一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统及方法，包括高斯白噪声源、声光调制器、激光光源、环形器、光栅阵列与光栅阵列解调仪，光栅阵列中的光栅与大型旋转机械的外壳相接触，应用时，高斯白噪声源、激光光源同时将高斯白噪声信号、激光信号输入至声光调制器，再由声光调制器将高斯白噪声信号调制进激光信号以获得高斯白噪声光信号，并经环形器传输至光栅，以与光栅对应部位产生的早期故障信号发生随机共振现象，增强早期故障信号的信号强度，以便于被该光栅检测到，并根据光栅的反射光信号、波长漂移量对大型旋转机械的早期故障进行检测。本设计不仅能解决早期故障信号被强背景噪声淹没而检测困难的问题，而且提升了检测灵敏度。检测灵敏度。检测灵敏度。
【技术实现步骤摘要】
基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统及方法
[0001]本专利技术涉及一种大型旋转机械的故障检测技术，属于机械设备状态检测方法，尤其涉及一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统及方法。
技术介绍
[0002]随着我国经济的高速发展，对于清洁能源的需求也逐渐增大。大型旋转机械作为水力发电中不可缺少的一环，一旦产生故障，轻则导致机器停工造成经济损失，重则机器损坏导致人员伤亡。大型旋转机械中故障的演变分为四个阶段，故障初始阶段、轻微故障阶段、宏观故障阶段、故障最后阶段，其中，在故障初始阶段与轻微故障阶段发现设备的故障并采取措施，可避免其演变成严重故障，有效减少经济损失与人员伤亡，有重要的工程价值。
[0003]目前，大型旋转机械早期故障（即故障初始阶段、轻微故障阶段）的检测主要存在的问题有：首先，大型旋转机械工作环境恶劣，电类传感器的安装位置受限，且易受强电场与强磁场干扰，导致采集信号精度较差；其次，早期故障信号是一种微弱故障信号，其有用信号幅值与噪声（或干扰）相比非常微弱，易被背景噪声淹没，导致传感器采集的早期故障信号无法满足实验要求，难以进行后续的信号处理。
[0004]为解决上述问题，现有技术多通过算法对传感器采集到的大型旋转机械故障信号进行信号增强和去除噪声，实现对早期故障信号的提取与分析，例如从时域分析、频域分析、时频域分析以及机器学习等方法。但是，这些检测技术都着重于抑制噪声信号，而在抑制噪声的同时不可避免的会损伤有用信号，导致无法增强系统的信噪比，难以达到强背景噪声时的检测灵敏度的需求，很难有效地对微弱信号进行提取与检测，不能实质上解决早期故障信号被强背景噪声淹没而检测困难的问题，降低了检测的灵敏度。
[0005]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不能解决早期故障信号被强背景噪声淹没而检测困难的问题，降低了检测灵敏度的缺陷与问题，提供一种能解决早期故障信号被强背景噪声淹没而检测困难的问题，提升了检测灵敏度的基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统及方法。
[0007]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，包括高斯白噪声源、声光调制器、激光光源、环形器、光栅阵列与光栅阵列解调仪，所述光栅阵列由刻在同一根传输光纤上的多个光栅组成，且所有光栅都与大型旋转机械的外壳相接触；
所述高斯白噪声源、激光光源的输出端均与声光调制器的输入端信号连接，声光调制器的输出端与环形器的第一通信端信号连接，环形器的第二通信端与传输光纤的输入端信号连接，环形器的第三通信端与光栅阵列解调仪的输入端信号连接。
[0008]所述光栅为弱反射光栅，所述光栅阵列为弱光栅阵列，该弱光栅阵列的反射率范围为0.005%—0.01%。
[0009]所述弱光栅阵列的长度为L，所述弱反射光栅的相干长度≥9mm，相邻弱反射光栅之间的间距≥l，复用数量≤L/l。
[0010]所述高斯白噪声源产生，并传输高斯白噪声信号至声光调制器的输入端，且高斯白噪声信号为电信号；所述激光光源产生，并传输激光信号至声光调制器的输入端。
[0011]所述激光光源产生的激光信号的信号宽带与光栅阵列的工作带宽相同。
[0012]所述声光调制器输出至环形器的第一通信端的信号为高斯白噪声光信号，该高斯白噪声光信号由高斯白噪声信号调制进激光信号而得；所述声光调制器包括压电换能器与声光晶体，所述高斯白噪声信号输送至压电换能器后转为超声波，并在声光晶体内传播以形成折射率光栅；所述激光信号输送至声光晶体后因折射率光栅发生衍射，以对激光信号的频率、强度进行调制，并在通过后转为高斯白噪声光信号。
[0013]所述环形器通过第二通信端与传输光纤进行单根光纤上的双向光信号传输。
