劉宗麟, 宋繼紅, 劉會(huì)杰, 衣文索, 李東旭

(1. 長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130022； 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130022)

大型轉(zhuǎn)機(jī)是電力電源、 輸水水泵、 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備, 其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于確保電力生產(chǎn)安全至關(guān)重要[1-2]. 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)體自身、 轉(zhuǎn)機(jī)外殼和外部負(fù)載構(gòu)成, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱. 在整個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)中存在多種振動(dòng), 包括系統(tǒng)外振源傳遞的強(qiáng)迫振動(dòng)及系統(tǒng)自身產(chǎn)生的自由振動(dòng). 由于振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量噪聲, 導(dǎo)致其機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸損壞, 最終損壞轉(zhuǎn)機(jī). 因此, 對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究并達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已引起人們廣泛關(guān)注[3]. 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息的分析, 可獲得轉(zhuǎn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài). 大多數(shù)傳統(tǒng)的電加速度傳感器均可監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài), 但其靈敏度較低, 抗電磁干擾能力較差, 且需外部對(duì)其供電, 使其應(yīng)用范圍較小.

目前, 對(duì)大型轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、 半在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、 虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合、 云計(jì)算技術(shù)、 全光纖自混合光纖干涉測(cè)振技術(shù)、 Peakvue技術(shù)等方法. 在轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中, 以DSP芯片為核心, 將鎖相環(huán)和外部晶振等模塊整合, 使其成為一套完整的檢測(cè)系統(tǒng), 并對(duì)外部接口電路進(jìn)行拓展, 組成了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、 功能更完善、 對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確的系統(tǒng)[4]. 半在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障位置等進(jìn)行定向監(jiān)測(cè), 但無(wú)法采集轉(zhuǎn)機(jī)在故障狀態(tài)下的運(yùn)行情況[5]. 在虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合中, 利用NI數(shù)據(jù)采集卡、 速度傳感器以及振動(dòng)傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集, 通過(guò)Butterworth濾波器、 小波分析、 快速Fourier變換和功率譜分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 將得到的波形與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì), 從而完成對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)[6]. 云計(jì)算具有靈活性高、 可拓展性強(qiáng)、 應(yīng)用形態(tài)靈活等特點(diǎn), 將其在便攜式轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的振動(dòng)量處理單元中引入服務(wù)器, 通過(guò)硬件與軟件相結(jié)合的方法, 將振動(dòng)檢測(cè)模塊與數(shù)據(jù)處理模塊分離, 從而減輕了監(jiān)測(cè)儀對(duì)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān). 但僅實(shí)現(xiàn)了Fourier變換的頻譜分析, 未加入更多的頻譜分析技術(shù)[7]. 在全光纖自混合干涉測(cè)振技術(shù)中, 通過(guò)研究轉(zhuǎn)機(jī)的電磁故障和機(jī)械故障, 設(shè)計(jì)了全光纖自混合干涉?zhèn)鞲衅? 提出了可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)在非保偏環(huán)境下高精確度、 高靈敏度、 高精密度重構(gòu)的基于正交信號(hào)分解時(shí)域解調(diào)技術(shù), 但由于光的傳播和散射與電光晶體主軸存在一定角度, 導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度偏振減弱, 因此使帶有轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)的信號(hào)產(chǎn)生失真現(xiàn)象[8]. Peakvue技術(shù)可離線對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 通過(guò)分析振動(dòng)波形的時(shí)域圖和頻譜圖, 可準(zhǔn)確找到轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的故障點(diǎn), 但實(shí)時(shí)性較差[9].

基于此, 本文采用無(wú)源器件的光纖傳感器, 該傳感器具有不受電磁干擾、 靈敏度較高、 結(jié)果精確和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 在傳感振動(dòng)、 自然災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)和大氣探測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10]. 用Mach-Zehnder(簡(jiǎn)稱M-Z)干涉儀作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)的光纖傳感敏感元件, 通過(guò)對(duì)后端數(shù)據(jù)的采集和處理進(jìn)行振動(dòng)分析, 得到轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài), 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[11].

