本文關(guān)鍵詞：基于光纖傳感的機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《武漢理工大學(xué)》 2013年

基于光纖傳感的機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

徐剛  

【摘要】：大型機(jī)械裝備日益向著大型化、復(fù)雜化、高速化、高效化和自動(dòng)化的方向發(fā)展,這些發(fā)展取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)也帶來了一些新的問題,特別是機(jī)械裝備狀態(tài)物理量的變化呈現(xiàn)出隨機(jī)性、多維性、時(shí)變性、耦合性和非線性等特點(diǎn),使其事故更具突發(fā)性、災(zāi)難性和社會(huì)性。因此,針對(duì)這些大型裝備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)深度感知、智能監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)一直是機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域極為關(guān)注的熱點(diǎn)和迫切需要的技術(shù)。 目前機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用傳統(tǒng)的電磁類傳感器,但該類傳感器具有測(cè)點(diǎn)參數(shù)單一、抗電磁干擾能力弱、以及信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸能力較差等局限性,從而使得其在機(jī)械設(shè)備多參數(shù)分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用受到限制。采用光纖傳感技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有防爆、抗電磁干擾、耐高溫高壓等電磁類傳感器所無法比擬的優(yōu)勢(shì),而更易于多路復(fù)用組網(wǎng),適于遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。利用光纖傳感技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)已有學(xué)者進(jìn)行研究,但多處于理論階段或側(cè)重于靜態(tài)測(cè)量,且研究?jī)?nèi)容單一、不夠系統(tǒng)。鑒于此,本文研究適于機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、多參量監(jiān)測(cè)的檢測(cè)方法與診斷系統(tǒng)以及研制相應(yīng)的光纖傳感器,無疑具有十分重要的意義。 論文根據(jù)機(jī)械設(shè)備典型部件(軸承、轉(zhuǎn)軸、葉片等)的主要特點(diǎn),在分析各自工況下動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究并提出了基于光纖傳感技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)理論與檢測(cè)方法；研制了多種光纖光柵振動(dòng)傳感器,并將這些傳感器應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)中。 本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： 1.系統(tǒng)研究了機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)理論,重點(diǎn)對(duì)軸承、轉(zhuǎn)子和葉片等機(jī)械設(shè)備中典型部件的動(dòng)力學(xué)特性及相關(guān)的耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析；結(jié)合機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)特點(diǎn)以及光纖傳感技術(shù)的獨(dú)有特性,提出了基于光纖傳感器的動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量與后處理方法。 2.針對(duì)機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的不同需求,研制了兩種不同類型的光纖光柵加速度傳感器。第一種為“L”型懸臂梁結(jié)構(gòu),屬于波長(zhǎng)解調(diào)型的高靈敏度傳感器,頻率檢測(cè)范圍為0-60Hz,靈敏度達(dá)到60pm/m/s2,加速度測(cè)量范圍大于25m/s2,適用于低速重載裝備的檢測(cè)；第二種屬于強(qiáng)度解調(diào)型高頻加速度傳感器,采用雙FBG光柵匹配解調(diào)和光強(qiáng)比值算法,解決了檢測(cè)頻率不高和光強(qiáng)不穩(wěn)對(duì)信號(hào)干擾等問題,傳感器頻率檢測(cè)范圍大于500Hz,并在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三維一體化光纖光柵加速度傳感器,可用于高轉(zhuǎn)速機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量。 3.討論了采用雙光纖光柵對(duì)轉(zhuǎn)軸扭矩和溫度進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的可行性,理論表明轉(zhuǎn)軸的扭矩大小對(duì)光柵的差模波長(zhǎng)變化產(chǎn)生影響,而溫度變化只改變共模波長(zhǎng)的數(shù)值,因此允許對(duì)溫度和扭矩進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。由此,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩和溫度測(cè)量分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),在該系統(tǒng)中,由扭矩引起的差模波長(zhǎng)變化率為12.88pm/Nm,對(duì)應(yīng)的溫度靈敏度為-1.28pm/℃；與扭矩測(cè)量相反的是,共模波長(zhǎng)的溫度靈敏度為18.5pm/℃,扭矩引起的差模波長(zhǎng)的交叉變化率為-1.25pm/Nm。在動(dòng)態(tài)在線實(shí)驗(yàn)中,對(duì)不同工況下的轉(zhuǎn)軸扭矩進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明：采用光纖傳感技術(shù)可以較好的反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的實(shí)時(shí)負(fù)載狀態(tài),并且對(duì)其信號(hào)進(jìn)行深層次分析,甚至可分析系統(tǒng)不平衡、不對(duì)中等設(shè)備故障。 4.研究了旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)行狀態(tài)中裂紋擴(kuò)展的在線檢測(cè)方法,以旋轉(zhuǎn)葉片為例進(jìn)行了驗(yàn)證。采用飛秒激光微加工技術(shù)在葉片上制作了微裂紋,以期達(dá)到在葉片狀態(tài)檢測(cè)中模擬故障葉片的目的,并通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬的真實(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)葉片進(jìn)行在線狀態(tài)檢測(cè)采用光纖光柵和光纖旋轉(zhuǎn)連接器相結(jié)合的方法,將光纖光柵粘貼于葉片的敏感部位檢測(cè)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的應(yīng)變和頻率變化,光纖旋轉(zhuǎn)連接器負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)過程中光柵信號(hào)傳輸?shù)浇庹{(diào)系統(tǒng),通過對(duì)葉片應(yīng)變和頻率的變化判斷葉片的實(shí)時(shí)狀態(tài)；最后利用已有葉片研究了裂紋對(duì)葉片疲勞斷裂的影響和破壞速率。 5.以一種石化設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)例,討論了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)在工程中的應(yīng)用。在石化行業(yè)中,機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的重要性顯得尤為突出。本文將所研制的光纖光柵振動(dòng)傳感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到了石化機(jī)械裝備的故障檢測(cè)中,以往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)為監(jiān)測(cè)對(duì)象,對(duì)設(shè)備的曲軸箱、十字頭和缸蓋的振動(dòng)情況以及氣閥位置的溫度變化進(jìn)行了長(zhǎng)期在線測(cè)量,并取得了良好的效果。實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)了光纖傳感技術(shù)在大型機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】：
【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】：2013
【分類號(hào)】：TP212;TP274
【目錄】：

