测量旋转机械转子振动的光纤传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，包括：旋转机械转子、光纤传感器模块、信号调理电路模块、采集器、上位机；其中，旋转机械转子与光纤传感器模块相连，光纤传感器模块与信号调理电路模块相连，信号调理电路模块与采集器相连，采集器与上位机相连。本实用新型有益效果：本实用新型的纤芯排列方式有效的消除了反射式光纤位移传感器易受光源功率波动、传感器本体振动等外界因素的影响；后续信号调理单元中的比值处理，实现了三层式同心圆型光纤位移传感器的两路接收光纤接收的光强信号的比值处理，进而实现了光纤位移传感器的补偿。
【专利说明】测量旋转机械转子振动的光纤传感系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统。
【背景技术】
[0002]旋转机械广泛应用于电力，石化，冶金，制造，航空等几乎所的工业部门，是生产中的关键设备，其稳定运行是安全、高效生产的决定性因素。转子作为旋转机械的核心部件承担着旋转机械主要功能的实现，转子振动是旋转机械振动的重要环节。传统的旋转机械转子振动位移检测采用电涡流位移传感器，但是一般的电涡流位移传感器不宜在强电磁场、高腐蚀性等恶劣环境下使用，这就给相当多的旋转机械的转子振动检测带来了困难。电涡流位移传感器的性能与被测体有关，被测对象对电涡流位移传感器的影响主要表现在以下几个方面:
[0003](I)电涡流传感器要求检测对象能够产生感应电流，所以其检测对象的材料只能是导电材料。不同材料的导磁率不同，这对电涡流传感器的灵敏度也有影响。研究表明，对于软磁体材料的被测对象，电涡流传感器的灵敏度高，线性范围窄；对于硬磁体材料的被测对象，电涡流传感器的灵敏度低，线性范围宽。
[0004](2)由于电涡流效应主要集中在被测体表面，如果被测对象在加工过程中形成残磁效应过大，则传感器测量波形就会发生畸变；另外，如果被测体表面有镀层，则相当于改变了被测对象的材料，镀层的材质、厚薄的不同对传感器的灵敏度影响大小也不同。
[0005](3)当电涡流传感器测量轴的径向振动时，为了保证感应磁场的完整性，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。
[0006]除了电涡流位移传感器对被测对象有较高的要求之外，电涡流传感器还有以下几个不足之处:
[0007](I)电涡流位移传感器的基本原理是法拉第电磁感应原理，这也就决定了电涡流位移传感器不能在强磁场环境中正常应用。
[0008](2)电涡流位移传感器的温度稳定性差且不宜在高温环境中使用，在实际中，当电涡流传感器的工作温度超过70°C时，其灵敏度会显著降低。
[0009](3)电涡流传感器的测量信号在传输过程中衰减较大，这使得电涡流传感器的传输线缆不易过长。
[0010]近年来，随着光电检测技术迅速发展，以光纤为代表的光电检测技术已成功地应用到温度、压力、表面粗糙度及位移等重要工程参数的测量中，其中对微位移量的测量光纤位移传感器表现的尤为突出。光纤传感器具有耐高温、耐高压、灵敏度高以及不受电磁干扰等诸多优点。
实用新型内容
[0011]为了解决以上问题，本实用新型提供了一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统。它具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、对被测对象的材质没有特殊要求、可用于狭小空间的位移测量等优点。
[0012]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0013]—种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统,包括:旋转机械转子、光纤传感器模块、信号调理电路模块、采集器、上位机；其中，旋转机械转子与光纤传感器模块相连，光纤传感器模块与信号调理电路模块相连，信号调理电路模块与采集器相连，采集器与上位机相连。
[0014]所述光纤传感器模块中的传感器为采用双光路补偿的反射式强度调制型光纤位移传感器，所述反射式强度调制型光纤位移传感器由发送光纤和接收光纤组成。发送光纤发出的光经反射面反射后被接收光纤接收，当反射面与接收光纤之间的距离发生变化时，接收光纤接收的光强就发生变化。
[0015]所述光纤位移传感器为三层式同心圆型光纤位移传感器；所述光纤位移传感器的纤芯排列方式为中间一根为发送光纤，在所述发送光纤外面以所述发送光纤为圆心均匀排列三层光纤，所述三层光纤形成同心圆；所述三层光纤分为两组，其中最内层为第一组接收光纤，外面的两层为第二组接收光纤；所述光纤传感器尾端采用分为三份的一体式结构。
[0016]所述信号调理电路模块包括:光电转换电路与放大滤波电路相连，放大滤波电路与比值处理电路相连，比值处理电路与电压匹配单元相连。
[0017]所述光电转换电路分别将所述两组接收光纤接收到的光强信号转换为电信号，主要采用光电传感器0PT101实现。
