專利名稱：大型機(jī)械裝備光纖光柵震動檢測方法及檢測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型機(jī)械裝備運行狀態(tài)分析的非接觸式光纖光柵檢測方法及檢測傳感器，主要用于機(jī)械中旋轉(zhuǎn)體振動和軸向位移的實時監(jiān)測，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大型機(jī)械裝備的運行狀態(tài)，特別是其中關(guān)鍵部件的正常運行，對安全生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)的保護(hù)都是十分重要的。目前普遍采用非接觸方法監(jiān)測大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運行狀態(tài)，在非接觸傳感器中應(yīng)用較多的是電渦流式傳感器和光電傳感器。電渦流式傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬、不受油污等介質(zhì)影響、長期工作穩(wěn)定可靠等特點而備受重視，多年來一直是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動測量、軸向位移測量的首選，但也存在著致命的缺點，在檢測過程中需要前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，最終將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化成電壓信號傳輸，因此，在易燃易爆危險場所使用該類傳感器存在著極大的安全隱患，容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等危險。另外電渦流式傳感器溫度漂移較大，溫度穩(wěn)定性差；并且信號無法進(jìn)行長距離傳輸，在傳輸過程中損耗較大，影響測量精度。光電傳感器是另一種常用非接觸式傳感器，是基于光學(xué)原理的方法，通過比較發(fā)出光和接收光的強(qiáng)弱來測量被測物的位置或位移，該方法具有較高的精度和大的測量范圍，但被測物對光的吸收比較大， 反射光較弱，對光接收裝置要求高，一般需要在被測物表面安裝強(qiáng)反光鏡片；而且對測量的環(huán)境要求高，環(huán)境中的灰塵等都會造成對測量結(jié)果的影響，因此該類傳感器無法在有灰塵、 油污的惡劣工業(yè)環(huán)境中使用。自1989年Morey首次提出將光纖光柵用作傳感以來，光纖光柵傳感器受到了世界范圍的廣泛重視，并且得到了迅速的發(fā)展。光纖光柵傳感技術(shù)的長期、實時、在線監(jiān)測的穩(wěn)定性都已經(jīng)受到專家們廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，并成為大型結(jié)構(gòu)工程(如橋梁、大壩、石化等) 健康監(jiān)測的核心技術(shù)之一。在健康監(jiān)測中應(yīng)用的光纖光柵傳感器多為接觸式傳感器，將光柵貼于等強(qiáng)度懸臂梁上，被測物的移動觸使懸臂梁發(fā)生變形，導(dǎo)致光柵也隨之發(fā)生形變，通過測量光柵的波長飄移來判斷被測物位移的變化。懸臂梁光纖光柵傳感器對頻率動態(tài)響應(yīng)特性差，不能應(yīng)用于高頻測量。此外，接觸式光纖光柵傳感器由于傳輸線易和旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸纏繞，也滯礙其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，制作和安裝方便，靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，信號可遠(yuǎn)程傳輸，可檢測高頻信號，無需溫度補(bǔ)償，能在高灰塵、高油污等惡劣環(huán)境中使用，并且在易燃易爆場所本質(zhì)安全的非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器，本發(fā)明同時提供一種利用該傳感器檢測大型機(jī)械裝備震動的方法。實現(xiàn)本發(fā)明的目的的技術(shù)方案是一種非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器，它主要由磁耦合傳感探頭和光纖光柵傳感探頭兩部分組成，其中磁耦合傳感探頭是由第1磁鐵和第2磁鐵通過連接軟鐵連接形成的一 U型傳感探頭；光纖光柵傳感探頭由光纖光柵和金屬膜片構(gòu)成，光纖光柵兩端分別固定在第1毛細(xì)鋼管和第2毛細(xì)鋼管中，第1毛細(xì)鋼管固定于金屬套筒一端，第2毛細(xì)鋼管垂直固定于金屬膜片中央的硬心位置，并預(yù)拉伸光纖，金屬膜片固定于金屬套筒另一端，磁耦合傳感探頭通過連接桿與金屬膜片中央的硬心連接。本發(fā)明的一種大型機(jī)械裝備光纖光柵震動檢測方法，其特征在于將上述的非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器中的磁耦合傳感探頭、金屬膜片、光纖光柵和一個光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)依次連接起來，將其非接觸式傳感器探頭中的金屬套筒固定于安裝支架上，磁耦合傳感探頭對著被測物體，通過調(diào)節(jié)安裝支架確定磁耦合傳感探頭與被測物體之間的初始間距，使磁耦合U型探頭與被測物體形成一閉合磁路，磁耦合傳感探頭與被測物體之間發(fā)生磁耦合力促使磁耦合傳感探頭發(fā)生位移變化，并依次導(dǎo)致金屬膜片偏離原位置和光纖光柵波長發(fā)生漂移，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)得到光纖光柵波長漂移值并對整個過程做出分析。