一种用于油液振动监测的光纤传感器
技术领域
本发明涉及油液振动监测领域，特别涉及一种用于油液振动监测的光纤传感器领域。
背景技术
油液在机械设备中起到润滑、热交换以及清洁系统的作用，被称之为设备的“血液”。特别是利用油液传递动力的液压系统，油液的运行状态(如振动、压力等参数的变化)极大地影响设备的安全运行和执行机构的运动准确性和稳定性。
由于机械设备的运转、油液流速变化、压力突变等原因，油液是不可避免的呈现振动状态。另外不论设备外部侵入还是内部产生的颗粒污染物，从它产生的来源和频度来看都与油液振动状态密切相关的，具体来说，颗粒污染物伴随着油液的振动，对元件内表面或摩擦副具有剪切作用，即这些颗粒污染物的存在会影响油液的动态特性，在油液振动信号中都会有不同程度的反映，而油液振动参数比起设备的其它状态参数能更直接、快速、准确地通过测量而获取。因此，对油液的振动状态进行监测，对有效地评估设备的健康状态，实现设备安全可靠运行具有重要的科学意义。
常见的振动监测是进行设备状态监测、故障诊断、产品的动态性能测试与优化设计等工作的重要环节，在不同的领域取得了广泛的应用，如发明(CN110567571A)公开了一种基于光纤分布式监测的输油管路振动检测方法，包括如下步骤：将光纤作为传感器沿着输油管路布置，光纤振动监测主机仿真正常情况下的管路噪声谱以及振动情况下的输油管摩擦振动噪声特性，光纤实时采集输油管摩擦产生的振动信号，并将振动信号传送至光纤振动监测主机，光纤振动监测主机根据振动信号特性，进行预处理和模式识别算法处理，并将处理结果与仿真结果进行比对，确认输油管摩擦振动情况，当振动幅度超出安全范围时，进行报警。该发明能够精准分析输油管振动情况。发明(CN111692054A)公开了基于振动时域与频域信号智能分析的风电齿轮箱瑕疵检测系统，包括：油液分析装置、振动监测装置、信号转换装置和故障分析装置；油液分析装置用于对风电机组齿轮箱的油液进行分析并根据故障分析装置发来的检测信号将油液分析结果发送给故障分析装置；可见该发明同样振动监测装置用于监测风电机组齿轮箱的振动情况，而对油液的分析并不是利用振动装置进行的。
随着光纤技术的发展也逐步应用到油液检测仪器中，利用光学纤维作为传导介质的光纤传感器技术以其高的抗干扰，不受温度、电磁等影响，文献(光纤油液污染监测传感器设计，殷勇辉，严新平，萧汉梁，仪表技术与传感器，2006.11)基于Beer-Lambert定律，利用悬浮在油液中的污染颗粒对入射光的吸收和散射作用，设计了光纤传感器探头，根据发光强度的变化来反映油液污染度的变化情况。发明(CN111997600A)涉及一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，其包括供液模块、供气模块、DAS系统模块、角度调节稳定模块、模拟管柱和液体循环处理模块。DAS系统模块由激光光源(18)、振动传感光纤(17)、振动信号采集处理器(19)和高速摄像头(20)构成，目的是同步采集图像和振动信号，利用光时域原理和背向瑞利散射原理进行流体振动信号的测量。可见，提出的这些技术方案可以实现油液中颗粒物或者油液运动状态的监测，但是涉及到很多复杂的算法以及监测装置，实时性和监测效果有待进一步提高。
发明内容
为了利用光纤技术对设备中的油液振动信号进行监测，克服以上技术方案的缺点，本发明提出一种用于油液振动监测的光纤传感器，提取出油液的振动信号特征，进而还可以对与油液有本质联系的颗粒污染物的含量进行监测的效果，从而表征设备运行的可靠性，将油液监测与振动监测属于不同学科的监测技术进行融合和交叉，实现设备安全运行的目的。
本发明待解决的技术问题是如何进行高效地实现设备中运行的油液振动的监测，获取油液的振动信号，以期达到设备安全运行的目的。
为解决上述的技术问题，本发明提出以下技术方案：
