基于光纤光栅传感的扭振检测新方法

谭跃刚，袁 磊，胡婷婷

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

近几十年来，大型汽轮发电机组曾发生过若干断轴等重大事故，促使旋转机械轴的扭振研究不断深入发展［1］。目前扭振检测方法有:西北工业大学杨卓君等采用的加速度测量扭振［2］，该方法存在旋转状态下信号引出困难的问题;清华大学张艳春采用的DK-III扭振测量仪脉冲时序法［3］，但其信号易受电磁干扰;燕山大学黄震的基于多普勒加速度测量扭振［4］，其测量装置复杂昂贵，成本较高。

光纤光栅的最大特点是采用波长编码，且不受光功率波动和光路弯曲引起损耗的影响，具有良好的抗干扰性和准分布式传感的性能［5-6］，这使得光纤光栅在旋转机械动态检测领域的应用成为可能。实现传感信号在动平台和静平台间非接触传输，集测量与传输于一体，对探索采用光纤光栅传感进行旋转轴扭振检测的新方法具有明显的优势和重要意义［7］。

测量旋转轴的扭振是测量旋转轴由于交变角速度引起的变形弧长及角频率。该过程可看作轴旋转时，测量测点处的应力变化规律［8］。为了进行扭振的检测，利用惯性原理，将光纤光栅传感器围绕转轴径向进行对称布置，笔者在此提出了一种采用基片式封装的光纤光栅加速度传感器，以等强度梁和质量块组成弹性元件。将两个光纤光栅串接并粘贴于等强度梁上，通过感知梁应变来实现机械振动到光信号的转变，并利用F-P解调技术［9］，使波长变化为输出信号，提高了传感器的响应灵敏度。

1 检测原理

光纤光栅的传感原理是根据光纤耦合模理论［10］，当宽带光在 FBG中传输时，产生模式耦合，满足Bragg条件的光被反射，其关系式为λB=2neffΛ，其中，λB为 Bragg 波长;neff为光纤传播模式的有效折射率;Λ为光栅周期。从上式可知，neff和Λ改变都会引起反射光波长的改变。由此可见，可导致neff和Λ改变的物理量如应力、温度和压力等均可采用FBG测量。

FBG反射光的中心波长随应变和温度变化的位移为:

式中:ΔλB为应力和温度变化引起的反射波长的改变;Δε为应力的变化量;ΔT为温度的变化量;ρα为光纤的弹光系数;ε为光纤的热光系数。

因此，通过测量波长变化即可获得应变和温度的变化数据。由于采样的时间很短，可忽略温度的影响，得到波长变化与梁的应变关系为:

当轴旋转时，安装在轴上的悬臂梁受到惯性的作用，梁的应变引起光纤波长的变化。从而建立光纤波长变化与轴的转速的关系模型，即每一个波长对应一个瞬时速度。当扭振发生时，光纤的波长也会发生周期性的变化。

2 系统组成与实验方案

2.1 测试系统的组成

整个测试平台的机械系统分为驱动和测试两部分，如图1所示。驱动部分由变频电机、转矩-转速仪和变速器等组成。变速器内设置有增-减速变速机构，以获得大范围的试验转速。驱动部分的输出轴是与测试部分相连的接口，提供被测试旋转件所需的转速和转矩。变速器输出轴是空心轴，以便于光纤信号传输。输出轴端的结构形式，依据被测试旋转件的结构特点，便于使用专制的夹具连接被测试旋转件。

图1 测试平台示意图

测试部分主要测量旋转件的状态参数。若在(阻尼)支撑架上设置阻尼可调的装置，就可模拟测试转子的挠角变化;若在转子某部位或转盘上设置径向加力装置，就可模拟测试径向负荷下转轴的挠度变化。被测试旋转件的轴向力可在夹具上测试。测试系统是在营造或模拟旋转机械工况的情况下，对旋转机械各种状态参数进行测量和分析的通用测试平台。

光纤光栅传感器的应力应变测量是测试系统的重要部分，主要是对旋转机械的应力应变分布情况进行检测，检测难点是如何布置测点，以及网络测点信号的传输。

整个系统采用一对准直器实现光纤信号的传输，具有信号传输非接触但可直接测量的特点，以及测量范围宽和不改变轴运行状态的优点。其基本工作原理是通过该测扭装置将被测旋转轴的扭振信号转化为弹性片的弯曲动应变，由光纤光栅感受测试。在光栅的位置布置中，利用空间对称结构形式，实现信号的加强和补偿功能。

