一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置及方法与流程

本发明涉及风力发电机组状态监测和光纤传感，具体来说，涉及一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置及方法。

背景技术：

1、风机齿轮箱位于叶轮主轴与发电机之间，用于将低速大转矩旋转运动转换为满足发电机运行要求的高速旋转运动。齿轮箱通常包含行星传动级和平行轴传动级，长期承受交变载荷、冲击载荷和随风速变化的非平稳载荷，其外壳振动既包含低幅值稳态振动，也可能因齿面损伤、载荷突变或局部冲击产生大幅值振动，且振动频率成分分布较宽。

2、现有齿轮箱状态监测多采用压电式或电荷式加速度传感器。该类传感器虽具有成熟的工程应用基础，但在机舱复杂电磁环境、长距离传输、温度变化及多测点布线条件下，仍可能受到电磁干扰、供电与电缆维护以及温度漂移的影响；单一量程传感器还难以同时兼顾微弱振动检测和强冲击测量。

3、光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，fbg）振动传感器具有抗电磁干扰、结构稳定和动态测量范围较大的特点，但其振动灵敏度相对有限，并且中心波长同时受应变和温度影响，在微弱振动条件下容易受到系统背景噪声影响。

4、法布里-珀罗腔（fabry-pérot cavity，fp腔）振动传感器通过检测敏感膜片位移引起的腔长变化获得振动响应，具有较高的位移和加速度灵敏度，但在强振动条件下可能因敏感膜片偏转出现光斑偏移、干涉条纹对比度降低、高阶模式或模式跳变，导致腔长解调失效。因此，有必要将两种测量原理集成于同一敏感结构和同一检测位置，利用独立温度参考通道进行共同补偿，并利用两振动通道的灵敏度和量程互补实现宽动态范围的自校准振动测量。

5、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置及方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一方面，提供了一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，该装置包括：

4、安装底座，安装于风机齿轮箱外壳的顶端；

5、复合式光纤振动传感器，设置于安装底座的顶端，用于感知风机齿轮箱外壳的振动，并输出反射光谱和干涉光谱；

6、光源及分光单元，与复合式光纤振动传感器光连接，用于向复合式光纤振动传感器输入检测光；

7、光学解调单元，与复合式光纤振动传感器相连接，用于接收复合式光纤振动传感器的反射光谱和干涉光谱，并将反射光谱与干涉光谱分别转化为中心波长变化量与实时腔长变化量；

8、数据处理单元，与光学解调单元相连接，用于获取中心波长变化量和实时腔长变化量，并计算自校准振动数据，根据自校准振动数据确定风机齿轮箱振动检测结果。

9、根据本发明的另一方面，提供了一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法，该基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法包括：

10、在双悬臂梁敏感膜片振动过程中，同步获取第一光纤光栅的中心波长变化量、法布里-珀罗腔的实时腔长变化量，以及第二光纤光栅的中心波长变化量；

11、根据第二光纤光栅的中心波长变化量，分别对第一光纤光栅的中心波长变化量和法布里-珀罗腔的实时腔长变化量进行温度修正，并将温度修正结果转换为相同量纲的温度修正振动数据；

12、根据第一光纤光栅通道和法布里-珀罗腔通道的初步解调结果及解调有效状态，确定当前振动强度表征值，并与预设测量区间相结合对温度修正振动数据进行分段选择处理，得到自校准振动数据；

13、将自校准振动数据与齿轮啮合频率相结合，确定边带特征比，并基于风机运行参数确定稳态采样时段，将稳态采样时段的边带特征比与正常运行基线相结合进行风机齿轮箱振动检测，生成风机齿轮箱振动检测结果。

14、本发明的有益效果为：

15、1、本发明将第一光纤光栅和法布里-珀罗腔集成于同一双悬臂梁敏感膜片，使两种不同测量原理同时感知齿轮箱外壳同一位置、同一敏感轴的振动，降低不同测点和安装路径造成的响应差异。

16、2、本发明利用法布里-珀罗腔的高灵敏度获取微弱振动信号，并利用第一光纤光栅在强冲击条件下较稳定的光谱响应获得大量程振动信号，从而兼顾微弱振动检测灵敏度与强冲击测量范围。

17、3、本发明利用固定于不锈钢盖板的第二光纤光栅分别修正第一光纤光栅和法布里-珀罗腔的温度漂移，并根据两通道的有效量程和解调状态进行分段选择，在重叠测量区间按照权重进行融合，能够提高测量准确性、稳定性和通道失效时的容错能力。

18、4、本发明获得的自校准振动数据用于齿轮啮合频率及边带特征分析，为风机齿轮箱局部损伤状态监测提供可靠的振动数据基础。

19、5、本发明通过运行工况划分和稳态筛选，按照检测位置、敏感轴方向和运行工况分别建立并调用正常运行基线，并采用连续多个稳态采样时段确认异常，能够降低转速、功率、传动载荷变化及偶然瞬态冲击对检测结果的影响，减少变工况运行条件下的误报警。

1.一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，所述复合式光纤振动传感器（10）包括设置于所述安装底座（9）顶部外侧的封装壳体（1），所述封装壳体（1）的内部连接有双悬臂梁敏感膜片（2），用于感知齿轮箱外壳振动，并将振动转换为轴向应变；

3.根据权利要求2所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，所述第二石英光纤（7）的底端所在面为光纤端面反射面，所述双悬臂梁敏感膜片（2）的顶端所在面为膜片反射面；

4.根据权利要求2所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，所述双悬臂梁敏感膜片（2）包括对称设置在所述第二石英光纤（7）底端的悬臂梁，两组所述悬臂梁的中部连接有与所述第一光纤光栅（4）相连接的中央质量块（3），用于在振动激励下放大所述悬臂梁的形变，以形成轴向应变；

5.根据权利要求2所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，所述第二石英光纤（7）的顶部外侧设置有与所述封装壳体（1）相连接的氧化铝管，以固定所述第二石英光纤（7）底端所在的面相对于所述双悬臂梁敏感膜片（2）外围支撑框架的相对位置关系。

6.根据权利要求2所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置，其特征在于，所述光源及分光单元（11）分别与所述第一石英光纤（6）及所述第二石英光纤（7）光连接，用于向所述第一光纤光栅（4）、所述第二光纤光栅（5）以及所述法布里-珀罗腔（8）输入检测光；

7.一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法，用于实现权利要求1-6中任一项所述的基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感装置的振动传感，其特征在于，该方法包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法，其特征在于，所述根据第二光纤光栅（5）的中心波长变化量，分别对第一光纤光栅（4）的中心波长变化量和法布里-珀罗腔（8）的实时腔长变化量进行温度修正，并将温度修正结果转换为相同量纲的温度修正振动数据包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法，其特征在于，所述与预设测量区间相结合对温度修正振动数据进行分段选择处理，得到自校准振动数据包括：

10.根据权利要求7所述的一种基于同膜片双通道复合感知的风机齿轮箱自校准光纤振动传感方法，其特征在于，所述将稳态采样时段的边带特征比与正常运行基线相结合进行风机齿轮箱振动检测，生成风机齿轮箱振动检测结果包括：