[硕士论文精品]光纤光栅振动实时监测系统的设计与研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 光纤光栅振动实时监测系统的设计与研究 姓名：熊靖 申请学位级别：硕士 专业：计算机科学与技术 指导教师：姜德生 20100501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 日常生活中存在着复杂的动力学问题，振动状态纷繁复杂。由于建筑物或 设备的异常振动而造成的事故时有发生，常常会给人类带来巨大的伤亡和损失， 倘若我们可以在事故发生之前就检测到存在的危险，并及时做出适当的防治措 施，就可以更好的保卫我们的生命安全。因此，一套功能全面的振动监测系统 迫在眉急，通过对振动信号进行高质量的分析和测试，了解设备结构振动的状 态，得出它的一般规律，就可以通过对振动信号的处理分析得出我们常见的设 备故障，以确保设备、工程的安全进行，对经济及社会有重大的意义。 早在二十世纪初，就有研究者对振动现象进行了测试与研究。传统振动监 测系统多采用电磁类加速度传感器，它存在着较差的抗电磁干扰能力，较短的 信号传输距离，不易于远程监控等诸多缺陷。随着社会的发展，工程结构不断 大型化，这使得这类传感器的缺陷日益突出，越来越无法满足大型工程振动监 测的需要，极大的制约了振动监测技术的发展。本课题是基于光纤B r a g g 光栅加 速度传感器设计出一套振动监测系统。该系统通过光纤B r a g g 光栅加速度传感器 将测得的振动信号输入到光纤光栅振动解调仪上，对振动光信号进行解调处理， 使其转换为电信号，然后经过电荷放大器将其放大、滤波，再由采集器进行采 集后输入计算机，由我们自主研发的振动监测软件对该信号进行分析、处理， 从中提取振动状态的相关信息，如波形、频谱、速度、加速度及位移等，从而 实现对振动物体振动状态的监测。 该系统采用光纤B r a g g 光栅传感器不仅克服了传统传感器抗电磁干扰差等 缺陷，而且它还具有电绝缘性很好：本质安全、灵敏度高、响应速度快等诸多 优点。并且采用双光栅匹配滤波解调技术，外界温度的变化使两光栅中心波长 发生同向漂移，这样便实现了温度的自补偿，两根光栅同时参与传感使灵敏度 也有了很大提高。本系统中设计的振动监测软件是采用V i s u a l C + + 进行编译的， 利用了多线程技术、数据库技术以及动态链接库技术，通过对振动信号进行时 域分析和频域分析，得到振动状态的相关参数，实现了振动状态的全面监测。 为我们提前做好预防工作打下了良好的基础。 关键词：光纤B r a g g 光栅，加速度传感器，振动监测，数据采集，时频分析 武汉理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t n l ec o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m se x i s ti no u rd a i l yl i f e S Ot h es t a t eo fv i b r a t i o ni s e x t r e m e l yc o m p l i c a t e d A b n o r m a lv i b r a t i o no ft h eb u i l d i n go re q u i p m e n to f t e nl e a d a c c i d e n ta n db r i n ge n o r m o u sc a s u a l t i e sa n dl o s s e st oh u m a nb e i n g s I fw ec a n e x a m i n et h ee x i s td a n g e rb e f o r et h ea c c i d e n to o c u ra n dm a k ea p p r o p r i a t ea n dt i m e l y p r o t e c t i o n , w ec a np r o t e c t o u rl i v e sb e t t e r T h e r e f o r e ，as e to fc o m p r e h e n s i v e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mc o m p e l si nt h ee y e b r o w T h r o u g hh i g h - q u a l i t ya n a l y s i s a n dt e s t i n gt ot h ev i b r a t i o ns i g n a l ，w ec a nl e a r na b o u tt h ec o n d i t i o no ft h e e q u i p m e n ts t n l c t u r ev i b r a t i o n , f r o mw h i c hw ec a nu n d e r s t a n ds o m ec o m m o n e q u i p m e n tf a i l u r e s T h u s ，w ec a ng