傳感器與機(jī)械設(shè)備檢測(cè)

1、傳感器與機(jī)械設(shè)備檢測(cè)摘要：傳感技術(shù)作為信息技術(shù)的三大支柱之一，隨著時(shí)代的進(jìn)步呈現(xiàn)飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也愈來(lái)愈廣。其中光纖傳感器以其便攜、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)等諸多特性成為信息技術(shù)的研究熱點(diǎn)，并已成為新一代傳感器的代表，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。同時(shí)，光纖傳感器也應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中。由于在機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)中, 不能破壞檢測(cè)對(duì)象, 因而重點(diǎn)介紹了光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用。光纖傳感器不僅能夠滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)要求, 而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；機(jī)械設(shè)備檢測(cè)；光纖傳感技術(shù) 光纖傳感技術(shù)產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代末，并在短短幾十年時(shí)間內(nèi)獲得了飛速發(fā)展，光纖傳感器以其諸多優(yōu)勢(shì)成

2、為信息技術(shù)研究的熱門(mén)，與光纖通信并駕齊驅(qū)，廣泛應(yīng)用于通訊、交通、機(jī)械等領(lǐng)域，隨著光纖傳感器的不斷發(fā)展，其在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中所占地位愈來(lái)愈重要。利用光纖傳感的優(yōu)勢(shì)，減輕了設(shè)備檢測(cè)的壓力，同時(shí)保障檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性，以免影響機(jī)械設(shè)備的后期使用。光纖傳感器收集機(jī)械設(shè)備的參數(shù)特征，同時(shí)檢測(cè)外界因素的干擾，最終得出機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)。光纖傳感器的應(yīng)用，滿(mǎn)足了機(jī)械設(shè)備檢測(cè)的需求，并體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)光纖傳感器進(jìn)行研究，分析其在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用。1. 光纖傳感器的原理與分類(lèi) 眾所周知, 描述光波特征的參量很多, 如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、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(huì)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、應(yīng)力、應(yīng)變以及化學(xué)量和生物化學(xué)量等對(duì)光路產(chǎn)生影響時(shí), 都會(huì)使這些參量發(fā)生相應(yīng)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(guān)系來(lái)檢測(cè)各相應(yīng)物理量的大小。光源發(fā)出的光耦合進(jìn)入光纖, 經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)(測(cè)量區(qū)), 在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測(cè)參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào), 使其光學(xué)性質(zhì)如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率、相位偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光; 再經(jīng)過(guò)光纖送入光檢測(cè)器, 光檢測(cè)器對(duì)進(jìn)來(lái)的 光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出電信號(hào); 最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理而得到可用信號(hào), 從而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器可以測(cè)量的環(huán)境參量主要有應(yīng)力、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、

4、壓力、彎曲、應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、溫度、聲場(chǎng)、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(jìn)行各種物理量的測(cè)量裝置。來(lái)自光源的光線(xiàn)通過(guò)接口進(jìn)入光纖, 然后將檢測(cè)的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息, 最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。簡(jiǎn)言之, 光纖傳感器的原理就是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù), 使其隨之變化, 然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè), 從而得到被測(cè)參量, 即將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(yīng)用最為廣泛的傳感型光纖傳感器依靠

5、獲取相位信息達(dá)到測(cè)量目的，可稱(chēng)之為干涉型光纖傳感器， 是目前光纖傳感器中測(cè)量精度最高的一種。通過(guò)外界因素改變光線(xiàn)中傳輸光波的相位， 進(jìn)而影響干涉光的強(qiáng)度，常用的類(lèi)型有Michelsion、MaclrZehnder 等。傳光型光纖傳感器相對(duì)而言原理與結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，依據(jù)強(qiáng)度調(diào)制，外界因素直接影響光纖中傳輸光的強(qiáng)度，達(dá)到測(cè)量目的，主要分為反射式與透射式兩種，簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性高。2. 光纖傳感器的特點(diǎn) 光纖傳感器屬于非接觸式測(cè)量元件, 具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小、重量輕、柔性好等特點(diǎn), 而且測(cè)量對(duì)象廣泛。在傳感器行業(yè), 光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛認(rèn)可。下面具體介紹一下光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn):(

