基于光纖光柵傳感的扭振檢測新方法

譚躍剛，袁 磊，胡婷婷

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

近幾十年來，大型汽輪發(fā)電機(jī)組曾發(fā)生過若干斷軸等重大事故，促使旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的扭振研究不斷深入發(fā)展［1］。目前扭振檢測方法有:西北工業(yè)大學(xué)楊卓君等采用的加速度測量扭振［2］，該方法存在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下信號引出困難的問題;清華大學(xué)張艷春采用的DK-III扭振測量儀脈沖時序法［3］，但其信號易受電磁干擾;燕山大學(xué)黃震的基于多普勒加速度測量扭振［4］，其測量裝置復(fù)雜昂貴，成本較高。

光纖光柵的最大特點(diǎn)是采用波長編碼，且不受光功率波動和光路彎曲引起損耗的影響，具有良好的抗干擾性和準(zhǔn)分布式傳感的性能［5-6］，這使得光纖光柵在旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。實(shí)現(xiàn)傳感信號在動平臺和靜平臺間非接觸傳輸，集測量與傳輸于一體，對探索采用光纖光柵傳感進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸扭振檢測的新方法具有明顯的優(yōu)勢和重要意義［7］。

測量旋轉(zhuǎn)軸的扭振是測量旋轉(zhuǎn)軸由于交變角速度引起的變形弧長及角頻率。該過程可看作軸旋轉(zhuǎn)時，測量測點(diǎn)處的應(yīng)力變化規(guī)律［8］。為了進(jìn)行扭振的檢測，利用慣性原理，將光纖光柵傳感器圍繞轉(zhuǎn)軸徑向進(jìn)行對稱布置，筆者在此提出了一種采用基片式封裝的光纖光柵加速度傳感器，以等強(qiáng)度梁和質(zhì)量塊組成彈性元件。將兩個光纖光柵串接并粘貼于等強(qiáng)度梁上，通過感知梁應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動到光信號的轉(zhuǎn)變，并利用F-P解調(diào)技術(shù)［9］，使波長變化為輸出信號，提高了傳感器的響應(yīng)靈敏度。

1 檢測原理

光纖光柵的傳感原理是根據(jù)光纖耦合模理論［10］，當(dāng)寬帶光在 FBG中傳輸時，產(chǎn)生模式耦合，滿足Bragg條件的光被反射，其關(guān)系式為λB=2neffΛ，其中，λB為 Bragg 波長;neff為光纖傳播模式的有效折射率;Λ為光柵周期。從上式可知，neff和Λ改變都會引起反射光波長的改變。由此可見，可導(dǎo)致neff和Λ改變的物理量如應(yīng)力、溫度和壓力等均可采用FBG測量。

FBG反射光的中心波長隨應(yīng)變和溫度變化的位移為:

式中:ΔλB為應(yīng)力和溫度變化引起的反射波長的改變;Δε為應(yīng)力的變化量;ΔT為溫度的變化量;ρα為光纖的彈光系數(shù);ε為光纖的熱光系數(shù)。

因此，通過測量波長變化即可獲得應(yīng)變和溫度的變化數(shù)據(jù)。由于采樣的時間很短，可忽略溫度的影響，得到波長變化與梁的應(yīng)變關(guān)系為:

當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，安裝在軸上的懸臂梁受到慣性的作用，梁的應(yīng)變引起光纖波長的變化。從而建立光纖波長變化與軸的轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型，即每一個波長對應(yīng)一個瞬時速度。當(dāng)扭振發(fā)生時，光纖的波長也會發(fā)生周期性的變化。

2 系統(tǒng)組成與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 測試系統(tǒng)的組成

整個測試平臺的機(jī)械系統(tǒng)分為驅(qū)動和測試兩部分，如圖1所示。驅(qū)動部分由變頻電機(jī)、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速儀和變速器等組成。變速器內(nèi)設(shè)置有增-減速變速機(jī)構(gòu)，以獲得大范圍的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動部分的輸出軸是與測試部分相連的接口，提供被測試旋轉(zhuǎn)件所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變速器輸出軸是空心軸，以便于光纖信號傳輸。輸出軸端的結(jié)構(gòu)形式，依據(jù)被測試旋轉(zhuǎn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于使用專制的夾具連接被測試旋轉(zhuǎn)件。

圖1 測試平臺示意圖

測試部分主要測量旋轉(zhuǎn)件的狀態(tài)參數(shù)。若在(阻尼)支撐架上設(shè)置阻尼可調(diào)的裝置，就可模擬測試轉(zhuǎn)子的撓角變化;若在轉(zhuǎn)子某部位或轉(zhuǎn)盤上設(shè)置徑向加力裝置，就可模擬測試徑向負(fù)荷下轉(zhuǎn)軸的撓度變化。被測試旋轉(zhuǎn)件的軸向力可在夾具上測試。測試系統(tǒng)是在營造或模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械工況的情況下，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量和分析的通用測試平臺。

光纖光柵傳感器的應(yīng)力應(yīng)變測量是測試系統(tǒng)的重要部分，主要是對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的應(yīng)力應(yīng)變分布情況進(jìn)行檢測，檢測難點(diǎn)是如何布置測點(diǎn)，以及網(wǎng)絡(luò)測點(diǎn)信號的傳輸。

