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作者對常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了一種“L”型結(jié)構(gòu)光纖光柵振動傳感器，并通過實（試）驗對傳感器及其系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。

傳感器原理及結(jié)構(gòu)

光纖光柵傳感技術(shù)使用的核心敏感元件是光纖Bragg光柵（下文簡稱FBG），F(xiàn)BG傳感的基本原理是：當(dāng)FBG周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產(chǎn)生FBG信號的波長位移，通過監(jiān)測波長位移情況，即可獲得待測物理量的變化情況［7］。圖1為FBG的傳感原理。基于FBG的應(yīng)變傳感原理，在對懸臂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種“L”型結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器，如圖2所示，傳感光柵一端直接固定在外殼上，另一端固定在“L”型桿上。同懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要優(yōu)點有兩點：1）避免了柵區(qū)粘貼帶來的光纖光柵反射波啁啾或多峰現(xiàn)象；2）振子產(chǎn)生相同振幅時帶來柵區(qū)變形更大，使靈敏度提高。合理調(diào)整人工阻尼可以使傳感器有較寬的頻響范圍，幅值和相位失真均較小，并且人工阻尼的存在延長了使用器件的壽命。

FBG振動傳感器實驗

光纖光柵振動傳感器的實驗研究主要測試幅頻特性和靈敏度兩個參數(shù)，采用了丹麥B＆K公司的振動激勵和信號采集等設(shè)備。在試驗中，采用LAN－XI振動分析系統(tǒng)自帶的信號發(fā)生器來產(chǎn)生一定頻率的加速度信號，通過標(biāo)準(zhǔn)加速度計來準(zhǔn)確測量當(dāng)前加速度值。將光纖光柵加速度傳感器固定在振動臺上，其波長變化通過BGD－4M型光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出來，并顯示在計算機(jī)軟件界面上。

1傳感器幅頻特性

在傳感器幅頻特性測試中，通過調(diào)節(jié)振動臺來輸出1m／s2的恒定加速度值，輸出頻率從3Hz開始，每遞增5Hz為一個步長。在測試過程中，不斷觀察光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)輸出波長的變化，以確定傳感器的固有頻率和測試范圍。實驗（圖3）顯示，在3～60Hz范圍內(nèi)，1m／s2的加速度引起的光纖光柵波長變化在86pm左右；在90Hz時，波長變化超過270pm；90Hz以后，隨著頻率的增加，光纖光柵波長變化開始下降。通過對多組傳感器進(jìn)行測試，結(jié)果基本符合上述測試情況。這表明，傳感器的固有頻率多維持在90Hz左右，曲線平整段為3～60Hz范圍，即傳感器的工作頻率范圍為3～60Hz。

2靈敏度參數(shù)的標(biāo)定

由于只采用了1個光纖光柵作為傳感元件，因此該傳感器用于振動測量時，必須考慮環(huán)境溫度變化的影響。為了解決這個問題，在進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)處理時，以光柵反射波峰與波谷的差值（峰－谷）作為輸出信號，該方法的優(yōu)點在于：1）提高了傳感器的靈敏度；2）實現(xiàn)了溫度的自動補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，光柵反射峰將會整體移動，因此，峰－谷與溫度變化無關(guān)，從而達(dá)到溫度自動補(bǔ)償?shù)男ЧＵ駝蛹铀俣葌鞲衅鞯撵`敏度標(biāo)定，選擇了多個測試頻率，在每個測試頻率下，通過改變振動臺的激勵加速度，使光纖加速度傳感器在不同的加速度下運(yùn)行，通過提取波長變化量來求取傳感器的靈敏度。其中20Hz下的靈敏度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，傳感器的波長變化量與加速度值具有很好的線性關(guān)系，該傳感器的靈敏度為81．9～87．4pm／（m•s－2），與幅頻特性曲線測試結(jié)果基本一致。加速度測量范圍大于25m／s2。

FBG振動測試系統(tǒng)工業(yè)性試驗

1傳感器布點及安裝

工業(yè)性試驗的對象是對稱平衡兩缸往復(fù)式壓縮機(jī)，監(jiān)測參數(shù)是氣缸表面振動和氣閥表面溫度，測點布置如圖5所示，在兩氣缸的表面分別安裝了垂直、水平和軸向的FBG振動傳感器來監(jiān)測氣缸的工作狀態(tài)，另外，在每個氣閥的表面安裝光纖溫度傳感器。傳感器均采用磁鐵吸附式安裝，既保證了對測量結(jié)果無影響，也方便了傳感器的安裝、拆卸和移位，不影響設(shè)備的維修、保養(yǎng)，如圖6所示。

