基于光纤Bragg光栅传感的轴向柱塞泵非介入式振动测量方法_何祯鑫.pdf

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2． High- tech Institute，Qingzhou 262500，China AbstractVibration signal is an important source of ination for mechanical equipment fault diagnosis． In order to overcome the system demolition problem of traditional detection s，this paper innovatively uses the fiber grating sensing to per non- intrusive vibration measurement on the hydraulic pump，and fully utilizes the advantages of the optical fiber sensing with strong anti- electromagnetic interference，corrosion resistance，good stability，and high sensitivity measurement． The original fiber Bragg grating vibration sensor was analyzed，and a double equal strength cantilever beam fiber Bragg grating FBG vibration sensor was designed and simulated． Based on this，a fiber Bragg grating demodulation system and a vibration test table for the sensor were used．The perance was verified by experiments，and the sensitivity of the sensor was 0． 024 nm/ ms －2 ，the natural frequency was 185 Hz，and the linearity was good． The modal analysis of the axial piston pump was optimized to arrange the sensing sampling point． Actually the vibration signal of the pump was measured． The research results can provide reliable data support for non- intrusive condition monitoring and fault diagnosis of hydraulic pumps． Key wordsvibrationfrequencymeasurement;axialpistonpump;FBGsensing;non- intrusive;finite element analysis 非介入式检测技术是目前的研究热点之一， 国内 外科研单位对其开展了长期深入的研究 ［1 ］。在液压设 备的非介入检测方面， 振动信号测量是经常被采用的 方法之一， 但传统电磁类振动传感器不能适应强电磁 干扰、 温湿度等复杂特殊环境下的测量要求。与传统 传感方式相比， 光纤传感器具有以下优点 ①由于光纤 传感是通过光波长的变化敏感外界物理量作用的， 因 此光纤传感器的灵敏度和线性度好; ②因光纤传感器 利用光波传输信息， 而光纤又是电绝缘、 耐腐蚀的传输 媒介， 使其具有抗电磁干扰、 抗腐蚀、 耐高压高温、 防 爆、 本质安全、 稳定性好等特点， 能在恶劣环境下进行 非接触式、 非介入式、 非破坏性以及远距离测量， 可以 方便有效地用于强电磁干扰、 易燃易爆、 核辐射区等场 合; ③由于被测信号以光波为载体， 信息容量大， 同一 光纤可传输多路信号， 且便于与计算机相连， 易实现智 能化、 分布式、 远距离监控。④可以对多个参量进行测 量， 如温度、 压力、 振动、 流量、 浓度等， 满足多样需求。 基于光纤传感器具有的上述优点， 已经被广泛应用于 ChaoXing 石油化工、 电力系统、 医学、 结构动力学等多个特殊要 求的领域， 近年来也逐渐成为状态监测及故障诊断的 新型传感技术之一 ［2 －4 ］。 