u a r a n t e et h a tt h ee q u i p m e n tw o r k ss e c u r i t l y , w h i c h i sv e r ys i g n i f i c a n tt oO u re c o n o m i ca n ds o c i a l A se a r l ya st h eb e g i n n i n go ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , r e s e a r c h e r sh a v ec a r r i e do u t t e s t i n ga n dr e s e a r c ho fv i b r a t i o n 1 1 他t r a d i t i o n a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mU S e e l e c t r o m a g n e t i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r T h e r ei s l e s sr e s i s t a n c e t oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，a n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei sS Os h o r tt h a ti t Sn o te a s yt or e m o t e m o n i t o r i n g W i t ht h el a r g e - s c a l ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，i t sd y n a m i c sb e c o m em o r e a n dm o r ec o m p l e x ，a n dt h es h o r t c o m i n g so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sa r e i n c r e a s i n g l yo b v i o u s T h ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sa r ei n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e tt h e n e e d so fl a r g e ·s c a l ep r o j e c t sv i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t e st h el e v e lo f s a f e t ya s s e s s m e n to fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s I nt h i st o p i c ，w ed e s i g nas e to f v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nf i b e rB r a g gg r a t i n ga c c e l e r o m e t e r I nt h es y s t e m ，f i b e rB r a g gg r a t i n ga c c e l e r o m e t e rw i l lb ef i x e dt ot h ev i b r a t i n go b j e c t r n l es e n s o rw i l lv i b r a t ew h e nt h eo b j e c tv i b r a t e ，a n dt h e nv i b r a t i o ns i g n a l sw i l lb e i n p u tt ot h ef i b e rg r a t i n gv i b r a t i o nd e m o d u l a t o r , w h i c hd e m o d u l a t et h eo p t i c a ls i g n a l a n dm a k ei tc o n v e r tt oe l e c t r i c a ls i g n a l A f t e rt h a t , t h ee l e c t r i c a ls i g n a lw i l lb e a m p l i f i e da n df i l t e r e db yc h a r g ea m p l i f i e r T h e nc o l l e c t o rw i l lc o l l e c t ei ta n dm p u ti t i n t ot h ec o m p u t e r O u ro w nv i b r a t i o nm o n i t o r i n