基于匹配光栅法的光纤声发射解调系统

发布时间：2020-10-11 01:27

　　 随着工业现代化进程的推进,旋转机械设备的正常运行在生产过程中起着举足轻重的作用,其中齿轮轴承长期连续工作在恶劣环境下,易出现多种故障。利用声发射(AE)检测技术可以实现对设备早期损伤的实时监测,可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有抗电磁干扰、体积小、可嵌入结构中、易实现大规模分布式测量等优点。因此,本文结合两者的优点建立光纤光栅声发射检测系统,采用多种解调方法,对旋转机械设备进行了有效的故障诊断。本课题应用FBG AE传感器和压电陶瓷(PZT)传感器对AE信号进行采集,分别进行了钢板断铅实验,故障轴承和齿轮检测实验,通过对比两个传感器采集的信号发现,其时域图波形基本相同;AE信号到达时间相同;灵敏度相同;PZT传感器采集到的信号,FBG传感器均能采集到,表明FBG传感器和PZT传感器均可对AE信号进行有效的采集。为实现对FBG传感器采集信号的解调,分别使用光谱仪解调法、匹配光栅法、可调谐法珀滤波器解调法、窄带光源法和匹配光栅与窄带光源联合解调法,五种方法均基于波长调制,通过声—光—电的转换,从而实现对AE信号的解调。对比本文使用的解调方法,匹配光栅与窄带光源联合解调法具有较高的解调精度,是较优的解调方案。本课题根据不同信号特征差别选择不同的去噪滤波算法,包括带通、滑动均值、小波和卡尔曼滤波,其中小波阈值与卡尔曼联合去噪滤波可最大限度的降低噪声幅值,并保留有用信号波形不变。最后运用希尔伯特黄变换(HHT)对故障轴承信号进行处理,首先进行经验模态变换,可分解出多个本征模态函数(IMF),对每个IMF做希尔伯特包络谱,信号幅值最高的IMF为轴承故障信号,幅值越高代表故障程度越严重,对应的包络谱中,峰值频率则代表轴承故障特征频率。对比理论计算值,即可判断轴承故障类型,还可根据IMF中信号幅值大小判断故障程度,试验测试的故障频率与理论计算值间的误差小于9.4%。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH878
【部分图文】：

2.1 光纤光栅传感技术2.1.1 传感原理光纤是光导纤维的简称，由纤芯和保护层（又名涂覆层）组成，纤芯由玻璃或塑料制成，涂覆层的制造材料为高分子材料，通常为丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等。纤芯的折射率大于涂覆层的折射率，因此当入射光大于临界值时，根据折射定理，进入光纤的光将不产生散射，只发生全反射[29]。光纤光栅就是通过一定的方法途径对光纤进行加工，使得光纤中的折射率呈现周期性分布，这种特殊的光纤就是光纤光栅。FBG 是 Fibber Bragg Gratting 的缩写，即光纤布拉格光栅，其波长选择模型如图 2.1 所示，光源输出的宽带光入射到光栅中，栅区会对入射光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率相匹配的窄带光（带宽通常约为 0.1—0.5nm）。这样的反射条件就称为布拉格条件，只有波长满足布拉格条件的光波才能被 FBG 反射回来，其余波长的光被透射。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。反射光谱

5.1.2 光源本课题主要使用两种光源进行实验，包括 ASE 宽带光源和可调谐窄带激光器，如图5.1 所示。ASE光源：放大自发辐射光源，输出波长为1527—1564nm，输出功率20mW，工作温度-5 到 50 摄氏度，其具有体积小，光功率大、稳定性好和接口便捷等优点。可调谐窄带激光器：可在一定范围内输出一个固定的窄带光。本系统采用 TSL-550 型号，信噪比为 90dB/0.1nm，输出光功率为-17.7 到-15dBm。TSL-550 是一款将宽波长调谐范围、高输出功率及高信噪比容于一体，同时还提供了精细调节及相干控制功能，是实现精细光学测试的必备之物。a. ASE 宽带光源 b. 可调谐窄带激光器图 5.1 光源Fig. 5.1 Light source沈?

第 5 章 声发射检测实验及分析D）是一种将光信号转换为电信号的器件，其出结果的精度，其基本原理是基于光敏材料下会产生一定的电子，电子的流动形成电流用 10M 高灵敏度探测器，型号为 KG-HSP，饱和光功率为-21.6dBm，输出电压为-1.7-20—70℃，完全满足实验室环境下的监测。
【参考文献】

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本文编号：2835841