一种束流元件机械稳定性在线监测系统

1.本实用新型涉及加速器领域，更具体地涉及一种束流元件机械稳定性在线监测系统。


背景技术：

2.世界各大加速器运行至今，束流轨道稳定性一直是影响加速器性能的关键指标。图1示出了束流轨道稳定性的传递链，一方面，束流元件通过机械支撑件固定在地基上，周围交通或振源会直接影响地基的运动从而影响束流元件和束流轨道的稳定性，另一方面，束流元件尤其是部分关键元件如四极铁等由于周围温度的变化、热膨胀系数不同会直接导致束流位置的变化。在加速器运行中已观察到一系列可能与机械稳定性相关的现象并已对运行产生一定的影响，包括电子回旋频率的改变、闭轨的逐渐变化、束流位置的改变等等，因此在机器运行状态中开展束流轨道的机械稳定性监测具有非常重要的研究意义。
3.目前，随着加速器地基振动状况改变(如光源附近地铁的相继开通、高架等周边交通状况的繁忙等)，这些新的变化都对束流轨道运行产生了不同程度的影响。特别是软x射线自由电子激光试验装置(sxfel)和硬x自由电子激光装置(shine)对束流轨道稳定性提出了更严苛的要求，而且软x自由电子激光装置束流轨道已经观测到与机械振动相似的规律。
4.现有的束流元件机械稳定性监测方法都是在停机状态下实施和监测，其是单测点或临近测点分批多次监测，即在可能稳定性差的地方临时就近放置传感器接上采集设备进行一段时间的监测，距离远就需要多次测量，耗时长且无法同时监测多点；此外，由于硬x自由电子激光装置长达3km，难以实现远距离的实时监测，且其建造在地下29米，隧道顶部也需要设置监测点，但是传感器无法直接放置在弧形隧道顶，导致测量困难。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种束流元件机械稳定性在线监测系统，以实现长隧道远距离的束流元件实时机械稳定性监测。
6.本实用新型提供一种束流元件机械稳定性在线监测系统，包括放置在地面层的授时模块和数据管理与分析模块、多个光电转换器、放置在隧道底的交换机和多个信号采集模块和分别放置在隧道底和隧道顶的多个传感器模块，所述授时模块通过所述光电转换器与所述交换机连接，所述交换机分别与多个信号采集模块连接，多个采集模块分别与多个传感器模块连接，多个采集模块还分别通过所述光电转换器连接所述数据管理与分析模块。
7.进一步地，所述传感器模块包括速度传感器、加速度传感器和温度传感器。
8.进一步地，所述信号采集模块包括振动采集单元和束流元件温度采集单元，所述振动采集单元与所述速度传感器和加速度传感器连接，所述束流元件温度采集单元与所述温度传感器连接。
9.进一步地，所述振动采集单元包括：
10.束流元件振动子单元，设置为采集束流元件的加速度和速度的振动数据；
11.机械支撑件振动子单元，设置为采集机械支撑件的加速度和速度的振动数据；以及，
12.地基和隧道顶振动子单元，设置为采集地基和隧道顶的加速度和速度的振动数据。
13.进一步地，所述数据管理与分析模块包括：
14.数据存储单元，设置为根据存储规则按需保存所述传感器模块的原始数据和分析数据；
15.数据显示单元，设置为实时显示传感器模块的数据或调用所述数据存储单元中的数据；以及，
16.机械稳定性识别单元，设置为依据传感器模块采集的温度、振动分析数据与额定值进行对比后进行机械稳定性判别和报警。
17.进一步地，所述数据存储单元包括：
18.温度存储子单元，设置为存储所述信号采集模块采集到的实时温度数据；
19.振动存储子单元，设置为存储所述信号采集模块采集到的实时振动数据；
20.振动位移功率谱密度存储子单元，设置为根据实时振动数据采用加窗分段平均周期图方法计算并存储振动位移功率谱密度；以及，
21.均方根位移存储子单元，设置为根据振动位移功率谱密度计算并存储频率段的均方根位移。
22.进一步地，所述机械稳定性识别单元包括相互连接的：
23.故障定位子单元，设置为根据各测点的温度和均方根位移与物理设定的额定值的对比结果，确定故障位置并发出报警信号；以及，
24.报警子单元，设置为接收所述故障定位子单元发出的报警信号并报警。
25.进一步地，还包括传感器安装架，所述传感器模块通过所述传感器安装架安装在所述隧道顶。
