• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      基于光纖光柵傳感的扭振檢測新方法

      2012-09-08 02:12:32譚躍剛胡婷婷
      關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)軸光柵波長

      譚躍剛,袁 磊,胡婷婷

      (武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢 430070)

      近幾十年來,大型汽輪發(fā)電機(jī)組曾發(fā)生過若干斷軸等重大事故,促使旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的扭振研究不斷深入發(fā)展[1]。目前扭振檢測方法有:西北工業(yè)大學(xué)楊卓君等采用的加速度測量扭振[2],該方法存在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下信號引出困難的問題;清華大學(xué)張艷春采用的DK-III扭振測量儀脈沖時序法[3],但其信號易受電磁干擾;燕山大學(xué)黃震的基于多普勒加速度測量扭振[4],其測量裝置復(fù)雜昂貴,成本較高。

      光纖光柵的最大特點(diǎn)是采用波長編碼,且不受光功率波動和光路彎曲引起損耗的影響,具有良好的抗干擾性和準(zhǔn)分布式傳感的性能[5-6],這使得光纖光柵在旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。實(shí)現(xiàn)傳感信號在動平臺和靜平臺間非接觸傳輸,集測量與傳輸于一體,對探索采用光纖光柵傳感進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸扭振檢測的新方法具有明顯的優(yōu)勢和重要意義[7]。

      測量旋轉(zhuǎn)軸的扭振是測量旋轉(zhuǎn)軸由于交變角速度引起的變形弧長及角頻率。該過程可看作軸旋轉(zhuǎn)時,測量測點(diǎn)處的應(yīng)力變化規(guī)律[8]。為了進(jìn)行扭振的檢測,利用慣性原理,將光纖光柵傳感器圍繞轉(zhuǎn)軸徑向進(jìn)行對稱布置,筆者在此提出了一種采用基片式封裝的光纖光柵加速度傳感器,以等強(qiáng)度梁和質(zhì)量塊組成彈性元件。將兩個光纖光柵串接并粘貼于等強(qiáng)度梁上,通過感知梁應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動到光信號的轉(zhuǎn)變,并利用F-P解調(diào)技術(shù)[9],使波長變化為輸出信號,提高了傳感器的響應(yīng)靈敏度。

      1 檢測原理

      光纖光柵的傳感原理是根據(jù)光纖耦合模理論[10],當(dāng)寬帶光在 FBG中傳輸時,產(chǎn)生模式耦合,滿足Bragg條件的光被反射,其關(guān)系式為λB=2neffΛ,其中,λB為 Bragg 波長;neff為光纖傳播模式的有效折射率;Λ為光柵周期。從上式可知,neff和Λ改變都會引起反射光波長的改變。由此可見,可導(dǎo)致neff和Λ改變的物理量如應(yīng)力、溫度和壓力等均可采用FBG測量。

      FBG反射光的中心波長隨應(yīng)變和溫度變化的位移為:

      式中:ΔλB為應(yīng)力和溫度變化引起的反射波長的改變;Δε為應(yīng)力的變化量;ΔT為溫度的變化量;ρα為光纖的彈光系數(shù);ε為光纖的熱光系數(shù)。

      因此,通過測量波長變化即可獲得應(yīng)變和溫度的變化數(shù)據(jù)。由于采樣的時間很短,可忽略溫度的影響,得到波長變化與梁的應(yīng)變關(guān)系為:

      當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時,安裝在軸上的懸臂梁受到慣性的作用,梁的應(yīng)變引起光纖波長的變化。從而建立光纖波長變化與軸的轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型,即每一個波長對應(yīng)一個瞬時速度。當(dāng)扭振發(fā)生時,光纖的波長也會發(fā)生周期性的變化。

      2 系統(tǒng)組成與實(shí)驗(yàn)方案

      2.1 測試系統(tǒng)的組成

      整個測試平臺的機(jī)械系統(tǒng)分為驅(qū)動和測試兩部分,如圖1所示。驅(qū)動部分由變頻電機(jī)、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速儀和變速器等組成。變速器內(nèi)設(shè)置有增-減速變速機(jī)構(gòu),以獲得大范圍的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動部分的輸出軸是與測試部分相連的接口,提供被測試旋轉(zhuǎn)件所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變速器輸出軸是空心軸,以便于光纖信號傳輸。輸出軸端的結(jié)構(gòu)形式,依據(jù)被測試旋轉(zhuǎn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),便于使用專制的夾具連接被測試旋轉(zhuǎn)件。

