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使用光纤光栅传感器对重型机械设备的数字监控
这篇文章包括了使用光纤光栅传感器对重型机械设备的数字监控的原理和技术。新型光纤光栅传感技术的基本原理包括了光纤光栅的光折变效应的物理形成，以及其光学性质和光栅参数之间的关系，已被研究。也对用于恶劣环境和极端条件下的用于监控重型机械设备的光纤光栅传感器的封装和分配计划进行了研究。此外，研究压力、温度、位移、光纤光栅和检测接口之间的压力传输特性的理论和实验被提出。在不均匀温度场的温度补偿的方法和原理也被详细的描述出来。与传统的传感监测技术相比，光纤光栅技术的应用在数字监控和诊断重型机械设备有许多显著的技术优势,因此将在这一领域取得一个新的突破。
光纤光栅传感器 重型机械设备 数字监控 温度补偿
1、介绍
重型机械设备是制造业和国防产业的关键。由于其复杂的结构特点、高成本和极端的工作条件，因此其设计、制造非常复杂，对其的监测和诊断也十分困难。此外，很难全面、系统地掌握其在线状态,特别是运行状态。到目前为止，重型机械设备的在线监测技术水平仍低于满意,运行过程中导致许多严重的事故。例如，很多严重事故已经造成的各种机械故障,如飞机发动机的故障,大型汽轮发电机组,蒸汽和烟雾电站的涡轮发动机,和大型港口设备等。这些事故不仅给企业和国家造成巨大的经济损失，而且有时会产生危害生命的灾难。因此，这些事故带来的直接、间接的经济损失和社会影响是无限的。
随着科学技术的发展，对多参数、大容量、分布式、实时在线检测技术的需求越来越迫切，尤其是对重型机械设备的监控领域。由于结构的原因，重型机械设备是复杂的，其工作环境是高温、高压、高转速的，它的状态特点是多样性、耦合性和非线性。不幸的是，传统的电子测量技术不能满足多参数、大容量、分布式、实时的检测和监控的需求。
最近，许多国内外大学和研究机构一直在努力寻求新的理论和新的方法用于对重型机械设备和光纤光栅传感器的实时在线监测的实际原理和技术来解决上述问题。光纤光栅传感器的特点是微型维度、防爆、电绝缘、免疫电磁干扰、精度高、可靠性高、以及良好的环境适应性。此外，一些测量光栅可以部署在一个纤维上(可作为分布式传感器)来测量不同参数，多参数、多领域的实时状态测量可以实现。由于其独特的优点，光纤光栅传感器技术已广泛用于许多工程领域，特别是在对大型桥梁、大坝、核电站的安全监控等关键项目。
由于其独特的特点：良好的环境适应性和分布式多参数检测功能，光纤光栅传感器技术也已经被迅速应用于大多数工业领域，特别是，它吸引了越来越多的来自航空航天和国防工业的关注。例如，超过数百名光纤光栅被埋到波音777的机翼实现对其结构的分布式、实时和多参数监测。通过这样做，系统设计的安全系数冗余大大减小，避免了技术材料的浪费,而且经济效益显著提高。此外,随着光纤数据总线技术和光纤数据分布网络技术,在美国光纤光栅技术已应用于研究和开发第四代战斗飞机f-22。这些例子表明,应用光纤光栅技术的发展趋势是对重型机械设备的监测。结合数字测量理论,光纤光栅传感技术可以实现光波长变化的绝对测量,所以,它优于传统的光纤传感技术。因此，光纤光栅技术被认为是实现长期数字监测重型机械设备的基本技术,它将会有强大的生命力和繁荣的应用前景。
在中国，许多大学，包括哈尔滨工业大学、清华大学、重庆大学、武汉理工大学等,对光纤光栅进行了大量的研究，取得了很多成就。例如，来自四川大学的黄等人提出了一个使用光纤光栅/EFPI传感器同时测量位移和温度的新方法。他的方法可以使用集成光纤光栅传感器同时测量静态应变参数、温度和振动。他的研究促进了基于光纤光栅分布式静态测量的研究，来自大连理工大学的ou等采用光纤光栅技术来检测由地震引起的钢筋混凝土结构的损伤和监测海洋平台结构的安全。来自武汉理工大学的江得胜在光纤光栅传感器的工业化生产和结构安全监测技术方面有杰出的成就，特别是在关键性工程的安全监测方面，例如：桥梁、隧道、大坝、石油化工、冶金等行业。他的研究在生产和制造技术的光纤光栅和调制/解调技术在中国已达到领先地位。此外,他对光纤光栅传感器的工业化生产的研究已经进入国际领先行列。
2、新型光纤光栅传感技术的基础
作为光纤光栅传感器的关键，光纤光栅是通过紫外曝光过程制作的高掺杂光纤(或低掺杂纤维受氢加载过程)。新型光纤光栅的基本原理和关键技术介绍如下。
2.1 新型光纤光栅传感器的基础研究