1 傳感系統(tǒng)原理

1.1 轉(zhuǎn)機(jī)故障分析

轉(zhuǎn)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí), 其內(nèi)部的磁極、 轉(zhuǎn)子和機(jī)殼等零件穩(wěn)定運(yùn)行, 但轉(zhuǎn)機(jī)磨損或松動(dòng)后, 其物理振動(dòng)特性發(fā)生變化, 與轉(zhuǎn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的振幅和振動(dòng)周期存在顯著差異.

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)機(jī)故障監(jiān)測(cè)方法通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信息進(jìn)行時(shí)域、 頻域或復(fù)頻域分析. 轉(zhuǎn)機(jī)在無(wú)外界振動(dòng)干擾時(shí), 振動(dòng)信號(hào)的頻譜主要由基帶信號(hào)f0及其各倍次頻帶信號(hào)2f0,3f0,4f0等組成.當(dāng)轉(zhuǎn)機(jī)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 其頻率特性發(fā)生改變, 頻譜的基本頻率和多倍次頻率大小和幅度發(fā)生變化.通常基帶信號(hào)的頻率f0越大, 轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快, 與基帶信號(hào)f0對(duì)應(yīng)的振幅遠(yuǎn)大于任何多頻帶信號(hào)的振幅[12].

通過(guò)離散Fourier變換(DFT)將信號(hào)由時(shí)域變?yōu)轭l域進(jìn)行頻譜分析, 其表達(dá)式為

(1)

其中S(ω)為頻率譜密度,X(n)為離散采樣值.

1.2 光纖傳感原理

傳感光纖具有光彈性效應(yīng), 當(dāng)光纖受外界振動(dòng)和干擾時(shí), 其長(zhǎng)度、 帶寬系數(shù)、 光功率信號(hào)和截止波長(zhǎng)等參數(shù)發(fā)生改變, 導(dǎo)致纖芯內(nèi)部包含振動(dòng)信息的透射光的相移發(fā)生偏移， 從而影響了光纖的響應(yīng)特性[13-14].M-Z干涉儀感知外界干擾, 使光在傳輸過(guò)程中相位發(fā)生變化的原理如圖1所示.由圖1可見, M-Z干涉儀由C1和C2兩個(gè)3 dB耦合器連接, 其中L為光纖總長(zhǎng)度,n為光纖折射率,D為光纖纖芯直徑.

圖1 M-Z干涉儀感知外界干擾的相移原理Fig.1 Phase shift principle of M-Z interferometer sensing external interference

當(dāng)入射光振幅為Ei, 初始相位差為φ0(φ0為任意角度)時(shí), 傳感光纖在無(wú)外界振動(dòng)時(shí)的輸出[15]為

Eo=Ei×cos(ωt+φ0).

(2)

當(dāng)自然頻率的光在光纖中通過(guò)時(shí), 相位

φ=βL,

(3)

其中β為傳播常數(shù),β受光纖纖芯雜質(zhì)、 光纖材料折射率不均勻和光纖擠壓彎曲等影響.當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)時(shí), 對(duì)于外部環(huán)境的振動(dòng), 由于光纖傳感器變形, 因此光纖參數(shù)發(fā)生變化.在外界振動(dòng)的作用下相移可表示為

(4)

式(4)中等號(hào)右邊第一項(xiàng)、 第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別表示由于彈性形變、 Poisson效應(yīng)和光彈性效應(yīng)引起的光纖長(zhǎng)度、 光纖纖芯直徑和光纖折射率改變導(dǎo)致相位發(fā)生變化.當(dāng)傳感光纖受外界振動(dòng)作用時(shí), 產(chǎn)生相位差Δφ, 此時(shí)傳感光纖輸出為

Eo=Ei×cos(ωt+φ0+Δφ).

