基于光纤传感器的大型设备测试系统设计*

吴建华

(太原重工 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

某公司生产的125 MN快速锻造液压机是目前世界上最大的双柱式多拉杆液压机，其工作压力大，兼备压机和锤锻的功能，锻造频率为60次/min。为了掌握液压机工作时机架结构的应力状况和拉杆的受力分布情况，需对压机的本体进行应力测试。传统的应力监测主要依靠粘贴应变片，通过应变仪来测试被测结构的受力情况。由于压机工作环境恶劣，高温、油污大，为达到长期监测拉杆工作过程受力情况的目的，本文对传统的应变计监测方案和采用光纤传感器的监测方案进行对比，采用光纤传感器对拉杆工作应力进行监测，经现场实测和数据比对，证明光纤传感器监测数据的准确性。

1 监测需求

该测试系统需具备以下功能：

(1) 对工作过程中拉杆受力进行监测。

(2) 工作过程中当拉杆受力和应力达到报警阈值的110%时产生报警。

(3) 对安装的传感器进行长效处理，从而保证满足长期监测的要求。

(4) 对该测试系统的软件进行开发，要求具备数据分析、单点趋势分析、相关分析、曲线的记录和打印等功能。

(5) 对设定了间隔时间的该设备使用情况具有报表生成功能。

2 方案设计

测量125 MN锻造压机拉杆工作应力并对数据进行监测、管理，以便掌握产品当前机器性能，监测数据还可为新产品设计提供有力的依据。产品最初测量方案为采用金属应变片进行数据测量，后根据测试目的选用光纤传感器的测试方案。

2.1 半导体应变片式测量方法

半导体应变片结构简图如图1所示。利用半导体材料的压阻效应，当材料沿某一轴向受到外力作用时其电阻率ρ发生变化，通过微电路将变化的电阻率转变为应变值。

1-半导体敏感条；2-基底;3-引线;4-引线片；5-内引线

2.2 光纤光栅测量方法

光纤光栅测量原理如图2所示。超发光管(SLED)发出的宽带光谱经过可调谐法布里腔(FFP)线性调制后经光纤耦合器同时进入4路测量光栅阵列，各传感光栅反射回来的窄带光谱由光电探测器转换成电信号，根据测得的波长值进行标定从而得到应变值。

图2 光纤光栅测量原理

拉杆应力两种测量方案的优缺点对比见表1。

通过方案对比，发现光纤光栅测量方法的优点大于半导体应变片的测量方法，且精度范围广，因此，确定拉杆应力测量方法采用光纤光栅测量法。

3 监测系统设计

3.1 系统功能设计

125 MN锻造压机拉杆工作应力监测系统包括数据分析、应力实时监测、参数设置、偏大数据处理几部分。

表1 拉杆应力测量方案对比

3.2 系统界面设计

本系统用户级别分为管理员和普通用户两类，管理员可以进行全部功能参数设置、数据库管理和用户密码更改；普通用户只能浏览监测情况，不能修改任何参数，其登录界面如图3所示。系统主界面即应力显示界面如图4所示。

图3 系统登录界面

图4 系统主界面

图4中界面主要显示应力测量情况，显示方式有柱状条显示、文本显示和曲线显示三种方案。监测过程中，如果应力达到报警阈值的100%，则产生预警，这时柱状条与测点图标颜色就会变为黄色并有声音报警；当应力达到报警阈值的110%时，报警声音加大、加快。

此外，该界面上还可以控制数据的采集与暂停、报警声音的开启与关闭、测量数据的发送与暂停，还可以随时退出系统。

3.3 参数设置

管理员用户可以根据实际情况设定各拉杆传感器所在的位置，以及该位置应力传感器所在的通道和通道上的序号。解调器解调出的波长信号按照从小到大排列，这与传感器的实际安装空间位置没有关系，如果要将测量信号与安装位置对应起来，需要根据波长信息进行定位。同样温度补偿传感器的编号也可以在此设定，与应力传感器一样采用波长定位。参数设置界面如图5所示。

图5 参数设置

4 技术设计

4.1 偏大数据统计

偏大数据统计是125 MN锻造压机拉杆工作应力监测系统新增加的一个功能，主要是用来对接近安全值的数据进行统计，过滤掉安全值，以便较早发现危险数据，及时报警偏大数据统计界面如图6所示。

图6 偏大数据统计

4.2 数据库的管理

在进行软件系统设计时，采用了数据库来进行数据的管理，数据库中各数据表的管理内容如下：

Alarm：报警记录；

data：存放应力数据，记录的是每个传感器的应力值；

line1～line4：存储4路的FBG波长值；

Linddian：系统零点标定值，包括其中回零值；

Warn：各个测点的报警阈值；

xishu：传感器的系数。

4.3 数据的导出

系统每天会自动生成一个数据库，名字为“xxxx年xx月.mbd”,保存在f盘下面。如果需要查看数据库日期，打开数据库，找到存储数据的表格“data”，双击打开，在“文件”菜单里点击“导出”，并选择导出的格式为Excel或其他类型，即可将数据导成Excel格式或其他格式进行数据分析与处理，如图7所示。

图7 数据的导出

5 结论

本文以光纤传感器和信息技术构建了大型设备状态监测系统，可实时监测设备运行状态，通过设备数据的采集、监控报警，大大减轻了设备运维人员的劳动强度，为提升和优化设备性能提供了数据支撑。