[0018]所述比值处理电路为将两组所述电信号经放大滤波后，进行比值处理，包括:第二组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，经电阻R2接运算放大器AD711JN的2号管脚，所述运算放大器AD71IJN的3号管脚接地，4号管脚接-15V电源，7号管脚接+15V电源，6号管脚接模拟乘法器Ul的3号管脚，所述运算放大器AD711JN的其他管脚悬空；电容Cl的一端接运算放大器AD71IJN的7号管脚，另一端接地；电容C3的一端接运算放大器AD711JN的4号管脚，另一端接地；
[0019]第一组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，接所述模拟乘法器AD633JN的I号管脚，所述模拟乘法器AD633JN的2号管脚、4号管脚和6号管脚接地，5号管脚接-15V电源，8号管脚接+15V电源，7号管脚经电阻Rl与所述运算放大器AD711JN的2号管脚相连；电容C2的一端与所述模拟乘法器AD633JN的8号管脚相连,另一端接地；电容C4的一端与所述模拟乘法器AD633JN的5号管脚相连，另一端接地；
[0020]所述运算放大器AD711JN的6号管脚与采集器相连。
[0021 ] 所述采集器采用CB00K200IE进行数据采集。
[0022]本实用新型的有益效果:
[0023]本实用新型实现了电磁干扰强、腐蚀性强和高温等恶劣环境下的旋转机械转子振动的测量。本实用新型的纤芯排列方式有效的消除了反射式光纤位移传感器易受光源功率波动、传感器本体振动等外界因素的影响；后续信号调理单元中的比值处理，实现了三层式同心圆型光纤位移传感器的两路接收光纤的比值处理；利用旋转机械转子振动测量的光纤传感器在强电磁场、高温以及高腐蚀性等恶劣环境下的旋转机械转子振动进行监测，对完善光纤测量技术，丰富旋转机械转子径向振动检测方法等具有重要作用，对提高强电磁场、高温等恶劣环境下的旋转机械转子振动检测精度从而减少因旋转机械转子振动故障造成的人员伤亡、经济损失等具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的测量旋转机械转子振动的光纤传感系统结构框图；
[0025]图2为本实用新型的光纤位移传感器的纤芯排列方式；
[0026]图3为本实用新型光纤位移传感器的整体结构图；
[0027]图4为本实用新型光纤位移传感器信号调理电路图；
[0028]图5为本实用新型光纤传感器信号调理中的比值处理电路图；
[0029]图6为本发明的标定结果图；
[0030]图7为本实用新型实际测得的旋转机械转子振动信号曲线图。
[0031]其中，1.旋转机械转子，2.光纤传感器模块，3.信号调理电路模块，4.数据采集器，5.上位机,6.光纤位移传感器,7.光电转换电路,8.放大滤波电路,9.比值处理电路，
10.电压匹配单元。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0033]如图1、图2和图3所示，测量旋转机械转子振动的光纤传感系统包括:旋转机械转子1、光纤传感器模块2、信号调理电路模块3、数据采集器4、上位机5 ;其中，旋转机械转子I与光纤传感器模块2相连，光纤传感器模块2与信号调理电路模块3相连，信号调理电路模块3与数据采集器4相连，数据采集器4与上位机5相连。
[0034]所述光纤传感器模块2中的传感器为采用所述光纤传感器模块中的传感器为采用双光路补偿的反射式强度调制型光纤位移传感器6。
[0035]所述光纤位移传感器6为三层式同心圆型光纤位移传感器；所述光纤位移传感器6的纤芯排列方式为中间一根为发送光纤，在所述发送光纤外面以所述发送光纤为圆心均匀排列三层光纤，所述三层光纤形成同心圆；所述三层光纤分为两组，其中最内层为第一组接收光纤，外面的两层为第二组接收光纤；所述反射式光纤传感器6尾端采用分为三份的一体式结构。
[0036]所述信号调理电路模块3包括:光电转换电路7与放大滤波电路8相连，放大滤波电路8与比值处理电路9相连，比值处理电路9与电压匹配单元10相连。
[0037]如图4和图5所示，光电转换电路7主要采用0PT101实现，比值处理电路9主要采用AD633实现；数据采集器4采用CB00K2001E进行数据采集。
[0038]所述比值处理电路9为将两组所述电信号经放大滤波后，进行比值处理，包括:第二组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，经电阻R2接运算放大器AD711JN的2号管脚，所述运算放大器AD711JN的3号管脚接地，4号管脚接-15V电源，7号管脚接+15V电源，6号管脚接模拟乘法器Ul的3号管脚，所述运算放大器AD711JN的其他管脚悬空；电容Cl的一端接运算放大器AD71IJN的7号管脚，另一端接地；电容C3的一端接运算放大器AD711JN的4号管脚，另一端接地；
[0039]第一组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，接所述模拟乘法器AD633JN的I号管脚，所述模拟乘法器AD633JN的2号管脚、4号管脚和6号管脚接地，5号管脚接-15V电源，8号管脚接+15V电源，7号管脚经电阻Rl与所述运算放大器AD711JN的2号管脚相连；电容C2的一端与所述模拟乘法器AD633JN的8号管脚相连，另一端接地；电容C4的一端与所述模拟乘法器AD633JN的5号管脚相连，另一端接地；所述运算放大器AD711JN的6号管脚与采集器相连。