一种用于油液振动监测的光纤传感器，其特征在于，主要由圆柱形壳体、端盖、受压体、阻尼锥体、平衡弹簧、O型密封圈、传感光纤和参考光纤组成；所述的圆柱形壳体内部设置有通孔，一端设置有外延边沿，便于和端盖用螺钉相连接；所述的圆柱形壳体的另一端设置有M20×1.5的外螺纹，便于和设备中油液通道的标准传感器接口相连接；所述的端盖设置有O型密封圈槽，以安装O型密封圈，对本发明所述的圆柱形壳体内部的油液进行密封；所述的端盖中部朝向圆柱形壳体的一面安装阻尼锥体，阻尼锥体的最大直径与所述的阻尼管内径一致；在所述的端盖中部两侧对称设置传感光纤和参考光纤的通孔；所述的受压体是截面为工字型的圆柱体，外壁是圆柱形薄壁，薄壁与所述的圆柱形壳体的通孔进行间隙配合；所述的受压体中间设置有圆形受压面；所述的受压面中部设置有对称等长的阻尼管，所述的阻尼管与安装在端盖上的阻尼锥体在同一中心轴线上相互配合；所述的受压面中部两侧设置有与端盖的传感光纤和参考光纤通孔相对应的通孔；所述的平衡弹簧设置在受压体的薄壁与端盖之间，可根据设备中油液的压力大小进行2个(低压2MPa)、4个(中压10MPa以下)或6个(高压10MPa以上)进行均布；所述的传感光纤和参考光纤分别安装有相同的FBG(Fiber Braggart Grating)光栅，分别设置在端盖与受压面相应的通孔内，并对安装了传感光纤和参考光纤端盖内的通孔进行密封；受压面上安装传感光纤的通孔进行密封，受压面上安装参考光纤的通孔不进行密封，设置为自由端。
下面详细阐述本发明为解决的技术问题如何进行高效的实现设备中运行的油液振动的监测，获取油液的振动信号，以期达到设备安全运行的目的；而提出的一种用于油液振动监测的光纤传感器，其所采用的技术方案具体是：
(1)设置受压体可以实现传感光纤受油液振动方向的纵向单一性
由于机械设备的运转、油液流速变化、压力突变等原因，油液不可避免地呈现振动状态，加上油中颗粒污染物的存在会影响油液的振动信号。但油液的振动信号在油管中基本上是以纵向振动为主，相对于纵向振动，横向振动的幅值较小，但是不加以处理，这些横向振动仍会对油液中的传感光纤产生横向振动干扰，使其在纵向上产生伸缩位移的幅值受到影响。
本发明解决这个技术问题的技术方案是所述的受压体是截面为工字型的圆柱体，外壁是圆柱形薄壁，薄壁与所述的圆柱形壳体的通孔进行间隙配合；因为油液的纵向振动幅值远大于其横向振动幅值，可使受压体只能在油液纵向振动压力作用下沿圆柱形壳体的通孔轴向进行移动，横向振动的幅值小，且受限于薄壁与所述的圆柱形壳体的通孔的间隙，且横向振动产生的力在受压体圆周得到平衡，受压体的横向位移可以忽略不计。
另外所述的受压体中间设置有圆形受压面；所述的受压面中部设置有对称等长的阻尼管，所述的阻尼管与安装在端盖上的阻尼锥体在同一中心轴线上相互配合；所述的受压面中部两侧设置有与端盖的传感光纤和参考光纤通孔相对应的通孔。根据细长孔流的理论，所设置的阻尼管使受压面两侧的油压压差得到增加，从数量上将油液纵向振动对受压体的作用力进一步增大，提高了受压体纵向振动的优势，保障了传感光纤纵向受力的单一性。且由于所设置的阻尼锥体的最大直径与所述的阻尼管内径一致，因而根据油液的纵向振动压力的大小变化，设置在受压体的阻尼管与阻尼锥体的配合位置也同时发生变化，进而使受压体产生的运动阻尼发生相应的变化。如受压体在油液纵向振动下朝向端盖进行纵向移动，阻尼管与阻尼锥体的间隙越来越小，阻尼增大，最后使受压体运动停止；反之，当受压体在油液纵向振动压力作用下远离端盖进行纵向移动，阻尼管与阻尼锥体的间隙越来越大，阻尼减小，受压面两侧的油液压差减小，且在平衡弹簧的作用下，受压体的运动逐渐得到停止。
(2)设置参考光纤可以消除设备本体的振动对传感光纤对油液振动信号的干扰以及温度的影响
本发明所述的传感光纤和参考光纤分别安装有相同的FBG(Fiber BraggartGrating)光栅，分别设置在端盖与受压面相应的通孔内，并对安装了传感光纤和参考光纤端盖内的通孔进行密封；为了消除设备本体的振动对传感光纤对油液振动信号的干扰，受压面上安装传感光纤的通孔进行密封，受压面上安装参考光纤的通孔不进行密封，设置为自由端。即受压体在油液纵向振动压力作用下不论是朝向端盖方向还是远离端盖方向进行移动，传感光纤由于设置在受压面和端盖上的两端都进行了密封，会随着油液压力的振动产生纵向位移；而参考光纤只有端盖上的一端是密封的，在受压面的一端是自由的，因而不会随着油液压力的振动产生纵向位移。但是在设备本体会产生振动的影响下，可能会产生一些非油液振动的干扰信号，这些干扰信号同时对传感光纤和参考光纤进行等量影响，因而在光纤信号的解调仪中进行减除就可以消除这些干扰以及温度的影响。
