【摘要】：石油化工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)極為重要的位置。然而,石化行業(yè)的安全問(wèn)題突出,特別是設(shè)備老化、管理不善等成為誘發(fā)安全事故的主因。石化設(shè)備日益朝著大型化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,設(shè)備狀態(tài)變化呈現(xiàn)出時(shí)變性、多維性、耦合性等特點(diǎn),這給設(shè)備監(jiān)測(cè)帶來(lái)了更大的難度,對(duì)設(shè)備管理提出了更高的要求。因此,實(shí)施設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維修管理已非常必要。設(shè)備狀態(tài)維修的根本在于實(shí)時(shí)、在線(xiàn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。常規(guī)的電磁類(lèi)傳感檢測(cè)技術(shù)雖然滿(mǎn)足了一定的應(yīng)用需求,但對(duì)石化等高溫、高壓、易燃、易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)合,則在應(yīng)用上受到很大限制。光纖光柵傳感技術(shù)具有本征安全、抗電磁干擾、耐高溫、高壓、易于復(fù)用組網(wǎng)、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn),為石化設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)提供了新的手段和思路。針對(duì)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),雖有一些機(jī)構(gòu)或個(gè)人正在開(kāi)展一些研究,但目前可用的產(chǎn)品很少,產(chǎn)品性能還較差,不能很好地滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求�；谝陨媳尘�,本文開(kāi)展石化設(shè)備的光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感監(jiān)測(cè)方法的研究工作將有創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值,因而具有重要意義。石化設(shè)備的光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感監(jiān)測(cè)方法研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性研究課題。因此,本文以光纖動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)為研究對(duì)象,以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成和應(yīng)用為研究目標(biāo),從多學(xué)科角度,采用理論、實(shí)(試)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段,對(duì)光纖光柵制備與封裝、動(dòng)態(tài)傳感與檢測(cè)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等方法進(jìn)行了較為深入地研究,其主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)研究了光纖光柵的制備和封裝工藝。分析了光纖的機(jī)械性能和傳感光柵的特征參數(shù),從提高光敏性、穩(wěn)定性和控制主要特征參數(shù)方面研究了高性能光纖光柵的制備技術(shù)和工藝;研究了光纖光柵的兩種封裝工藝。首先,從封裝材料、粘黏工藝、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對(duì)粘黏式封裝工藝進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究;其次,從光纖光柵預(yù)處理、表面金屬化、金屬焊接封裝等方面對(duì)金屬化封裝工藝進(jìn)行了研究;最后,采用兩種工藝封裝了FBG溫度和應(yīng)變傳感器,通過(guò)耐老化和疲勞試驗(yàn)對(duì)其長(zhǎng)期可靠性進(jìn)行了考核,結(jié)果表明:兩種工藝封裝的傳感器均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,滿(mǎn)足工程應(yīng)用對(duì)長(zhǎng)期可靠性的要求。(2)研究了光纖光柵的動(dòng)態(tài)傳感與檢測(cè)方法。分析了動(dòng)態(tài)信號(hào)的光纖光柵解調(diào)方法現(xiàn)狀,對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)邊沿濾波解調(diào)精度的不足,提出了FBG的帶光強(qiáng)補(bǔ)償?shù)牟罘謾z測(cè)方法及CFBG的光強(qiáng)比值檢測(cè)方法,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了它們的可行性。針對(duì)現(xiàn)有方法檢測(cè)能力的不足,提出了基于波分復(fù)用的解調(diào)新方法。分析了動(dòng)態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)理論和原則,設(shè)計(jì)并研制了兩種光纖光柵動(dòng)態(tài)測(cè)量傳感器。第一,針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)頻響高、振動(dòng)幅值大的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種推挽式結(jié)構(gòu)光纖光柵振動(dòng)傳感器;采用了雙啁啾光柵匹配法解調(diào),消除了溫度影響,提高了測(cè)量范圍;實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的固有頻率為3232Hz,工作頻段約為10-1000 Hz,最大測(cè)量加速度達(dá)4g,靈敏度約為66 mv/ms-2,橫向抗干擾系數(shù)小于6.6%,重復(fù)性誤差小于5%。