      圖1 測試平臺示意圖

      測試部分主要測量旋轉(zhuǎn)件的狀態(tài)參數(shù)。若在(阻尼)支撐架上設(shè)置阻尼可調(diào)的裝置,就可模擬測試轉(zhuǎn)子的撓角變化;若在轉(zhuǎn)子某部位或轉(zhuǎn)盤上設(shè)置徑向加力裝置,就可模擬測試徑向負(fù)荷下轉(zhuǎn)軸的撓度變化。被測試旋轉(zhuǎn)件的軸向力可在夾具上測試。測試系統(tǒng)是在營造或模擬旋轉(zhuǎn)機(jī)械工況的情況下,對旋轉(zhuǎn)機(jī)械各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量和分析的通用測試平臺。

      光纖光柵傳感器的應(yīng)力應(yīng)變測量是測試系統(tǒng)的重要部分,主要是對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的應(yīng)力應(yīng)變分布情況進(jìn)行檢測,檢測難點(diǎn)是如何布置測點(diǎn),以及網(wǎng)絡(luò)測點(diǎn)信號的傳輸。

      整個系統(tǒng)采用一對準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)光纖信號的傳輸,具有信號傳輸非接觸但可直接測量的特點(diǎn),以及測量范圍寬和不改變軸運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。其基本工作原理是通過該測扭裝置將被測旋轉(zhuǎn)軸的扭振信號轉(zhuǎn)化為彈性片的彎曲動應(yīng)變,由光纖光柵感受測試。在光柵的位置布置中,利用空間對稱結(jié)構(gòu)形式,實(shí)現(xiàn)信號的加強(qiáng)和補(bǔ)償功能。

      2.2 實(shí)驗(yàn)方案

      實(shí)驗(yàn)中采用的傳感器的封裝實(shí)物圖如圖2所示。它由光纖光柵、質(zhì)量塊、等強(qiáng)度梁、光纖和套筒組成。傳感器中的光纖光柵串聯(lián)封裝在梁上。等強(qiáng)度梁的長度為45 mm,底邊的寬度為25 mm,質(zhì)量塊為3 g,為了進(jìn)行比較,將光柵貼在距梁的固定端10 mm處;串聯(lián)兩個波長分別為1288 nm,1312 nm的光柵。通過ANSYS計(jì)算,等強(qiáng)度梁的一階固有頻率為443.37 Hz,臨界轉(zhuǎn)速為26602 r/min,遠(yuǎn)高于軸本身的最高轉(zhuǎn)速15000 r/min。

      圖2 封裝實(shí)物圖

      旋轉(zhuǎn)軸的扭振測量方案示意圖如圖3所示。在具體測量時,將測扭的封裝光纖光柵傳感器固定在被測旋轉(zhuǎn)軸上,工控機(jī)通過變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,其扭轉(zhuǎn)振動信號通過離心力傳遞到測扭的質(zhì)量塊上,光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過準(zhǔn)直器傳輸?shù)焦饫w光柵傳感器。質(zhì)量塊的離心力和慣性引起光纖光柵的有效折射率和光柵的周期變化,從而導(dǎo)致波長的漂移,該信號再通過準(zhǔn)直器接入解調(diào)儀,經(jīng)解調(diào)儀可調(diào)諧FP,濾波器以幾千Hz掃描,所有FBG傳感器的布拉格波長能得到快速測定,將測定的波長信號輸入工控機(jī),經(jīng)過分析后獲知旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)特性。

      圖3 旋轉(zhuǎn)軸的扭振檢測方案示意圖

      3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      搭建好系統(tǒng)后啟動變頻電機(jī),通過工控機(jī)記錄光纖光柵的波長。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,得到旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變量變化關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)過程如下:首先輸入恒定的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速在0~2000 r/min之間依次增加,每次增量為100 r/min。相同條件下,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,得到了如圖4所示的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變關(guān)系曲線。

      圖4 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與梁的應(yīng)變的關(guān)系曲線

      從圖4中可以看出,在2000 r/min時彈性體對應(yīng)的微應(yīng)變超過3000 μ,應(yīng)變與轉(zhuǎn)速存在對應(yīng)的關(guān)系。在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),光柵產(chǎn)生的應(yīng)變在可承受范圍內(nèi)。

      由于軸系的扭振主要體現(xiàn)為在平均轉(zhuǎn)速上疊加了交變的轉(zhuǎn)速,檢測扭振就是要提取這個交變的轉(zhuǎn)速信息。輸入交變的轉(zhuǎn)速來模擬轉(zhuǎn)軸扭振的發(fā)生,當(dāng)軸系存在扭振時,每次轉(zhuǎn)速對應(yīng)的光柵的波長發(fā)生變化,其與恒轉(zhuǎn)速之差即反映扭振的大小。因此,只要測出軸系運(yùn)轉(zhuǎn)情況下對應(yīng)光柵應(yīng)變的變化,就可反推得到軸的扭振信息。