(5)

M-Z干涉儀由傳感臂光纖和參考臂光纖兩路組成, 二者共同作為光纖振動(dòng)傳感器的基本傳感單元, 當(dāng)無(wú)應(yīng)力應(yīng)變時(shí), 傳感臂與參考臂兩條路徑中的兩相干光的初始相位差為π/2 . 當(dāng)外界產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變時(shí), 由于光纖受擠壓和彎折等影響, 光纖內(nèi)部發(fā)生相位變化, 導(dǎo)致傳感臂與參考臂兩路相干光的相位差變?yōu)棣?2+Δφ(Δφ為任意角度). 改變兩個(gè)相干光的相位差可導(dǎo)致兩個(gè)相干光的干涉光強(qiáng)度發(fā)生變化. 因此, 通過(guò)分析干涉光強(qiáng)度的變化, 可確定兩個(gè)相干光的初始相位差和相位變化.

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)示意圖如圖2所示. 設(shè)計(jì)以M-Z干涉儀(虛線框所示)為傳感單元, 以1 550 nm激光器為光源, 其發(fā)出的光波先通過(guò)環(huán)形器R1輸入耦合器C1中, 再經(jīng)C1以各50%的比例分為兩束光, 分別在參考臂光纖和傳感臂光纖中傳輸.

圖2 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fiber vibration sensing system

當(dāng)轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí), 由于受到感應(yīng)振動(dòng), 傳感臂光纖產(chǎn)生應(yīng)變, 因此相位發(fā)生調(diào)制. 當(dāng)在耦合器C2處兩束光發(fā)生干涉時(shí), 轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)信息包含于發(fā)生干涉信號(hào)的相位變化中. PIN光電探測(cè)器的作用是對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行取樣、 整形、 濾波、 放大, 先將受到干涉后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可觀測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)的離散數(shù)字信號(hào). 振動(dòng)信號(hào)經(jīng)處理和優(yōu)化后, 最終實(shí)現(xiàn)了在PC機(jī)上對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Sensor structure

為增加傳感器靈敏度及穩(wěn)定性, 設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示. 在底盤支座上安裝3個(gè)支柱, 分別為支柱A、 支柱B、 支柱C, 其中支柱A和支柱C分別固定在底盤的兩邊, 支柱B固定在中間圓錐上, 圓錐通過(guò)兩個(gè)彈簧片與底盤連接. 當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí), 由于支柱B未與底盤緊密固定, 圓錐與彈簧片構(gòu)成的穩(wěn)定狀態(tài)易被打破, 因此支柱B的振動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于支柱A和支柱C的振動(dòng)幅度. 當(dāng)振動(dòng)非常微弱時(shí), 支柱B也能出現(xiàn)較好的振動(dòng), 從而增加了傳感器的靈敏度.

將M-Z干涉儀的傳感臂光纖和參考臂光纖分別固定在三個(gè)支柱的凹槽上, 當(dāng)?shù)妆P有輕微振動(dòng)時(shí), 中間的支柱即可帶動(dòng)干涉儀產(chǎn)生較大振動(dòng), 從而提高了振動(dòng)靈敏度.

2.3 信號(hào)處理電路

為分析光強(qiáng)度信號(hào), 需將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 并通過(guò)在相反方向上處理和分析電信號(hào)獲得光強(qiáng)度信號(hào). 單路信號(hào)處理交換電路原理如圖4所示. 信號(hào)處理交換電路主要將模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)字信號(hào)[15]. 經(jīng)耦合器C2出來(lái)的干涉光信號(hào)先通過(guò)PIN光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為光電流, 再通過(guò)跨阻放大轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾妷弘娏餍盘?hào), 電壓電流信號(hào)經(jīng)濾波及幅值放大后得到可采集的振動(dòng)信號(hào).

圖4 單路信號(hào)處理交換電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of signal channel signal processing switching circuit

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用額定功率為2.8 kW、 額定轉(zhuǎn)速為2 680 r/min的小型轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 將光纖傳感器固定到待測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)外殼上, 并與其緊密接觸, 使光纖傳感器可實(shí)時(shí)感知轉(zhuǎn)機(jī)的振動(dòng), 從而達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)采集, 用解調(diào)儀對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)的振動(dòng)信息進(jìn)行解調(diào).

