傳感器與機械設備檢測

1、傳感器與機械設備檢測摘要：傳感技術作為信息技術的三大支柱之一，隨著時代的進步呈現(xiàn)飛速發(fā)展，其應用范圍也愈來愈廣。其中光纖傳感器以其便攜、耐腐蝕、抗干擾能力強等諸多特性成為信息技術的研究熱點，并已成為新一代傳感器的代表，廣泛應用于各行各業(yè)。同時，光纖傳感器也應用于機械設備檢測中。由于在機械設備的檢測中, 不能破壞檢測對象, 因而重點介紹了光纖傳感器在機械設備檢測中的應用。光纖傳感器不僅能夠滿足機械設備的檢測要求, 而且還能實現(xiàn)對機械設備的無損檢測。關鍵詞：光纖傳感器；機械設備檢測；光纖傳感技術 光纖傳感技術產(chǎn)生于20 世紀70 年代末，并在短短幾十年時間內(nèi)獲得了飛速發(fā)展，光纖傳感器以其諸多優(yōu)勢成

2、為信息技術研究的熱門，與光纖通信并駕齊驅，廣泛應用于通訊、交通、機械等領域，隨著光纖傳感器的不斷發(fā)展，其在機械設備檢測中所占地位愈來愈重要。利用光纖傳感的優(yōu)勢，減輕了設備檢測的壓力，同時保障檢測結果的真實性，以免影響機械設備的后期使用。光纖傳感器收集機械設備的參數(shù)特征，同時檢測外界因素的干擾，最終得出機械設備的狀態(tài)。光纖傳感器的應用，滿足了機械設備檢測的需求，并體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。本文通過對光纖傳感器進行研究，分析其在機械設備檢測中的應用。1. 光纖傳感器的原理與分類 眾所周知, 描述光波特征的參量很多, 如光強、波長、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等。這些參量在光纖傳輸中都可能會受外界影響而發(fā)生

3、改變, 特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動、轉動、彎曲、應力、應變以及化學量和生物化學量等對光路產(chǎn)生影響時, 都會使這些參量發(fā)生相應變化。光纖傳感器就是根據(jù)這些參量隨外界因素的變化關系來檢測各相應物理量的大小。光源發(fā)出的光耦合進入光纖, 經(jīng)光纖進入調制區(qū)(測量區(qū)), 在調制區(qū)內(nèi)外界被測參數(shù)作用于進入調制區(qū)內(nèi)的光信號, 使其光學性質如光強、波長、頻率、相位偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調制的信號光; 再經(jīng)過光纖送入光檢測器, 光檢測器對進來的 光信號進行轉換后輸出電信號; 最后對電信號進行信號處理而得到可用信號, 從而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器可以測量的環(huán)境參量主要有應力、位移、振動、轉動、

4、壓力、彎曲、應力、應變、加速度、電流、磁場、電壓、溫度、聲場、流量、濃度、pH 值等。光纖傳感器是用光在不同的物理狀態(tài)下,在光纖中傳播光的干涉、衍射、偏振、反射等物理特征的變化, 進行各種物理量的測量裝置。來自光源的光線通過接口進入光纖, 然后將檢測的參數(shù)調制成幅度、相位、色彩或偏振信息, 最后利用微處理器進行信息處理。簡言之, 光纖傳感器的原理就是用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數(shù), 使其隨之變化, 然后對已調制的光信號進行檢測, 從而得到被測參量, 即將被測參量轉換為光信號參數(shù)的變化。 光纖傳感原理示意圖 光纖傳感器主要可分為傳感型與傳光型兩種，其中，應用最為廣泛的傳感型光纖傳感器依靠

5、獲取相位信息達到測量目的，可稱之為干涉型光纖傳感器， 是目前光纖傳感器中測量精度最高的一種。通過外界因素改變光線中傳輸光波的相位， 進而影響干涉光的強度，常用的類型有Michelsion、MaclrZehnder 等。傳光型光纖傳感器相對而言原理與結構都比較簡單，依據(jù)強度調制，外界因素直接影響光纖中傳輸光的強度，達到測量目的，主要分為反射式與透射式兩種，簡單可靠，經(jīng)濟實用性高。2. 光纖傳感器的特點 光纖傳感器屬于非接觸式測量元件, 具有抗干擾能力強、靈敏度高、體積小、重量輕、柔性好等特點, 而且測量對象廣泛。在傳感器行業(yè), 光纖傳感器的優(yōu)勢得到了廣泛認可。下面具體介紹一下光纖傳感器的優(yōu)點:(