本發(fā)明的檢測方法中，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)對光纖光柵波長漂移進(jìn)行分析是通過比較光柵波長的波峰和波谷的相對變量實現(xiàn)的，消除了溫度在檢測過程中對光柵波長漂移的影響，無需溫度補(bǔ)償。本發(fā)明工作原理在一定間距范圍內(nèi)，磁耦合傳感探頭與被測物體之間會產(chǎn)生一個封閉的磁場，磁耦合力的大小與間距有關(guān)，間距越小，磁耦合力越大。根據(jù)間隙遠(yuǎn)近形成不同大小磁耦合力帶動金屬膜片中心偏離原位置的撓度轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵的軸向應(yīng)變，膜片中心垂直受力時，膜片所有變形量中，膜片中心在垂直方向偏離原位置的撓度最大，故該方案可以得到更高的靈敏度和量程。通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)測量光纖光柵的波長漂移以判斷磁耦合傳感探頭與被測物體之間的間距，以此得出被測物體的運行狀態(tài)。當(dāng)被測物體正常運轉(zhuǎn)時，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)檢測到的光纖光柵的光波漂移也是周期性穩(wěn)定變化的；當(dāng)被測物體運行狀態(tài)發(fā)生故障時，磁耦合傳感探頭與被測物體之間的間距也會發(fā)生不規(guī)則變化，導(dǎo)致磁耦合力、金屬膜片的撓度以及光纖光柵的波長漂移也隨之發(fā)生不規(guī)則變化，最后光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)得到安全界限以外的信號，并引發(fā)報警。該解調(diào)方法是通過比較光柵波長的波峰和波谷的相對變量實現(xiàn)的，這便可消除溫度在檢測過程中的影響，實現(xiàn)了無需溫度補(bǔ)償?shù)臋z測方法，并簡化了探頭的整體結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1.該傳感器是一種基于光纖光柵技術(shù)的非接觸磁耦合傳感器，在工作現(xiàn)場不存在電類設(shè)備，因此有效避免了電的因素引起的危險，可以應(yīng)用到易燃易爆場所，并且磁耦合傳感探頭對環(huán)境狀況要求低，能在高灰塵、高油污等惡劣環(huán)境中使用。2.采用膜片結(jié)構(gòu)，相對于懸臂梁和簡支梁結(jié)構(gòu)，頻率動態(tài)響應(yīng)速度快，可進(jìn)行高頻測量。3.采用膜片中心最大撓度處的位移直接傳遞到光纖光柵，相對于利用膜片其他方位的變形更容易被光纖光柵感知，靈敏度更高。4.在本傳感器中，光纖不僅作為敏感元件，而且是信號的傳輸介質(zhì)，使得信號可以低損耗、甚至無損耗遠(yuǎn)距離傳輸，提高了傳感器的遠(yuǎn)程檢測能力以及檢測精度。5.磁耦合探探頭與被測物體之間形成閉合的耦合磁場，不受外界電磁干擾，并且光纖光柵具有絕對的抗電磁干擾能力，因此本傳感裝置抗電磁干擾能力強(qiáng)。6.在信號解調(diào)方面，采用比較輸出波長信號波峰和波谷的相對變量實現(xiàn)對目標(biāo)信號的檢測，這可消除溫度在檢測過程中的影響，實現(xiàn)了無需溫度補(bǔ)償?shù)臋z測方法，因此檢測裝置不受溫度影響，可適應(yīng)低溫和高溫環(huán)境。7.探頭的整體結(jié)構(gòu)簡單，便于制作和安裝。


圖1是大型機(jī)械裝備光纖光柵震動檢測方法工作原理2是磁耦合傳感探頭主視中1-光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、2-光纖光柵、3-第1毛細(xì)鋼管、4-第2毛細(xì)鋼管、 5-金屬套筒、6-金屬膜片、7-連接桿、8-磁耦合傳感探頭、8-a-連接軟鐵、8_b_第1磁鐵、 8-c-第2磁鐵、9-安裝支架、10-被測物體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器整體安裝結(jié)構(gòu)將光纖光柵2兩端用膠分別粘入第1毛細(xì)鋼管3和第2毛細(xì)鋼管4中，其中第1毛細(xì)鋼管3與金屬套筒5 —端相連，第2 毛細(xì)鋼管4與金屬膜片6中央硬心相連，金屬膜片6焊接在金屬套筒5另一端，在此安裝過程中一并將光纖光柵2預(yù)緊，將第1磁鐵8-b和第2磁鐵8-c通過連接軟鐵8-a連接形成的一 U型傳感探頭一一磁耦合傳感探頭8，磁耦合傳感探頭8通過連接桿7與金屬膜片6中央硬心連接，這樣即構(gòu)成非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器。