Berkoff 等 ［5 ］研制了一种基于嵌入式结构的加速度 传感器， 将 FBG 嵌入到位于质量块与刚性基座间的橡 胶材料中。振动时， 质量块将使弹性体出现横向变形， 产生 FBG 应变， 引起中心波长的改变， 但易被横向振动 干扰， 导致横向交叉灵敏度较大。Basumallick 等 ［6 ］先 将普通悬臂梁表面添加一层聚酰亚胺层， 然后把光纤 光栅粘贴在聚酰亚胺层， 在其固有频率未减小的前提 下， 将其灵敏度增加了一倍。Karabacak 等 ［7 ］设计了一 种 FBG 振动高速监测系统， 能够在多种恶劣环境下实 现振动测量。张东生等 ［8 ］设计了一种基于钢管的 FBG 加速度传感器， 能够测量高频信号。张晓蕾等 ［9 ］研制 了一种紧凑的硅凝胶材料的双半圆型 FBG 振动传感 器， 该传感器有着良好的线性度， 同时环境温度与横向 交叉灵敏度的影响能够被较好地避免。徐胜明等 ［10 ］研 制了一种石油管道安全监测的振动传感器， 能够对管 道上的各种信号进行有效区分。通过查阅相关文献， 目前尚未发现利用光纤传感技术对液压泵进行非介入 式振动测量， 为液压系统故障诊断提供数据支撑。 因此本文在分析光纤光栅振动传感原理的基础 上， 充分利用光纤光栅传感独特的技术优势， 并结合振 动频率高精度、 抗干扰检测的实际需要， 相比较普通悬 臂梁， 双等强度悬臂梁具有频带范围更宽， 加速度灵敏 度更高， 设计的传感器横向抗干扰能力更强的优点， 研 制了一种双等强度悬臂梁式光纤光栅振动传感器; 对 斜盘式轴向柱塞泵模态分析， 优化传感器布点， 利用设 计的 FBG 传感器对斜盘式轴向柱塞泵振动测量， 通过 仿真与试验验证了振动传感器的测量精度和可靠性， 对于液压系统状态监测与故障诊断具有重要意义。 1FBG 振动传感模型 由光纤光栅耦合模理论， 布拉格方程可表示为 λB 2neffΛ 1 式中 λB为 FBG 中心波长， neff为有效折射率， Λ 表示光 栅周期。可知， 光栅周期 Λ 以及有效折射率 neff的数值 会受到 FBG 所处外界环境的影响， 导致中心波长 λB产 生漂移。在 FBG 受到应力时， 会被压缩或拉伸， 然后使 光栅周期 Λ 发生变化; 同样， 根据光纤弹光效应， FBG 有效折射率 neff受到应力时也会改变［11 ］。 对式 1 进行微分后， FBG 中心波长漂移可认为是 由应力引成的 ΔλB 2neffΔΛ 2ΔneffΛ 2 式中 ΔλB为中心波长变化量， Δneff表示 FBG 处于应力 作用时的有效折射率变化量， ΔΛ 表示 FBG 由于应力作 用导致的弹性变形量。通常在传感系统中利用 FBG 对 轴向上应变的感应特性完成传感检测。 温度恒定情况下， FBG 只受到轴向应力作用， 进一 步可以得到 ΔλB λB 1 － Pe ε 或 ΔλB Kεε 3 式中 ε 为外界振动信号作用下光纤光栅的动态应变， Pε为有效弹光系数， Kε为应变灵敏度系数。在一根 FBG 中， 有效弹光系数是常数， 在周围环境温度保持不 变的时候， Kε也是常数， 表明 FBG 中心波长的偏移量 和轴向应变的线性度很好。 在光纤光栅振动传感器受到外界振动信号时， 传 感器可以把实测振动参量转变为光栅轴向的动态应变 量， 即光纤光栅反射谱会出现和振动信号频率相同的 周期性变化漂移。因此， 只要能够检测到光纤光栅中 心波长的周期性漂移情况， 就能够实现振动信号传感。 在忽略应变与温度交叉敏感的前提下， 根据式 3 可以得到， 波长漂移量可表示成 ΔλB λB 1 － Pe ε 4 由式 4 可得， 波长变化量 ΔλB和轴向应变 ε 属于 线性关系， 先测中心波长变化规律， 通过振动传感器响 应函数， 完成振动信号传感。也就是说， 在振动传感的 过程中， 采集光纤光栅中心波长变化数据， 经过傅里叶 变换后， 所反映的振动频率值即为待测频率值。 2双等强度悬臂梁式 FBG 振动传感器设计 2． 1FBG 振动传感器的设计原理 在传统单悬臂梁式的基础上， 本传感器的设计采 取双等强度悬臂梁式结构， 等效截面厚度等于同样尺 寸单等强度悬臂梁的 2 倍， 提高固有频率的同时， 拓宽 了工作频带， 传感器采集的振动信号更为丰富。 当力 F 作用在等强度悬臂梁顶端的时候， 位于悬 臂梁上下两表面的轴向应变 ε 均匀分布， 可表示为 ε 6FL EBh2 5 悬臂梁的等效弹簧刚度 k 为 k Bh3 6L3 E 6 式中 L 表示梁的长度， h 为梁的厚度， E 表示梁的杨氏 模量， B 为梁的宽度。 