(3)设置平衡弹簧可以实现传感光纤对油液纵向振动的往复运动的监测
因为油液的纵向振动是往复的过程，受压体在油液纵向振动下朝向端盖进行纵向移动时，阻尼管与阻尼锥体的间隙越来越小，阻尼增大，且平衡弹簧受压，最后使受压体运动停止；反之，当受压体在油液纵向振动压力作用下远离端盖进行纵向移动时，阻尼管与阻尼锥体的间隙越来越大，阻尼减小，受压面两侧的油液压差减小，因而需要平衡弹簧的作用，受压体的运动逐渐得到停止。因而本发明所述的弹簧设置在受压体的薄壁与端盖之间，可根据设备中油液的压力大小进行2个(低压2MPa)、4个(中压10MPa以下)或6个(高压10MPa以上)进行均布，用于实现传感光纤对油液纵向振动的往复运动的监测。
(4)设置O型密封圈和螺纹可实现本发明的结构组装和连接
所述的圆柱形壳体一端设置有外延边沿，便于和端盖用螺钉相连接；所述的圆柱形壳体的另一端设置有M20×1.5的外螺纹，便于和设备中油液通道的标准传感器接口相连接；
所述的端盖设置有O型密封圈槽，以安装O型密封圈，对本发明所述的圆柱形壳体内部的油液进行密封；同时在连接圆柱形壳体之前，方便本发明所述的受压体上的传感光纤和参考光纤等部件的安装和布置。
综上所述，本发明的有益效果为：
(1)设置所述的受压体为截面为工字型的圆柱体，外壁是圆柱形薄壁，薄壁与所述的圆柱形壳体的通孔进行间隙配合；所述的受压体中间设置有圆形受压面；所述的受压面中部设置有对称等长的阻尼管，所述的阻尼管与安装在端盖上的阻尼锥体在同一中心轴线上相互配合；所述的受压面中部两侧设置有与端盖的传感光纤和参考光纤通孔相对应的通孔，所设置的阻尼锥体的最大直径与所述的阻尼管内径一致。所设置的阻尼管使受压面两侧的油压压差得到增加，且使受压体只能在油液纵向振动压力作用下沿圆柱形壳体的通孔轴向进行移动，保障了传感光纤受纵向振动受力的单一性。
(2)所述的受压面上安装参考光纤的通孔不进行密封，设置为自由端，在光纤信号的解调仪中进行减除就可以消除设备本体会产生振动的影响。
(3)设置平衡弹簧可以实现传感光纤对油液纵向振动的往复运动的监测。
(4)所述的圆柱形壳体的另一端设置有M20×1.5的外螺纹，便于和设备中油液通道的标准传感器接口相连接。
(5)所述的端盖设置有O型密封圈槽，以安装O型密封圈，对本发明所述的圆柱形壳体内部的油液进行密封；同时在连接圆柱形壳体之前，方便本发明所述的受压体上的传感光纤和参考光纤等部件的安装和布置。可见本发明结构简单，便于安装调试，能够准确地实现油液振动的监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的受压体远离端盖的位置图。
图3为本发明的受压体朝向端盖的位置图。
图4为本发明的一种具体实施例示意图。
图中，1-圆柱形壳体的外螺纹，2-圆柱形壳体，3-圆柱形壳体的外延边沿，4-受压体，5-受压面，6-阻尼管，7-平衡弹簧，8-传感光纤，9-参考光纤，10-阻尼锥体，11-端盖，12-O型密封圈，13-ASE光源，14-3db耦合器，15-1#环形器，16-2#环形器，17-光纤解调仪，18-计算机，19-待监测油液通道。