基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统.pdf

本发明提供一种基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统，包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器，宽带光源发出的光经过光耦合器进入光纤光栅振动传感器组，返回的光信号经光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列输入给信号采集处理器；光纤光栅振动传感器组为一条光纤上的多组光纤光栅，每组光栅包含2个啁啾光纤光栅；波分复用器包含一个输入端和n个输出端。本发明能够增大光纤光栅振动检测系统检测范围，并且提升检测能力。

权利要求书1.  一种基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统，其特征在于：它包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器，其中宽带光源发出的光经过光耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给信号采集处理器；所述的光纤光栅振动传感器组为一条光纤上的多组光纤光栅，每组光栅包含2个啁啾光纤光栅；所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。2.  根据权利要求1所述的基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统，其特征在于：所述的光耦合器为3dB光耦合器，所述的啁啾光纤光栅3dB带宽均大于2nm，中心波长差小于0.5nm。

说明书基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统
技术领域
本发明属于光纤传感检测技术领域，具体涉及一种基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统。
背景技术
振动是一切运动物体的固有特性，振动信号中包含着丰富的物体状态信息。因此，振动信号检测技术是了解和把握物体运动状态的基础和关键技术之一。在机械装备的检测和诊断中，振动检测技术发挥着重要作用，发展迅速。可以说，振动检测是机械装备状态检测和故障诊断中最有发展前景的方法之一。
在机械装备的振动检测领域，目前使用较为广泛的还是以电磁类传感器为主的监测方法。如哈尔滨工业大学开发了具有代表性的机械状态监测与故障诊断系统—MMMD系统。北京化工大学的高金吉院士团队监测了5700多套机泵，建立了设备远程监测网和基于SOA架构的维修和安全保障信息化智能化平台，但这些系统都是基于电磁传感技术开发的。美国的本特利公司开发的电涡流式位移振动传感器在机械设备监测领域得到了广泛应用。但是，对于特殊环境，如高温、高压、易燃、易爆等危险场合下的机械装备检测，上述检测仪器和方法则难以胜任。
由于光纤传感技术具有无电检测，本征安全的特点，使其成为危险检测领域中一种新的重要检测手段。对于机械装备振动信号的检测，传感器及其检测方法是关键。光纤光栅的振动检测方法主要有：波长检测法、相位检测法、光强检测法等。对于高频振动信号的检测，波长检测法的主要问题是解调速度难以满足检测要求。而相位检测法则存在检测精度差的问题。光强检测法因具有解调速度快、检测装置简单、制作成本低等优点而成为使用最多的方法之一。
光强检测法是基于双光栅匹配和边沿滤波解调的一种振动信号方法。它是利用光栅反射谱边沿近似线性的特点，让两个波长近似的光栅在边沿区域形成匹配，将振动信号引起的波长变化近似线性地转换成光强，通过检测光强大小来测定振动信号的频率和幅值。该方法虽然具有上述优点，但在应用中也暴露出一些不足之处：第一，检测精度不高。检测结果受光源波动和线路损耗影响较大，检测精度不高。针对这一点，发明专利CN201010104541.0引入了参考光栅，并采用了光强比值算法巧妙地解决了这一问题。第二，动态检测范围小。被测机械装备的振动幅值较大时，会超出系统的动态检测范围；第三，检测能力不足。系统检测仪表的单通道仅能解调一个振动传感信号，当检测点较多时，不能进行同步检测。截止目前，针对光强检测法的后两个问题仍没有有效的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统，能够增大光纤光栅振动检测系统检测范围，并且提升检测能力。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统，其特征在于：它包括宽带光源、光耦合器、光纤光栅振动传感器组、波分复用器、光电探测器阵列和信号采集处理器，其中宽带光源发出的光经过光耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给信号采集处理器；
