基于光纖傳感器的大型設(shè)備測試系統(tǒng)設(shè)計*

吳建華

(太原重工 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

某公司生產(chǎn)的125 MN快速鍛造液壓機(jī)是目前世界上最大的雙柱式多拉桿液壓機(jī)，其工作壓力大，兼?zhèn)鋲簷C(jī)和錘鍛的功能，鍛造頻率為60次/min。為了掌握液壓機(jī)工作時機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況和拉桿的受力分布情況，需對壓機(jī)的本體進(jìn)行應(yīng)力測試。傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測主要依靠粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變儀來測試被測結(jié)構(gòu)的受力情況。由于壓機(jī)工作環(huán)境惡劣，高溫、油污大，為達(dá)到長期監(jiān)測拉桿工作過程受力情況的目的，本文對傳統(tǒng)的應(yīng)變計監(jiān)測方案和采用光纖傳感器的監(jiān)測方案進(jìn)行對比，采用光纖傳感器對拉桿工作應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)現(xiàn)場實測和數(shù)據(jù)比對，證明光纖傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 監(jiān)測需求

該測試系統(tǒng)需具備以下功能：

(1) 對工作過程中拉桿受力進(jìn)行監(jiān)測。

(2) 工作過程中當(dāng)拉桿受力和應(yīng)力達(dá)到報警閾值的110%時產(chǎn)生報警。

(3) 對安裝的傳感器進(jìn)行長效處理，從而保證滿足長期監(jiān)測的要求。

(4) 對該測試系統(tǒng)的軟件進(jìn)行開發(fā)，要求具備數(shù)據(jù)分析、單點趨勢分析、相關(guān)分析、曲線的記錄和打印等功能。

(5) 對設(shè)定了間隔時間的該設(shè)備使用情況具有報表生成功能。

2 方案設(shè)計

測量125 MN鍛造壓機(jī)拉桿工作應(yīng)力并對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、管理，以便掌握產(chǎn)品當(dāng)前機(jī)器性能，監(jiān)測數(shù)據(jù)還可為新產(chǎn)品設(shè)計提供有力的依據(jù)。產(chǎn)品最初測量方案為采用金屬應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，后根據(jù)測試目的選用光纖傳感器的測試方案。

2.1 半導(dǎo)體應(yīng)變片式測量方法

半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)材料沿某一軸向受到外力作用時其電阻率ρ發(fā)生變化，通過微電路將變化的電阻率轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變值。

1-半導(dǎo)體敏感條；2-基底;3-引線;4-引線片；5-內(nèi)引線

2.2 光纖光柵測量方法

光纖光柵測量原理如圖2所示。超發(fā)光管(SLED)發(fā)出的寬帶光譜經(jīng)過可調(diào)諧法布里腔(FFP)線性調(diào)制后經(jīng)光纖耦合器同時進(jìn)入4路測量光柵陣列，各傳感光柵反射回來的窄帶光譜由光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)測得的波長值進(jìn)行標(biāo)定從而得到應(yīng)變值。

圖2 光纖光柵測量原理

拉桿應(yīng)力兩種測量方案的優(yōu)缺點對比見表1。

通過方案對比，發(fā)現(xiàn)光纖光柵測量方法的優(yōu)點大于半導(dǎo)體應(yīng)變片的測量方法，且精度范圍廣，因此，確定拉桿應(yīng)力測量方法采用光纖光柵測量法。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

125 MN鍛造壓機(jī)拉桿工作應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析、應(yīng)力實時監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置、偏大數(shù)據(jù)處理幾部分。

表1 拉桿應(yīng)力測量方案對比

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計

本系統(tǒng)用戶級別分為管理員和普通用戶兩類，管理員可以進(jìn)行全部功能參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫管理和用戶密碼更改；普通用戶只能瀏覽監(jiān)測情況，不能修改任何參數(shù)，其登錄界面如圖3所示。系統(tǒng)主界面即應(yīng)力顯示界面如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)登錄界面

圖4 系統(tǒng)主界面

圖4中界面主要顯示應(yīng)力測量情況，顯示方式有柱狀條顯示、文本顯示和曲線顯示三種方案。監(jiān)測過程中，如果應(yīng)力達(dá)到報警閾值的100%，則產(chǎn)生預(yù)警，這時柱狀條與測點圖標(biāo)顏色就會變?yōu)辄S色并有聲音報警；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到報警閾值的110%時，報警聲音加大、加快。

此外，該界面上還可以控制數(shù)據(jù)的采集與暫停、報警聲音的開啟與關(guān)閉、測量數(shù)據(jù)的發(fā)送與暫停，還可以隨時退出系統(tǒng)。

3.3 參數(shù)設(shè)置

管理員用戶可以根據(jù)實際情況設(shè)定各拉桿傳感器所在的位置，以及該位置應(yīng)力傳感器所在的通道和通道上的序號。解調(diào)器解調(diào)出的波長信號按照從小到大排列，這與傳感器的實際安裝空間位置沒有關(guān)系，如果要將測量信號與安裝位置對應(yīng)起來，需要根據(jù)波長信息進(jìn)行定位。同樣溫度補償傳感器的編號也可以在此設(shè)定，與應(yīng)力傳感器一樣采用波長定位。參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置

4 技術(shù)設(shè)計

4.1 偏大數(shù)據(jù)統(tǒng)計

偏大數(shù)據(jù)統(tǒng)計是125 MN鍛造壓機(jī)拉桿工作應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)新增加的一個功能，主要是用來對接近安全值的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，過濾掉安全值，以便較早發(fā)現(xiàn)危險數(shù)據(jù)，及時報警偏大數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面如圖6所示。

圖6 偏大數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.2 數(shù)據(jù)庫的管理

在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計時，采用了數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，數(shù)據(jù)庫中各數(shù)據(jù)表的管理內(nèi)容如下：

Alarm：報警記錄；

data：存放應(yīng)力數(shù)據(jù)，記錄的是每個傳感器的應(yīng)力值；

line1～line4：存儲4路的FBG波長值；

Linddian：系統(tǒng)零點標(biāo)定值，包括其中回零值；

Warn：各個測點的報警閾值；

xishu：傳感器的系數(shù)。

4.3 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

系統(tǒng)每天會自動生成一個數(shù)據(jù)庫，名字為“xxxx年xx月.mbd”,保存在f盤下面。如果需要查看數(shù)據(jù)庫日期，打開數(shù)據(jù)庫，找到存儲數(shù)據(jù)的表格“data”，雙擊打開，在“文件”菜單里點擊“導(dǎo)出”，并選擇導(dǎo)出的格式為Excel或其他類型，即可將數(shù)據(jù)導(dǎo)成Excel格式或其他格式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

5 結(jié)論

本文以光纖傳感器和信息技術(shù)構(gòu)建了大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，通過設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控報警，大大減輕了設(shè)備運維人員的勞動強(qiáng)度，為提升和優(yōu)化設(shè)備性能提供了數(shù)據(jù)支撐。