基于法布里-珀羅干涉的全光纖振動檢測儀

段志偉蘇 皓劉冬冬叢至誠徐開傳

(東北石油大學 電氣信息工程學院,黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

電機在運行過程中的速度、振動等特性信息可以有效地反映電機的工作狀態(tài)[1-3]。通過對電機轉軸速度和電機軸承處或靠近電機軸承處的振動信號的測量、記錄和分析,可以監(jiān)測電機在安裝試驗過程中的狀態(tài)。電機安裝狀態(tài)與其振動強弱有緊密聯(lián)系。評判旋轉電機的平衡和振動,為了保障試驗的可重復性并提供可比較的測量數據,對單臺電機進行測量,需要在合適的規(guī)定試驗條件下進行。電機安裝包括自由懸置、剛性安裝。在電機裝配完成后的運行試驗中,振動測量時電機應牢固安全地安裝在大質量厚重基礎上或試驗基礎上[4]。目前,現代工業(yè)生產線越來越復雜,電機的需求量不斷增加,人工檢查變得越來越困難,對電機狀態(tài)開發(fā)實用的故障診斷系統(tǒng)以及進行持續(xù)有效的檢測是未來科技發(fā)展的必然趨勢。

與傳統(tǒng)的半導體干涉系統(tǒng)相比,光纖傳感器具有精度高、質量輕、成本低、結構更為緊湊、性價比高,能在強腐蝕、強磁場下穩(wěn)定運行等優(yōu)點,近年得到了廣泛的論證和應用[5]。用其可以檢測幾乎任何參數,如折射率、應變、溫度、加速度[6]、角度[7]、距離[8]、濕度和液位等。其中各類光纖傳感器在現代加工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[9-10]。在測試電機時,應在電機空載、各相關參量為額定值的狀態(tài)下進行測量,但現有的激光傳感器只能是單一的速度傳感器或振動傳感器。基于上述問題,筆者提出一種基于法布里-珀羅干涉的全光纖雙通道電機參數測量系統(tǒng)模型,實現速度和振動的同時測量。該模型用3 dB耦合器將分布式反饋激光光源(DFB:Distributed Feedback)分成兩個光束,其中一路光束打在轉軸表面,另一路光束打在電機軸承座,將實驗所得的合成信號進行分解處理[11-12],其中分解的速度信號通過自相關算法得到相應的時間延遲,并結合物體的周長測量速度[13];而分解的振動信號經過多次希爾伯特變換算法處理,重構振動位移[14]。該方法能對兩個參量進行非接觸式測量并且結構簡單緊湊,精度高。

1 法布里-珀羅干涉的原理

法布里-珀羅干涉儀(FPI:Fabry-Perot Interference)的特點是采用單根光纖進行多光束干涉?zhèn)鞲?。光纖傳輸過程中,諧振腔可以由光纖端面、電機轉軸面組成,并形成多次反射,如圖1所示。

圖1中r1和r2分別為光纖端面和運動物體表面的反射率,D為外腔的長度。

圖1 法布里-珀羅干涉的原理圖Fig.1 Schematic diagram of Fabry-Perot interference

當激光光束通過耦合器照射到振動物體的表面時,耦合器的端面發(fā)生反射。當系統(tǒng)穩(wěn)定時,由于光纖端面的反射率很小,因此FPI近似等于雙光束干涉,則檢測出的輸出功率和相位可表示為

其中I為光電探測器檢測到的功率,φs和φr為入射光的相位和反射光的相位,Δφ為入射角相位與反射光的相位差,n為傳播介質的折射率(在空氣中,n=1),λ為激光的波長,θ為激光的平行入射角(θ=0),且有

從式(3)和式(4)中可知,通過干涉信號條紋的數量測量目標的位移,其精度可達到λ/2。

2 基于法布里-珀羅干涉的速度測量原理

當物體旋轉時,法布里-珀羅散斑干涉(FPSI:Fabry-Perot Speckle Interence)信號反映了物體的運動信息,通過分析法布里-珀羅散斑干涉信號可以測量物體的旋轉速度[15]。在本研究中,F-P腔結構結合惠更斯-菲涅耳原理描述FPSI,圖2為基于法布里-珀羅干涉的速度測量原理圖。

圖2 基于法布里-珀羅干涉的速度測量原理Fig.2 Velocity measurement principle of Fabry-Perot interference

圖2中,re為光纖端面的反射系數,rs為目標物體的反射系數,Se為光纖端面,L為干涉信號傳輸距離,ω為旋轉對象的角速度,D為光纖端面和對象之間的距離,S為被測物體。當光經過一根光纖發(fā)射到一個物體時,光纖端面Se與物體S等效一個反射面,其反射系數為

其中A為激光照射到物體粗糙表面所引起的光波幅值,φ為相位變化,γ為耦合系數。利用惠更斯-菲涅耳原理描述反饋光的振幅和相位,則有

其中ψ(x,y)為干涉波,r為從透鏡入口處沿光軸方向的一點到物體的距離,rs為測量目標反射系數,k為波束,為攜帶物體信息散斑信號的振幅和相位。

由于φ=ωt+φ,輸出功率為

其中t為一束光經過粗糙物體上的一點并反射回光纖端面的時間,φ為兩束光的初始相位,根據式(9),通過分析輸出功率可以獲得FPSI所攜帶物體的信息。當光束照射到物體的該點時,經過一個旋轉周期后,返回到光纖端面形成散斑干涉,此時PD(Photodetector)接收到的散斑輸出功率