悬臂梁式传感器的固有角频率可表示为 ωn k 槡 m Bh3E 6L3 槡 m 7 式中 m 表示悬臂梁传感器的等效惯性质量。 FBG 中心波长变化量和振动加速度关系可表示为 ΔλB λB 1 － Pe 6Lm Bh2Ea 8 791第 20 期何祯鑫等 基于光纤 Bragg 光栅传感的轴向柱塞泵非介入式振动测量方法 ChaoXing 因此， FBG 振动传感器灵敏度可表示为 S ΔλB a 1 － Pe 6Lm Bh2Eλ B 9 2． 2FBG 振动传感器的设计 1 传感器关键指标要求 为了使光纤光栅振动传感器更好地测量轴向柱塞 振动频率， 并结合柱塞泵工况， 设计的传感器关键指标 要求如下 ① 测量精度≤3; ② 灵敏度≥0． 01 nm/ ms －2 ; ③ 线性度≥99; ④ 测量范围为［ 10 ～230］ Hz; ⑤ 环境温度为［ 20 ～70］ ℃。 另外， 要求设计的传感器具有良好的频率响应特 性以及横向抗干扰等性能等。 2 传感器基本结构 双等强度悬臂梁基本的结构设计如图 1 所示， 采 取了对称结构， 悬臂梁的一端固联质量块， 另一端与振 动体固定。使用 AB 胶把 FBG 粘贴至悬臂梁表面， 将 FBG 严格粘贴放置于悬臂梁表面的中轴线上。 图 1传感器结构示意图 Fig． 1 Schematic diagram of sensor structure． 通过对比几种常见材料的性能属性及加工难易程 度， 传感器的材质选用 304不锈钢。 斜轴式轴向柱塞泵振动频率 f 同泵的柱塞数 Z 以 及转速 n 有直接关系， 函数关系为 f nZ 60 10 在额定转速 1 200 r/min 下运转的泵振动频率为 140 Hz。因此， 将所设计的振动传感器的固有频率大 约设置为 185 Hz， 由此设计该振动传感器的结构尺寸， 具体结构参数， 如表 1 所示。 表 1传感器结构参数 Tab． 1 Structure parameters of the sensor 序号参数单位数值 1悬臂梁宽度 BMm20 2悬臂梁厚度 hMm1 3质量块半径 RMm7． 5 4质量块高度 HMm12 5悬臂梁长度 LMm64 6弹 性 模 量 EGPa194 3 FBG 振动传感器性能仿真 利用有限元分析方法对设计的双等强度悬臂梁式 FBG 振动传感器进行仿真分析， 验证其理论参数的准 确性和加速度力学模型的可靠性。固有频率为振动传 感器重要参数之一 ［12 ］。根据式 7 可得， 悬臂梁结构 固有频率与其刚度和等效惯性质量是紧密联系的。 建立双等强度悬臂梁式 FBG 振动传感器仿真模 型， 将固定约束施加于悬臂梁的底座， 并将一个 1 N 的 力添加于悬臂梁自由端的 z 轴正向上， 分析处理得到悬 臂梁的自由端的位移是 0． 040 895 mm， 如图 2， 3 所示。 图 2悬臂梁自由端 z 轴纵向位移 Fig． 2 Longitudinal displacement of cantilever beam free end z- axis 图 3悬臂梁的固有频率仿真 Fig． 3 Natural frequency simulation of cantilever beam 通过式 6 能够得到， 该悬臂梁结构刚度的理论计 算结果是 25． 431 31 103N/m， 仿真分析结果是 24． 452 87 103N/m， 误差仅为 4． 0， 验证了传感器 模型具有可靠性。 在传感器的底座添加一个固定约束， 通过模态分 析得到悬臂梁结构固有频率是 185． 18 Hz。通常将悬 臂梁传感器的等效惯性质量替代为其自由端的质量块 的质量， 然而得出的固有频率值与仿真结果差别较大。 因此， 当悬臂梁传感器质量块较轻且尺寸较小时， 就必 须考虑梁的质量， 根据机械振动原理 ［13 ］， 等强度悬臂梁 等效惯性质量是 m mK 0． 24 mL 11 式中 mK为质量块质量， mL 为悬臂梁质量。根据式 7 能够得到， 所设计的悬臂梁振动传感器固有频率是 183． 97 Hz， 同仿真结果之间的误差是 0． 66。 由于传感器的自重， 再加上基座、 质量块和悬臂梁 连接等一系列实际情况的存在， 梁上产生的应变也并 非全都一致。一般将光栅固定在梁中轴线位置， 以确 891振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 保 FBG 受到的应变尽可能大， 同时做到均匀变化， 避免 FBG 反射谱产生啁啾现象， 影响系统的解调性能。 通过有限元软件中静力学分析模块， 添加一个固 定约束于悬臂梁传感器的基座位置， 然后添加 1 N 的 力于 z 轴的正方向上， 同时在梁中轴线位置处建立分析 路径， 再添加其各位置的应变计算， 得到如图 4 所示的 分析结果。 