第二,針對(duì)機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要,研制了集三維振動(dòng)與溫度測(cè)量于一體的光纖光柵傳感器。實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的三維頻響范圍都在10~500Hz內(nèi),加速度測(cè)量范圍為0.1~1.0g,線(xiàn)性靈敏度約為70mv/ms-2,交叉串?dāng)_系數(shù)大于22dB,測(cè)量空間加速度的最大誤差為4.8%,溫度變化不影響傳感器的動(dòng)態(tài)性能,溫度傳感器的靈敏度為24pm/℃。(3)研究機(jī)械設(shè)備的光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成方法。首先,分析了機(jī)械(石化)設(shè)備的工作特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的基本架構(gòu)和功能模塊。緊接著研究了機(jī)械設(shè)備(以軸承和轉(zhuǎn)子為例)光纖光柵狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法;研究了機(jī)械動(dòng)態(tài)信號(hào)分析和故障診斷方法;研究了光纖光柵動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的(信號(hào)導(dǎo)出、傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)及多參數(shù)融合等技術(shù)的)集成方法;最后,通過(guò)機(jī)械設(shè)備的故障模擬試驗(yàn),測(cè)試了集成的光纖光柵動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能較好地完成了各項(xiàng)測(cè)試任務(wù),測(cè)試結(jié)果與相關(guān)分析吻合,驗(yàn)證了集成系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。(4)依托科研項(xiàng)目,將光纖光柵動(dòng)態(tài)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到石化設(shè)備中,分別以水泵、壓縮機(jī)組和機(jī)泵群為對(duì)象進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。第一,對(duì)石化廠水泵的軸承座、葉輪和地腳螺栓的振動(dòng)情況進(jìn)行了在線(xiàn)檢測(cè),采集到水泵故障發(fā)生前、后的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確診斷出了故障類(lèi)型和部位;第二,對(duì)石化廠往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸振動(dòng)和氣閥溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),通過(guò)多種檢測(cè)方法的對(duì)比測(cè)試,驗(yàn)證了光纖監(jiān)測(cè)方法的可行性;第三,對(duì)石化廠的熱輻射機(jī)泵群進(jìn)行了長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)測(cè),構(gòu)建了機(jī)泵群振動(dòng)和溫度的光纖光柵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采集到某臺(tái)機(jī)泵軸承發(fā)生故障的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分析診斷結(jié)果與拆機(jī)后檢查情況一致。上述試驗(yàn)成果驗(yàn)證了光纖光柵動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在石化設(shè)備中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。
【圖文】：

FBG的結(jié)構(gòu)

近年來(lái)有些學(xué)者開(kāi)展CFBG的傳感研究，試圖突破FBG在應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題無(wú)論是采用 FBG，還是 CFBG 制作的光纖光柵傳感器，其性能好壞都將決于光纖光柵本身的質(zhì)量和所采用的封裝工藝。因此本章重點(diǎn)研究高性能傳感柵的制備方法以及提高光纖光柵傳感器長(zhǎng)期可靠性的封裝工藝。.1 光纖光柵的傳感理論.1.1 耦合模理論光纖光柵（FBG）是基于光纖材料的光敏性制成的，其結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，過(guò)特定波長(zhǎng)的激光照射，使光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性改變，，形成如圖 2-2示的折射率分布。由于照射后光纖波導(dǎo)條件發(fā)生了改變，使具有一定波長(zhǎng)的波在該區(qū)域發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，這便是 FBG 的耦合模理論[78]。該理論對(duì)反光所應(yīng)滿(mǎn)足的條件進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，其結(jié)論是反射光的波長(zhǎng)決定于光柵有效射率和光柵周期，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理量都可以被其感應(yīng)，這是光纖光柵用于傳感測(cè)量的理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TE687

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2544365