gS 0 1 a r ew i l la n a l y z ea n dp r o c e s s t h es i g n a l ，a n de x t r a c ti n f o r m a t i o na b o u tt h es t a t eo fv i b r a t i o n , s u c ha sw a v e f o r m , s p e c t r u m , s p e e d , a c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n t , S Oa st om o n i t o rt h ev i b r a t i o n c o n d i t i o ns u c c e s s f u l l y 武汉理工大学硕士学位论文 T h es y s t e mu s e sf i b e rB r a g gg r a t i n gs e n s o r s ，w h i c hi sn o to r d yt oo v e r c o m et h e d e f e c to ft r a d i t i o n a la n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dh a sm a n yo t h e ra d v a n t a g e s s u c h 鹤g o o de l e c t r i c a li n s u l a t i o n , i n t r i n s i c a l l ys a f e ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dr e s p o n s e s p e e d ，m e a s u r i n go b j e c tw i d e l ya n dS Oo n A n di nt h i ss y s t e mw eu s ed o u b l e - g r a t 吨 m a t c h e df i l t e rd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e T h eo u t s i d et e m p e r a t u r ec h a n g e s ，w h i c hl e a d c e n t e rw a v e l e n g t ho ft h et w og r a t i n gd r i f ti n t h es a m ed i r e c t i o n A n dm a k e s e l f - c o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r ep o s s i b l e T h et w og r a t i n gw h i c hi n v o l v e di n s e n s i n gg r e a t l yi m p r o v es e n s i t i v i t y T h eS O f t w a r ef u n c t i o n so ft h es y s t e mi sa l S O e x t r e m e l yc o m p r e h e n s i v e T h r o u g ha n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a li nt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n , w eC a l lo b t a i nv i b r a t i o np a r a m e t e r s A n dw i t hV i s u a l C + + c o m p i l e r , w ec a na c h i e v eac o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n go fv i b r a t i o n w h i c hh a sl a i dag o o d f o u n d a t i o nf o ro u ra d v a n c e dp r e v e n t i o n K e yw o r d s ：F i b e rB r a g gG r a t i n g , A c c e l e r a t i o ns e n s o r , V i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，D a t a c o l l e c t i o n , T i m e - f i e q u e n c ya n a l y s i s 1 I I 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：塑呈! ! ：矽 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：鱼嗜 导 i 日期础J 心 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 在我们的日常生活与工作中，振动是无处不在的，周围的各种现象时常都 伴随着振动。