如前所述，重型机械设备的工作环境通常是高温、高速、重载。因此，新型光纤光栅传感器的主要问题是光纤光栅的光折变效应,光纤光栅的形成和衰减机制。决定高性能光纤光栅传感器发展的关键问题是在极端工作条件下对它的敏感性能和细衰变特性的发展理论和技术研究。新型光纤光栅的主要研究工作可以被描述为以下三个方面。
第一个方面是基于氢加载的理论和实验研究下对光纤光栅的性能对氢载荷的影响的研究。通过系统研究氢荷载条件的影响,紫外线曝光时间,和退火过程的紫外线敏感掺假锗纤维,最优加载过程中,氢写方法(特别是光刻技术),退火工艺,涂料层去除方法。这些流程和方法提供了理论和实验依据高可靠性光纤光栅的制作。实验结果测试折射率之间的关系,氢退火过程和加载条件如图1 - 4所示。
基于光纤光栅的耦合模型理论，第二个方面是对光纤光栅的光学特性和光栅参数间的关系以及光纤光栅的光学特性和曝光时间间的关系的研究。为了提高光纤光栅的制造过程和性能，对其一系列技术过程的研究已经开始执行，例如分布式传感阵列和网络系统的相位掩模制造过程、光纤光栅的设计过程和光谱形状控制过程。通过对光纤光栅的光学特性和光栅参数之间的关系,以及光栅参数和不同的折射指数之间的关系的理论研究，可以实现光纤光栅的设计和优化。通过控制曝光时间，满足某些光学特性要求的高质量光纤光栅传感器的制作已经实现。通过研究相位掩模制造技术的方法,建立了光纤光栅的可取的制造过程。所有上面的研究为传感器有利和一致的发展定下了坚实的基础。
第三个方面是研究退火过程中光纤光栅的稳定性评价方法和力学性能。通过理论研究耦合模型理论,建立了光纤光栅的衰变模型和光纤光栅的主要衰减曲线。同时,基于实验研究光纤光栅的衰变模型在不同的环境下,可以满足长期稳定光纤光栅的稳定性评价方法和退火过程的需求已经实现。
2.2对在严重的应用程序环境光纤光栅传感器的研究
通常，能够满足正常工程监测应用需求的光纤光栅的传感探头和一部分被监视的设备由胶连接。然而,由于大多数胶粘剂是由有机材料制成的,当应用于高速旋转机械、大应变或侵蚀环境时它不能忍受长时间的工作时间,即使在一些保护机制下。此外,由正常胶封装光纤光栅可以在仅仅200℃的温度下工作,否则,它将因为碳化有机材料的特征而失去其保护作用。基于这些考虑,为了发展可满足监测重型机械设备需求的光纤光栅，提出了无粘着力的封装方法。
无粘着力的封装方法的研究包括石英光纤表面金属化过程和无粘着力的封装技术。金属化光纤光栅有足够的长度和坚持力可以与其他类型的金属焊接。无粘着力的封装方法是在一片金属采用特殊金属化过程直接解决光纤,然后给出预应力的光纤光栅和光纤光栅与金属管道或金属薄片焊接。这种方法可以完成金属化封装结构,因此它可以提高灵敏度,线性度、稳定和光纤光栅传感器的温度范围。除了对封装方法的研究,对精密焊接技术和用于焊接金属化光纤光栅的过程和传感探头也进行了研究。焊接材料是精心挑选的,目的是确保无粘性光纤光栅的应变传输效率,并改善在大压力下传感器的持久能力。目前,在重型机械设备在高速度和沉重的压力环境下，光纤光栅的应变可以忍受已经达到plusmn;4000mu;ε,可合理地满足在线实时监控的要求。
此外,作为监控重型机械设备的应用程序，由于设备的某些部分的环境温度可以达到高达500 - 600℃或低minus;50℃，由于工作原因正常的光纤光栅不能在这样严重的应用程序环境中，他们只能在200℃的温度下工作。然而，通过提出的方法如掺杂纤维芯材料和金属化光纤光栅，由高温和极端低温脆化问题引起的有机材料的防护层碳化问题是可以克服的。根据我们的分析和实验,生产镍金涂层光纤光栅适用于长时间工作,当工作温度达到高达670℃或低minus;60℃时仍然可以保持稳定。在某些情况下,通过我们实验室的实验制作的光纤光栅传感器的温度可以高达900℃,也可以低至minus;70℃。
上述研究结果表明,光纤光栅传感器的工作温度范围可以扩大,和适合各种类型的光纤光栅的基本敏感组件可以生产。因此,采用无粘着力的开发的光纤光栅能满足对重型机械设备数字监控的要求，例如涡轮发动机,石油机械、钻床等。
3、光纤光栅传感器的应变传播特点和效率
在使用光纤光栅传感器监测重型机械设备的过程中，各种物理变量的变化转化为光纤光栅的应变变化。因此，光纤光栅传感器和监测接口间的应变传播特性、传输能力和应变效率是确定光纤光栅传感器性能的关键因素。
3.1光纤光栅传感器的应变传播特性和复合弹性体结构
