往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究范文

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作者對(duì)常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種“L”型結(jié)構(gòu)光纖光柵振動(dòng)傳感器，并通過(guò)實(shí)（試）驗(yàn)對(duì)傳感器及其系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。

傳感器原理及結(jié)構(gòu)

光纖光柵傳感技術(shù)使用的核心敏感元件是光纖Bragg光柵（下文簡(jiǎn)稱FBG），F(xiàn)BG傳感的基本原理是：當(dāng)FBG周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產(chǎn)生FBG信號(hào)的波長(zhǎng)位移，通過(guò)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)位移情況，即可獲得待測(cè)物理量的變化情況［7］。圖1為FBG的傳感原理。基于FBG的應(yīng)變傳感原理，在對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種“L”型結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動(dòng)傳感器，如圖2所示，傳感光柵一端直接固定在外殼上，另一端固定在“L”型桿上。同懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：1）避免了柵區(qū)粘貼帶來(lái)的光纖光柵反射波啁啾或多峰現(xiàn)象；2）振子產(chǎn)生相同振幅時(shí)帶來(lái)柵區(qū)變形更大，使靈敏度提高。合理調(diào)整人工阻尼可以使傳感器有較寬的頻響范圍，幅值和相位失真均較小，并且人工阻尼的存在延長(zhǎng)了使用器件的壽命。

FBG振動(dòng)傳感器實(shí)驗(yàn)

光纖光柵振動(dòng)傳感器的實(shí)驗(yàn)研究主要測(cè)試幅頻特性和靈敏度兩個(gè)參數(shù)，采用了丹麥B＆K公司的振動(dòng)激勵(lì)和信號(hào)采集等設(shè)備。在試驗(yàn)中，采用LAN－XI振動(dòng)分析系統(tǒng)自帶的信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一定頻率的加速度信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量當(dāng)前加速度值。將光纖光柵加速度傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)上，其波長(zhǎng)變化通過(guò)BGD－4M型光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出來(lái)，并顯示在計(jì)算機(jī)軟件界面上。

1傳感器幅頻特性

在傳感器幅頻特性測(cè)試中，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)來(lái)輸出1m／s2的恒定加速度值，輸出頻率從3Hz開(kāi)始，每遞增5Hz為一個(gè)步長(zhǎng)。在測(cè)試過(guò)程中，不斷觀察光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)輸出波長(zhǎng)的變化，以確定傳感器的固有頻率和測(cè)試范圍。實(shí)驗(yàn)（圖3）顯示，在3～60Hz范圍內(nèi)，1m／s2的加速度引起的光纖光柵波長(zhǎng)變化在86pm左右；在90Hz時(shí)，波長(zhǎng)變化超過(guò)270pm；90Hz以后，隨著頻率的增加，光纖光柵波長(zhǎng)變化開(kāi)始下降。通過(guò)對(duì)多組傳感器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果基本符合上述測(cè)試情況。這表明，傳感器的固有頻率多維持在90Hz左右，曲線平整段為3～60Hz范圍，即傳感器的工作頻率范圍為3～60Hz。

2靈敏度參數(shù)的標(biāo)定

由于只采用了1個(gè)光纖光柵作為傳感元件，因此該傳感器用于振動(dòng)測(cè)量時(shí)，必須考慮環(huán)境溫度變化的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)處理時(shí)，以光柵反射波峰與波谷的差值（峰－谷）作為輸出信號(hào)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：1）提高了傳感器的靈敏度；2）實(shí)現(xiàn)了溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光柵反射峰將會(huì)整體移動(dòng)，因此，峰－谷與溫度變化無(wú)關(guān)，從而達(dá)到溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)男ЧＵ駝?dòng)加速度傳感器的靈敏度標(biāo)定，選擇了多個(gè)測(cè)試頻率，在每個(gè)測(cè)試頻率下，通過(guò)改變振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)加速度，使光纖加速度傳感器在不同的加速度下運(yùn)行，通過(guò)提取波長(zhǎng)變化量來(lái)求取傳感器的靈敏度。其中20Hz下的靈敏度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，傳感器的波長(zhǎng)變化量與加速度值具有很好的線性關(guān)系，該傳感器的靈敏度為81．9～87．4pm／（m•s－2），與幅頻特性曲線測(cè)試結(jié)果基本一致。加速度測(cè)量范圍大于25m／s2。

FBG振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工業(yè)性試驗(yàn)

