相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法技术方案

本申请公开了相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法。包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上。本申请旋转机械设备故障监测系统，采用相移光纤光栅替换窄边坡布拉格光栅解调系统中的布拉格光纤光栅进行增敏，其灵敏度可以根据相移光纤光栅参数进行调节，增敏倍数在5

【技术实现步骤摘要】
相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法


[0001]本申请涉及机械测量的
，尤其涉及相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法。

技术介绍

[0002]工程中常常通过分析加速度信号特征对设备故障进行诊断。但是待测部位加速度信号易受干扰，往往混有许多非监测部位的振动信息，需要后期进行繁琐的信号处理与识别工作，才能实现正确的故障信号判定。有没有其他形式信号能够既能反映设备故障情况，又能不受其他振源干扰（或者少受其他振源干扰），一直是高端装备故障诊断领域的国际前沿课题。目前研究表明，设备上的应变信号具有这种优势。相比振动信号，应变信号只携带局部信息，信号干扰因素少得多，是设备故障诊断的新发展方向，目前已有学者开始探索研究，利用应变信号解决了一些低刚度机械结构的故障诊断问题。但是对于高端精度设备，这种方法还有一定局限性。因为许多高精度旋转机械装备，特别是高精度数控机床，为了减小受力变形往往将支撑结构刚度设计得很大，这使得设备应变很小，从而导致以应变信号为基础的旋转机械设备故障诊断方法难以运用。如何大幅提高故障诊断系统中应变传感测量的灵敏度，是困扰该领域的一个技术难题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请提供相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法，能够提高对旋转机械设备故障监测的准确性。
[0004]第一方面，本申请提供一种相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统，包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上。
[0005]可选地，所述可调激光器通过光环形器连接相移光纤光栅。
[0006]可选地，所述相移光纤光栅所处的光纤上设有光纤隔离器。
[0007]可选地，所述可调激光器为窄线宽可调激光器。
[0008]可选地于，所述可调激光器的线宽40MHz。
[0009]可选地，所述数据采集装置包括数据采集卡和计算器，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，所述计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据。
[0010]第二方面，本申请提供一种采用如上述旋转机械设备故障监测系统实施的故障监测方法，包括以下步骤：在可调激光器逐点扫描下，获得相移光纤光栅所产生的透射光谱分布数据；将所述透射光谱数据用两条直线分别拟合其上升与下降沿，得到前坡函数与后坡函数；将所述可调激光器的输出波长调至斜率绝对值较大的边坡函数中点，以作为可调
激光器的激光工作点；基于所述激光工作点，在高速AD采样系统辅助下，获得旋转机械设备的故障信息。
[0011]可选地，还包括温度补偿的过程，所述温度补偿包括：通过高速AD采样系统采集预定时间内旋转机械设备振动所致的光强信号；将所述光强信号平均，并与初始激光工作点对应的初始光强进行作差比较，并将差值除以线性拟合曲线的最大斜率值，得到激光点受温度引起的激光工作点的漂移补偿量；将当前激光工作波长增减所述漂移补偿量，直至将激光波长工作点恢复到初始状态。
[0012]可选地，所述将当前激光工作波长增减所述漂移补偿量，以将激光波长工作点恢复到初始状态，具体为：当激光工作点位于前坡函数时，对当前激光工作波长增加补偿量以获得正确的波长补偿；当激光工作点位于后坡函数时，对当前激光工作波长减少补偿量以获得正确的波长补偿。
[0013]可选地，所述增减所述漂移补偿量以预定时间间隔的方式持续进行，直至激光工作波长始终稳定在初始波长附近。
[0014]以上提供的相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统及方法，将使用相移光纤光栅替换窄边坡布拉格光栅解调系统中的布拉格光纤光栅进行增敏，能够较为准确地适用于对高刚度旋转机械设备故障监测。
[0015]与此同时，针对提高应变测量灵敏度之后带来的温度漂移问题，设计了一种特殊的温度估计与实时补偿方法。利用旋转机械振动的周期性特点，将一段时间内测量的应变信号看作交流分量与直流分量两部分之和。其中直流分量代表了温度的影响，交流分量代表了机械振动影响。对一段时间内的测量电压求平均值就可以得到这段信号的直流分量，代表了此时相移光纤光栅处的温度信息，将该值与初始激光工作点对应的电压值进行作差比较，就可以获得相移光纤光栅温升造成的工作点漂移值，然后再经过相移光纤光栅边坡斜率换算即可得到激光工作点漂移补偿量；最后将当前激光工作波长增减补偿量即可将激光波长工作点恢复到初始状态。反复循环使用该方法，就可以使激光器的波长跟踪光栅透射谱移动，起到稳定静态工作点的目的。
附图说明
[0016]下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0017]图1示出了本申请相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统结构示意图。
[0018]图2
‑
1为本申请实施例的机床的主轴故障监测系统示意图。
[0019]图2
‑
2为本申请实施例的风机的主轴故障监测系统示意图。
[0020]图3为本申请实施例提供的相移光谱逐点扫描的示意图。
[0021]图4
‑
1为本申请实施例提供的相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测方法的流程图。
[0022]图4
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2为本申请实施例提供的激光器波长逐点输出示意图。
[0023]图4
‑
3为本申请实施例提供的数据采集卡在不同波长下的相移光谱示意图。
[0024]图4
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4为本申请实施例提供的相移光纤光栅灵敏度最大处的局部放大示意图。
[0025]图4
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5为本申请实施例提供的激光工作点输出光强与外界信号关系示意图。
[0026]图5
‑
1为本申请实施例提供的温度补偿方法的示意图。
[0027]图5
‑
2为本申请实施例提供的相移光纤光栅温度补偿示意图。
[0028]其中，图中元件标识如下：1
‑
可调激光器；2
‑
光环形器；3
‑
光隔离器；4
‑
相移光纤光栅；5
‑
主轴；6
‑
光探测器；7
‑1‑
机床；7
‑2‑
风机；8
‑
数据采集卡；9
‑
计算机；10
‑
数据采集装置。
具体实施方式
[0029]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相移光纤光栅增敏的旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，包括可调激光器、相移光纤光栅、光探测器和数据采集装置，所述可调激光器的输出光端口连接相移光纤光栅的一端，所述相移光纤光栅的另一端连接光探测器的输入端口，光探测器的输出端口连接数据采集装置，所述相移光纤光栅用以安装在待检测的旋转机械设备上。2.根据权利要求1所述旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，所述可调激光器通过光环形器连接相移光纤光栅。3.根据权利要求1所述旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，所述相移光纤光栅所处的光纤上设有光纤隔离器。4.根据权利要求1所述旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，所述可调激光器为窄线宽可调激光器。5.根据权利要求4所述旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，所述可调激光器的线宽40MHz。6.根据权利要求1所述旋转机械设备故障监测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括数据采集卡和计算器，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，所述计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据。7.一种采用如权利要求1所述旋转机械设备故障监测系统所实施的故障监测方法，其特征在于，包括以下步骤：在可调激光器逐点扫描下，获得相移光纤光栅所产生的透射光谱分布数据；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘繄，吴新宇，宋涵，王博一，王洁，李志康，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：