图 4自由端 1 N 载荷下等强度梁中轴线上应变分布情况 Fig． 4 The strain distribution on the central axis of the beam with 1 N load of free end 图 4 中， 1 位置表示悬臂梁固定端的端点， 2 位置 表示悬臂梁自由端的端点。根据图中下方曲线的分析 路径方向上的应变曲线， 说明该悬臂梁在 35 ～ 45 mm 位置的应变比较大， 同时均匀变化， 所以应将光栅固定 在该区域内， 以此来确保传感器达到最佳的性能。 3轴向柱塞泵模态分析与采样点位优化 3． 1模型建立与模态分析 按照轴向柱塞泵实际结构和参数， 构建斜轴式轴 向柱塞泵壳体立体简化模型， 导入至仿真软件几何分 析模块中， 将简化模型给予网格划分处理， 选取四面体 网格划分方式， 建立轴向柱塞泵有限元分析模型。 泵的安装采取与电机以及钟形罩相互连接固定的 方式， 所以把固支约束设置在泵壳的前端 即右端 面 ， 对泵体模型进行模态分析。泵前 4 阶模态固有 频率 分 别 为 162． 41 Hz， 212． 73 Hz， 545． 67 Hz， 589． 74 Hz。 根据振动模态的有关理论， 结构振动中低 阶模态发挥着重要作用， 文中仅分析前 4 阶模态， 结 果如图 5 所示。 由此可见， 泵体振动较剧烈区域为柱塞泵左侧泵 体; 泵体总体振动呈现对称分布， 这与柱塞泵结构的对 称性一致; 泵壳的前端 即右端面 振动最小。 3． 2采样点位的优化选择 轴向柱塞泵的活塞通常在泵体的轴向上往复运 动， 仿真得出轴向柱塞泵左侧泵体的振动最强烈。在 柱塞泵出现异常故障时， 振动频率发生变化， 左侧泵体 位置更有利于对异常故障的敏感， 能更好地进行故障 诊断， 因此把设计的 FBG 振动传感器固定在柱塞泵左 侧泵体侧面中心位置处以及左侧泵体端面边缘处。 图 5泵体前 4 阶模态振型图 Fig． 5 The first 4- step vibration mode of pump body 4振动频率试验与分析 4． 1传感解调系统 传感解调系统结构示意如图 6 所示， 一定波段的 光由宽带光源射出， 而后光波进入光纤光栅振动传感 器， 携带被测振动信号的反射光进入可调谐 F- P 滤波 器解调模块， 从而得到振动传感器中心波长的偏移信 号。解调模块经 USB 接口总线把解调信号传递到上位 机， 经过上位机数据分析与处理， 得到系统待测物理量 数值大小。 图 6传感解调系统 Fig． 6 Sensor demodulation system 为更好地实现系统解调要求， F- P 腔的选择必须考 虑解调精度和解调范围。由于可调谐 F- P 滤波器性能 的设 计 要 求，应 该 采 用 BaySpec公 司 生 产 的 WaveCapture 系列的高速光纤光栅解调模块。解调系 统中的光源选择 SLD 光源， 体积小， 可靠性好， 同时光 991第 20 期何祯鑫等 基于光纤 Bragg 光栅传感的轴向柱塞泵非介入式振动测量方法 ChaoXing 功率较高， 且带宽较大。解调仪的分辨率达到 1 pm。 4． 2振动台试验与分析 振动传感器的灵敏度和固有频率是振动传感器的 关键参数， 为此主要进行传感器频率测量精度、 灵敏度 特性分析、 线性度分析和频率响应特性分析。 1 振动台振动频率测试实验 将设计的光纤光栅振动传感器固定于振动台表 面， 同时保证梁表面和振动方向为相互垂直关系， 将传 感器连接头连接至解调设备， 如图 7 所示。 图 7振动台振动频率测试实验 Fig． 7 Vibration frequency experiment using vibration table 调节振动台的输出频率由 10 Hz 一直增加至 230 Hz， 并步长为 20 Hz， 读取对应的 FBG 振动频率传 感器测量的频率值， 如表 2 所示， fZ表示振动台频率 值， fG表示 FBG 振动频率传感器测量频率值。 表 2振动台振动频率测量数据 Tab． 2 Vibration frequency data using vibration table fZ/HzfG/Hz 1010． 052 3030． 013 5049． 839 7070． 124 fZ/HzfG/Hz 9090． 121 110110． 013 130129． 935 150150． 162 fZ/HzfG/Hz 170171． 024 190189． 896 210209． 797 230230． 