[0014]一种上述基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：第一步：高斯白噪声源生成高斯白噪声信号并传输至声光调制器中，同时，激光光源生成并传输激光信号至声光调制器中，随后，声光调制器将高斯白噪声信号调制进激光信号以获得高斯白噪声光信号，并传输至环形器的第一通信端；第二步：接收到高斯白噪声光信号的环形器经第二通信端向传输光纤上的光栅阵列输送高斯白噪声光信号，该高斯白噪声光信号在光栅阵列中传输时，每经历一个光栅，都会反射一个对应的反射光信号，该反射光信号经环形器的第三通信端传输至光栅阵列解调仪的输入端；第三步：光栅阵列解调仪先通过采集到的反射光信号判断反射光信号的到达时间，以得到光栅阵列中各个光栅的位置，再通过解调算法得到各个光栅的波长漂移量，以实现各个光栅的波长解调，然后根据波长漂移量对大型旋转机械的振动变化量进行检测，从而对大型旋转机械的早期故障进行检测。
[0015]所述第二步中，当高斯白噪声光信号通过光栅时，若与该光栅相接触的外壳产生有早期故障信号，则高斯白噪声光信号会与早期故障信号发生随机共振现象，以使高斯白噪声光信号中高斯白噪声中的能量向早期故障信号转移，从而增强早期故障信号的信号强度。
[0016]当发生随机共振之后，输出的信噪比SNR如下所示：；其中，A为早期故障信号增强前的幅值，D为高斯白噪声强度，a和b为非线性系统的系统结构参数，非线性系统是指布朗粒子在早期故障信号与高斯白噪声匹配时，能够翻越
势垒在两个势阱之间跃迁的一种数学模型。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统及方法中，包括高斯白噪声源、声光调制器、激光光源、环形器、光栅阵列与光栅阵列解调仪，所述光栅阵列由刻在同一根传输光纤上的多个光栅组成，且所有光栅都与大型旋转机械的外壳相接触，其中，所述高斯白噪声源、激光光源的输出端均与声光调制器的输入端信号连接，声光调制器的输出端与环形器的第一通信端信号连接，环形器的第二通信端与传输光纤的输入端信号连接，环形器的第三通信端与光栅阵列解调仪的输入端信号连接，应用时，高斯白噪声源、激光光源同时将高斯白噪声信号、激光信号输入至声光调制器，再由声光调制器将高斯白噪声信号调制进激光信号以获得高斯白噪声光信号，并传输至环形器的第一通信端，然后高斯白噪声光信号会依次通过光栅阵列中的每一个光栅，如在通过的同时，该光栅对应的部位产生有早期故障信号，则高斯白噪声光信号会与早期故障信号发生随机共振现象，以使高斯白噪声光信号中高斯白噪声中的能量向早期故障信号转移，从而增强早期故障信号的信号强度，以被该光栅检测到，并反射一个对应的反射光信号，光栅阵列解调仪根据反射光信号不仅能得到光栅阵列中各个光栅的位置（据此可对应大型旋转机械的外壳上的接触部位），而且能通过解调算法得到各个光栅的波长漂移量，再根据波长漂移量对大型旋转机械的振动变化量进行检测，从而对大型旋转机械的早期故障进行检测，整体而本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述检测系统包括高斯白噪声源（1）、声光调制器（2）、激光光源（3）、环形器（4）、光栅阵列（5）与光栅阵列解调仪（6），所述光栅阵列（5）由刻在同一根传输光纤（50）上的多个光栅（51）组成，且所有光栅（51）都与大型旋转机械的外壳相接触；所述高斯白噪声源（1）、激光光源（3）的输出端均与声光调制器（2）的输入端信号连接，声光调制器（2）的输出端与环形器（4）的第一通信端信号连接，环形器（4）的第二通信端与传输光纤（50）的输入端信号连接，环形器（4）的第三通信端与光栅阵列解调仪（6）的输入端信号连接。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述光栅（51）为弱反射光栅，所述光栅阵列（5）为弱光栅阵列，该弱光栅阵列的反射率范围为0.005%—0.01%。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述弱光栅阵列的长度为L，所述弱反射光栅的相干长度≥9mm，相邻弱反射光栅之间的间距≥l，复用数量≤L/l。4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述高斯白噪声源（1）产生，并传输高斯白噪声信号至声光调制器（2）的输入端，且高斯白噪声信号为电信号；所述激光光源（3）产生，并传输激光信号至声光调制器（2）的输入端。5.根据权利要4所述的一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述激光光源（3）产生的激光信号的信号宽带与光栅阵列（5）的工作带宽相同。6.根据权利要4所述的一种基于光纤传感的大型旋转机械早期故障的检测系统，其特征在于：所述声光调制器（2）输出至环形器（4）的第一通信端的信号为高斯白噪声光信号，该高斯白噪声光信号由高斯白噪声信号调制进激光信号而得；所述声光调制器（2）包括压电换能器与声光晶体，所述高斯白噪声信号输送至压电换能器后转为超声波，并在声光晶体内传播以形成折射率光栅；所述激光信号输送至声光晶体后因折射率光栅发生衍射，以对激光信号的频率、强度进行调制，并在通过后转为高斯白...
【专利技术属性】
技术研发人员：张翠，罗睿，甘维兵，张寅杰，贾思凯，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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