基于光纖光柵傳感的旋轉(zhuǎn)機械扭振測量方法與實驗研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械朝大型化、高速、重載、大功率方向發(fā)展，其軸系結(jié)構(gòu)越來越復雜，從而導致網(wǎng)機耦合，誘發(fā)軸系扭振，并造成扭轉(zhuǎn)疲勞，嚴重時甚至導致部件的瞬時破壞，故旋轉(zhuǎn)機械扭轉(zhuǎn)振動問題日趨嚴重，已成為引起旋轉(zhuǎn)機械故障的重要原因之一。扭振檢測對于旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)評估具有重要意義，而現(xiàn)有的扭振測量技術(shù)在傳感器安裝的方便性，信號的傳輸與處理，抗干擾等方面還存在問題。因此，深入研究旋轉(zhuǎn)機械扭振測量方法、改善監(jiān)測裝置性能、開發(fā)和完善扭振測

2、試系統(tǒng)，已成為旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域的迫切任務(wù)。
　　論文旨在將體積小、重量輕、抗電磁干擾強及一線多點、無源多場的光纖光柵（Fiber BraggGrating，F(xiàn)BG）這一新型傳感技術(shù)引入旋轉(zhuǎn)機械扭振檢測，突破現(xiàn)有扭振傳感方法的局限，為光纖光柵扭振傳感器實用化提供理論依據(jù)，開辟旋轉(zhuǎn)機械扭振檢測新途徑。為此，重點研究基于光纖光柵的旋轉(zhuǎn)機械扭振傳感原理和實驗方法，通過探究分析旋轉(zhuǎn)機械扭振的動力學特性，建立光纖光柵扭振應(yīng)變傳遞

3、模型，設(shè)計光纖光柵扭振傳感體結(jié)構(gòu)，獲取光纖光柵扭振傳感信號，探討基于希爾伯特-黃變換的旋轉(zhuǎn)機械扭振特征提取方法，開展光纖光柵扭振傳感器的測試分析和實驗驗證，提出基于光纖光柵的扭振傳感器設(shè)計理論和方法。論文的主要工作如下：
　　1、在剖析旋轉(zhuǎn)機械扭振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了旋轉(zhuǎn)機械扭振動力學模型，并對光纖光柵扭振傳感體結(jié)構(gòu)形式、動態(tài)應(yīng)變檢測性能、光纖光柵參數(shù)選擇、信號解調(diào)方法進行了深入研究，提出了一種基于光纖光柵的旋轉(zhuǎn)機械扭振測量方法，

4、解決傳統(tǒng)電測方法線路復雜、信號傳輸困難以及抗電磁干擾能力差的難題；探討了旋轉(zhuǎn)機械光纖光柵扭振應(yīng)變傳遞特性，建立了旋轉(zhuǎn)機械光纖光柵扭振應(yīng)變傳遞模型，得到了扭矩/角位移到光纖光柵波長變化量的函數(shù)關(guān)系式，為光纖光柵扭振傳感體結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗研究提供理論支撐。
　　2、通過分析旋轉(zhuǎn)機械扭振檢測的要求，提出了兩類光纖光柵傳感體結(jié)構(gòu)（接觸式和非接觸式）設(shè)計方案。研究了以轉(zhuǎn)軸為彈性元件的傳感體結(jié)構(gòu)及其傳遞模型，討論了彈性元件參數(shù)和光纖光柵粘貼方式

5、，靜態(tài)標定實驗結(jié)果表明光纖光柵應(yīng)變和輸入扭矩呈線性關(guān)系，線性度達到99.8％，扭矩檢測靈敏度為3.78με/Nm；采用有限元理論分析了以慣性環(huán)為彈性元件的傳感體結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動態(tài)特性的影響。針對非接觸式扭振傳感器，提出了一種基于磁耦合探頭的光纖光柵非接觸扭振檢測方案，優(yōu)化了非接觸傳感探頭的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，實驗結(jié)果表明在量程為1mm時檢測靈敏度為1.14μm/pm，線性度誤差只為0.9%，通過動態(tài)特性分析及性能測試可知，該傳感探頭能夠滿足非接觸

6、扭振檢測的要求；這不僅為試驗測試提供了選擇依據(jù)，而且豐富和發(fā)展了現(xiàn)代測試理論和旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)控技術(shù)。
　　3、根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械光纖光柵扭振測試特點，提出了旋轉(zhuǎn)機械光纖光柵扭振檢測集成系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計了旋轉(zhuǎn)機械扭振檢測試驗平臺，完成了被測轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇了加載方式并設(shè)計了加載裝置，確定了被測對象上傳感器的布置和粘貼，解決了光纖布線以及信號的旋轉(zhuǎn)傳輸問題。開發(fā)了集成測試系統(tǒng)軟件平臺，實現(xiàn)了光纖光柵以及電測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲存以及分析

7、和處理，并對測試對象進行了以動態(tài)方式將實驗測試及相應(yīng)測點的結(jié)果三維可視化。
　　4、通過旋轉(zhuǎn)機械扭振激勵源分析，確定了扭振測試實驗方案，開展了光纖光柵扭振檢測方法實驗測試，完成了兩種接觸式彈性結(jié)構(gòu)體在正弦和階躍激勵下的扭振響應(yīng)測試。針對測試過程中出現(xiàn)的彎振耦合現(xiàn)象進行了彎振信號解耦；通過對信號進行希爾伯特-黃變換的包絡(luò)譜分析和小波變換時頻譜分析，提取扭振激勵信號特征量；通過對運行全過程數(shù)據(jù)時頻分析，有效獲取了扭振發(fā)生時間及激勵源特