      當(dāng)輸入的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min疊加正弦交變量為±50 r/min時,光柵、轉(zhuǎn)矩儀測得的轉(zhuǎn)速及兩者的比較如圖5所示?,F(xiàn)選用轉(zhuǎn)矩儀檢測的轉(zhuǎn)速作為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速,與基于光纖光柵檢測的轉(zhuǎn)速作比較。得到如圖6所示的轉(zhuǎn)速誤差曲線。

      圖5 光柵、轉(zhuǎn)矩儀測得的轉(zhuǎn)速及兩者的比較

      圖6 轉(zhuǎn)速誤差曲線

      根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知,上述光纖光柵測得的與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的誤差不到5 r/min。同時考慮到電機(jī)本身存在轉(zhuǎn)速誤差,即可反映旋轉(zhuǎn)軸瞬時的轉(zhuǎn)速。說明該簡化模型計(jì)算是可行的。通過檢測光柵波長隨時間的變化情況,可獲得軸的轉(zhuǎn)速交變的變化情況,即軸的扭振信息。

      4 結(jié)論

      (1)筆者提出的方法應(yīng)用于可布置光纖光柵傳感器的條件下,測量大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸系瞬時轉(zhuǎn)速,可應(yīng)用于設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測,滿足設(shè)備的故障診斷需求。

      (2)基于光纖光柵檢測扭振的方法可用于強(qiáng)電強(qiáng)磁的復(fù)雜環(huán)境中,且易構(gòu)成具備可連續(xù)、無間斷、長距離測量并與被測量介質(zhì)有極強(qiáng)親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

      [1]劉英哲,傅行軍.汽輪發(fā)電機(jī)組扭振[M].北京:中國電力出版社,1997:51-92.

      [2]楊卓君,廖明夫.基于加速度傳感器測量扭振方法的研究[J].噪聲與振動,2008,28(5):163-167.

      [3]張艷春,李彩霞.DK-III型軸系扭振測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表,2009,30(2):70-72.

      [4]黃震,劉彬.基于多普勒加速度計(jì)扭振測量的研究[J].計(jì)量學(xué)報,2007,28(3):276-279.

      [5]李宏男,任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:4-70.

      [6]姜德生,何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光,2002,13(4):420-430.

      [7]孫麗.光纖光柵傳感技術(shù)與工程應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué)圖書館,2006.

      [8]徐洪志.旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系扭振測量研究[D].北京:清華大學(xué)圖書館,2005.

      [9]DING B Z,F(xiàn)EI Y T,F(xiàn)AN Z G.3D touch trigger probe based on fiber bragg gratings[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,Metrology,Inspection,and Process Control for Microlithography.[S.l.]:[s.n.],2009:72722U.1-72722U.11.

      [10]廖幫全,趙啟大,馮德軍.光纖耦合模理論及其在光纖布拉格光柵上的應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué)報,2002(11):1340-1350.

      猜你喜歡
      旋轉(zhuǎn)軸光柵波長
      HPLC-PDA雙波長法同時測定四季草片中沒食子酸和槲皮苷的含量
      基于共面特征點(diǎn)的通用測繪儀旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測方法
      基于最小二乘法的連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸定位精度補(bǔ)償算法
      雙波長激光治療慢性牙周炎的療效觀察
      基于840D sl的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸非線性定位精度補(bǔ)償
      五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸誤差的在機(jī)測量與模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模
      CDIO教學(xué)模式在超聲光柵實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐
      日本研發(fā)出可完全覆蓋可見光波長的LED光源
      中國照明(2016年4期)2016-05-17 06:16:15
      基于LabView的光柵衍射虛擬實(shí)驗(yàn)研究
      便攜式多用途光波波長測量儀
      连平县| 沈丘县| 新昌县| 右玉县| 濉溪县| 宜都市| 周至县| 土默特右旗| 兴化市| 姜堰市| 嘉峪关市| 进贤县| 福安市| 宕昌县| 巴东县| 西平县| 紫金县| 呼和浩特市| 桐梓县| 满城县| 鄢陵县| 安多县| 太湖县| 方山县| 务川| 本溪| 鹤山市| 府谷县| 保康县| 青神县| 清流县| 曲周县| 尼玛县| 特克斯县| 南雄市| 新泰市| 元朗区| 万宁市| 南城县| 红桥区| 嘉祥县|