26.进一步地，所述传感器安装架包括相互连接成一框架结构的第一侧板、顶板、第二侧板和底板，所述速度传感器或加速度传感器放置在所述底板上，所述第二侧板的外侧固定有三角架，所述温度传感器放置在所述三角架上，所述顶板上开设有圆孔。
27.进一步地，所述三角架与所述第二侧板螺栓连接。
28.本实用新型的束流元件机械稳定性在线监测系统，授时模块通过光电转换器连接光纤线传输至交换机，交换机连接采集模块，采集模块再连接多个传感器模块，从而实现了远距离多测点的实时监测；数据管理与分析模块对实时温度和振动数据、分析后的振动均方根位移和振动功率谱密度数据进行存储，有助于后续调用、分析和评价整个系统的机械稳定性；可同时对机械支撑件、地基和隧道顶的机械稳定性进行监测，有助于分析和定位稳定性影响原因；通过传感器安装架将传感器模块安装在隧道顶，解决了隧道顶无法直接放置传感器的问题。
附图说明
29.图1示出了束流轨道稳定性的传递链；
30.图2为根据本实用新型实施例的束流元件机械稳定性在线监测系统的结构示意图；
31.图3为根据本实用新型实施例的传感器模块的示意图；
32.图4为根据本实用新型实施例的信号采集模块的示意图；
33.图5为根据本实用新型实施例的数据管理与分析模块的示意图；
34.图6为根据本实用新型实施例的传感器隧道顶安装架的结构示意图；
35.图7为根据本实用新型实施例的束流元件机械稳定性在线监测系统在隧道底的测点的传感器放置示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。
37.如图2所示，本实用新型实施例提供一种束流元件机械稳定性在线监测系统，其用于建造在一号井16和二号井17之间的地下隧道的硬x自由电子激光装置的束流元件机械稳定性监测，包括放置在地面层20的授时模块11和数据管理与分析模块15、多个光电转换器12、放置在隧道底19的交换机13和多个信号采集模块14、分别放置在隧道底19和隧道顶18的多个传感器模块21，其中，授时模块11连接gps，用于接收精确的时间信号，其通过光电转换器12与交换机13连接，从而将地面层20的授时模块11远距离实时精准传输到交换机13上；交换机13分别与多个信号采集模块14连接，从而将授时模块11的时间信号实时传输至每个信号采集模块14；每个信号采集模块14分别就近连接多个传感器模块21，以接收传感器模块21传输的数据信息；多个信号采集模块14还分别通过光电转换器12与同一个数据管理与分析模块15连接，从而将数据信息按照授时模块11获取的准确时间信息对应传输至数据管理与分析模块15。
38.信号采集模块14和传感器模块21的数量需根据实际情况综合考虑，包括测点数量、具体测点位置和距离交换机的距离等等，总的原则是信号采集模块要尽量靠近测点，每个测点均需设置一个传感器模块21。例如，在本实施例中，一共设置有十个测点，其中七个位于隧道顶18，三个位于隧道底19，因此设置十个传感器模块21，分别置于十个测点位置，信号采集模块14有两个，根据就近连接原则，靠近交换机13的信号采集模块14与三个隧道顶18的传感器模块21和一个隧道底19的传感器模块21连接，远离交换机13的信号采集模块14则与剩余的传感器模块21连接，这样确保两个信息采集模块14可以采集到所有传感器模块21的数据信息；靠近交换机13的信号采集模块14直接通过网线与交换机13连接，远离交换机13的信号采集模块14则通过光电转换器12与其连接，从而实现远距离传输。
39.如图3所示，传感器模块21包括速度传感器35、加速度传感器36和温度传感器37，其中针对大地随机宽频振动特性和大地引起的结构振动监测，采用1-100hz的低频灵敏度高的速度传感器采集；针对特殊束流元件自身高频研究和监测的需求，采用khz量级的加速度传感器采集；考虑到需求、精度、安装方便因素，速度传感器35和加速度传感器36均采用单方向传感器，分别测量重力竖直方向、束流水平方向和垂直于束流的水平方向三方向的振动。温度传感器37采用精度好于
±
0.1℃的铂电阻式精密温度探头。传感器模块21除了采集原始信号外还可自带信号调理功能，可将传感器信号进行放大、隔离、滤波等处理。