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种用于油液振动监测的光纤传感器，主要由圆柱形壳体2、端盖11、受压体4、阻尼锥体10、平衡弹簧7、O型密封圈12、传感光纤8和参考光纤9组成；所述的圆柱形壳体2内部设置有通孔，一端设置有外延边沿3，便于和端盖用螺钉相连接；所述的圆柱形壳体2的另一端设置有M20×1.5的外螺纹1，便于和设备中油液通道的标准传感器接口相连接；所述的端盖11设置有O型密封圈槽，以安装O型密封圈12，对本发明所述的圆柱形壳体2内部的油液进行密封；所述的端盖11中部朝向圆柱形壳体的一面安装阻尼锥体10，阻尼锥体10的最大直径与所述的阻尼管6内径一致；在所述的端盖11中部两侧对称设置传感光纤8和参考光纤9的通孔；所述的受压体4是截面为工字型的圆柱体，外壁是圆柱形薄壁，薄壁与所述的圆柱形壳体2的通孔进行间隙配合；所述的受压体4中间设置有圆形受压面5；所述的受压面5中部设置有对称等长的阻尼管6，所述的阻尼管6与安装在端盖上的阻尼锥体10在同一中心轴线上相互配合；所述的受压面5中部两侧设置有与端盖的传感光纤8和参考光纤9通孔相对应的通孔；所述的平衡弹簧7设置在受压体4的薄壁与端盖11之间，可根据设备中油液的压力大小进行2个(低压2MPa)、4个(中压10MPa以下)或6个(高压10MPa以上)进行均布；所述的传感光纤8和参考光纤9分别安装有相同的FBG(Fiber BraggartGrating)光栅，分别设置在端盖11与受压面5相应的通孔内，并对安装了传感光纤8和参考光纤9端盖11内的通孔进行密封；受压面5上安装传感光纤8的通孔进行密封，受压面5上安装参考光纤9的通孔不进行密封，设置为自由端。
结合上述附图对于本发明进行进一步说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图4所示，将本发明所述的圆柱形壳体2设置有M20×1.5的外螺纹1的一端，和设备中待监测油液通道19的标准传感器接口相连接；利用ASE光源13产生一定波长的光束，分别通过3db耦合器14的入口端，分为相同波长的两束干涉光，分别进入1#环形器15，2#环形器16的入口端，分别进入本发明所述的传感光纤8和参考光纤9。
待监测油液通道19的油液压力的纵向振动通过圆柱形壳体2的通孔，作用在受压面5的两侧。油液纵向振动压力不“振动”，则受压面5的两侧压力相同，受压体4位置不变；假定图4所示的位置关系受压面5的左侧纵向振动压力升高，高压油液通过阻尼管6经过阻尼锥体10的间隙流出，压力下降，使受压面5两侧压力差增加，且向右移动(如图3所示，受压体4也是传感光纤8产生一个L2的运动距离)，压缩平衡弹簧7，则传感光纤8受到纵向压缩，其反射波长λ1沿短波方向偏移；同时由于参考光纤9在受压面5上有自由端，在纵向方向上不受油液的压力作用，其反射波长λ2不发生偏移；随着受压体4向右移动距离的增大，阻尼管6和阻尼锥体10的间隙逐渐减小，直至完全封闭，且在平衡弹簧7的反作用力作用下，受压体4停止移动，以免使传感光纤过度弯曲，而影响监测的准确性。反之，图4所示的位置关系受压面5的左侧纵向振动压力降低，高压油液通过阻尼管6经过阻尼锥体10的间隙流出，压力下降，使受压面5两侧压力差增加，且向左移动(如图2所示，受压体4也是传感光纤8产生一个L1的运动距离)，拉伸平衡弹簧7，则传感光纤8受到纵向拉伸，其反射波长λ1沿长波方向偏移；同时由于参考光纤9在受压面5上有自由端，在纵向方向上不受油液的压力作用，其反射波长λ2不发生偏移；随着受压体4向左移动距离的增大，阻尼管6和阻尼锥体10的间隙逐渐增大，直至受压面5的两侧压力相同，且在平衡弹簧7的反作用力作用下，受压体4停止移动，以免使传感光纤过度拉伸，而影响监测的准确性。
可以看出，待监测油液通道19的油液纵向振动在作用于受压面5的加压和减压过程中，明显出现了传感光纤8的FBG反射中心波长的变化过程。携带油液振动的的传感光纤8以及参考光纤9的反射波长分别经过1#环形器15，2#环形器16的出口端进入光纤解调仪17进行解调后，利用计算机18对相应的信号进行分析和处理，就可以得到待监测油液通道19的油液振动状态，实现油液的振动监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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