如大型设备及建筑物的振动，交通工具的振动，仪器及仪表等设 备的振动，以及自然环境造成的地震等自然现象的振动，等等。这些振动若发 生异常，则会给我们的生活造成意想不到的危害，极大地影响了我们的生命安 全。例如：大型机械设备使用不当或使用时间过长产生的不良振动，以至发生 许多严重的机械故障；许多空中事故也都是由于飞机的异常振动引起的；桥梁 与房屋的振动也存在安全隐患，可能危及我们人类的生命安全；汽车等交通工 具的振动时常会让人颠簸得头晕恶心呕吐，影响人们的身体健康；许多电器振 动时会产生噪音，而这些噪音时常会影响我们的日常生活，给我们带来不必要 的烦恼；最让人恐惧的当数如今时有发生的地震现象，它不仅会破坏我们生活 的家园，使我们失去亲人，还严重危及我们的生命安全。 这些异常振动给我们带来的危害是令人瞠目的。全球第一大铜生产国智利， 在2 0 1 0 年2 月2 7 日凌晨，发生里氏八点八级特大地震，并引发海啸袭击太平洋沿 海国家。据估计，约两百万人受到地震影响，一百五十万栋房屋坍塌。我国2 0 0 8 年发生的汶) H 5 1 2 事件也是血的事实，里氏八级地震使多少人流离失所，多少人 失去了至亲，全国人民都陷入了无限的悲痛之中。直N 0 8 年9 月，政府已核实在 此次灾难中6 9 2 2 7 人遇难、3 7 4 6 4 3 人受伤、1 7 9 2 3 人失踪。1 9 7 2 年日本海南电厂 中的一台六十万千瓦的汽轮发电机组I l J ，在试用期间，因异常振动致使整个机器 毁坏，联轴节与汽轮机的叶片飞到厂房外数百米，使工作人员险些受伤。这些由 振动而造成的事故频频发生，常常会给人类带来巨大的伤亡和损失，倘若我们 可以在事故发生之前就检测到存在的危险，并及时做出适当的防治措施，就可 以避免灾难的发生，更好的保卫我们的生命安全。 由此可见，若能了解设备结构振动的状态，得出它的一般规律，就可以通 过对振动信号的分析得出我们常见的设备故障。因此，一套功能全面的振动监 测系统迫在眉急，通过对振动信号进行高质量的分析和测试，以确保设备、工 程的安全进行，避免振动事故的发生，对经济及社会有重大的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 早在二十世纪初，就有研究者对振动进行了测试与研究，传统的振动监测 系统多采用电磁类加速度传感器，它存在着较差的抗电磁干扰能力，较短的信 号传输距离，等诸多缺陷。随着社会的发展，工程结构规模越来越大，这种电 磁类传感器的缺陷日益突出，越来越无法满足大型工程振动监测的需要，极大 的制约了振动监测技术的发展。本课题是基于光纤B r a g g 光栅加速度传感器设计 出的一套振动监测系统，该系统通过光纤B r a g g 光栅加速度传感器将振动信号输 入到光纤光栅振动解调仪上，对振动光信号进行解调，使其转换为电信号，然 后经过电荷放大器将其放大、滤波，再由采集器进行采集后输入计算机，由我 们自主研发的振动监测软件对该信号进行分析、处理，从中提取振动状态的相 关信息，如波形、频谱、速度、加速度及位移等，从而实现对振动物体振动状 态的监测。采用光纤B r a g g 光栅传感器不仅克服了传统传感器抗电磁干扰差的缺 陷，而且它具有电绝缘性很好、本质安全、灵敏度高、响应速度快、测量对象 广等诸多优点。正是由于它的这些优势其他类型传感器无法比拟，因而它势必 将广泛应用于振动监测领域。 1 2 振动传感测量技术研究现状及发展趋势 1 2 1 振动传感测量技术研究现状 二十世纪初，研究者们就开始对振动测量技术进行探索研究。在他们不断 的研究和实践中，振动测量技术逐渐走向成熟，传感测量方法因其独有的优势 也逐步发展起来。振动测量主要是测量振动的重要参数，如振幅、频率、速度、 加速度及位移等动态参数。将传感器测得的振动信号进行解调并转换为电信号， 接着进行信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进行分析、显示的整个过程 即为动态测量，振动测量属于动态测型2 】。 振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断发展，涌现出 大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机 械式、电气式和光学式三类。 ( 1 ) 机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录 下来。这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低； 2 武汉理工大学硕士学位论文 多用于测量低频、大振幅振动。 ( 2 ) 电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信 号。这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的 安全性。 ( 3 ) 光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的 变化来测量。这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷， 具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优 点。 二十世纪二十年代，大型机械设备的迅速发展使得机械式测振仪已经无法 满足要求了，于是研究者们开始研究将非电量信号转换为电信号来测量的方法， 这样就研究出磁电式传感器。二次大战结束后，研究者们又研究出体积小、测 量频率宽、动态量程大的压电式传感器，直到现在仍广泛应用于在许多工程项 目中【3 】。近些年来，微电子技术大力发展，为使振动测量可在各种恶劣的环境下 进行，又出现了集成电路式压电传感器、变电容传感器以及电涡流传感器，提 高了测量精度和抗干扰能力。随着光纤传感技术的发展，为了利用其抗干扰能 力强、传输距离远、灵敏度高的特点，研究者们又投入到光学式振动测量方法 的研究中。 信号的探测、采集和分析是振动测量的核心。计算机技术的飞速发展使信 息处理技术有了突飞猛进的提高，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。但 是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是基于传统的机械式测量方 法，绝大多数振动测量系统都是采用的电磁类传感器，其灵敏度较低、测量距 离短、抗干扰能力差，远远无法满足工程应用的需求，极大地制约了振动测量 领域的进一步发展。这主要表现在以下几个方面问： ( 1 ) 传统传感器的有效输出是由部分被测能量组成的，这使得传感器的输 出能量较小、内阻较高且灵敏度很低。 ( 2 ) 有的传感器在使用之前需要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性 武汉理工大学硕士学位论文 降低。 ( 3 ) 传统传感器的抗干扰能力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起 到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄。 ( 4 ) 传统传感器不能实现测量的智能化。 因此，采用新型振动传感器来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量 技术的关键问题。振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术 的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。光纤 传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经 成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有 测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了 业内人士的广泛重视。 1 2 2 光纤光栅传感技术发展状况 随着光纤传感技术的不断发展，研究人员开始在此基础上进行光纤光栅传 感技术的研究。光纤光栅传感器不仅具有光纤传感器的优点，还拥有其自身独 特的优势。其中，传感信号为波长调制型是光纤光栅传感器最突出的优点之一。 这种传感机制的优势在于：光源的起伏、光纤弯曲耗损、光纤连接耗损以及探 测器老化等因素都不会影响振动信号的测量：不像其它干涉型传感器，它相位 测量清晰并可以不需要固有参考点；便于采用波分复用的方式，通过在一根光 纤中串连多个B r a g g 光栅来实现分布式测量。此外，在材料中很容易埋入光纤光 栅，从而实现对其内部的温度及应变进行高分辨率的、大范围的测量。就在1 9 8 9 年，M o r e y 第一次将光纤光栅用于传感并将其报道【5 】，在当时引起了世界范围内 研究者的关注，人们也开始越来越重视光纤光栅传感器的研究并将其应用与各 个领域。 近年来，在对振动信号的研究中发现，从振动加速度信号中可以提取出振 动信号的特征参数如速度、位移等，有效的反应的振动的状态。因此，人们在 振动测量领域的探索方向逐渐转向光纤光栅加速度传感器。在国外，研究者们 视光纤光栅加速度传感器为宠儿，使其在各个领域得到了广泛的应用。A D 4 武汉理工大学硕士学位论文 K e r s e y N - - T 1 9 9 2 年首次将光纤B r a g g 光栅和非平衡M a t h Z e h n d e r 干涉仪结合， 来测量振动现象，得到相当高的动态应变灵敏度；T o d d 在1 9 9 8 年将两个矩形梁 与一个质量块组合在一起，用双挠性梁作为转换器，研制出光纤光栅加速度计【7 】， 利用点接触将质量块焊接在两平行梁之间，在第二个矩形梁底部粘贴上F B G 。传 感器接收到振动信号后，质量块由于惯性也随之振动，两个矩形梁在质量块的 带动下发生振动并引起应变，从而引起F B G 波长变化。这样的例子不胜枚举! 在我国，国家大力支持光纤光栅传感技术的研究与应用，设立各种国家基 金，如国家自然基金、8 6 3 计划等，其他部委专项基金也加以资助，光纤光栅传 感技术取得了突飞猛进的发展【3 J 。 