測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統及方法，包括：旋轉機械轉子、光纖傳感器模塊、信號調理電路模塊、采集器、上位機；其中，旋轉機械轉子與光纖傳感器模塊相連，光纖傳感器模塊與信號調理電路模塊相連，信號調理電路模塊與采集器相連，采集器與上位機相連。本發明有益效果：本發明的纖芯排列方式有效的消除了反射式光纖位移傳感器易受光源功率波動、傳感器本體振動等外界因素的影響；后續信號調理單元中的比值處理，實現了三層式同心圓型光纖位移傳感器的兩路接收光纖接收的光強信號的比值處理，進而實現了光纖位移傳感器的補償。
【專利說明】測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統及方法。
【背景技術】
[0002]旋轉機械廣泛應用于電力，石化，冶金，制造，航空等幾乎所的工業部門，是生產中的關鍵設備，其穩定運行是安全、高效生產的決定性因素。轉子作為旋轉機械的核心部件承擔著旋轉機械主要功能的實現，轉子振動是旋轉機械振動的重要環節。傳統的旋轉機械轉子振動位移檢測采用電渦流位移傳感器，但是一般的電渦流位移傳感器不宜在強電磁場、高腐蝕性等惡劣環境下使用，這就給相當多的旋轉機械的轉子振動檢測帶來了困難。電渦流位移傳感器的性能與被測體有關，被測對象對電渦流位移傳感器的影響主要表現在以下幾個方面:
[0003](I)電渦流傳感器要求檢測對象能夠產生感應電流，所以其檢測對象的材料只能是導電材料。不同材料的導磁率不同，這對電渦流傳感器的靈敏度也有影響。研究表明，對于軟磁體材料的被測對象，電渦流傳感器的靈敏度高，線性范圍窄；對于硬磁體材料的被測對象，電渦流傳感器的靈敏度低，線性范圍寬。
[0004](2)由于電渦流效應主要集中在被測體表面，如果被測對象在加工過程中形成殘磁效應過大，則傳感器測量波形就會發生畸變；另外，如果被測體表面有鍍層，則相當于改變了被測對象的材料，鍍層的材質、厚薄的不同對傳感器的靈敏度影響大小也不同。
[0005](3)當電渦流傳感器測量軸的徑向振動時，為了保證感應磁場的完整性，要求軸的直徑大于探頭直徑的三倍以上。
[0006]除了電渦流位移傳感器對被測對象有較高的要求之外，電渦流傳感器還有以下幾個不足之處:
[0007](I)電渦流位移傳感器的基本原理是法拉第電磁感應原理，這也就決定了電渦流位移傳感器不能在強磁場環境中正常應用。
[0008](2)電渦流位移傳感器的溫度穩定性差且不宜在高溫環境中使用，在實際中，當電渦流傳感器的工作溫度超過70°C時，其靈敏度會顯著降低。
[0009](3)電渦流傳感器的測量信號在傳輸過程中衰減較大，這使得電渦流傳感器的傳輸線纜不易過長。
[0010]近年來，隨著光電檢測技術迅速發展，以光纖為代表的光電檢測技術已成功地應用到溫度、壓力、表面粗糙度及位移等重要工程參數的測量中，其中對微位移量的測量光纖位移傳感器表現的尤為突出。光纖傳感器具有耐高溫、耐高壓、靈敏度高以及不受電磁干擾等諸多優點。
【發明內容】
[0011]為了解決以上問題，本發明提供了一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統及方法。它具有抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、對被測對象的材質沒有特殊要求、可用于狹小空間的位移測量等優點。
[0012]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0013]—種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統,包括:旋轉機械轉子、光纖傳感器模塊、信號調理電路模塊、采集器、上位機；其中，旋轉機械轉子與光纖傳感器模塊相連，光纖傳感器模塊與信號調理電路模塊相連，信號調理電路模塊與采集器相連，采集器與上位機相連。
[0014]所述光纖傳感器模塊中的傳感器為采用雙光路補償的反射式強度調制型光纖位移傳感器，所述反射式強度調制型光纖位移傳感器由發送光纖和接收光纖組成。發送光纖發出的光經反射面反射后被接收光纖接收，當反射面與接收光纖之間的距離發生變化時，接收光纖接收的光強就發生變化。
[0015]所述光纖位移傳感器為三層式同心圓型光纖位移傳感器；所述光纖位移傳感器的纖芯排列方式為中間一根為發送光纖，在所述發送光纖外面以所述發送光纖為圓心均勻排列三層光纖，所述三層光纖形成同心圓；所述三層光纖分為兩組，其中最內層為第一組接收光纖，外面的兩層為第二組接收光纖；所述光纖傳感器尾端采用分為三份的一體式結構。
