基于光纖干涉原理的轉(zhuǎn)機監(jiān)測振動傳感器設(shè)計

劉宗麟, 宋繼紅, 劉會杰, 衣文索, 李東旭

(1. 長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 長春 130022； 2. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院, 長春 130022)

大型轉(zhuǎn)機是電力電源、 輸水水泵、 飛機發(fā)動機和電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備, 其穩(wěn)定運行對于確保電力生產(chǎn)安全至關(guān)重要[1-2]. 一個機械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)體自身、 轉(zhuǎn)機外殼和外部負(fù)載構(gòu)成, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對稱. 在整個轉(zhuǎn)機內(nèi)部系統(tǒng)中存在多種振動, 包括系統(tǒng)外振源傳遞的強迫振動及系統(tǒng)自身產(chǎn)生的自由振動. 由于振動會產(chǎn)生大量噪聲, 導(dǎo)致其機械結(jié)構(gòu)逐漸損壞, 最終損壞轉(zhuǎn)機. 因此, 對轉(zhuǎn)機振動產(chǎn)生的原因進行分析研究并達(dá)到實時監(jiān)測已引起人們廣泛關(guān)注[3]. 通過對轉(zhuǎn)子振動信息的分析, 可獲得轉(zhuǎn)機的運行狀態(tài). 大多數(shù)傳統(tǒng)的電加速度傳感器均可監(jiān)測轉(zhuǎn)機的振動狀態(tài), 但其靈敏度較低, 抗電磁干擾能力較差, 且需外部對其供電, 使其應(yīng)用范圍較小.

目前, 對大型轉(zhuǎn)機振動監(jiān)測主要有數(shù)字信號處理器(DSP)、 半在線振動監(jiān)測系統(tǒng)、 虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合、 云計算技術(shù)、 全光纖自混合光纖干涉測振技術(shù)、 Peakvue技術(shù)等方法. 在轉(zhuǎn)機振動監(jiān)測系統(tǒng)中, 以DSP芯片為核心, 將鎖相環(huán)和外部晶振等模塊整合, 使其成為一套完整的檢測系統(tǒng), 并對外部接口電路進行拓展, 組成了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、 功能更完善、 對轉(zhuǎn)機振動監(jiān)測更準(zhǔn)確的系統(tǒng)[4]. 半在線振動監(jiān)測系統(tǒng)可對轉(zhuǎn)機運行狀態(tài)和故障位置等進行定向監(jiān)測, 但無法采集轉(zhuǎn)機在故障狀態(tài)下的運行情況[5]. 在虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合中, 利用NI數(shù)據(jù)采集卡、 速度傳感器以及振動傳感器進行轉(zhuǎn)機振動數(shù)據(jù)采集, 通過Butterworth濾波器、 小波分析、 快速Fourier變換和功率譜分析對數(shù)據(jù)進行處理, 將得到的波形與實驗結(jié)果進行比對, 從而完成對轉(zhuǎn)機振動的監(jiān)測[6]. 云計算具有靈活性高、 可拓展性強、 應(yīng)用形態(tài)靈活等特點, 將其在便攜式轉(zhuǎn)機振動監(jiān)測儀的振動量處理單元中引入服務(wù)器, 通過硬件與軟件相結(jié)合的方法, 將振動檢測模塊與數(shù)據(jù)處理模塊分離, 從而減輕了監(jiān)測儀對數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān). 但僅實現(xiàn)了Fourier變換的頻譜分析, 未加入更多的頻譜分析技術(shù)[7]. 在全光纖自混合干涉測振技術(shù)中, 通過研究轉(zhuǎn)機的電磁故障和機械故障, 設(shè)計了全光纖自混合干涉?zhèn)鞲衅? 提出了可實現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)在非保偏環(huán)境下高精確度、 高靈敏度、 高精密度重構(gòu)的基于正交信號分解時域解調(diào)技術(shù), 但由于光的傳播和散射與電光晶體主軸存在一定角度, 導(dǎo)致信號強度偏振減弱, 因此使帶有轉(zhuǎn)機振動的信號產(chǎn)生失真現(xiàn)象[8]. Peakvue技術(shù)可離線對轉(zhuǎn)機振動數(shù)據(jù)進行監(jiān)測, 通過分析振動波形的時域圖和頻譜圖, 可準(zhǔn)確找到轉(zhuǎn)機設(shè)備的故障點, 但實時性較差[9].

