基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水电站机组检测装置，特别是一种基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置。
【背景技术】
[0002]水轮发电机事故多表现为振动故障。振动信号具有多维性、广泛性、并具有一般实用性，因而水轮机组监测系统将振动作为主要监测项目。其中大中型水轮发电机组的转频较低，约为I?2Hz，水轮机尾水管产生水流涡旋引起的机组振动更低，约为转频的1/5?1/3，此外，一旦水电机组在运行过程中发生事故甩负荷，甩负荷过渡过程中振动信号的频率将更低。
[0003]目前常用的水电机组振动监测的传感器采用的是基于地震波检测改良的DP低频传感器，监测振动频率范围为0.5Hz-200Hz，可以输出速度或者位移信号，具体实施方法参考专利CN92102774-“地震式低频振动测量装置”，但是该装置现场使用中存在大量信号失效、稳定性较差等问题，同时还可能引起共振，导致测量不准确。
[0004]另一种方式是采用压电式加速度计或者伺服式加速度计，然后再通过积分电路进行低频振动监测，如专利CN201410561597-“水电站机组振动测量监测方法”。该装置由于使用的是电子式的传感器，需要克服传感器需要供电的影响、远程传输电磁干扰、甚至信号衰减等问题，而且该方式是采用模拟信号的硬件积分进行加速度对速度或位移信号的转换。
[0005]此外，专利ZL201320620060.4-“一种变压器光纤光栅振动波谱在线监测系统”涉及采用非平衡迈克尔逊干涉仪进行振动信号解调过程，其特征是单一通道内部的不同波长传感器的串联结构，并获得变压器的振动信号中高频信号，频响范围在ΙΟΗζ-ΙΚΗζ，没有涉及低频信号的实时并行处理，以及振动速度信号和振动位移信号的获取。
[0006]专利201310253212.6实现的一种外差式激光干涉角振动测量方法及装置，其特征在其使用小于一个载波周期的模型段对低信噪比、非平稳角振动激光多普勒信号波形进行数字化频率解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。但是其没有提及低频信号，尤其低至0.1Hz的信号测量，以及多通道的同步监测。
[0007]但是，无论目前水电机组采用的是常规低频振动监测，都需要对传感器进行供电，甚至需要在信号传输过程中进行信号中继放大的电路处理，由于水电机组传感器安装环境条件恶劣，周围存在强电磁环境，因此目前实际应用中存在低频振动传感器寿命过短，测量精度易下降，导致测量失效。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对当前水电机组振动监测实际运用中的不足而提供一种测量数据可靠、准确度高，效果显著的基于光纤传感的水电站机组振动测量装置。该装置由光纤光栅加速度传感器组和干涉法解调装置两部分共同组成。其具有前端传感器部分属于无源传感器，无需供电，避免电磁干扰;后端部分采用干涉法进行光信号的解调处理，并采用高精度的现场可编程门阵列模块进行多通道同步采集和并行处理，利用隔直流滤波及相位载波算法降低积分电路直流漂移对信号的影响，本装置最低可测量0.1Hz低频振动信号，因而实现了对于水电机组低频振动信号在0.4Hz-200Hz之间的高精度测量。
[0009]本发明所采用的技术措施是:一种基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置，它包括依次连接的光纤光栅加速度传感器组、M个前置波分复用器、I XN光纤耦合器、环形器、宽带光源;其特征是环形器还与非平衡迈克逊干涉仪解调模块连接，非平衡迈克逊干涉仪解调模块与后置波分复用器连接、后置波分复用器连接光电滤波转换模块后，再与现场可编程门阵列模块连接;净化电源箱为非平衡迈克逊干涉仪解调模块、光电滤波转换模块、宽带光源、现场可编程门阵列模块和微处理器工控主板模块供电。
[0010]本方案的具体特点还有，当M=N且N在0、N< 25，宽带光源发出的光通过环形器进入I XN光纤耦合器实现N路光信号输出，N路中每I路接I个前置波分复用器，共计M个;光纤光栅加速度传感器组直接连接M个前置波分复用器:每个前置波分复用器中的I个通道连接I个光纤光栅加速度传感器，可以并联I至8个不同波长的光纤光栅加速度传感器，且只与后置波分复用器中的I个通道对应;然后M个前置波分复用器再与I X N光纤耦合器连接。