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2 季金文;王克海;葉英華;李茜;;某連續(xù)箱形梁橋體外預(yù)應(yīng)力的加固分析[A];第14屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第三冊(cè)）[C];2005年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 蓋強(qiáng);局域波時(shí)頻分析方法的理論研究與應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2001年

2 王珍;基于局域波分析的柴油機(jī)故障診斷方法的研究及應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2002年

3 王宇華;高速旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)葉端定時(shí)測(cè)量方法和系統(tǒng)研究[D];天津大學(xué);2004年

4 郝志華;基于局域波法和盲源分離的故障診斷方法應(yīng)用研究[D];大連理工大學(xué);2005年

5 何學(xué)文;基于支持向量機(jī)的故障智能診斷理論與方法研究[D];中南大學(xué);2004年

6 謝平;故障診斷中信息熵特征提取及融合方法研究[D];燕山大學(xué);2006年

7 曾楠;光纖加速度傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];清華大學(xué);2005年

8 王新峰;機(jī)電系統(tǒng)BIT特征層降虛警技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2005年

9 苗剛;往復(fù)活塞式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的故障診斷方法研究及應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2006年

10 楊建文;周期平穩(wěn)類機(jī)械故障信號(hào)分析方法研究[D];東南大學(xué);2006年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 范曉旭;汽輪機(jī)葉片振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及葉片振動(dòng)特性研究[D];華北電力大學(xué);2002年

2 齊鳳慧;汽輪機(jī)葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷方法的研究應(yīng)用[D];華北電力大學(xué)（河北）;2003年

3 陳大雄;光纖Bragg光柵加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性的研究[D];武漢理工大學(xué);2004年

4 武俊平;汽輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及分析的實(shí)驗(yàn)研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2004年

5 王玥;汽輪機(jī)葉片的模態(tài)分析與壽命評(píng)估[D];浙江大學(xué);2004年

6 李俊;往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D];華中科技大學(xué);2004年

7 周燕峰;基于時(shí)頻譜熵的往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷及應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2006年

8 徐昶;汽輪機(jī)葉片振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2006年

9 李志華;測(cè)振用葉尖定時(shí)傳感器的設(shè)計(jì)[D];天津大學(xué);2005年

10 唐靜;往復(fù)式壓縮機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)[D];沈陽工業(yè)大學(xué);2006年

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 文曉艷;;2009中美光纖傳感技術(shù)研究、發(fā)展與應(yīng)用研討會(huì)[J];國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài);2010年02期

2 戴峻;;光纖傳感器在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];煤礦安全;2010年08期

3 高希才;;關(guān)于發(fā)展光纖傳感技術(shù)的幾點(diǎn)意見[J];功能材料;1986年01期

4 衛(wèi)正統(tǒng);;光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)述[J];中國(guó)科技信息;2007年22期

5 ;聲光技術(shù)與光纖傳感技術(shù)信函討論摘錄[J];壓電與聲光;1991年05期

6 廖延彪;用于智能材料和結(jié)構(gòu)的光纖傳感技術(shù)[J];激光與紅外;1999年01期

7 趙勇;光纖傳感技術(shù)在油氣檢測(cè)中的應(yīng)用[J];電子設(shè)計(jì)應(yīng)用;2004年02期

8 馬鐵華,武耀艷;光纖傳感器在兵器測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用[J];測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào);1994年S1期

9 ;光纖器件及應(yīng)用[J];中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1994年02期

10 楊培根;;光纖傳感技術(shù)[J];應(yīng)用光學(xué);1985年03期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李旦江;張德康;施�，�;;大壩監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用光纖傳感器的若干技術(shù)要求[A];全國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)信息網(wǎng)2008年度技術(shù)信息交流會(huì)暨全國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展研討會(huì)論文集[C];2008年