1 9 9 6 年，清华大学在研究F B G 特性时，就提出了光纤光栅加速度计的设计思 路；南开大学为实现F B G 加速度测量付出了很多努力，研究出采用宽带光源解调 和光纤增敏光信号解调等解调方法；重庆大学提出了F B G 与非本征F P 干涉复用 的结构，并结合非平衡M - Z 干涉技术具体研究了分布式加速度的测量，这也是不 断探究F B G 加速度传感器的成果；北京科技大学的巩宪锋等人利用碳纤维悬臂梁 代替弹簧，将它的一端固定在基座上并在另一端上放置质量块，在悬臂梁的固 定端旁边贴上F B G ，测量时将传感器与振动源固定，传感器随着振动源振动，致 使传感器内部质量块发生振动，拉升和挤压光纤光栅，从而引起B r a g g 光栅波长 的变化，根据B r a g g 光栅波长的变化来测量振动状态。在光纤光栅传感理论方面， 清华大学、吉林大学、中科院半导体所、上海光机所等深入研究光纤的光敏性、 成栅机理、光波传输规律等问题；在光纤光栅传感的关键技术方面，武汉理工 大学、南开大学、重庆大学以及深圳朗科公司、上海紫珊公司等单位都各有创 新，各具特色。 二十年来，武汉理工大学光纤研究中心在光纤传感技术方面做了大量的研 究和应用开发工作，成为光纤传感技术国家重点工业性试验基地和光纤传感与 信息处理教育部重点实验室。波长解调器是光纤研究中心自主研发的光纤传感 关键技术：光纤研究中心还探索出一套适用于不同应用领域和不同传感信息的 光纤B r a g g 光栅封装方法；并成功地利用光纤传感技术长期监测武汉长江二桥和 武汉阳逻长江大桥的结构健康，探测镇海炼化、广州石化、金陵石化、武汉石 化、国家石油储备油库等国家大型石化行业储油罐区的火灾情况，以及沪蓉西 隧道和陕西终南山隧道等大型隧道的火灾情况。大力应用和推广了光纤传感技 术。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作及创新点 本文的主要工作就是基于光纤B r a g g 光栅加速度传感器设计出一套振动监 测系统，该系统采用光纤B r a g g 光栅加速度传感器从振动信号中提取有关信息， 该振动信号经过解调、预处理后，被采集输入到计算机中，通过本文自主研发 的振动监测软件对其进行分析、处理及显示，从而得到我们所需要的振动重要 参数。本文的主要安排如下： 第一章，首先介绍了本课题研究的目的和意义，接着介绍了该课题研究的 内容在国内外的发展状况。 第二章，主要对光纤光栅振动监测系统的各个部分进行介绍。首先介绍了 目前存在的几种振动传感器以及它们的不足，从而引出本文所使用的光纤B r a g g 光栅传感器；接着介绍了本系统中光纤光栅解调法，以及振动信号采集方法， 信号预处理技术、振动信号的重要参数及分析方法。 第三章，主要讲述光纤光栅振动实时监测系统软件部分的设计。首先介绍 软件开发的语言以及软件程序中使用到的主要技术；然后对软件体系的总体结 构和功能进行了介绍；接着对软件中实现的功能如启动画面、参数设置、数据 采集、波形及频谱显示，重要参数计算、静态历史数据显示等进行逐一讲解。 第四章，主要介绍在实验室进行的振动监测系统测试，并对该系统在武钢 水泵中的应用做了介绍。 第五章，对本文所研究的系统做出总结，并对下一步的发展研究进行了展望。 本文的创新点主要体现在： ( 1 ) 国内外的研究者们还是初步研究高频响应光纤光栅加速度传感器，将光 纤光栅加速度传感器应用于振动测量还是一个全新的研究领域。 ( 2 ) 采用双光栅匹配滤波解调技术，外界温度的变化使两光栅中心波长发生 同向漂移，实现了温度的自补偿，两根光栅同时参与传感使灵敏度有了很大提 高。 ( 3 ) 在软件中采用多线程技术、数据库技术以及动态链接库技术，并构造快 速傅立叶变换算法的动态链接库来对采集到的振动信号进行频域分析，便于日 后对此算法进行进一步的改进和完善。该软件通过对振动信号的分析处理实现 对振动信号重要参数如波形、频谱、速度、加速度及位移等的全面监测。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤光栅振动实时监测系统 本章主要对光纤光栅振动监测系统的各个部分进行研究。介绍了光纤B r a g g 光栅传感器的优势，并提出了本系统所使用的光纤B r a g g 光栅加速度传感器，以 及双光栅匹配滤波解调法，还对系统中运用的振动信号采集方法，信号预处理 技术、振动信号的重要参数和处理方法进行了详细介绍。 2 1 振动传感器概述 2 1 1 振动传惑器简介 随着振动测量技术的飞速发展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测 量方法。目前主要使用的振动传感器包括机械式测振仪、电气式传感器和光纤 振动传感器三类【9 】。 ( 1 ) 机械式测振仪：早期测量振动主要采用记录式机械振动表，现在有少数 工程现场仍在使用千分表式机械振动表。这类测振仪读数不是很方便、精度较 低并且振动信号不能传送，因此已将近淘汰。 ( 2 ) 电动式传感器：按照工作原理的不同，电动式传感器可分为电容型、电 感型、速度型、加速度型、电涡流型等【l o 】。但是由于电容型和电感型传感器极 易受到周围介质的影响，因此目前几乎没有使用。