基于光纤光栅传感的翻车机监测评价系统设计.pdfVIP

基于光纤光栅传感的翻车机监测评价系统设计 1,2 1 侯贵宾 ，刘泉 1. 武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070 ） 2. 秦皇岛港股份有限公司，秦皇岛 (066002) E-mail：houguibin@ 摘 要：针对翻车机在线监测与评价分析，本文通过研究光纤光栅传感技术，应用光纤光栅 传感器，对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布喇格波长进行检测，实现翻车机结构的应 变和温度量值的测量。同时，根据翻车机的结构和主要部位受力状态，提出了翻车机光纤光 栅传感器布置及走线方案，通过光纤光栅应变传感器、光缆、光纤光栅波长解调仪、计算机 进行数据采集，并设计了处理流程、评估知识规则及推理方法，建立了一个翻车机监测评价 系统，解决了以往翻车机难以实现结构受力状况的长期可靠监测、实时动态数据采集以及准 确定位故障的问题，并成功应用于港口翻车机状态监测中，证明了该系统的对提升翻车机监 测水平，具有较大的研究价值。 关键词：翻车机；光纤光栅传感；在线监测 1．引言 翻车机是一些港口、厂矿、企业将列车载运的散装货物按车箱整箱翻转卸货， 实现散 货自动运输的大型生产机械，其健康状况直接影响卸货效率的高低[1] 。由于测试技术条件的 局限性，以前主要采用电阻应变计、振弦式传感器和电磁类测试技术，难以实现翻车机结构 受力状况的长期可靠监测和实时动态数据采集以及准确定位故障。 光纤Bragg光栅传感器（FBG ）作为一种新型光纤传感器，具有光纤兼容性、抗电磁干 扰、耐腐蚀、体积小和便于复用等优良特性，成为新一代智能传感技术的研究热点。基于 Bragg光纤光栅传感机理及多通道解调技术的应力应变测试系统为翻车机金属结构应力在线 监测提供了一种新的思路。 本文采用光纤光栅传感技术，通过在翻车机关键点上安装光纤光栅传感器，并设计数据 采集、健康监测评价系统，对正确掌握翻车机健康状况，及时发现并排除故障具有重要意义。 2 ．光纤光栅传感技术 光纤光栅传感技术是通过对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布喇格波长的检测，实 现被测结构的应变和温度量值的测量的技术[2] 。 光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1 比包层折射 率n2大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后会对入射 的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光[3] 。这 样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。布拉格波长决定于折射率调制的空间周期Λ 和调制的幅度大小，用数学公式表示如下[4] ： λ 2n Λ B eff （1） λ n B eff Λ 为光栅的布拉格波长， 为光栅的有效折射率， 为光栅条纹周期。 对公式（1）取微分得： Δλ 2n ΔΛ+2Δn Λ B eff eff （2 ） 从式中可以看出，当neff或Λ改变时，中心反射波长会相应的发生改变。光纤光栅传感的基 -1- 本原理是（参见图1）：当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导 致光栅周期Λ或纤芯折射率neff 的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移ΔλB ，通过检 测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。[5] 图1 光纤光栅传感检测原理 Fig1 The