241 由此可见， 双等强度悬臂梁式 FBG 振动传感器的 振动测量平均误差约为 0． 21， 其中在传感器最佳测 量频率段的平均误差达到 0． 031， 结果与振动台设置 频率较好吻合， 说明传感器具有较高精度， 能够达到高 精度测量振动频率的要求。 2 灵敏度特性分析实验 调节振动台的输出频率保持 15 Hz， 并利用加速 度传感器 ADIS 16405 均匀地调节振动台的振动加速 度值由 1． 0 m/s2增 加 至 10． 0 m/s2， 步 长 大 约 为 1． 0 m/s2; 使用解调设备监测记录各振动加速度对应 的 FBG 振动传感器的波长输出信号， 得到在振动频 率恒定下， 不同振动加速度对应的振动传感器 FBG 中心波长的漂移量， 即得出振动加速度和 FBG 中心 波长的漂移量间的变化规律， 对实验数据进行拟合， 获得 FBG 振动传感器在 15 Hz 振动频率时的灵敏度 特性， 如图 8 所示。 图 8 15 Hz 对应的传感器灵敏度线性拟合曲线 Fig． 8 Linear fitting curve of sensor sensitivity under 15 Hz 由式 8 可得， FBG 中心波长变化量和加速度存在 线性关系， 与测量数据结果吻合。通过最小二乘法线 性拟合测量数据， 得出 FBG 中心波长的偏移量 Δλ 与 加速度 a 的函数关系是 Δλ 0． 024 0a 0． 005 7 12 该拟合结果的线性拟合度是 0． 997 5， 说明该振动 传感器灵敏度是 0． 024 0 nm/ ms －2 ， 同时数据拟合 度较好， 所研制的 FBG 振动传感器有着良好的灵敏度。 3 线性度分析实验 相同方法和步骤， 加速度信号频率分别为 25 Hz、 35 Hz 情况下， 测量传感器在加速度大小由 1． 0 m/s2、 以大约 1． 0 m/s2的步长增加至 10． 0 m/s2时对应的中 心波长漂移量， 对波长数据拟合得到图 9 和图 10。 图 9 25 Hz 对应的传感器灵敏度线性拟合曲线 Fig． 9 Linear fitting curve of sensor sensitivity under 25 Hz 图 1035 Hz 对应的传感器灵敏度线性拟合曲线 Fig． 10 Linear fitting curve of sensor sensitivity under 35 Hz 由上可得， 频率为 15 Hz、 25 Hz 和 35 Hz 时， 传感 器灵敏度分别是 0． 024 0 nm/ ms －2 、 0． 023 5 nm/ ms －2 和 0． 024 3 nm/ ms－2 ， 且其线性拟合度 分别是 0． 997 5、 0． 996 9 和 0． 995 9， 灵敏度平均值是 0． 024 0 nm/ ms －2 ， 灵敏度误差在 2左右， 表明此 002振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 传感器的线性度较好。 4 频率响应特性分析实验 将振动台振动加速度设置成 5 m/s2， 且控制振动台 输出频率以20 Hz 步长由 5 Hz 均匀增加至 305 Hz。同 时为进一步精确地测量传感器固有频率， 在 185 Hz 位置 附近， 选取多个频率点进行测量， 得出不同频率下的 FBG 中心波长漂移量， 对测量数据拟合曲线如图11 所示。 图 11传感器频率响应拟合曲线 Fig． 11 The sensor frequency response fitting curve 由图可得， 在频率为150 Hz 左右时， 振动传感器中 心波长的偏移量有增大的趋势; 达到 165 Hz 左右的时 候， 其偏移量突然骤增; 在 185 Hz 左右时， 偏移量达到 最大， 说明此时 FBG 振动传感器出现共振效应， 所以能 够得到该传感器固有频率大约是 18 Hz， 与传感器的固 有频率仿真分析结果是 185． 18 Hz， 进一步验证了该传 感器的结构设计的可靠性。 5 FBG 振动频率传感器横向抗干扰性实验 因为在载荷的作用下， 以往单等强度悬臂梁将出 现转角以及挠度， 同时其抗扭能力比较差， 所以传感器 性能在很大程度上得到了限制。而双等强度悬臂梁式 传感器能够很好地克服以往单梁结构的不足增强其抗 干扰能力。在实验过程中， 分别施加 5 m/s2的加速度 在传感器水平振动方向与工作振动方向， 实验测试时， 控制振动台的振动频率由 10 Hz 以 10 Hz 的步长持续 增加至 100 Hz， 并记录下传感器的中心波长漂移量。 