40.信号采集模块14中设置有模数转换单元，用于将传感器模块21测量到的物理量的
模拟电压转换成数字信号，然后信号采集模块14再通过数据总线将数字信号传输至数据管理与分析模块15。
41.如图4所示，信号采集模块14包括振动采集单元30和束流元件温度采集单元34，振动采集单元30包括束流元件振动子单元31、机械支撑件振动子单元32以及地基和隧道顶振动子单元33，其中，束流元件振动子单元31采集所有作为测点的束流元件的加速度和速度的振动数据，机械支撑件振动子单元32采集所有作为测点的机械支撑件的加速度和速度的振动数据，地基和隧道顶振动子单元33采集所有作为测点的地基和隧道顶的加速度和速度的振动数据；束流元件温度采集单元34采集束流元件附近温度的变化数据。
42.如图5所示，数据管理与分析模块15包括数据存储单元38、数据显示单元43和机械稳定性识别单元44，数据存储单元38根据存储规则按需保存传感器模块21的原始数据和分析数据，数据显示单元43设置为实时显示传感器模块21的采集数据或调用数据存储单元38中的历史数据，机械稳定性识别单元44设置为依据传感器模块21采集的温度、振动分析数据与额定值进行对比后进行机械稳定性判别和报警。
43.数据存储单元38包括温度存储子单元39、振动存储子单元40、均方根位移存储子单元41和振动位移功率谱密度存储子单元42，其中，温度存储子单元39和振动存储子单元40分别用于存储信号采集模块14采集到的实时温度数据和振动数据(即原始速度和加速度数据)；振动位移功率谱密度存储子单元42，均方根位移存储子单元41设置为根据振动位移功率谱密度计算并存储频率段的均方根位移。
44.机械稳定性识别单元44包括相互连接的故障定位子单元46和报警子单元45。故障定位子单元46设置为根据各测点的温度和均方根位移与物理设定的额定值的对比结果，确定故障位置并发出报警信号。具体来说，故障定位子单元46对各测点的温度和均方根位移与物理设定的额定值进行对比，若各测点温度和均方根位移小于等于额定值，表示各测点监测正常，继续监测；若存在某测点的温度和均方根位移大于额定值，表示该测点监测到异常(即出现故障)，发送报警信号给报警子单元45。报警子单元45设置为接收故障定位子单元46发出的报警信号，并报警。
45.由于传感器无法直接放置在隧道顶18，本实施例通过一传感器安装架将各传感器安装在隧道顶18。如图6所示，传感器安装架包括相互焊接成一框架结构的第一侧板1、顶板2、第二侧板3和底板6，底板6上放置有三个用来监测重力竖直方向、束流水平方向和垂直束流方向三方向的单方向振动传感器7、8和9(振动传感器即为速度传感器或加速度传感器，可根据需要进行选取)，第二侧板3的外侧固定有三角架4，三角架4上可放置大的三方向速度传感器35或加速度传感器36或温度传感器37。三角架4可通过螺栓5与第二侧板3连接，一方面可以保证传感器安装架的强度，另一方面由于为镂空的三角形，也可以减少整体重量并有利于数据线的有效固定。与第二侧板3类似，第1侧板1上也有4个螺栓安装孔，可按需也安装三角架4放置速度传感器35或加速度传感器36或温度传感器37。
46.顶板2上开设有两个大圆孔10，以方便振动传感器7、8和9的数据线引出和固定。
47.如图7所示，在隧道底19的各测点位置，地基29、机械支撑件28和束流元件27上均设置有加速度传感器36和速度传感器35，束流元件27上还设置有温度传感器37，以监测它们的温度和机械稳定性。
48.本实用新型实施例提供的束流元件机械稳定性在线监测系统，授时模块11通过光
电转换器12连接光纤线传输至交换机13，交换机13连接采集模块14，采集模块14再连接多个传感器模块21，从而实现了远距离多测点的实时监测；数据管理与分析模块15对实时温度和振动数据、分析后的振动均方根位移和振动功率谱密度数据进行存储，有助于后续调用、分析和评价整个系统的机械稳定性；可同时对机械支撑件、地基和隧道顶的机械稳定性进行监测，有助于分析和定位稳定性影响原因；通过传感器安装架将传感器模块21安装在隧道顶，解决了隧道顶无法直接放置传感器的问题。
49.以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。