其中t=2D/c為光在外腔的傳播時間,c為光速,φ(τ1)為物體表面的周期性隨機散斑信號。利用輸出功率的自相關算法,得到該點在經過一個旋轉周期后返回光纖端面時的最大值,函數為

其中τ為一個旋轉周期的時延,由式(10),式(11)可得

對激光頻率2ω超過光電探測器的響應帶寬,因此散斑信號的自相關表示為

當滿足φ1(τ1-kΔτ)=φ1(τ1)和τ=kΔτ時,利用散斑信號的自相關系數獲取相對最大值,t為一個旋轉周期,當k=1,τ=Δτ時,自相關系數達到絕對最大值,得到旋轉速度

其中C為旋轉物體的周長。

3 實驗步驟和數據分析

基于法布里-珀羅干涉的全光纖雙通道測量實驗裝置如圖3所示。

圖3 基于法布里-珀羅干涉的全光纖雙通道測量的實驗裝置圖Fig.3 Experimental setup diagram of all-fiber dual-channel measurement based on Fabry-Perot interference

該實驗使用一個DFB,波長為1 550 nm,輸出功率2 mW,一個3 dB單模光纖耦合器,兩個參數相同的準直鏡頭及一個外置光電探測器,獲得速度和振動的混合信號經過數據采集卡傳輸至電腦,便于后續(xù)處理?；旌闲盘柦涍^處理得到振動干涉信號和速度散斑信號。將振動干涉信號通過多次希爾伯特變換即可得到電機軸承座的振動位移;對分離的速度散斑信號進行自相關運算,獲得相關系數最大值點的時延,繼而得到被測電機轉軸的速度。

3.1 模擬實驗

采用上述結構進行模擬實驗,同時測量轉盤的速度和微納米運動平臺(PZT:Piezoelectric Ceramic Transclucer)的振動位移,其中轉盤模擬電機轉軸,PZT模擬軸承座振動。轉盤的速度由FLUKE931轉速計測量獲得,作為參考值。PZT可以直接設置它的位移值。本仿真實驗參考速度為3 600 r/min,參考位移為10 μm。

圖4為模擬實驗的原始混合信號,其中攜帶有速度信息的散斑信號混合在攜帶有振動信息的干涉信號中。將原始混合信號經過處理得到對應的散斑信號及攜帶有振動信息的干涉信號。根據圖5以及式(14)可得轉盤轉速為3 599.28 r/min,相對誤差為0.02%,圖6a為攜帶有振動信息的干涉信號圖,將振動信號經過多重希爾伯特變換算法(MHT:Multiple Hilbert Transforms)解出干涉信號相位并進行位移重構,重構信號如圖6b所示。由圖6c可得位移的絕對誤差為157 nm。

圖4 模擬實驗的原始信號Fig.4 Original signal of the simulation experiment

圖5 散斑信號及其自相關函數Fig.5 Speckle signal and its autocorrelation function

圖6 干涉信號及其重構位移和誤差Fig.6 Interference signal and its reconstructed displacement and error

3.2 測量實驗

為驗證模擬實驗的可行性,使用三相鼠籠異步電機進行實驗。參考速度由FLUKE 931激光測速儀測量,參考振動由PDV-100激光測振儀測量。圖7為實驗測得的原始混合信號。圖8a表示PDV采集的振動速度信號,圖8b表示重構后的振動位移,由圖8可知振動位移為4.2 μm。

圖8 PDV采集的振動信號及其重構波形Fig.8 Vibration signal collected by PDV and its reconstructed waveform

原始混合信號經處理后,得到攜帶速度信息的散斑信號和攜帶有振動信息的干涉信號(見圖9a和圖10a)。圖9b為參考轉速為1 499 r/min時的自相關函數圖。在圖9中,當自相關數達到最大值時,時延為0.039 98 s。式(14)可用于測量轉速。因此,測量的速度為1 500.75 r/min。顯然,相對標準差是0.11%。振動信號經過多重希爾伯特變換,得到的重構位移如圖10b所示,為4.45 μm。由PDV激光測振儀測量的位移為4.2 μm,由此得到其最大絕對誤差為255 nm,圖10c表示振動位移的絕對誤差。

圖9 散斑信號及對應的自相關函數Fig.9 Speckle signal and corresponding autocorrelation function

圖10 振動信號位移重構及誤差Fig.10 Displacement reconstruction and error of vibration signal

4 結 語

筆者提出了一種基于法布里-珀羅干涉的全光纖振動檢測系統(tǒng),在測量電機的振動時,保證其運行狀態(tài)達到額定轉速,模擬和實驗結果表明該系統(tǒng)可以實現測量需求。振動測量誤差小于255 nm,速度測量相對誤差小于0.11%。這種方法不僅具有非接觸式、結構簡單、實時測量的優(yōu)點,還可以實現雙通道電機參數的獨立測量。