[0011]当M=O时且N在0、N<25，光纤光栅加速度传感器组为N个不同波长的光纤光栅加速度传感器并联结构;每1个光纤光栅加速度传感器与I XN光纤耦合器的I路连接，其中每I路光纤光栅加速度传感器唯一对应后置波分复用器的I个通道。
[0012]光纤光栅加速度传感器的波长范围为C+L波段内即1525nm-1610nm;然后每I路光纤光栅加速度传感器的带有振动加速度信号特征反射光信号再通过I XN光纤耦合器后，经环形器将每I路反射光信号送至非平衡迈克逊干涉仪解调模块;通过具有载波调制的非平衡迈克逊干涉仪解调模块对每I路反射光信号产生干涉，从而将带有振动信号特征的反射光信号转换为带有相位特征的干涉光信号;干涉光信号再进入唯一波长对应的后置波分复用器内唯一通道进行波长分离，分离后的光信号具有振动相位特征、波长唯一特征、时间差别特征;通过后置波分复用器的每I路光信号进入光电转换滤波模块，将光信号转换成与每I路光纤光栅加速度传感器对应的电压信号；
然后每I路电压信号被现场可编程门阵列模块进行多通道同步采集，并采用时分复用算法、并行多通道相位检测算法计算，最后处理得到振动加速度数字信号;振动加速度数字信号再送入微处理器处理得到振动速度信号，再进一步得到振动位移信号。
[0013]所述光纤光栅振动加速度传感器包括:一支座，支座为u字型结构，具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁的内侧具有第一台阶;第二侧壁顶端有向第一侧壁延伸的横梁，在第二侧壁的外侧设置有第二台阶和第三台阶，在第二台阶上设置有调节梁，在第三台阶上固定设置有补偿柱;第二侧壁上开有竖直槽;在支座上设置有倒T型的弹性片，弹性片的头部固定在第一侧壁内侧的第一台阶上，弹性片的尾部固定连接上质量块和下质量块，上质量块和下质量块对称安装于弹性片上下两侧;弹性片的中部设置有一向上的折起片，在折起片上设置有第一微孔;调节梁包括竖板和横板，竖板底部设置有凸缘，在第二台阶上设置有导槽，凸缘与导槽相适配使调节梁的凸缘在导槽中枢转；调节梁的竖板顶部设置有第二微孔，调节梁的竖板通过第一紧固螺钉与支座的第二侧壁连接，调节梁和第二侧壁之间设置有第一弹性垫片，第一紧固螺钉使第一弹性垫片产生形变;调节梁的横板通过第二紧固螺钉与补偿柱连接，且第二紧固螺钉与调节梁的横板之间装有第二弹性垫片，第二紧固螺钉穿过第二弹性垫片和横板旋入到补偿柱上的螺纹孔中；光纤光栅依次穿过第一微孔，竖直槽和第二微孔，并在第一微孔处与折起片固定在一起，在第二微孔处与调节梁固定在一起。
[0014]所述光纤光栅振动加速度传感器经过上述结构封装后在两端留有50厘米光缆外接线，然后直接安装在顶盖和机架上;并通过一个法兰与铠装连接光缆连接，铠装连接光缆另一端连接至后端装置。
[0015]所用光纤光栅振动加速度传感器采用预应力拉伸光纤光栅封装而成，并在光栅区域进行聚酰亚胺涂覆。
[0016]所述光纤光栅振动加速度传感器组，当光纤光栅加速度传感器之间存在有串联结构时，其特征为同一个波长的传感器应采用设置固定差别长度的铠装连接光缆，即在I XN光纤耦合器实现N路光信号输出时，在第N路与第N-1路之间的连接光缆相差50m的长度，在第N+1路与第N-1路之间的铠装连接光缆相差2 X 50m的长度，依次类推。
[0017]光纤光栅振动加速度传感器的波长灵敏度2140pm/g，灵敏度测量曲线如图3所示;本装置监测频率响应范围可以在0.1Ηζ-300Ηζ，传感器谐振频率在200Hz以上。传感器的灵敏度在200Hz以内基本一致，波动非常小;针对传感器获得的振动信号在通过非平衡迈克尔逊干涉仪解调模块、现场可编程门阵列模块、微处理器工控主板模块处理之后，装置所得幅频响曲线为图4所示，满足水电机组低频振动0.4Hz-200Hz之间的测量要求。
[0018]本发明所述非平衡迈克逊干涉仪解调模块内部包括I个非平衡迈克尔逊干涉仪和I块载波调制电路模块;其中非平衡迈克逊干涉仪采用臂长差小于等于5mm的封装结构，如美国Optiphase公司的干涉仪。载波调制电路模块采用嵌入式ARM芯片(Acorn RISCMachine)内部数字模拟转换器输出恒定正弦波信号组成，如采用意法半导体的STM32芯片。
[0019]本发明采用的宽带光源是C+L波段平坦宽带光源(1525nm-1610nm)，功率为50mw至lOOmw，光源平坦度为不高于1.5dB，用于向光纤光栅传感器组提供发射光源，可以采用深圳浩源光电公司或天津峻峰光电公司的宽带光源。
本发明所用净化电源箱采用高保真音响级电源净化模块和线性电源组成，用于交流电源或市电电源调节和净化，