述FBG涡街流量计包括旋涡发生体，所述旋涡发生体置于法兰盘(1)的所述法向通孔中部，所述旋涡发生体包括迎流面，所述迎流面的直径为所述法向通孔直径的0.2～0.3。

7.如权利要求1所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，其特征在于，第一传感器(2)，第二传感器(3)与第三传感器(4)与法兰盘的连接方式包括焊接、胶接或机械连接。

8.一种基于FBG的泵状态监测的系统，采用权利要求1-7任意一项所述的基于FBG的泵状态监测的一体化集成结构，包括，泵，油箱，管道，所述泵将所述油箱的油输出到所述管道，其特征在于，所述泵的出口安装有一体化集成结构，所述管道安装FBG，所述FBG与所述一体化集成结构连接FBG解调仪，所述FBG解调仪连接上位机；所述一体化集成结构连接FP解调仪。

9.如权利要求8所述的基于FBG的泵状态监测的系统，其特征在于，所述管道安装FBG的具体位置为，在所述管道总长1/3、2/3处安装所述FBG。

10.如权利要求8所述的基于FBG的泵状态监测的系统，其特征在于，所述FBG包括FBG涡街流量计、FBG振动传感器。

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