6、 1) 測量范圍廣?，F(xiàn)在用光纖傳感技術可實現(xiàn)的傳感有力、熱、聲、電、核等幾十種, 可以測量位移、速度、加速度、壓力、液面、振動、水聲、溫度、電場、磁場以及核輻射等物理量。( 2) 靈敏度高。光纖傳感技術不但比其他傳感技術的靈敏度要高得多, 而且更能反映外界情況。例如,利用光纖實現(xiàn)輻射劑量的傳感,其靈敏度比普通的劑量計要高1 萬倍; 光纖溫度傳感器的靈敏度達百分之一度; 光纖位移傳感器的靈敏度達一億分之一厘米。( 3) 具有安全防爆、耐腐蝕、耐高壓、抗干擾能力強,不受電、磁場干擾的特點, 在易爆環(huán)境中使用安全可靠。( 4) 便于與計算機接口組成遙控、遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)多功能、智能化以及遠距離測量與控

7、制。( 5) 體積小、重量輕。用一條光纖可取代上百個傳感器陣列或數(shù)百條電纜。3. 光纖傳感器在機械設備檢測中的應用 機械設備運行中，能夠傳輸出有特征的光波，此類光波參量，可以做為評估機械設備的一項因素，正常的傳感檢測中，光波參數(shù)很容易發(fā)生變化，無法獲取準確的參量數(shù)據(jù)。光纖傳感器正好利用光波參量變化的特點，通過研究光纖參量的變化方式，掌握機械設備的運行狀態(tài)，通過機械設備自身傳達的參量信息，協(xié)調機械設備的運行，體現(xiàn)出光纖傳感器的檢測優(yōu)勢，表明光纖傳感器的實踐應用。3.1 光纖傳感器應用于機械設備溫度檢測 溫度指標是機械設備運行過程中必須重點檢測的一項，如果機械設備長期處在高溫作業(yè)的環(huán)境下，即會出現(xiàn)

8、帶病作業(yè)、設備損壞的情況。光纖傳感器的便捷性、高強度優(yōu)勢，恰好可以應用在設備的溫度檢測中。光纖傳感器，能夠實時檢測溫度，而且靈敏性高，如FBG， 其溫度波長靈敏度可達10pm/，即使出現(xiàn)細微的溫度變化，光纖傳感器也能快速的檢測到。常用的光纖傳感器有： FBG、熒光傳感器，都是用于機械設備的溫度檢測，在光纖傳感器中配置高溫探頭，機械設備的最高檢測溫度，高達1000，廣泛應用于極端條件下機械設備測量中，如石油井下作業(yè)、核反應堆工程溫度檢測等。若將光纖傳感器置于機組線圈內(nèi)，還可依靠其連續(xù)感知特性實現(xiàn)故障的自動監(jiān)控。近幾年，光纖傳感器在機械設備溫度檢測中，逐步應用到核反應堆方面，目的是加強核反應堆中所

9、使用機械設備的控制力度，實現(xiàn)有效的反應監(jiān)控，構建自動化的溫度監(jiān)控體系。3.2 光纖傳感器應用于機械設備力學參數(shù)檢測力學參數(shù)的檢測，也是機械設備正常運行的重要依據(jù)。光纖傳感器自誕生之初就試用于機械設備力學參數(shù)檢測中，經(jīng)過不斷發(fā)展與技術進步，目前廣泛應用于橋梁工程、石油鉆井壓力檢測、飛行器動力機組振動監(jiān)測等諸多領域。例舉光纖傳感器在機械設備檢測中的運用，如：(1) 橋梁檢測。將光纖傳感器安置在橋梁的表層，或者也可根據(jù)實際情況，深埋在內(nèi)部結構中，檢測橋梁構建的力學變化，得出橋梁工程是否存在位移、裂縫的問題，橋梁工程的缺陷，主要通過力學參數(shù)反饋，能夠及時預防橋梁事故； (2) 鉆井檢測。光纖傳感器在石

10、油鉆井中，能夠監(jiān)測內(nèi)部油藏的壓力，摒棄了傳統(tǒng)傳感器安裝困難、穩(wěn)定性差、滯后性強等不良特性，光纖傳感器可為泡點壓力管理提供實時數(shù)據(jù)，有助于減少原油損失，而且能夠提供實時的油藏壓力，真實的反應出機械設備的力學參數(shù)。同時，光纖傳感器也具備高精度、測量范圍廣的特點，例如微彎損耗傳感器可測量幾十帕到上兆帕的壓力范圍，可傳感亞微米幅度的微振動?？傊饫w傳感器，在不同的機械設備中，都可提供準確的力學檢測，輔助檢測設備的力學變化，得出設備的運行狀態(tài)。3.3 光纖傳感器應用于機械設備電磁參數(shù)檢測 與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器不僅具有體積小、重量輕、強度高等優(yōu)良機械性能，還具備抗電磁干擾、抗原子能輻射等優(yōu)良性能