所述的光纤光栅振动传感器组为一条光纤上的多组光纤光栅，每组光栅包含2个啁啾光纤光栅；
所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。
按上述方案，所述的光耦合器为3dB光耦合器，所述的啁啾光纤光栅3dB带宽均大于2nm，中心波长差小于0.5nm。
本发明的有益效果为：采用啁啾光纤光栅作为传感元件，扩大了传感光栅的线性匹配区间，能显著提高光纤光栅振动传感器的动态检测范围；采用波分复用器，可使多个光纤光栅振动传感器复用到一根光纤上，又在检测时使各个传感器的信号分离并进行独立检测，因此在解调光路中增加波分复用器后，光纤光栅解调仪表单通道携带传感器的数量得到了显著提高，增强了系统的检测能力；通过采用本发明系统，降低了光纤光栅振动传感器的制作难度及系统的综合制造成本，适合在工程实际中推广应用。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为光纤光栅振动传感器的结构示意图。
图中：1-宽带光源，2-光耦合器，3-波分复用器，4-光电探测器阵列，5-光纤光栅振动传感器组，6-信号采集处理器。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明一实施例的结构示意图，基于啁啾光栅传感和波分复用技术的振动检测系统包括宽带光源1、光耦合器2、光纤光栅振动传感器组5、波分复用器3、光电探测器阵列4和信号采集处理器6，其中宽带光源1发出的光经过光耦合器2进入光纤光栅振动传感器组5，光纤光栅振动传感器组5返回的光信号经过光耦合器2进入波分复用器3，波分复用器3的输出端通过光电探测器阵列4将光信号转换为电信号再输入给信号采集处理器6。
所述的光纤光栅振动传感器组为一条光纤上的多组光纤光栅，如图2所示，每组光栅包含2个啁啾光纤光栅。
所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。
本实施例中，所述的光耦合器为3dB光耦合器，所述的啁啾光纤光栅3dB带宽均大于2nm，中心波长差小于0.5nm，其反射光谱处于大部分重叠状态，即匹配。采用啁啾光纤光栅作为传感光栅，使光纤光栅振动传感器的动态检测范围提高了几倍。每组光栅的反射光谱均在宽带光源光谱内，每组光栅的反射光谱之间保持一定的间隔（波长间隔大于2nm），避免不同传感器的信号之间发生窜扰，提高测量的准确性和可靠性。每组光栅对应于波分复用器的一个输出端。
本发明以水泵为例，将4组光栅安装在水泵机组的非联轴器侧的轴承座（竖向、水平向和轴向各安装1个）上和同侧的1个地脚螺栓上。将4组光栅的首尾依次连接，复用到一根光纤上。由于水泵机组在现场，而检测设备等放置在操作室，还需200米的传输光缆，将信号传输到操作室。本实施例中宽带光源的带宽为1280～1325nm，光功率为18μw。波分复用器为1×4型结构，有4个可用波段，其中心波长分别为1290nm，1300nm，1310nm，1320nm，每波段的波长范围均为5nm，波段间隔5nm。宽带光源发出的光经3dB光耦合器后照射到光纤光栅振动传感器组中，满足条件的光被反射后再经3dB光耦合器进入波分复用器中，不同波长的光从波分复用器的对应输出端输出，输出光进入光电探测器阵列后被转换成相应的电信号，再送入信号采集处理器中。
光纤光栅振动检测系统的检测原理：当光纤光栅振动传感器随着水泵一起振动时，传感光栅的反射谱发生移动，反射谱的包络面积发生周期性改变，即传感器的输出光强亦产生周期性变化，其变化频率等于水泵机组的振动频率，变化幅度间接反映了水泵机组的振幅大小。光强信号通过检测装置6转化成电信号，并送入计算机中进行采集和处理，直接显示水泵机组的振动参量。本实施例中水泵机组的额定转速为1200转/min，转频为20Hz，设置系统的采集频率为2560Hz。当水泵机组工作时，4组光栅都有响应，其时域响应相似，但通过频域分析后发现，不同频率成分的幅值存在差异。可以看出，轴承座的振动加速度谱是以基频为主的多阶谐波分量的合成，较好地反映了水泵机组工作状态下的状态特征。最大加速度有效值为18.45ms-2，与手持式测量仪器获得结果基本一致。此实施例验证了本发明的可行性。
根据实际需要，利用空分复用技术系统可实现扩容，形成1、2、4、8、16等通道的检测系统，提高了系统的检测能力，可满足多台机械装备(群)同时进行检测的需求，可实现多台大型机械装备振动信号的远程、在线监测。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。