2 周少玲;;光纖光柵激光器型傳感器及其研究現(xiàn)狀[A];第三屆中國(guó)光通信技術(shù)與市場(chǎng)研討會(huì)論文集[C];2003年

3 劉文義;張文濤;李麗;黃穩(wěn)柱;李芳;;光纖傳感技術(shù)——獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的地震監(jiān)測(cè)新手段[A];中國(guó)地震學(xué)會(huì)第14次學(xué)術(shù)大會(huì)專題[C];2012年

4 毅力琦;丁克勤;錢才富;;基于光纖傳感技術(shù)的油氣輸送管道沉降變形分布式監(jiān)測(cè)方法研究[A];北京力學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2012年

5 黃國(guó)君;黃晨光;江中華;劉乙君;伍敏;;基于光纖光柵的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究[A];2010’力學(xué)與工程應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2010年

6 朱紅;倪家升;石智棟;侯培虎;韓曉華;劉統(tǒng)玉;;適于油井狀態(tài)監(jiān)測(cè)的光纖壓力傳感器[A];全國(guó)第十二次光纖通信暨第十三屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

7 劉迪仁;;油井參數(shù)分布式測(cè)量的布里淵光纖傳感技術(shù)[A];中國(guó)地球物理2010——中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第二十六屆年會(huì)、中國(guó)地震學(xué)會(huì)第十三次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2010年

8 徐明政;孫延輝;;石油工業(yè)光纖光柵傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用[A];第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13分會(huì)場(chǎng)-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集[C];2011年

9 陳金明;湯立群;;光纖光柵頻譜和曝光特性研究[A];復(fù)合材料力學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展與工程應(yīng)用——全國(guó)復(fù)合材料力學(xué)研討會(huì)論文集[C];2007年

10 張青;史彥新;孟憲瑋;曾克;韓永溫;;FBG監(jiān)測(cè)滑坡的試驗(yàn)研究[A];中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第二十四屆年會(huì)論文集[C];2008年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 歡靜;[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2010年

2 記者 路平 通訊員 盧欣;[N];廣東科技報(bào);2011年

3 記者 龍莉;[N];中國(guó)石油報(bào);2000年

4 記者 馬金;[N];南京日?qǐng)?bào);2010年

5 駐武漢記者 黎江東 通訊員 曉甘;[N];中國(guó)建材報(bào);2000年

6 本報(bào)記者 袁達(dá)珍　王芳 彭海寧;[N];江蘇經(jīng)濟(jì)報(bào);2010年

7 撰稿 楊林興　葉興其 黃建元 高雪原;[N];上�？萍紙�(bào);2010年

8 趙彤剛;[N];中國(guó)證券報(bào);2007年

9 記者　李雷;[N];經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2006年

10 �；�;[N];中華建筑報(bào);2007年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 徐剛;基于光纖傳感的機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D];武漢理工大學(xué);2013年

2 羅健斌;基于光纖傳感技術(shù)的高壓輸電線路覆冰狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究[D];華南理工大學(xué);2013年

3 陳飚;面向物聯(lián)網(wǎng)和光纖傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[D];武漢理工大學(xué);2011年

4 王靜;光纖光柵多參數(shù)傳感理論技術(shù)研究及在地下工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D];山東大學(xué);2011年

5 代鑫;基于光纖光柵的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D];武漢理工大學(xué);2013年

6 祁耀斌;基于光纖傳感的危險(xiǎn)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];武漢理工大學(xué);2009年

7 史杰;基于干涉原理和光纖布拉格光柵的復(fù)合參數(shù)光纖傳感器[D];上海交通大學(xué);2013年

8 倪凱;光纖光柵制備及傳感應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2011年

9 王為;光纖光柵在船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2010年

10 汪揚(yáng)春;光纖折射率傳感和信號(hào)解調(diào)技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2010年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 喻晨曦;光纖傳感技術(shù)在復(fù)合材料沖擊檢測(cè)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

2 張勇東;基于光纖傳感技術(shù)的油庫(kù)罐區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D];武漢理工大學(xué);2004年

3 朱新亮;一種高速高精度光纖傳感技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D];山東大學(xué);2012年

4 郭金光;罐群參量分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)研究[D];大慶石油學(xué)院;2006年

5 葉海賓;光纖傳感技術(shù)在海洋工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2010年

6 李福太;基于光纖傳感技術(shù)的油罐庫(kù)區(qū)自動(dòng)付油管理系統(tǒng)的研究[D];武漢理工大學(xué);2004年

7 張棟;基于DSP的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)[D];山東大學(xué);2010年

8 董沛君;高分辨率干涉型光纖傳感技術(shù)的研究[D];浙江大學(xué);2013年

9 王冬冬;基于F-P濾波器解調(diào)的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2011年

10 郭會(huì)勇;準(zhǔn)分布式光纖光柵漏油傳感器及敏感材料的研究[D];武漢理工大學(xué);2004年

  本文關(guān)鍵詞：基于光纖傳感的機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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