以在不同方向上测振时， 传感器的中心波长漂移 量为纵坐标; 以振动台的振动频率为横坐标， 利用试验 数据在相同的坐标系内分别作出与之对应的拟合曲 线， 如图 12 所示。 图 12传感器横向抗干扰性试验曲线 Fig． 12 Horizontal anti- interference curve of the sensor 从图 12 能够得到， 在工作振动方向上， FBG 振动 频率 传 感 器 的 中 心 波 长 漂 移 量 大 约 在 0． 121 ～ 0． 126 nm范围内; 但在水平振动方向上， FBG 振动频率 传感器的中心波长漂移量非常小， 基本为 0． 001 ～ 0． 005 nm。 因此， 本文设计的 FBG 振动频率传感器有着 很好的横向抗干扰性。 4． 3轴向柱塞泵振动频率测量实验与分析 自行搭建斜轴式轴向柱塞泵频率测量系统， 将 FBG 振动频率传感器粘贴于柱塞泵左侧泵体侧面中心 位置处， 并将其接入解调设备， 如图 13 所示。设置油 液压力 14 MPa， 控制电机转速为 1 500 r/min。 图 13左侧泵体侧面中心位置频率测量实验 Fig． 13 Experiment on the center position frequency measurement of the left side pump body． 时域曲线经过傅里叶变化及巴特沃斯滤波求得的 频率值大小， 如图 14 所示。 图 14左侧泵体侧面中心位置频率测量结果 Fig． 14 Frequency measurement of the center position of the left side pump body 从图 14 可知， 柱塞泵以 1 500 r/min 的转速工作 时， 振动频率为 175． 035 Hz。从时域曲线中， 可以看 出， FBG 中心波长随时间而略微增大， 这是由于随着柱 塞泵的运转， 泵体侧面区域温度有所升高， 由于 FBG 的 温度传感特性， 致使 FBG 中心波长略微增大， 但这并不 影响时域曲线携带的频率特性。 由光纤传感理论可知温度会对光纤光栅应变结果 具有交叉耦合， 但由于振动量是由中心波长量经傅里 叶变化获得的， 因此温度对振动测量的影响忽略不计。 为进一步说明温度对振动测量的影响作用， 开展试验 102第 20 期何祯鑫等 基于光纤 Bragg 光栅传感的轴向柱塞泵非介入式振动测量方法 ChaoXing 研究。液压系统中液压油正常工作温度范围通常为 ［ 20℃ ～70℃］ ， 本文主要考虑此温度范围内对振动测 量结果。液压系统压力及转速等条件不变的情况下， 不同时间段进行柱塞泵振动频率测量， 液压油温度会 升高， 可测得不同油温条件下振动频率值。图 15 和图 16 分别给出了油温为 23℃ 和 55℃ 情况下的振动频 率值。 图 15油温为 23℃下的振动频率 Fig． 15 Vibration frequency under oil temperature at 23℃ 图 16 油温为 55℃下的振动频率 Fig． 16 Vibration frequency under oil temperature at 55℃ 对比图 15 和图 16 可知， 不同温度下 23℃ 与 55℃ 的柱塞泵振动频率， 时域曲线出现上下移动， 且 温度越高光纤光栅中心波长变化越大， 但频域曲线并 没有发生变化， 进一步说明了温度的变化基本不影响 频率特性的测量结果。 改 变 电 机 转 速，分 别 记 录 在 1 500 r/min、 1 200 r/min、 900 r/min 和 600 r/min 转速状态下， 不同 点位三次采样时， FBG 振动频率传感器测量频率值， 如 表 3 所示， f1表示 FBG 振动频率传感器在柱塞泵左侧 泵体侧面中心位置时的三次频率测量平均值， f2表示 FBG 振动频率传感器在柱塞泵左侧泵体端面边缘位置 时的三次频率测量平均值。 表 3频率理论值与实测值数据 Tab． 3 Theoretical and measured data of frequency 转速/ rmin －1 峰值频率理论值/Hzf1/Hzf2/Hz 1 500175175． 035174． 975 1 200140140． 187140． 093 900105104． 928105． 098 6007070． 02470． 013 从表 3 能够得到， 待测频率理论值同实验测试结 果吻合度较好。说明解调系统能够高精度求解双等强 度悬臂梁式 FBG 振动频率传感器所感应的待测振动信 号， 并通过分析计算， 很好地显示了频率测量结果， 重 复性较好， 测量可靠性较高。 