6、 1) 測(cè)量范圍廣?，F(xiàn)在用光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的傳感有力、熱、聲、電、核等幾十種, 可以測(cè)量位移、速度、加速度、壓力、液面、振動(dòng)、水聲、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及核輻射等物理量。( 2) 靈敏度高。光纖傳感技術(shù)不但比其他傳感技術(shù)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(shí)現(xiàn)輻射劑量的傳感,其靈敏度比普通的劑量計(jì)要高1 萬(wàn)倍; 光纖溫度傳感器的靈敏度達(dá)百分之一度; 光纖位移傳感器的靈敏度達(dá)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(qiáng),不受電、磁場(chǎng)干擾的特點(diǎn), 在易爆環(huán)境中使用安全可靠。( 4) 便于與計(jì)算機(jī)接口組成遙控、遙測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多功能、智能化以及遠(yuǎn)距離測(cè)量與控

7、制。( 5) 體積小、重量輕。用一條光纖可取代上百個(gè)傳感器陣列或數(shù)百條電纜。3. 光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中，能夠傳輸出有特征的光波，此類(lèi)光波參量，可以做為評(píng)估機(jī)械設(shè)備的一項(xiàng)因素，正常的傳感檢測(cè)中，光波參數(shù)很容易發(fā)生變化，無(wú)法獲取準(zhǔn)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(diǎn)，通過(guò)研究光纖參量的變化方式，掌握機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)機(jī)械設(shè)備自身傳達(dá)的參量信息，協(xié)調(diào)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，體現(xiàn)出光纖傳感器的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，表明光纖傳感器的實(shí)踐應(yīng)用。3.1 光纖傳感器應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備溫度檢測(cè) 溫度指標(biāo)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中必須重點(diǎn)檢測(cè)的一項(xiàng)，如果機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期處在高溫作業(yè)的環(huán)境下，即會(huì)出現(xiàn)

8、帶病作業(yè)、設(shè)備損壞的情況。光纖傳感器的便捷性、高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，恰好可以應(yīng)用在設(shè)備的溫度檢測(cè)中。光纖傳感器，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)溫度，而且靈敏性高，如FBG， 其溫度波長(zhǎng)靈敏度可達(dá)10pm/，即使出現(xiàn)細(xì)微的溫度變化，光纖傳感器也能快速的檢測(cè)到。常用的光纖傳感器有： FBG、熒光傳感器，都是用于機(jī)械設(shè)備的溫度檢測(cè)，在光纖傳感器中配置高溫探頭，機(jī)械設(shè)備的最高檢測(cè)溫度，高達(dá)1000，廣泛應(yīng)用于極端條件下機(jī)械設(shè)備測(cè)量中，如石油井下作業(yè)、核反應(yīng)堆工程溫度檢測(cè)等。若將光纖傳感器置于機(jī)組線(xiàn)圈內(nèi)，還可依靠其連續(xù)感知特性實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)監(jiān)控。近幾年，光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備溫度檢測(cè)中，逐步應(yīng)用到核反應(yīng)堆方面，目的是加強(qiáng)核反應(yīng)堆中所

9、使用機(jī)械設(shè)備的控制力度，實(shí)現(xiàn)有效的反應(yīng)監(jiān)控，構(gòu)建自動(dòng)化的溫度監(jiān)控體系。3.2 光纖傳感器應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備力學(xué)參數(shù)檢測(cè)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，也是機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的重要依據(jù)。光纖傳感器自誕生之初就試用于機(jī)械設(shè)備力學(xué)參數(shù)檢測(cè)中，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，目前廣泛應(yīng)用于橋梁工程、石油鉆井壓力檢測(cè)、飛行器動(dòng)力機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。例舉光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的運(yùn)用，如：(1) 橋梁檢測(cè)。將光纖傳感器安置在橋梁的表層，或者也可根據(jù)實(shí)際情況，深埋在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，檢測(cè)橋梁構(gòu)建的力學(xué)變化，得出橋梁工程是否存在位移、裂縫的問(wèn)題，橋梁工程的缺陷，主要通過(guò)力學(xué)參數(shù)反饋，能夠及時(shí)預(yù)防橋梁事故； (2) 鉆井檢測(cè)。光纖傳感器在石