基于此, 本文采用無源器件的光纖傳感器, 該傳感器具有不受電磁干擾、 靈敏度較高、 結(jié)果精確和實時性強等優(yōu)點, 在傳感振動、 自然災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測和大氣探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10]. 用Mach-Zehnder(簡稱M-Z)干涉儀作為實時監(jiān)測轉(zhuǎn)機振動的光纖傳感敏感元件, 通過對后端數(shù)據(jù)的采集和處理進行振動分析, 得到轉(zhuǎn)機運行的實時狀態(tài), 從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)機實時監(jiān)測的目的[11].

1 傳感系統(tǒng)原理

1.1 轉(zhuǎn)機故障分析

轉(zhuǎn)機在正常運行時, 其內(nèi)部的磁極、 轉(zhuǎn)子和機殼等零件穩(wěn)定運行, 但轉(zhuǎn)機磨損或松動后, 其物理振動特性發(fā)生變化, 與轉(zhuǎn)機正常運行時的振幅和振動周期存在顯著差異.

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)機故障監(jiān)測方法通過對轉(zhuǎn)機運行時產(chǎn)生的振動信息進行時域、 頻域或復(fù)頻域分析. 轉(zhuǎn)機在無外界振動干擾時, 振動信號的頻譜主要由基帶信號f0及其各倍次頻帶信號2f0,3f0,4f0等組成.當(dāng)轉(zhuǎn)機非正常運轉(zhuǎn)時, 其頻率特性發(fā)生改變, 頻譜的基本頻率和多倍次頻率大小和幅度發(fā)生變化.通常基帶信號的頻率f0越大, 轉(zhuǎn)機的轉(zhuǎn)速越快, 與基帶信號f0對應(yīng)的振幅遠(yuǎn)大于任何多頻帶信號的振幅[12].

通過離散Fourier變換(DFT)將信號由時域變?yōu)轭l域進行頻譜分析, 其表達(dá)式為

(1)

其中S(ω)為頻率譜密度,X(n)為離散采樣值.

1.2 光纖傳感原理

傳感光纖具有光彈性效應(yīng), 當(dāng)光纖受外界振動和干擾時, 其長度、 帶寬系數(shù)、 光功率信號和截止波長等參數(shù)發(fā)生改變, 導(dǎo)致纖芯內(nèi)部包含振動信息的透射光的相移發(fā)生偏移， 從而影響了光纖的響應(yīng)特性[13-14].M-Z干涉儀感知外界干擾, 使光在傳輸過程中相位發(fā)生變化的原理如圖1所示.由圖1可見, M-Z干涉儀由C1和C2兩個3 dB耦合器連接, 其中L為光纖總長度,n為光纖折射率,D為光纖纖芯直徑.

圖1 M-Z干涉儀感知外界干擾的相移原理Fig.1 Phase shift principle of M-Z interferometer sensing external interference

當(dāng)入射光振幅為Ei, 初始相位差為φ0(φ0為任意角度)時, 傳感光纖在無外界振動時的輸出[15]為

Eo=Ei×cos(ωt+φ0).

(2)

當(dāng)自然頻率的光在光纖中通過時, 相位

φ=βL,

(3)

其中β為傳播常數(shù),β受光纖纖芯雜質(zhì)、 光纖材料折射率不均勻和光纖擠壓彎曲等影響.當(dāng)外界環(huán)境振動時, 對于外部環(huán)境的振動, 由于光纖傳感器變形, 因此光纖參數(shù)發(fā)生變化.在外界振動的作用下相移可表示為

(4)

式(4)中等號右邊第一項、 第二項和第三項分別表示由于彈性形變、 Poisson效應(yīng)和光彈性效應(yīng)引起的光纖長度、 光纖纖芯直徑和光纖折射率改變導(dǎo)致相位發(fā)生變化.當(dāng)傳感光纖受外界振動作用時, 產(chǎn)生相位差Δφ, 此時傳感光纖輸出為

Eo=Ei×cos(ωt+φ0+Δφ).