[0016]所述信號調理電路模塊包括:光電轉換電路與放大濾波電路相連，放大濾波電路與比值處理電路相連，比值處理電路與電壓匹配單元相連。
[0017]所述光電轉換電路分別將所述兩組接收光纖接收到的光強信號轉換為電信號，主要采用光電傳感器0PT101實現。
[0018]所述比值處理電路為將兩組所述電信號經放大濾波后，進行比值處理，包括:所述第二組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，經電阻R2接運算放大器的2號管腳，所述運算放大器的3號管腳接地，4號管腳接-15V電源，7號管腳接+15V電源，6號管腳接模擬乘法器Ul的3號管腳，所述運算放大器的其他管腳懸空；電容Cl的一端接運算放大器的7號管腳，另一端接地；電容C3的一端接運算放大器的4號管腳，另一端接地。
[0019]所述第一組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，接所述模擬乘法器Ul的I號管腳，所述模擬乘法器Ul的2號管腳、4號管腳和6號管腳接地，5號管腳接-15V電源，8號管腳接+15V電源，7號管腳經電阻Rl與所述運算放大器的2號管腳相連；電容C2的一端與所述模擬乘法器Ul的8號管腳相連，另一端接地；電容C4的一端與所述模擬乘法器Ul的5號管腳相連，另一端接地。
[0020]所述運算放大器的6號管腳與采集器相連。
[0021]所述數據采集器采用CB00K2001E進行數據采集。
[0022]一種采用權利要求1所述的測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統的測量方法，包括以下步驟:
[0023](I)對光纖傳感器模塊的兩路接收光纖輸出的電信號進行標定，并將第二組接收光纖接收的電壓信號與第一組接收光纖接收的電壓信號進行比值運算；取比值運算數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式:
[0024]y = K1X+b1
[0025]其中，K1, Id1為常數；X為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示第二組接收光纖接收的電壓信號與第一組接收光纖接收的電壓信號的比值數據。
[0026](2)將比值運算結果的線性區間與數據采集器的信號輸入電壓范圍進行匹配，確定比值處理電路中的Rl和R2的阻值。
[0027](3)將光纖傳感器模塊和信號調理模塊作為一個整體單元進行標定，記錄該單元的輸出電壓，取測得電壓數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式:
[0028]y = K2x+b2
[0029]其中K2，b2為常數，X為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示電壓。
[0030]則K2為傳感器的靈敏度。
[0031](4)進行實際測試，數據采集器將測試到的旋轉機械轉子的振動信號傳入上位機，上位機對旋轉機械轉子的振動信號進行處理并顯示。
[0032]本發明的有益效果:
[0033]本發明實現了電磁干擾強、腐蝕性強和高溫等惡劣環境下的旋轉機械轉子振動的測量。本發明的纖芯排列方式有效的消除了反射式光纖位移傳感器易受光源功率波動、傳感器本體振動等外界因素的影響；后續信號調理單元中的比值處理，實現了三層式同心圓型光纖位移傳感器的兩路接收光纖的比值處理；利用旋轉機械轉子振動測量的光纖傳感器在強電磁場、高溫以及高腐蝕性等惡劣環境下的旋轉機械轉子振動進行監測，對完善光纖測量技術，豐富旋轉機械轉子徑向振動檢測方法等具有重要作用，對提高強電磁場、高溫等惡劣環境下的旋轉機械轉子振動檢測精度從而減少因旋轉機械轉子振動故障造成的人員傷亡、經濟損失等具有重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統結構框圖；
[0035]圖2為本發明的光纖位移傳感器的纖芯排列方式；
[0036]圖3為本發明光纖位移傳感器的整體結構圖；
[0037]圖4為本發明光纖位移傳感器信號調理電路圖；
[0038]圖5為本發明光纖傳感器信號調理中的比值處理電路圖；
[0039]圖6為本發明的標定結果圖；
[0040]圖7為數據采集器采集數據流程圖；
[0041]圖8為本發明實際測得的旋轉機械轉子振動信號曲線圖。