10、油鉆井中，能夠監(jiān)測(cè)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(qiáng)等不良特性，光纖傳感器可為泡點(diǎn)壓力管理提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有助于減少原油損失，而且能夠提供實(shí)時(shí)的油藏壓力，真實(shí)的反應(yīng)出機(jī)械設(shè)備的力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，光纖傳感器也具備高精度、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)，例如微彎損耗傳感器可測(cè)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(dòng)。總之，光纖傳感器，在不同的機(jī)械設(shè)備中，都可提供準(zhǔn)確的力學(xué)檢測(cè)，輔助檢測(cè)設(shè)備的力學(xué)變化，得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。3.3 光纖傳感器應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備電磁參數(shù)檢測(cè) 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(qiáng)度高等優(yōu)良機(jī)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(jī)械設(shè)備的電磁參數(shù)測(cè)量過(guò)程中。光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備的電磁參數(shù)檢測(cè)中，僅僅檢測(cè)電磁參數(shù)，不會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的性能，即使是在惡劣的環(huán)境條件下(如巖坡工程機(jī)械設(shè)備檢測(cè))，光纖傳感器也能準(zhǔn)確的檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的電磁參數(shù)。光纖傳感器，可以檢測(cè)高達(dá)上千安的電流，測(cè)量過(guò)程中，始終保持準(zhǔn)確的測(cè)量精度。 目前，光纖、電光、磁光晶體為基礎(chǔ)構(gòu)成的綜合型傳感器技術(shù)日趨成熟，可實(shí)現(xiàn)上千安培電流、幾百千伏電壓的測(cè)量過(guò)程，并且具備極高的測(cè)量精準(zhǔn)度，通過(guò)與光纖溫度傳感器的組合，可廣泛應(yīng)用于智能電站輸入輸出裝置自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，將其內(nèi)置于大型發(fā)電機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于細(xì)微問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，有效提高了大

12、型發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的可靠性。例如：發(fā)電廠(chǎng)智能電站的機(jī)械設(shè)備，采用光纖傳感器與溫度傳感器相結(jié)合的方式，全面檢測(cè)智能電站的機(jī)械設(shè)備，而且提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的條件，重點(diǎn)監(jiān)督設(shè)備的電磁參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)電磁參數(shù)，及時(shí)處理智能設(shè)備的異常問(wèn)題，保護(hù)發(fā)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(cè)中的作用。3.4 光纖傳感器應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù) 科技在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步，各行各業(yè)所使用的機(jī)械設(shè)備也朝著復(fù)雜化、大型化方向不斷前行，而在實(shí)際運(yùn)行中，因過(guò)載、使用程序不當(dāng)?shù)惹闆r，許多機(jī)械設(shè)備都存在著不易被發(fā)現(xiàn)的隱患，這些微小風(fēng)險(xiǎn)逐步累積，可能會(huì)釀成嚴(yán)重的事故。近些年來(lái)基于光纖傳感器的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)

13、展，專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備中的各類(lèi)隱患，預(yù)防隱患擴(kuò)大，避免影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)。光纖傳感器逐漸成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的核心，提高了機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)的專(zhuān)業(yè)性。4.對(duì)光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中應(yīng)用的想法 目前仍在使用的各種機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)中, 由于超期使用、過(guò)載、缺乏維修及合適的檢查等諸多因素的影響, 許多結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)損壞或存在著安全隱患。因此, 近年來(lái)利用無(wú)損檢測(cè)評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和完整性, 決定其是否安全, 并為檢修、更新、改建、延長(zhǎng)使用期提供了嶄新的途徑, 這或許也為結(jié)構(gòu)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(píng)定領(lǐng)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(guò)一些無(wú)損檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷的方法。然而, 從某種程度上講, 這些方法并不總是非?？煽康? 或只能作為定性的評(píng)估方法。這些無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要依據(jù)的是X 和Y 射線(xiàn)的吸收、傳播和散射, 核子振動(dòng)響應(yīng)、電阻計(jì)、離子滲透、超聲波、振動(dòng)、磁等方法。 由于光纖尺寸小、重量輕, 因此將其置入測(cè)試的結(jié)構(gòu)內(nèi)并不影響結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)。埋入光纖進(jìn)行傳感的基本原理是光纖能高精度地傳感結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化值, 探測(cè)被測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化并利用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR) 和光頻域反射計(jì)(OFDR) 技術(shù),測(cè)試從光纖反射的信號(hào)而將各種被測(cè)的量定位。將光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)埋入結(jié)構(gòu)中, 就可以“實(shí)時(shí)”檢測(cè)結(jié)構(gòu)中各種力學(xué)參數(shù)、損壞情況及進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估

15、,實(shí)現(xiàn)測(cè)試的實(shí)時(shí)化。5.結(jié)束語(yǔ) 光纖傳感器是機(jī)械設(shè)備檢測(cè)的關(guān)鍵，為機(jī)械設(shè)備，提供了高質(zhì)量、高性能的檢測(cè)方法，體現(xiàn)出光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中，逐步意識(shí)到光纖傳感器的實(shí)踐價(jià)值，注重光纖傳感器的實(shí)時(shí)性，改善了機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。6.參考文獻(xiàn) 1 韓連英,王曉紅.光纖傳感器在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用J. 光機(jī)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)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(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的運(yùn)用J. 黑龍江科技信息,2015,24:99. 4 王惠文, 江先進(jìn), 趙長(zhǎng)明, 等.光