(5)

M-Z干涉儀由傳感臂光纖和參考臂光纖兩路組成, 二者共同作為光纖振動傳感器的基本傳感單元, 當(dāng)無應(yīng)力應(yīng)變時, 傳感臂與參考臂兩條路徑中的兩相干光的初始相位差為π/2 . 當(dāng)外界產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變時, 由于光纖受擠壓和彎折等影響, 光纖內(nèi)部發(fā)生相位變化, 導(dǎo)致傳感臂與參考臂兩路相干光的相位差變?yōu)棣?2+Δφ(Δφ為任意角度). 改變兩個相干光的相位差可導(dǎo)致兩個相干光的干涉光強度發(fā)生變化. 因此, 通過分析干涉光強度的變化, 可確定兩個相干光的初始相位差和相位變化.

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 光纖振動傳感系統(tǒng)

光纖振動傳感系統(tǒng)示意圖如圖2所示. 設(shè)計以M-Z干涉儀(虛線框所示)為傳感單元, 以1 550 nm激光器為光源, 其發(fā)出的光波先通過環(huán)形器R1輸入耦合器C1中, 再經(jīng)C1以各50%的比例分為兩束光, 分別在參考臂光纖和傳感臂光纖中傳輸.

圖2 光纖振動傳感系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fiber vibration sensing system

當(dāng)轉(zhuǎn)機運行狀態(tài)發(fā)生變化時, 由于受到感應(yīng)振動, 傳感臂光纖產(chǎn)生應(yīng)變, 因此相位發(fā)生調(diào)制. 當(dāng)在耦合器C2處兩束光發(fā)生干涉時, 轉(zhuǎn)機振動信息包含于發(fā)生干涉信號的相位變化中. PIN光電探測器的作用是對電壓電流信號進行取樣、 整形、 濾波、 放大, 先將受到干涉后的光信號轉(zhuǎn)化為電信號, 再通過A/D轉(zhuǎn)換將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為可觀測轉(zhuǎn)機振動的離散數(shù)字信號. 振動信號經(jīng)處理和優(yōu)化后, 最終實現(xiàn)了在PC機上對轉(zhuǎn)機振動的實時監(jiān)測.

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Sensor structure

為增加傳感器靈敏度及穩(wěn)定性, 設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示. 在底盤支座上安裝3個支柱, 分別為支柱A、 支柱B、 支柱C, 其中支柱A和支柱C分別固定在底盤的兩邊, 支柱B固定在中間圓錐上, 圓錐通過兩個彈簧片與底盤連接. 當(dāng)發(fā)生振動時, 由于支柱B未與底盤緊密固定, 圓錐與彈簧片構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)易被打破, 因此支柱B的振動幅度遠(yuǎn)大于支柱A和支柱C的振動幅度. 當(dāng)振動非常微弱時, 支柱B也能出現(xiàn)較好的振動, 從而增加了傳感器的靈敏度.

將M-Z干涉儀的傳感臂光纖和參考臂光纖分別固定在三個支柱的凹槽上, 當(dāng)?shù)妆P有輕微振動時, 中間的支柱即可帶動干涉儀產(chǎn)生較大振動, 從而提高了振動靈敏度.

2.3 信號處理電路

為分析光強度信號, 需將光強度信號轉(zhuǎn)換為電信號, 并通過在相反方向上處理和分析電信號獲得光強度信號. 單路信號處理交換電路原理如圖4所示. 信號處理交換電路主要將模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)字信號[15]. 經(jīng)耦合器C2出來的干涉光信號先通過PIN光電探測器轉(zhuǎn)換為光電流, 再通過跨阻放大轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾妷弘娏餍盘? 電壓電流信號經(jīng)濾波及幅值放大后得到可采集的振動信號.

圖4 單路信號處理交換電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of signal channel signal processing switching circuit

3 實驗數(shù)據(jù)分析

用額定功率為2.8 kW、 額定轉(zhuǎn)速為2 680 r/min的小型轉(zhuǎn)機進行實驗, 將光纖傳感器固定到待測轉(zhuǎn)機外殼上, 并與其緊密接觸, 使光纖傳感器可實時感知轉(zhuǎn)機的振動, 從而達(dá)到對轉(zhuǎn)機振動信息的實時采集, 用解調(diào)儀對轉(zhuǎn)機的振動信息進行解調(diào).