利用非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器檢測大型機(jī)械裝備震動時，將檢測傳感器中磁耦合傳感探頭8、金屬膜片6、光纖光柵2，和一個光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)1依次連接，檢測傳感器中的金屬套筒5固定于安裝支架9上，磁耦合傳感探頭8對著被測物體10，通過調(diào)節(jié)安裝支架9確定磁耦合傳感探頭8與被測物體10之間的初始間距。檢測原理在一定間距范圍內(nèi)，磁耦合傳感探頭8與被測物體10之間會產(chǎn)生一個封閉的耦合磁場，磁耦合力的大小與間距有關(guān)，間距越小，磁耦合力越大。磁耦合力通過連接桿7使金屬膜片6發(fā)生變形，逐使光纖光柵2產(chǎn)生形變，通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)1測量光纖光柵2的波長漂移以判斷磁耦合傳感頭8與被測物體10之間的間距，以此得出被測物體 10的運行狀態(tài)。當(dāng)被測物體10正常運轉(zhuǎn)時，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)1檢測到的光纖光柵2的光波漂移也是周期性穩(wěn)定變化的；當(dāng)被測物體10運行狀態(tài)發(fā)生故障時，磁耦合傳感頭8與被測物體 10之間的間距也會發(fā)生不規(guī)則變化，導(dǎo)致磁耦合力、金屬膜片6的撓度以及光纖光柵2的波長漂移也隨之發(fā)生不規(guī)則變化，最后光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)1得到安全界限以外的信號，并引發(fā)報警。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器，其特征在于該傳感器主要由磁耦合傳感探頭(8)和光纖光柵傳感探頭兩部分組成，其中磁耦合傳感探頭(8)是由第1磁鐵(8-b) 和第2磁鐵(8-c)通過連接軟鐵(8-a)連接形成的一 U型傳感探頭；光纖光柵傳感探頭由光纖光柵(2)和金屬膜片(6)構(gòu)成，光纖光柵(2)兩端分別固定在第1毛細(xì)鋼管(3)和第 2毛細(xì)鋼管中，第1毛細(xì)鋼管(3)固定于金屬套筒(5) —端，第2毛細(xì)鋼管(4)垂直固定于金屬膜片(6)中央的硬心位置，并預(yù)拉伸光纖，金屬膜片(6)固定于金屬套筒(5)另一端，磁耦合傳感探頭( 通過連接桿(7)與金屬膜片(6)中央的硬心連接。
2.一種大型機(jī)械裝備光纖光柵震動檢測方法，其特征在于將權(quán)利要求1所述的非接觸式光纖光柵動態(tài)檢測傳感器中的磁耦合傳感探頭(8)、金屬膜片(6)、光纖光柵( 和一個光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)(1)依次連接起來，將其非接觸式傳感器探頭中的金屬套筒(5)固定于安裝支架(9)上，磁耦合傳感探頭(8)對著被測物體(10)，通過調(diào)節(jié)安裝支架(9)確定磁耦合傳感探頭(8)與被測物體(10)之間的初始間距，使磁耦合U型探頭與被測物體形成一閉合磁路，磁耦合傳感探頭(8)與被測物體之間發(fā)生磁耦合力促使磁耦合傳感探頭發(fā)生位移變化，并依次導(dǎo)致金屬膜片(6)偏離原位置和光纖光柵波長發(fā)生漂移，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)得到光纖光柵波長漂移值并對整個過程做出分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種機(jī)械運行狀態(tài)分析的非接觸式光纖光柵檢測方法，其特征在于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)對光纖光柵波長漂移進(jìn)行分析是通過比較光柵波長的波峰和波谷的相對變量實現(xiàn)的，消除了溫度在檢測過程中對光柵波長漂移的影響，無需溫度補(bǔ)償。
全文摘要
一種大型機(jī)械裝備光纖光柵震動檢測方法及檢測傳感器。該傳感器探頭部分主要有磁耦合傳感探頭和光纖光柵傳感探頭兩部分組成。檢測大型機(jī)械裝備震動是將該傳感器中的磁耦合傳感探頭、金屬膜片、光纖光柵和一個光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)依次連接，磁耦合傳感探頭對著被測物體。磁耦合傳感探頭與被測物體之間發(fā)生磁耦合力促使磁耦合探頭發(fā)生位移變化，并依次導(dǎo)致金屬膜片中心偏離原位置和光纖光柵波長發(fā)生漂移，光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)得到光纖光柵波長漂移值并對整個過程做出分析。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制作和安裝方便、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、信號可遠(yuǎn)程傳輸、頻率動態(tài)響應(yīng)速度快、可檢測高頻信號、不受溫度影響、能在環(huán)境惡劣和易燃易爆場所使用。
文檔編號G01H9/00GK102183292SQ201110063648
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者史繼森, 姜德生, 徐剛, 徐平義, 王立新, 裴炳安, 趙嘉齡 申請人:中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司, 武漢理工大學(xué)