2監(jiān)測系統(tǒng)組成

如圖7所示，往復(fù)式壓縮機(jī)的光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分由光纖傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和計算機(jī)等構(gòu)成；軟件部分包括各種硬件設(shè)備驅(qū)動、控制、通信軟件以及壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測專家評估軟件，同時還包含對所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)庫管理軟件等。由軟件和硬件系統(tǒng)密切配合實現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)工作狀態(tài)的長期健康監(jiān)測及狀況評估功能。該機(jī)組的基頻為333／6＝5．56Hz，文中研制的“L”型FBG振動傳感器的最高頻響可達(dá)到60Hz，信號解調(diào)選擇BGD－4M波長解調(diào)儀，最高采樣頻率為400Hz，均滿足往復(fù)式壓縮機(jī)振動監(jiān)測的需要。圖8為系統(tǒng)拓?fù)鋱D，現(xiàn)場光纖振動和溫度監(jiān)測信號經(jīng)光纜匯集傳回監(jiān)控室接入光纖光柵解調(diào)器，將采集、軟件分析處理后的結(jié)果存入服務(wù)器，通過本地客戶端計算機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控和查詢，該系統(tǒng)留有互聯(lián)網(wǎng)接口，通過互聯(lián)網(wǎng)，還可實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。

3數(shù)據(jù)分析

為了檢測光測法的測試效果，采用電測法與光測法進(jìn)行對比測試分析。采用的“L”型光纖振動傳感器輸出量是加速度值，通過軟件一次積分可輸出振動速度值，采用頻譜法分析。電測法采用地震局的941B速度檔采集數(shù)據(jù)，用自功率譜法分析。圖9為兩種方法測得的壓縮方向的振動速度譜。比較圖9，可知兩種方法測得的速度頻譜分布基本一致，而且另外兩個方向的對比結(jié)果與壓縮方向相同。表1為兩種方法測得的振動烈度值，根據(jù)GB／T7777—2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動測量與評價》可知，上述振動量值均在正常允許范圍內(nèi)，因此壓縮機(jī)的工作狀態(tài)正常。分析上述測試數(shù)據(jù)，可得出：1）光纖振動在線監(jiān)測結(jié)果顯示，目前氣缸端蓋3個方向的振動烈度中，壓縮方向最大，垂直方向次之，水平方向最小；2）壓縮機(jī)組正常工作時，其振動頻譜包含以基頻（轉(zhuǎn)動頻率）為主的各階諧波分量，振動能量主要集中在60Hz以內(nèi)；3）光纖振動在線監(jiān)測系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果表明，壓縮機(jī)端蓋3個方向的振動烈度值和振動頻譜穩(wěn)定，按照壓縮機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)評價機(jī)組狀態(tài)是正常的；4）該項目中采用的磁鐵吸附式安裝方式，使傳感器的安裝、移位和拆卸非常方便，且不會影響傳感器的測量精度，非常適合大型機(jī)械的振動狀態(tài)監(jiān)測；5）雖然壓縮機(jī)組的振動監(jiān)測方法和手段多種，測量結(jié)果也基本接近，但適合長期、遠(yuǎn)程、在線監(jiān)測的并不多，該系統(tǒng)近1年的運(yùn)行情況證明了光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了上述功能，而且它的抗電磁干擾能力和本征安全的特點非常適合在石化行業(yè)中應(yīng)用。

結(jié)語

針對往復(fù)式壓縮機(jī)的振動監(jiān)測需求，研制了一種“L”型結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動傳感器。該傳感器克服了電磁類振動傳感器的缺點，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、本征安全、信號傳輸距離遠(yuǎn)、長期穩(wěn)定性好的特點。通過實驗對其性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該振動傳感器的頻率響應(yīng)范圍是0～60Hz，靈敏度為86pm／（m•s－2），加速度測量范圍大于25m／s2。另外，將該傳感器及其系統(tǒng)在往復(fù)式壓縮機(jī)振動監(jiān)測工業(yè)性試驗中進(jìn)行了應(yīng)用，并將測試結(jié)果與電磁類傳感器測試結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者測得的結(jié)果基本一致。通過近1年時間的應(yīng)用，初步證明了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)可靠，滿足往復(fù)式壓縮機(jī)振動監(jiān)測的需要。（本文作者：朱曉明、南秋明單位：中國石油化工股份有限公司武漢分公司、武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室）