為正確判斷轉(zhuǎn)機的運行狀態(tài), 先提取和分析轉(zhuǎn)子正常運行時的振動信息, 以便與轉(zhuǎn)子故障時的振動信息進行比較. 當(dāng)轉(zhuǎn)輪運行時, 將采集的振動信息與正常運行時的振動信息進行比較, 若二者相差較大, 則認(rèn)為轉(zhuǎn)輪處于非正常運行狀態(tài).

轉(zhuǎn)機正常運行時獲得振動信號的時域和頻域如圖5所示, 其中(A)為正常運行時轉(zhuǎn)機的時域, (B)為正常運行時轉(zhuǎn)機的頻域. 由圖5(A)可見, 轉(zhuǎn)機正常運行時振動信號平滑, 振動幅度較小; 由圖5(B)可見, 轉(zhuǎn)機正常運行時振動頻率約為50 Hz, 在振動頻率2倍(100 Hz)時出現(xiàn)小振幅, 其他頻率基本無振動信號, 轉(zhuǎn)機穩(wěn)定運行.

圖5 轉(zhuǎn)機正常運行時的振動時域(A)和頻域(B)Fig.5 Vibration time domain (A) and frequency domain (B) of rotor during normal operation

轉(zhuǎn)機負(fù)載對轉(zhuǎn)機運行時的振動狀態(tài)影響較大. 當(dāng)轉(zhuǎn)機負(fù)載減少時, 轉(zhuǎn)機受較小的轉(zhuǎn)向阻力, 在不改變其他條件下, 頻率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大, 導(dǎo)致轉(zhuǎn)機振動幅度減小.

為模擬轉(zhuǎn)機使用年限久、 外殼結(jié)構(gòu)松弛等故障, 將轉(zhuǎn)機外殼螺母擰松后進行實驗. 產(chǎn)生的振動時域和頻域如圖6所示, 其中(A)為轉(zhuǎn)機殼體結(jié)構(gòu)松弛時的振動時域, (B)為轉(zhuǎn)機殼體結(jié)構(gòu)松弛時的振動頻域. 由圖6(A)可見, 轉(zhuǎn)機振動幅度較大且不穩(wěn)定, 轉(zhuǎn)機殼體有顯著振動； 由圖6(B)可見, 當(dāng)轉(zhuǎn)機殼體結(jié)構(gòu)松動導(dǎo)致轉(zhuǎn)機異常運行時, 振動信號頻譜除基帶信號和每個倍頻帶信號外, 還含有大量的大幅度隨機頻率振動. 因此, 當(dāng)出現(xiàn)類似圖6(B)所示信號頻譜時, 可判定轉(zhuǎn)機殼體處于異常狀態(tài).

圖6 轉(zhuǎn)機殼體結(jié)構(gòu)松弛時的振動時域(A)和頻域(B)Fig.6 Vibration time domain (A) and frequency domain (B) when rotor housing structure is relaxed

綜上, 本文利用光纖干涉原理、 分布式光纖傳感技術(shù)及信號調(diào)理電路等方法, 通過分析轉(zhuǎn)機振動傳感和故障監(jiān)測原理, 設(shè)計了以M-Z干涉儀為傳感單元的光纖振動傳感器, 用1 550 nm波長激光器作為光源, 先通過環(huán)形器、 3 dB耦合器及PIN光電探測器處理, 再采集振動信息并對其進行分析, 最終在輸出端對轉(zhuǎn)機振動進行實時監(jiān)測, 經(jīng)模擬轉(zhuǎn)機載荷實驗和故障實驗, 分析頻譜可實時監(jiān)測轉(zhuǎn)機的運行狀態(tài). 本文設(shè)計的傳感器具有靈敏度較高、 實時性強、 結(jié)構(gòu)簡單、 不受電磁干擾等優(yōu)點, 具有較好的工程應(yīng)用前景.