機械振動的光纖光柵傳感原理與關鍵技術的研究.pdf

1、航空發(fā)動機，高精密機床和大型汽輪機等大型旋轉機械設備是國民經濟和國防建設的基礎性和戰(zhàn)略性裝備，其健康穩(wěn)定運行狀況直接影響著國家安全和國民經濟的穩(wěn)定發(fā)展。因此采用有效的傳感檢測技術對機械設備狀態(tài)實時監(jiān)測極其必要，它是提高機械設備安全運行可靠性、減少國民經濟損失的重要保證。通過振動信號的檢測實現(xiàn)對機械健康監(jiān)測，是目前最常用、最有效的技術手段。目前傳統(tǒng)傳感器檢測手段，其存在抗電磁干擾能力差、穩(wěn)定性差等不足，很難適應復雜旋轉機械結構及其工況環(huán)境

2、，同樣也不便于多點布置，難以實現(xiàn)分布網絡式監(jiān)測。光纖光柵作為一種新型的無源傳感器，其具備電類傳感無可比擬的優(yōu)勢，且易構建多參數(shù)分布式傳感網等優(yōu)點。為機械系統(tǒng)的多參數(shù)分布動態(tài)檢測開辟了新的研究方向和機械振動檢測研究提供了新的思路。
　　本論文在國家高技術研究發(fā)展計劃863等項目支持下，以機械振動檢測為應用背景，重點圍繞多樣化的機械振動信息與分布光纖光柵傳感信號的匹配模型、機械振動的矢量特性與光纖光柵傳感的多維感知的關聯(lián)模式兩個基礎科

3、學問題，開展機械振動的光纖光柵傳感原理與關鍵技術的研究。主要工作和研究成果包括：
　　(1)針對光纖光柵的傳感原理及其力學特性，確立了光纖光柵的振動傳感模型；提出了分別基于粘貼型FBG、光纖軸向和光纖橫向振動感知模型的振動檢測方法；通過理論和實驗研究規(guī)范了粘貼型FBG的工藝準則，并且建立了含質量塊的光纖軸向和橫向振動方程，在此基礎上通過理論分析了其振動傳感特性。為后續(xù)的光纖光柵振動傳感器的設計提供基本理論指導。
　　(2)針

4、對粘貼型的FBG振動傳感器特性受粘貼工藝的影響的特點，提出了基于粘貼工藝實現(xiàn)粘貼型FBG振動傳感器增敏的方法，并通過了理論、仿真以及實驗的方法加以驗證；針對旋轉機械中高頻振動信號的檢測需求，研制了結合光纖軸向振動特性和膜片的FBG振動傳感器；采用數(shù)值分析方法，提出了傳感器的傳感特性與設計參數(shù)的映射關系模型；并且在此基礎上針對光纖光柵的熱載效應，提出了一種基于實驗差分實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ā?br>　　(3)針對旋轉機械轉軸的振動特性，通過磁

5、力耦合原理、圓膜片和光纖光柵相結合，提出了基于磁力耦合的非接觸式FBG振動檢測方法，研制了一種適用于旋轉軸振動的非接觸式FBG振動傳感器。搭建了非接觸式FBG振動傳感器的實驗傳感特性研究系統(tǒng)，分析了傳感器的實驗傳感特性。根據(jù)“理論-實驗-理論”相互修正的方法，優(yōu)化了理論模型，并通過修正后的理論模型實現(xiàn)了傳感器的傳感特性預估。再此基礎上提出了一種雙差分溫度補償方法，利用該方法進行溫度補償后，可實現(xiàn)對工作在變溫等惡劣環(huán)境下的旋轉軸實現(xiàn)長時間

6、的振動檢測。
　　(4)針對光纖光柵的橫軸向振動感知特性，提出了一種基于雙FBGs單光纖的二維振動解耦方法，并研制了一種基于雙FBGs的二維振動傳感器。通過數(shù)值仿真分析與實驗相結合的方法，驗證了二維FBG振動傳感器理論模型和解耦方法的正確性?；谝陨显?，通過機械結構的設計提出了一種三維振動FBGs組合式檢測方法，采用實驗的方法驗證了三維振動解耦的有效性。針對光纖光柵的橫向弱剛度，易受質量塊大小和光纖的預拉力的影響等特點，建立了傳

7、感器橫向振動靈敏度優(yōu)化模型；針對光纖橫向振動的低頻響，易出現(xiàn)過載損壞和質量塊的轉動誤差等不足，提出了一種抗轉動干擾以及拓寬頻帶的FBG振動傳感新方法。通過采用并聯(lián)加強梁/弦的結構，最終實驗驗證該方法有效的拓寬了多維FBG振動傳感橫向頻帶。
　　(5)利用所設計的光纖光柵振動傳感器，組建了針對旋轉機械振動的光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)。采用電渦流傳感器作為參考基準，驗證了FBG振動傳感器的信號拾取的有效性以及成功地提取了旋轉軸的臨界轉速；利