1傳感器布點(diǎn)及安裝

工業(yè)性試驗(yàn)的對(duì)象是對(duì)稱平衡兩缸往復(fù)式壓縮機(jī)，監(jiān)測(cè)參數(shù)是氣缸表面振動(dòng)和氣閥表面溫度，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，在兩氣缸的表面分別安裝了垂直、水平和軸向的FBG振動(dòng)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)氣缸的工作狀態(tài)，另外，在每個(gè)氣閥的表面安裝光纖溫度傳感器。傳感器均采用磁鐵吸附式安裝，既保證了對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響，也方便了傳感器的安裝、拆卸和移位，不影響設(shè)備的維修、保養(yǎng)，如圖6所示。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

如圖7所示，往復(fù)式壓縮機(jī)的光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件部分由光纖傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成；軟件部分包括各種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制、通信軟件以及壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)專家評(píng)估軟件，同時(shí)還包含對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等。由軟件和硬件系統(tǒng)密切配合實(shí)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)工作狀態(tài)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)及狀況評(píng)估功能。該機(jī)組的基頻為333／6＝5．56Hz，文中研制的“L”型FBG振動(dòng)傳感器的最高頻響可達(dá)到60Hz，信號(hào)解調(diào)選擇BGD－4M波長(zhǎng)解調(diào)儀，最高采樣頻率為400Hz，均滿足往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要。圖8為系統(tǒng)拓?fù)鋱D，現(xiàn)場(chǎng)光纖振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)光纜匯集傳回監(jiān)控室接入光纖光柵解調(diào)器，將采集、軟件分析處理后的結(jié)果存入服務(wù)器，通過(guò)本地客戶端計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢，該系統(tǒng)留有互聯(lián)網(wǎng)接口，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。

3數(shù)據(jù)分析

為了檢測(cè)光測(cè)法的測(cè)試效果，采用電測(cè)法與光測(cè)法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。采用的“L”型光纖振動(dòng)傳感器輸出量是加速度值，通過(guò)軟件一次積分可輸出振動(dòng)速度值，采用頻譜法分析。電測(cè)法采用地震局的941B速度檔采集數(shù)據(jù)，用自功率譜法分析。圖9為兩種方法測(cè)得的壓縮方向的振動(dòng)速度譜。比較圖9，可知兩種方法測(cè)得的速度頻譜分布基本一致，而且另外兩個(gè)方向的對(duì)比結(jié)果與壓縮方向相同。表1為兩種方法測(cè)得的振動(dòng)烈度值，根據(jù)GB／T7777—2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》可知，上述振動(dòng)量值均在正常允許范圍內(nèi)，因此壓縮機(jī)的工作狀態(tài)正常。分析上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可得出：1）光纖振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，目前氣缸端蓋3個(gè)方向的振動(dòng)烈度中，壓縮方向最大，垂直方向次之，水平方向最小；2）壓縮機(jī)組正常工作時(shí)，其振動(dòng)頻譜包含以基頻（轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）為主的各階諧波分量，振動(dòng)能量主要集中在60Hz以內(nèi)；3）光纖振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果表明，壓縮機(jī)端蓋3個(gè)方向的振動(dòng)烈度值和振動(dòng)頻譜穩(wěn)定，按照壓縮機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)機(jī)組狀態(tài)是正常的；4）該項(xiàng)目中采用的磁鐵吸附式安裝方式，使傳感器的安裝、移位和拆卸非常方便，且不會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度，非常適合大型機(jī)械的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；5）雖然壓縮機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法和手段多種，測(cè)量結(jié)果也基本接近，但適合長(zhǎng)期、遠(yuǎn)程、在線監(jiān)測(cè)的并不多，該系統(tǒng)近1年的運(yùn)行情況證明了光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了上述功能，而且它的抗電磁干擾能力和本征安全的特點(diǎn)非常適合在石化行業(yè)中應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，研制了一種“L”型結(jié)構(gòu)的光纖光柵振動(dòng)傳感器。該傳感器克服了電磁類振動(dòng)傳感器的缺點(diǎn)，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、本征安全、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：該振動(dòng)傳感器的頻率響應(yīng)范圍是0～60Hz，靈敏度為86pm／（m•s－2），加速度測(cè)量范圍大于25m／s2。另外，將該傳感器及其系統(tǒng)在往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)工業(yè)性試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用，并將測(cè)試結(jié)果與電磁類傳感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者測(cè)得的結(jié)果基本一致。通過(guò)近1年時(shí)間的應(yīng)用，初步證明了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，滿足往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要。（本文作者：朱曉明、南秋明單位：中國(guó)石油化工股份有限公司武漢分公司、武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）