整個系統(tǒng)采用一對準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)光纖信號的傳輸，具有信號傳輸非接觸但可直接測量的特點(diǎn)，以及測量范圍寬和不改變軸運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。其基本工作原理是通過該測扭裝置將被測旋轉(zhuǎn)軸的扭振信號轉(zhuǎn)化為彈性片的彎曲動應(yīng)變，由光纖光柵感受測試。在光柵的位置布置中，利用空間對稱結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)信號的加強(qiáng)和補(bǔ)償功能。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中采用的傳感器的封裝實(shí)物圖如圖2所示。它由光纖光柵、質(zhì)量塊、等強(qiáng)度梁、光纖和套筒組成。傳感器中的光纖光柵串聯(lián)封裝在梁上。等強(qiáng)度梁的長度為45 mm，底邊的寬度為25 mm，質(zhì)量塊為3 g，為了進(jìn)行比較，將光柵貼在距梁的固定端10 mm處;串聯(lián)兩個波長分別為1288 nm，1312 nm的光柵。通過ANSYS計(jì)算，等強(qiáng)度梁的一階固有頻率為443.37 Hz，臨界轉(zhuǎn)速為26602 r/min，遠(yuǎn)高于軸本身的最高轉(zhuǎn)速15000 r/min。

圖2 封裝實(shí)物圖

旋轉(zhuǎn)軸的扭振測量方案示意圖如圖3所示。在具體測量時，將測扭的封裝光纖光柵傳感器固定在被測旋轉(zhuǎn)軸上，工控機(jī)通過變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，其扭轉(zhuǎn)振動信號通過離心力傳遞到測扭的質(zhì)量塊上，光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過準(zhǔn)直器傳輸?shù)焦饫w光柵傳感器。質(zhì)量塊的離心力和慣性引起光纖光柵的有效折射率和光柵的周期變化，從而導(dǎo)致波長的漂移，該信號再通過準(zhǔn)直器接入解調(diào)儀，經(jīng)解調(diào)儀可調(diào)諧FP，濾波器以幾千Hz掃描，所有FBG傳感器的布拉格波長能得到快速測定，將測定的波長信號輸入工控機(jī)，經(jīng)過分析后獲知旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)特性。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸的扭振檢測方案示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建好系統(tǒng)后啟動變頻電機(jī)，通過工控機(jī)記錄光纖光柵的波長。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變量變化關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)過程如下:首先輸入恒定的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速在0～2000 r/min之間依次增加，每次增量為100 r/min。相同條件下，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，得到了如圖4所示的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變的關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，在2000 r/min時彈性體對應(yīng)的微應(yīng)變超過3000 μ，應(yīng)變與轉(zhuǎn)速存在對應(yīng)的關(guān)系。在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，光柵產(chǎn)生的應(yīng)變在可承受范圍內(nèi)。

由于軸系的扭振主要體現(xiàn)為在平均轉(zhuǎn)速上疊加了交變的轉(zhuǎn)速，檢測扭振就是要提取這個交變的轉(zhuǎn)速信息。輸入交變的轉(zhuǎn)速來模擬轉(zhuǎn)軸扭振的發(fā)生，當(dāng)軸系存在扭振時，每次轉(zhuǎn)速對應(yīng)的光柵的波長發(fā)生變化，其與恒轉(zhuǎn)速之差即反映扭振的大小。因此，只要測出軸系運(yùn)轉(zhuǎn)情況下對應(yīng)光柵應(yīng)變的變化，就可反推得到軸的扭振信息。

當(dāng)輸入的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min疊加正弦交變量為±50 r/min時，光柵、轉(zhuǎn)矩儀測得的轉(zhuǎn)速及兩者的比較如圖5所示?，F(xiàn)選用轉(zhuǎn)矩儀檢測的轉(zhuǎn)速作為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，與基于光纖光柵檢測的轉(zhuǎn)速作比較。得到如圖6所示的轉(zhuǎn)速誤差曲線。

圖5 光柵、轉(zhuǎn)矩儀測得的轉(zhuǎn)速及兩者的比較

圖6 轉(zhuǎn)速誤差曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，上述光纖光柵測得的與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的誤差不到5 r/min。同時考慮到電機(jī)本身存在轉(zhuǎn)速誤差，即可反映旋轉(zhuǎn)軸瞬時的轉(zhuǎn)速。說明該簡化模型計(jì)算是可行的。通過檢測光柵波長隨時間的變化情況，可獲得軸的轉(zhuǎn)速交變的變化情況，即軸的扭振信息。

4 結(jié)論

(1)筆者提出的方法應(yīng)用于可布置光纖光柵傳感器的條件下，測量大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸系瞬時轉(zhuǎn)速，可應(yīng)用于設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測，滿足設(shè)備的故障診斷需求。

(2)基于光纖光柵檢測扭振的方法可用于強(qiáng)電強(qiáng)磁的復(fù)雜環(huán)境中，且易構(gòu)成具備可連續(xù)、無間斷、長距離測量并與被測量介質(zhì)有極強(qiáng)親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

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