往复式压缩机振动监测技术研究范文

作者对常用的悬臂梁结构进行了改进，设计了一种“L”型结构光纤光栅振动传感器，并通过实（试）验对传感器及其系统的性能进行了研究。

传感器原理及结构

光纤光栅传感技术使用的核心敏感元件是光纤Bragg光栅（下文简称FBG），FBG传感的基本原理是：当FBG周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生FBG信号的波长位移，通过监测波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情况［7］。图1为FBG的传感原理。基于FBG的应变传感原理，在对悬臂梁结构改进的基础上，设计了一种“L”型结构的光纤光栅振动传感器，如图2所示，传感光栅一端直接固定在外壳上，另一端固定在“L”型杆上。同悬臂梁结构相比，这种结构设计的主要优点有两点：1）避免了栅区粘贴带来的光纤光栅反射波啁啾或多峰现象；2）振子产生相同振幅时带来栅区变形更大，使灵敏度提高。合理调整人工阻尼可以使传感器有较宽的频响范围，幅值和相位失真均较小，并且人工阻尼的存在延长了使用器件的寿命。

FBG振动传感器实验

光纤光栅振动传感器的实验研究主要测试幅频特性和灵敏度两个参数，采用了丹麦B＆K公司的振动激励和信号采集等设备。在试验中，采用LAN－XI振动分析系统自带的信号发生器来产生一定频率的加速度信号，通过标准加速度计来准确测量当前加速度值。将光纤光栅加速度传感器固定在振动台上，其波长变化通过BGD－4M型光纤光栅解调仪解调出来，并显示在计算机软件界面上。

1传感器幅频特性

在传感器幅频特性测试中，通过调节振动台来输出1m／s2的恒定加速度值，输出频率从3Hz开始，每递增5Hz为一个步长。在测试过程中，不断观察光纤光栅解调系统输出波长的变化，以确定传感器的固有频率和测试范围。实验（图3）显示，在3～60Hz范围内，1m／s2的加速度引起的光纤光栅波长变化在86pm左右；在90Hz时，波长变化超过270pm；90Hz以后，随着频率的增加，光纤光栅波长变化开始下降。通过对多组传感器进行测试，结果基本符合上述测试情况。这表明，传感器的固有频率多维持在90Hz左右，曲线平整段为3～60Hz范围，即传感器的工作频率范围为3～60Hz。

2灵敏度参数的标定

由于只采用了1个光纤光栅作为传感元件，因此该传感器用于振动测量时，必须考虑环境温度变化的影响。为了解决这个问题，在进行标定数据处理时，以光栅反射波峰与波谷的差值（峰－谷）作为输出信号，该方法的优点在于：1）提高了传感器的灵敏度；2）实现了温度的自动补偿。当环境温度变化时，光栅反射峰将会整体移动，因此，峰－谷与温度变化无关，从而达到温度自动补偿的效果。振动加速度传感器的灵敏度标定，选择了多个测试频率，在每个测试频率下，通过改变振动台的激励加速度，使光纤加速度传感器在不同的加速度下运行，通过提取波长变化量来求取传感器的灵敏度。其中20Hz下的灵敏度曲线如图4所示。从图4可以看出，传感器的波长变化量与加速度值具有很好的线性关系，该传感器的灵敏度为81．9～87．4pm／（m•s－2），与幅频特性曲线测试结果基本一致。加速度测量范围大于25m／s2。

FBG振动测试系统工业性试验

1传感器布点及安装

工业性试验的对象是对称平衡两缸往复式压缩机，监测参数是气缸表面振动和气阀表面温度，测点布置如图5所示，在两气缸的表面分别安装了垂直、水平和轴向的FBG振动传感器来监测气缸的工作状态，另外，在每个气阀的表面安装光纤温度传感器。传感器均采用磁铁吸附式安装，既保证了对测量结果无影响，也方便了传感器的安装、拆卸和移位，不影响设备的维修、保养，如图6所示。

2监测系统组成

如图7所示，往复式压缩机的光纤振动监测系统由硬件部分和软件部分构成。硬件部分由光纤传感器、光纤光栅解调仪、网络通信设备和计算机等构成；软件部分包括各种硬件设备驱动、控制、通信软件以及压缩机状态监测专家评估软件，同时还包含对所测量的数据进行处理的数据库管理软件等。由软件和硬件系统密切配合实现往复式压缩机工作状态的长期健康监测及状况评估功能。该机组的基频为333／6＝5．56Hz，文中研制的“L”型FBG振动传感器的最高频响可达到60Hz，信号解调选择BGD－4M波长解调仪，最高采样频率为400Hz，均满足往复式压缩机振动监测的需要。图8为系统拓扑图，现场光纤振动和温度监测信号经光缆汇集传回监控室接入光纤光栅解调器，将采集、软件分析处理后的结果存入服务器，通过本地客户端计算机进行实时监控和查询，该系统留有互联网接口，通过互联网，还可实现远程访问和控制。

3数据分析

为了检测光测法的测试效果，采用电测法与光测法进行对比测试分析。采用的“L”型光纤振动传感器输出量是加速度值，通过软件一次积分可输出振动速度值，采用频谱法分析。电测法采用地震局的941B速度档采集数据，用自功率谱法分析。图9为两种方法测得的压缩方向的振动速度谱。比较图9，可知两种方法测得的速度频谱分布基本一致，而且另外两个方向的对比结果与压缩方向相同。表1为两种方法测得的振动烈度值，根据GB／T7777—2003《容积式压缩机机械振动测量与评价》可知，上述振动量值均在正常允许范围内，因此压缩机的工作状态正常。分析上述测试数据，可得出：1）光纤振动在线监测结果显示，目前气缸端盖3个方向的振动烈度中，压缩方向最大，垂直方向次之，水平方向最小；2）压缩机组正常工作时，其振动频谱包含以基频（转动频率）为主的各阶谐波分量，振动能量主要集中在60Hz以内；3）光纤振动在线监测系统试运行结果表明，压缩机端盖3个方向的振动烈度值和振动频谱稳定，按照压缩机的国家标准评价机组状态是正常的；4）该项目中采用的磁铁吸附式安装方式，使传感器的安装、移位和拆卸非常方便，且不会影响传感器的测量精度，非常适合大型机械的振动状态监测；5）虽然压缩机组的振动监测方法和手段多种，测量结果也基本接近，但适合长期、远程、在线监测的并不多，该系统近1年的运行情况证明了光纤振动监测系统很好地实现了上述功能，而且它的抗电磁干扰能力和本征安全的特点非常适合在石化行业中应用。

结语

针对往复式压缩机的振动监测需求，研制了一种“L”型结构的光纤光栅振动传感器。该传感器克服了电磁类振动传感器的缺点，具有抗电磁干扰能力强、本征安全、信号传输距离远、长期稳定性好的特点。通过实验对其性能进行了研究，结果表明：该振动传感器的频率响应范围是0～60Hz，灵敏度为86pm／（m•s－2），加速度测量范围大于25m／s2。另外，将该传感器及其系统在往复式压缩机振动监测工业性试验中进行了应用，并将测试结果与电磁类传感器测试结果进行了对比，两者测得的结果基本一致。通过近1年时间的应用，初步证明了系统运行稳定，测试数据可靠，满足往复式压缩机振动监测的需要。（本文作者：朱晓明、南秋明单位：中国石油化工股份有限公司武汉分公司、武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室）