11、，可方便地用于機械設備的電磁參數(shù)測量過程中。光纖傳感器在機械設備的電磁參數(shù)檢測中，僅僅檢測電磁參數(shù)，不會影響機械設備的性能，即使是在惡劣的環(huán)境條件下(如巖坡工程機械設備檢測)，光纖傳感器也能準確的檢測機械設備的電磁參數(shù)。光纖傳感器，可以檢測高達上千安的電流，測量過程中，始終保持準確的測量精度。 目前，光纖、電光、磁光晶體為基礎構成的綜合型傳感器技術日趨成熟，可實現(xiàn)上千安培電流、幾百千伏電壓的測量過程，并且具備極高的測量精準度，通過與光纖溫度傳感器的組合，可廣泛應用于智能電站輸入輸出裝置自動檢測過程中，將其內(nèi)置于大型發(fā)電機組，可實現(xiàn)機組運行參數(shù)的實時監(jiān)測，便于細微問題的及時發(fā)現(xiàn)處理，有效提高了大

12、型發(fā)電設備運行的可靠性。例如：發(fā)電廠智能電站的機械設備，采用光纖傳感器與溫度傳感器相結合的方式，全面檢測智能電站的機械設備，而且提供實時監(jiān)測的條件，重點監(jiān)督設備的電磁參數(shù)，通過檢測電磁參數(shù)，及時處理智能設備的異常問題，保護發(fā)電設備的穩(wěn)定運行，以免引起較大的安全事故，表明光纖傳感器在電磁參數(shù)檢測中的作用。3.4 光纖傳感器應用于機械設備無損檢測技術 科技在發(fā)展，技術在進步，各行各業(yè)所使用的機械設備也朝著復雜化、大型化方向不斷前行，而在實際運行中，因過載、使用程序不當?shù)惹闆r，許多機械設備都存在著不易被發(fā)現(xiàn)的隱患，這些微小風險逐步累積，可能會釀成嚴重的事故。近些年來基于光纖傳感器的無損檢測技術迅猛發(fā)

13、展，專門用于監(jiān)測機械設備的運行，發(fā)現(xiàn)機械設備中的各類隱患，預防隱患擴大，避免影響機械設備的正常運行狀態(tài)。光纖傳感器逐漸成為無損檢測技術的核心，提高了機械設備無損檢測的專業(yè)性。4.對光纖傳感器在機械設備檢測中應用的想法 目前仍在使用的各種機械設備結構中, 由于超期使用、過載、缺乏維修及合適的檢查等諸多因素的影響, 許多結構已經(jīng)出現(xiàn)損壞或存在著安全隱患。因此, 近年來利用無損檢測評估結構的強度和完整性, 決定其是否安全, 并為檢修、更新、改建、延長使用期提供了嶄新的途徑, 這或許也為結構安全性的控制與反饋提供了一種非常有用的方法。 在安全評定領域內(nèi), 目前所使用的方法許多都是破壞性的, 人們也曾提

14、出過一些無損檢測結構缺陷的方法。然而, 從某種程度上講, 這些方法并不總是非常可靠的, 或只能作為定性的評估方法。這些無損檢測技術主要依據(jù)的是X 和Y 射線的吸收、傳播和散射, 核子振動響應、電阻計、離子滲透、超聲波、振動、磁等方法。 由于光纖尺寸小、重量輕, 因此將其置入測試的結構內(nèi)并不影響結構本身的性質。埋入光纖進行傳感的基本原理是光纖能高精度地傳感結構中的應力變化值, 探測被測試結構內(nèi)部的變化并利用光時域反射計(OTDR) 和光頻域反射計(OFDR) 技術,測試從光纖反射的信號而將各種被測的量定位。將光纖傳感器網(wǎng)絡埋入結構中, 就可以“實時”檢測結構中各種力學參數(shù)、損壞情況及進行系統(tǒng)評估

15、,實現(xiàn)測試的實時化。5.結束語 光纖傳感器是機械設備檢測的關鍵，為機械設備，提供了高質量、高性能的檢測方法，體現(xiàn)出光纖傳感器的優(yōu)勢。機械設備檢測中，逐步意識到光纖傳感器的實踐價值，注重光纖傳感器的實時性，改善了機械設備的檢測優(yōu)勢。6.參考文獻 1 韓連英,王曉紅.光纖傳感器在機械設備檢測中的應用J. 光機電信息,2010,03:51-55. 2 張勇東, 祁耀斌, 陳逢春.光纖傳感器及其在安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應用J.電光與控制, 2004, 11( 4) : 60-62. 3 孫大永. 分析光纖傳感器在機械設備檢測中的運用J. 黑龍江科技信息,2015,24:99. 4 王惠文, 江先進, 趙長明, 等.光