5结论 本文首次将 FBG 传感技术引入到轴向柱塞泵的非 介入式振动信号测量中， 为液压系统状态监测与故障 振动打下基础。在振动传感器设计的基础上， 通过仿 真与试验的方法均验证了传感器设计和传感系统的可 靠性， 优点如下 1 利用光纤传感技术测量机械设备的振动， 较传 统振动传感器可以有效避免电磁干扰， 可靠性与灵敏 度高、 易表面粘贴， 实现非介入式测量; 2 在传感器设计方面， 采用了双等强度悬臂梁式 结构， 提高固有频率和抗干扰能力的同时， 工作频带也 得到了拓宽， 振动传感器能够采集更丰富的振动信号。 参 考 文 献 ［1］ 蔡伟． 液压系统非介入式检测技术［ M］ ． 北京 国防工业出 版社， 2014． ［2］ 陈苏， 陈国兴， 徐洪钟， 等． 光纤 Bragg 光栅应变测试技术 在大型振动台模型试验中应用［J］ ． 振动与冲击， 2014， 33 10 113 －118． CHENSu， CHENGuoxing， XUHongzhong， etal． Application of optical fiber Bragg gratinng strain measuring technique in large scale shaking table model tests ［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2014， 33 10 113 －118． ［3］ 郭飞，张培伟，张大海，等． 基于小波包能量特征向量的 光纤布拉格光栅低速冲击定位 ［ J］ ． 振动与冲击，2017， 36 8 184 －189． GUOFei， ZHANGPeiwei， ZHANGDahai， etal． Localization of low- velocity impact by using fiber Bragg grating sensors based on wavelet packet energy eigenvector ［J］ ．Journal of Vibration and Shock，2017，36 8 184 －189． ［4］ LI S，CHEN S．Structural health monitoring of maglev guideway PC girders with distributed long- gauge FBG sensors ［ J］ ． Structural Control ＆ Health Monitoring， 2018， 25 1 2046． ［5］ BERKOFF T A，KERSEY A D． Experimental demonstration of a fiber bragg grating accelerometer ［J］ ． IEEE Photonics Technology Letters， 1996， 8 12 1677 －1679． ［6］ BASUMALLICK N，CHATTERJEE I，BISWAS P，et al． Fiber bragg grating accelerometer with enhanced sensitivity ［ J］ ． Sensor and Actuators A． 2012， 173 1 108 －115． ［7］ KARABACAK D M，IBRAHIM S K，KOUMANS Y，et al． High- speed system for FBG- based measurements of vibration and sound［C］ ． SPIE Commercial Scientific Sensing and Imaging． 2016 98520I． 下转第 236 页 202振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing hydroelasticity and its application to very large floating structures［ M］ ． Shanghai Jiao Tong University， 2007． ［3］ MARON A，KAPSENBERG G． Design of a ship model for hydro- elastic experiments in waves［ J］ ． International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering，2014，6 1130 －1147． ［4］ 陈占阳， 李志鹏． 不同浪向下超大型船舶载荷响应特征的 模型试验