為正確判斷轉(zhuǎn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài), 先提取和分析轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信息, 以便與轉(zhuǎn)子故障時(shí)的振動(dòng)信息進(jìn)行比較. 當(dāng)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí), 將采集的振動(dòng)信息與正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信息進(jìn)行比較, 若二者相差較大, 則認(rèn)為轉(zhuǎn)輪處于非正常運(yùn)行狀態(tài).

轉(zhuǎn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)獲得振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域如圖5所示, 其中(A)為正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)機(jī)的時(shí)域, (B)為正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)機(jī)的頻域. 由圖5(A)可見, 轉(zhuǎn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)平滑, 振動(dòng)幅度較小; 由圖5(B)可見, 轉(zhuǎn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)頻率約為50 Hz, 在振動(dòng)頻率2倍(100 Hz)時(shí)出現(xiàn)小振幅, 其他頻率基本無(wú)振動(dòng)信號(hào), 轉(zhuǎn)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行.

圖5 轉(zhuǎn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)時(shí)域(A)和頻域(B)Fig.5 Vibration time domain (A) and frequency domain (B) of rotor during normal operation

轉(zhuǎn)機(jī)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)影響較大. 當(dāng)轉(zhuǎn)機(jī)負(fù)載減少時(shí), 轉(zhuǎn)機(jī)受較小的轉(zhuǎn)向阻力, 在不改變其他條件下, 頻率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大, 導(dǎo)致轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)幅度減小.

為模擬轉(zhuǎn)機(jī)使用年限久、 外殼結(jié)構(gòu)松弛等故障, 將轉(zhuǎn)機(jī)外殼螺母擰松后進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 產(chǎn)生的振動(dòng)時(shí)域和頻域如圖6所示, 其中(A)為轉(zhuǎn)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)松弛時(shí)的振動(dòng)時(shí)域, (B)為轉(zhuǎn)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)松弛時(shí)的振動(dòng)頻域. 由圖6(A)可見, 轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)幅度較大且不穩(wěn)定, 轉(zhuǎn)機(jī)殼體有顯著振動(dòng)； 由圖6(B)可見, 當(dāng)轉(zhuǎn)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)松動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)機(jī)異常運(yùn)行時(shí), 振動(dòng)信號(hào)頻譜除基帶信號(hào)和每個(gè)倍頻帶信號(hào)外, 還含有大量的大幅度隨機(jī)頻率振動(dòng). 因此, 當(dāng)出現(xiàn)類似圖6(B)所示信號(hào)頻譜時(shí), 可判定轉(zhuǎn)機(jī)殼體處于異常狀態(tài).

圖6 轉(zhuǎn)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)松弛時(shí)的振動(dòng)時(shí)域(A)和頻域(B)Fig.6 Vibration time domain (A) and frequency domain (B) when rotor housing structure is relaxed

綜上, 本文利用光纖干涉原理、 分布式光纖傳感技術(shù)及信號(hào)調(diào)理電路等方法, 通過(guò)分析轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)傳感和故障監(jiān)測(cè)原理, 設(shè)計(jì)了以M-Z干涉儀為傳感單元的光纖振動(dòng)傳感器, 用1 550 nm波長(zhǎng)激光器作為光源, 先通過(guò)環(huán)形器、 3 dB耦合器及PIN光電探測(cè)器處理, 再采集振動(dòng)信息并對(duì)其進(jìn)行分析, 最終在輸出端對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 經(jīng)模擬轉(zhuǎn)機(jī)載荷實(shí)驗(yàn)和故障實(shí)驗(yàn), 分析頻譜可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài). 本文設(shè)計(jì)的傳感器具有靈敏度較高、 實(shí)時(shí)性強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn), 具有較好的工程應(yīng)用前景.