2.2 实验方案

实验中采用的传感器的封装实物图如图2所示。它由光纤光栅、质量块、等强度梁、光纤和套筒组成。传感器中的光纤光栅串联封装在梁上。等强度梁的长度为45 mm，底边的宽度为25 mm，质量块为3 g，为了进行比较，将光栅贴在距梁的固定端10 mm处;串联两个波长分别为1288 nm，1312 nm的光栅。通过ANSYS计算，等强度梁的一阶固有频率为443.37 Hz，临界转速为26602 r/min，远高于轴本身的最高转速15000 r/min。

图2 封装实物图

旋转轴的扭振测量方案示意图如图3所示。在具体测量时，将测扭的封装光纤光栅传感器固定在被测旋转轴上，工控机通过变频器来控制电机的转速。当旋转轴旋转时，其扭转振动信号通过离心力传递到测扭的质量块上，光纤光栅解调仪内置的光源通过准直器传输到光纤光栅传感器。质量块的离心力和惯性引起光纤光栅的有效折射率和光栅的周期变化，从而导致波长的漂移，该信号再通过准直器接入解调仪，经解调仪可调谐FP，滤波器以几千Hz扫描，所有FBG传感器的布拉格波长能得到快速测定，将测定的波长信号输入工控机，经过分析后获知旋转轴扭转特性。

图3 旋转轴的扭振检测方案示意图

3 实验验证

搭建好系统后启动变频电机，通过工控机记录光纤光栅的波长。经过数据处理后，得到旋转轴的转速与梁的应变量变化关系曲线。实验过程如下:首先输入恒定的转速，转速在0～2000 r/min之间依次增加，每次增量为100 r/min。相同条件下，实验重复3次，得到了如图4所示的旋转轴转速与梁的应变关系曲线。

图4 旋转轴转速与梁的应变的关系曲线

从图4中可以看出，在2000 r/min时弹性体对应的微应变超过3000 μ，应变与转速存在对应的关系。在该转速范围内，光栅产生的应变在可承受范围内。

由于轴系的扭振主要体现为在平均转速上叠加了交变的转速，检测扭振就是要提取这个交变的转速信息。输入交变的转速来模拟转轴扭振的发生，当轴系存在扭振时，每次转速对应的光栅的波长发生变化，其与恒转速之差即反映扭振的大小。因此，只要测出轴系运转情况下对应光栅应变的变化，就可反推得到轴的扭振信息。

当输入的旋转轴转速为1200 r/min叠加正弦交变量为±50 r/min时，光栅、转矩仪测得的转速及两者的比较如图5所示。现选用转矩仪检测的转速作为标准转速，与基于光纤光栅检测的转速作比较。得到如图6所示的转速误差曲线。

图5 光栅、转矩仪测得的转速及两者的比较

图6 转速误差曲线

根据数据分析可知，上述光纤光栅测得的与标准转速的误差不到5 r/min。同时考虑到电机本身存在转速误差，即可反映旋转轴瞬时的转速。说明该简化模型计算是可行的。通过检测光栅波长随时间的变化情况，可获得轴的转速交变的变化情况，即轴的扭振信息。

4 结论

(1)笔者提出的方法应用于可布置光纤光栅传感器的条件下，测量大型旋转设备的轴系瞬时转速，可应用于设备的实时监测，满足设备的故障诊断需求。

(2)基于光纤光栅检测扭振的方法可用于强电强磁的复杂环境中，且易构成具备可连续、无间断、长距离测量并与被测量介质有极强亲和性的分布式光纤传感系统。

［1］刘英哲，傅行军.汽轮发电机组扭振［M］.北京:中国电力出版社，1997:51-92.

［2］杨卓君，廖明夫.基于加速度传感器测量扭振方法的研究［J］.噪声与振动，2008，28(5):163-167.

［3］张艳春，李彩霞.DK-III型轴系扭振测量仪的设计与实现［J］.自动化仪表，2009，30(2):70-72.

［4］黄震，刘彬.基于多普勒加速度计扭振测量的研究［J］.计量学报，2007，28(3):276-279.

［5］李宏男，任亮.结构健康监测光纤光栅传感技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:4-70.

［6］姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］.光电子·激光，2002，13(4):420-430.

［7］孙丽.光纤光栅传感技术与工程应用研究［D］.大连:大连理工大学图书馆，2006.

［8］徐洪志.旋转机械轴系扭振测量研究［D］.北京:清华大学图书馆，2005.

［9］DING B Z，FEI Y T，FAN Z G.3D touch trigger probe based on fiber bragg gratings［C］//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，Metrology，Inspection，and Process Control for Microlithography.［S.l.］:［s.n.］，2009:72722U.1-72722U.11.

［10］廖帮全，赵启大，冯德军.光纤耦合模理论及其在光纤布拉格光栅上的应用［J］.光学学报，2002(11):1340-1350.