根据长期在线数字监测的需求和为重型机械设备的故障诊断，光纤光栅传感器和检测接口的应变传播特性、光纤光栅的复合弹性体结构都已经进行了理论和实验研究。基于这些研究，基本的设计方法和制造和光纤光栅应变传感器的安装过程都已经建立了。一般来说,重型机械设备的物理数量不能被裸光纤光栅检测到的,所以,必须采用适当的媒介来传输其物理量的变化。传感器应变传输和转换图如图5所示。
虽然光纤光栅传感器的结构和隐藏方法与传统的电气测量传感器是不同的，从力学的角度传播看，他们都试图通过媒介有效地将物理量变化(如应力、应变、温度等)传输给传感器的传感元件。一个光纤光栅传感器主要由一个电转换结构、一个光纤光栅敏感组件和一个弹性体组件构成。如图5所示,当受到测量的物理量(如力、压力、扭矩、位移,等等)，结构会将物理量转换成弹性体组件的常应变，这个变化与物理量成正比。然后,弹性体的应变变化组件将通过光纤光栅敏感组件被转换成光学波长的变化。因此，应变的传输效率和传输速度将直接影响光纤光栅的性能。在设计一个光纤光栅时，测量对象之间的微观力学和应变传播分析结构、介质和传感器的结构是尤其应该探索的关键因素。
为了确保光纤光栅传感器的压力透射系数具有良好的线性特性，所有传感器的封装、石膏和密封材料必须采用线性和弹性材料。此外，根据长期监测的要求，为了维持rε的稳定，封装的力学特征、石膏和密封材料必须是稳定的。同时，封装的界面疲劳损伤、石膏和密封材料必须很小。如前所述,通过分析压力透射系数rε,材料选择的新方法，光纤光栅应变传感器的设计和安装的可以被发现。此外，采用有限元方法和其他力学方法可以将光纤光栅传感器的微观力学和应变传导机制、几种典型传感器的应变传播特性分析出来。因此,高性能光纤光栅可以开发和重型机械设备的监控可以实现。光纤光栅应变之间的关系透射系数rε如图6所示。
3.2光纤光栅传感器的石膏和封装的理论和实验研究
监测重型机械设备时为了测量金属物体的外部和内部压力,结构简单,测量精度高的石膏光纤光栅应变传感器得以发展。
石膏的光纤光栅应变传感器可以贴表面的测量设备作为传感组件，用于监视测量设备的结构变形。当测量设备的材料结构改变时,结构变形将通过胶粘剂传递给传感器，然后，传感器将被拉长或缩短,光纤光栅的光波长会相应改变。因此,确定光纤光栅的性能的关键因素是变形石膏光纤光栅应变传感器和测量设备材料之间的传输容量和应变效率。实际上，还有很多其他因素会影响变形传播，如石膏层的弹性模量和厚度，传感器的弹性模量和厚度，两个参数材料特性的对比。如图8所示,采用有限元的方法，我们可以分析石膏长度之间的关系，毛细不锈钢管和石膏层的厚度比，石膏层的弹性模量，石膏层和变形传播的泊松比。分析结果可以提供一个设计这种传感器的理论依据。
由于复杂的重型机械设备的结构，监测之前必须建立结构模型。基于结构模型，关键物理量测量和相应的测量位置可以确定，这是测量传感器的分配计划策略的理论依据。有七个因素可以影响传感设备的长期稳定,如光栅传感组件的长期稳定性、传感组件的材料和过程、光纤光栅传感组件的预应变、光纤光栅传感组件的自负和修复技术、适当的结构设计技术,适当的封装技术、测试传感器的长期稳定性的快速实验技术。通过分析这些因素，我们可以得出一个结论，对于一个有特定结构的光纤光栅应变传感器，影响其长期稳定性的主要因素是由热机械耦合函数引起的传播特征的变化。此外，监控重型机械设备的另一个重要因素是传感器分布的优化规划。
- 研究不均匀温度场和热应变/温度梯度之间的关系
如图9所示，重型机械设备的一部分(简支梁)作为非均匀温度场和热应变/温度梯度的监控例子。热源引起的温度上升后,监视点# 1,# 2,# 3形成一个温度分布梯度。他们通过光纤光栅传感器# 1、# 2、# 3标记出温度参数，而由光纤光栅传感器# 4测量出对应变。实验数据都存储在计算机数据库中。图10是三个监视点的温度变化曲线。
为了获得规则简支梁的时空变化,上述测量数据需要适合以下数学方程:
其中x是一个光栅的位置变化；T(x,t)意味着随热源的时间和距离温度的变化，这是在e的负指数的分布式;T(t)意味着热源的温度随时间变化；K(t)是指热源随时间变化的趋势,这是一个线性函数用来描述温度上升的过程；alpha;(t)意味着简支梁的梯度分布，T(t)、K(t)和alpha;(t)分别可以通过方程表示如下：
表1给出了在六个时间点三个监视点的温度数据，在数学拟
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