機(jī)械振動的光纖光柵傳感原理與關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)，高精密機(jī)床和大型汽輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性裝備，其健康穩(wěn)定運(yùn)行狀況直接影響著國家安全和國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。因此采用有效的傳感檢測技術(shù)對機(jī)械設(shè)備狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測極其必要，它是提高機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行可靠性、減少國民經(jīng)濟(jì)損失的重要保證。通過振動信號的檢測實(shí)現(xiàn)對機(jī)械健康監(jiān)測，是目前最常用、最有效的技術(shù)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(yīng)復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工況環(huán)境

2、，同樣也不便于多點(diǎn)布置，難以實(shí)現(xiàn)分布網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建多參數(shù)分布式傳感網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。為機(jī)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(jī)械振動檢測研究提供了新的思路。
　　本論文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863等項(xiàng)目支持下，以機(jī)械振動檢測為應(yīng)用背景，重點(diǎn)圍繞多樣化的機(jī)械振動信息與分布光纖光柵傳感信號的匹配模型、機(jī)械振動的矢量特性與光纖光柵傳感的多維感知的關(guān)聯(lián)模式兩個基礎(chǔ)科

3、學(xué)問題，開展機(jī)械振動的光纖光柵傳感原理與關(guān)鍵技術(shù)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(xué)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(shí)驗(yàn)研究規(guī)范了粘貼型FBG的工藝準(zhǔn)則，并且建立了含質(zhì)量塊的光纖軸向和橫向振動方程，在此基礎(chǔ)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(shè)計(jì)提供基本理論指導(dǎo)。
　　(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(diǎn)，提出了基于粘貼工藝實(shí)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(shí)驗(yàn)的方法加以驗(yàn)證；針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械中高頻振動信號的檢測需求，研制了結(jié)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(shè)計(jì)參數(shù)的映射關(guān)系模型；并且在此基礎(chǔ)上針對光纖光柵的熱載效應(yīng)，提出了一種基于實(shí)驗(yàn)差分實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?br>　　(3)針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)傳感特性研究系統(tǒng)，分析了傳感器的實(shí)驗(yàn)傳感特性。根據(jù)“理論-實(shí)驗(yàn)-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(shí)現(xiàn)了傳感器的傳感特性預(yù)估。再此基礎(chǔ)上提出了一種雙差分溫度補(bǔ)償方法，利用該方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，可實(shí)現(xiàn)對工作在變溫等惡劣環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)軸實(shí)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了一種三維振動FBGs組合式檢測方法，采用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)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(zhì)量塊大小和光纖的預(yù)拉力的影響等特點(diǎn)，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(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動誤差等不足，提出了一種抗轉(zhuǎn)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(qiáng)梁/弦的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)的光纖光柵振動傳感器，組建了針對旋轉(zhuǎn)機(jī)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(zhǔn)，驗(yàn)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(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速；利