下面对这几种类型简单介绍 如下： 电容式传感器：电容式传感器可进行非接触测量，主要用于测量振动、 位移、压力等，操作简单，灵敏度高，稳定性强，但是对污染的抵抗能力非常 j r 上 Z 土二O 速度传感器：它的输出可以反应被测物体的振动速度。这种传感器非常 便于测量，在l O 1 0 0 0 H z 频率范围内，测量振动位移或振动速度是非常理想的 选择。 压电式传感器：在振动测量中使用得较为广泛的压电式传感器主要是压 电式加速度计。它是利用压电陶瓷或压电石英晶体作为敏感元件来进行测量的， 具有体积小、测量频率范围宽、可用于高频振动的测量等优点，但是不适用于 7 武汉理工大学硕士学位论文 测量低频振动位移。 应变式加速度传感器：它主要是利用半导体应变片或金属丝应变片作为 敏感元件来对振动信号进行测量的。这种传感器重量轻、体积小、输出阻抗低， 适用于桥梁、建筑物及交通工具等振动信号的测量。 电涡流式传感器：根据工作原理的不同，可将其划分为高频反射型和低 频透射型。它也可以进行非接触测量，并且结构非常简单、灵敏度较高、抗干 扰能力强。在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用。 ( 3 ) 光纤振动传感器：这种传感器采用光学式传感原理，将振动信号转换成 光信号来进行测量，它弥补了机械式和电气式传感器的诸多缺陷，测量频率范 围广、精度高，并且具有良好的抗干扰能力，在下一节中我们将进行详细介绍。 2 1 2 光纤光栅传感器 光纤传感器较之传统的机械式、电动式传感器具有诸多优点【9 】： ( 1 ) 具有良好的抗电磁干扰能力。由于光波的频率比常见的电磁辐射的频率 要高得多，因此在光纤传感器中的光信号不会受到电磁波的干扰。 ( 2 ) 具有良好的电绝缘性能，因此非常安全、可靠。光纤是由石英构成的， 不需要电源驱动，因此在油、气等易燃易爆的化工生产中使用也非常安全。 ( 3 ) 测量范围非常广，测量频带宽、灵敏度高。 ( 4 ) 重量轻、体积小，并可以根据工程应用的需要设计其几何形状结构。 ( 5 ) 在传输时的损耗很小，因此可以进行远距离监测。 ( 6 ) 传输容量相当大，因此可以实现多点式分布测量。 ( 7 ) 不易受到腐蚀，化学性能非常稳定。由于光纤是由石英构成的，其化学 性质分成稳定，因此各种恶劣的环境都不影响光纤传感器的使用。 随着光纤传感技术的不断发展，研究人员开始在此基础上进行光纤光栅传 感技术的研究。光纤光栅传感器不仅具有以上介绍的光纤传感器的这些优点， 还拥有其自身独特的优势。其中，传感信号为波长调制型是光纤光栅传感器最 突出的优点之一。这种传感机制的优势在于：光源的起伏、光纤弯曲耗损、光 纤连接耗损以及探测器老化等因素都不会影响振动信号的测量：不像其它干涉 8 武汉理工大学硕士学位论文 型传感器，它相位测量清晰并可以不需要固有参考点；便于采用波分复用的方 式，通过在一根光纤中串连多个B r a g g 光栅来实现分布式测量。此外，在材料中 很容易埋入光纤光栅，从而实现对其内部的温度及应变进行高分辨率的、大范 围的测量。因此，本文采用光纤B r a g g 光栅加速度传感器来设计振动实时监测系 统，有效克服传统传感器所存在的不足，提高了振动监测系统的灵敏度、抗干 扰能力以及远距离传输等各方面的性能。通过从振动加速度信号中提取振动状 态的相关信息如速度、位移等，有效的反应的振动的各个状态。 2 2 光纤B r a g g 光栅加速度传感器概述 2 2 1 光纤B r a g g 光栅加速度传感器基本原理 光纤材料具有光敏性，即当外界光源入射时，光纤纤芯内的锗离子会与入射 光子相互作用，使折射率发生永久性变化，空间相位光栅就会在纤芯内部形成， 起着窄带透射、反射滤波镜或反射镜的作用，许多性能独特的光纤无源器件就 是利用这一特性构成的【1 1 1 。光纤B r a g g 光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率 会影响光栅的反射或透射峰的波长，而光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射 率又会受到外界温度或应变变化的影响，因此光纤光栅的反射或透射峰波长的 变化会受到外界温度或应变的影响，光纤B r a g g 光栅传感器就是这样运行的。 当光纤B r a g g 光栅有宽带光源入射时，折射率会发生改变，从而产生折射、 透射或反射，其中符合下式，即布喇格条件： 如= 2 n 万x A( 2 一1 ) 则会发生反射现象，厶光栅反射波长，o 一有效折射率，人一光栅周期。 光纤B r a g g 光栅传感器就是以此为基础的。我们在设计光纤B r a g g 光栅加速 度传感器时，就是采用这个原理来间接测量加速度的。在设计传感器的结构时 巧妙利用弹性元件，使其产生受力并引起光纤光栅的应变，把加速度量转化 B r a g g 光栅的应变量，进而演变B r a g g 波长变化，通过测量波长的变化来测量加 速度。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 光纤B r a g g 光栅加速度传感器结构 以光纤B r a g g 光栅的振动传感特性为基础 1 2 , 1