[0042]其中，1.旋轉機械轉子，2.光纖傳感器模塊，3.信號調理電路模塊，4.數據采集器，5.上位機,6.光纖位移傳感器,7.光電轉換電路,8.放大濾波電路,9.比值處理電路，10.電壓匹配單元。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0044]如圖1、圖2和圖3所示，測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統包括:旋轉機械轉子1、光纖傳感器模塊2、信號調理電路模塊3、數據采集器4、上位機5 ;其中，旋轉機械轉子I與光纖傳感器模塊2相連，光纖傳感器模塊2與信號調理電路模塊3相連，信號調理電路模塊3與數據采集器4相連，數據采集器4與上位機5相連。
[0045]所述光纖傳感器模塊2中的傳感器為采用所述光纖傳感器模塊中的傳感器為采用雙光路補償的反射式強度調制型光纖位移傳感器6。
[0046]所述光纖位移傳感器6為三層式同心圓型光纖位移傳感器；所述光纖位移傳感器6的纖芯排列方式為中間一根為發送光纖，在所述發送光纖外面以所述發送光纖為圓心均勻排列三層光纖，所述三層光纖形成同心圓；所述三層光纖分為兩組，其中最內層為第一組接收光纖，外面的兩層為第二組接收光纖；所述反射式光纖傳感器6尾端采用分為三份的一體式結構。
[0047]所述信號調理電路模塊3包括:光電轉換電路7與放大濾波電路8相連，放大濾波電路8與比值處理電路9相連，比值處理電路9與電壓匹配單元10相連。
[0048]如圖4和圖5所示，光電轉換電路7主要采用0PT101實現，比值處理電路9主要采用AD633實現；數據采集器4采用CB00K2001E進行數據采集。
[0049]所述比值處理電路9為將兩組所述電信號經放大濾波后，進行比值處理，包括:所述第二組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，經電阻R2接運算放大器的2號管腳，所述運算放大器的3號管腳接地，4號管腳接-15V電源，7號管腳接+15V電源，6號管腳接模擬乘法器Ul的3號管腳，所述運算放大器的其他管腳懸空；電容Cl的一端接運算放大器的7號管腳，另一端接地；電容C3的一端接運算放大器的4號管腳，另一端接地。
[0050]所述第一組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，接所述模擬乘法器Ul的I號管腳，所述模擬乘法器Ul的2號管腳、4號管腳和6號管腳接地，5號管腳接-15V電源，8號管腳接+15V電源，7號管腳經電阻Rl與所述運算放大器的2號管腳相連；電容C2的一端與所述模擬乘法器Ul的8號管腳相連，另一端接地；電容C4的一端與所述模擬乘法器Ul的5號管腳相連，另一端接地；所述運算放大器的6號管腳與采集器相連。
[0051]旋轉機械轉子I振動光纖測試系統方案確定后，首先對光纖位移傳感器6兩路接收光纖進行標定，并將標定結果進行比值運算；其次，對比值運算結果中線性較好的一段進行線性擬合；再次，根據比值運算擬合結果與數據采集器4的信號輸入電壓范圍進行匹配，根據匹配結果設計比值處理電路9中的Rl和R2的阻值；然后，對光纖傳感器模塊和信號調理模塊做為一個整體單元進行標定，得到該傳感器單元的靈敏度；最后，安裝傳感器并進行振動測試。
[0052]在對光纖位移傳感器6進行標定時，調節光學位移平臺，以50um為步長，記錄光纖位移傳感器6的兩組接收光纖輸出的電壓并對其進行比值運算，取測得數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式:
[0053][0054]其中，K1, Id1為常數；X為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示電壓。
[0055]將光纖傳感器模塊和信號調理模塊作為一個整體單元進行標定時，調節光學位移平臺，以50um為步長，記錄該單元的輸出電壓，取測得電壓數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式:
[0056] y = K2x+b2
[0057]其中K2，b2為常數，X為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示電壓。
[0058]則K2為傳感器的靈敏度。
[0059]選擇半徑為15mm的圓柱面作為反射面對兩組接收光纖輸出電壓進行標定并對其進行比值處理，對標定結果選取線性較好部分，并對其進行線性擬合。由標定結果可知反射面為半徑15mm的圓柱面時最大比值為1.66。據此可以設計前述比值處理電路9中的兩只放大電阻，為了使輸出電壓范圍不超過數據采集器4的輸入電壓量程，且使傳感器的輸出在線性區間具有較大的電壓范圍，此處設計兩只電阻分別優化為R1=5K，R2=10K。則此時，對于反射面為半徑15mm的圓柱面時，光纖位移傳感器6經硬件比值處理之后在線性范圍內最大輸出電壓為:
【權利要求】
1.一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統，其特征是，包括:旋轉機械轉子、光纖傳感器模塊、信號調理電路模塊、采集器、上位機；其中，旋轉機械轉子與光纖傳感器模塊相連，光纖傳感器模塊與信號調理電路模塊相連，信號調理電路模塊與采集器相連，采集器與上位機相連。
2.如權利要求1所述的一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統，其特征是，所述光纖傳感器模塊中的傳感器為采用雙光路補償的反射式強度調制型光纖位移傳感器。
3.如權利要求2所述的一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統，其特征是，所述光纖位移傳感器為三層式同心圓型光纖位移傳感器；所述光纖位移傳感器的纖芯排列方式為中間一根為發送光纖，在所述發送光纖外面以所述發送光纖為圓心均勻排列三層光纖，所述三層光纖形成同心圓；所述三層光纖分為兩組，其中最內層為第一組接收光纖，外面的兩層為第二組接收光纖；所述光纖傳感器尾端采用分為三份的一體式結構。
4.如權利要求1或3所述的一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統，其特征是，所述信號調理電路模塊包括:光電轉換電路與放大濾波電路相連，放大濾波電路與比值處理電路相連，比值處理電路與電壓匹配單元相連； 所述光電轉換電路分別將所述兩組接收光纖接收到的光強信號轉換為電信號，主要采用光電傳感器OPTlOl實現； 所述比值處理電路為將兩組所述電信號經放大濾波后，進行比值處理，包括:所述第二組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，經電阻R2接運算放大器的2號管腳，所述運算放大器的3號管腳接地，4號管腳接-15V電源，7號管腳接+15V電源，6號管腳接模擬乘法器Ul的3號管腳，所述運算放大器的其他管腳懸空；電容Cl的一端接運算放大器的7號管腳，另一端接地；電容C3的一端接運算放大器的4號管腳，另一端接地； 所述第一組接收光纖接收到的信號經光電轉換和放大濾波后，接所述模擬乘法器Ul的I號管腳，所述模擬乘法器Ul的2號管腳、4號管腳和6號管腳接地，5號管腳接-15V電源，8號管腳接+15V電源，7號管腳經電阻Rl與所述運算放大器的2號管腳相連；電容C2的一端與所述模擬乘法器Ul的8號管腳相連，另一端接地；電容C4的一端與所述模擬乘法器Ul的5號管腳相連，另一端接地； 所述運算放大器的6號管腳與采集器相連。
5.如權利要求1所述的一種測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統，其特征是，所述數據采集器采用CB00K2001E進行數據采集。
6.一種采用權利要求1所述的測量旋轉機械轉子振動的光纖傳感系統的測量方法，其特征是，包括以下步驟: (1)對光纖傳感器模塊的兩路接收光纖輸出的電信號進行標定，并將第二組接收光纖接收的電壓信號與第一組接收光纖接收的電壓信號進行比值運算；取比值運算數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式: y = Kj+bi 其中，Kpb1為常數；x為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示第二組接收光纖接收的電壓信號與第一組接收光纖接收的電壓信號的比值數據； (2)將比值運算結果的線性區間與數據采集器的信號輸入電壓范圍進行匹配，確定比值處理電路中的Rl和R2的阻值；(3)將光纖傳感器模塊和信號調理模塊作為一個整體單元進行標定，記錄該單元的輸出電壓，取測得電壓數據中線性較好的一段，并對其進行最小二乘擬合，得出傳感器線性區間的一次表達式:
y = K2x+b2 其中K2，b2為常數，X為橫坐標值，表示位移；y為縱坐標值，表示電壓； 則K2為傳感器的靈敏度； (4)進行實際測試，數據采集器將測試到的旋轉機械轉子的振動信號傳入上位機，上位機對旋轉機械轉子的振動信號進行處理并顯示。
【文檔編號】G01H9/00GK103471704SQ201310462573
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】李程啟, 郭志紅, 陳玉峰, 馬艷, 李明, 楊祎 申請人:國家電網公司, 國網山東省電力公司電力科學研究院