[0040]旋转机械转子I振动光纤测试系统方案确定后，首先对光纤位移传感器6两路接收光纤进行标定，并将标定结果进行比值运算；其次，对比值运算结果中线性较好的一段进行线性拟合；再次，根据比值运算拟合结果与数据采集器4的信号输入电压范围进行匹配，根据匹配结果设计比值处理电路9中的Rl和R2的阻值；然后，对光纤传感器模块和信号调理模块做为一个整体单元进行标定，得到该传感器单元的灵敏度；最后，安装传感器并进行振动测试。
[0041 ] 在对光纤位移传感器6进行标定时，调节光学位移平台，以50um为步长，记录光纤位移传感器6的两组接收光纤输出的电压并对其进行比值运算，取测得数据中线性较好的一段，并对其进行最小二乘拟合，得出传感器线性区间的一次表达式:
[0042]y = K1X+!^
[0043]其中，K1, Id1为常数；X为横坐标值，表示位移；y为纵坐标值，表示电压；
[0044]将光纤传感器模块和信号调理模块作为一个整体单元进行标定时，调节光学位移平台，以50um为步长，记录该单元的输出电压，取测得电压数据中线性较好的一段，并对其进行最小二乘拟合，得出传感器线性区间的一次表达式:
[0045]y = K2x+b2
[0046]其中K2，b2为常数，X为横坐标值，表示位移；y为纵坐标值，表示电压；
[0047]则K2为传感器的灵敏度。
[0048]选择半径为15mm的圆柱面作为反射面对两路接收光纤输出电压进行标定并对其进行比值处理，对标定结果选取线性较好部分，并对其进行线性拟合。由标定结果可知反射面为半径15mm的圆柱面时最大比值为1.66。据此可以设计前述比值处理电路9中的两只放大电阻，为了使输出电压范围不超过数据采集器4的输入电压量程，且使传感器的输出在线性区间具有较大的电压范围，此处设计两只电阻分别优化为R1=5K，R2=10K。则此时，对于反射面为半径15mm的圆柱面时，光纤位移传感器6经硬件比值处理之后在线性范围内最大输出电压为:
【权利要求】
1.一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，其特征是，包括:旋转机械转子、光纤传感器模块、信号调理电路模块、采集器、上位机；其中，旋转机械转子与光纤传感器模块相连，光纤传感器模块与信号调理电路模块相连，信号调理电路模块与采集器相连，采集器与上位机相连。
2.如权利要求1所述的一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，其特征是，所述光纤传感器模块中的传感器为采用双光路补偿的反射式强度调制型光纤位移传感器。
3.如权利要求2所述的一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，其特征是，所述光纤位移传感器为三层式同心圆型光纤位移传感器；所述光纤位移传感器的纤芯排列方式为中间一根为发送光纤，在所述发送光纤外面以所述发送光纤为圆心均匀排列三层光纤，所述三层光纤形成同心圆；所述三层光纤分为两组，其中最内层为第一组接收光纤，外面的两层为第二组接收光纤；所述光纤传感器尾端采用分为三份的一体式结构。
4.如权利要求1或3所述的一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，其特征是，所述信号调理电路模块包括:光电转换电路与放大滤波电路相连，放大滤波电路与比值处理电路相连，比值处理电路与电压匹配单元相连； 所述光电转换电路分别将两组接收光纤接收到的光强信号转换为电信号，主要采用光电传感器OPTlOl实现； 所述比值处理电路为将两组所述电信号经放大滤波后，进行比值处理，包括:第二组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，经电阻R2接运算放大器AD711JN的2号管脚，所述运算放大器AD711JN的3号管脚接地，4号管脚接-15V电源，7号管脚接+15V电源，6号管脚接模拟乘法器Ul的3号管脚，所述运算放大器AD711JN的其他管脚悬空；电容Cl的一端接运算放大器AD711JN的7号管脚，另一端接地；电容C3的一端接运算放大器AD711JN的4号管脚，另一端接地； 第一组接收光纤接收到的信号经光电转换和放大滤波后，接所述模拟乘法器AD633JN的I号管脚，所述模拟乘法器AD633JN的2号管脚、4号管脚和6号管脚接地，5号管脚接-15V电源，8号管脚接+15V电源，7号管脚经电阻Rl与所述运算放大器AD711JN的2号管脚相连；电容C2的一端与所述模拟乘法器AD633JN的8号管脚相连，另一端接地；电容C4的一端与所述模拟乘法器AD633JN的5号管脚相连,另一端接地； 所述运算放大器AD711JN的6号管脚与采集器相连。
5.如权利要求1所述的一种测量旋转机械转子振动的光纤传感系统，其特征是，所述采集器采用CB00K2001E进行数据采集。
【文档编号】G01H9/00GK203551101SQ201320615587
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】李程启, 郭志红, 陈玉峰, 马艳, 李明, 杨祎 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院