CN204854809U - 水泵监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水泵监测装置，包括宽带光源、耦合器、光纤布拉格光栅传感器、光纤F-P可调滤波器、光电探测电路模块、A/D转换器及FPGA处理***。光纤F-P可调滤波器接收反射回耦合器的满足Bragg条件的光并进行波长扫描，当光纤F-P可调滤波器出射的窄带光中心波长与满足Bragg条件的光的波长相匹配时，该满足Bragg条件的光通过光纤F-P可调滤波器并进入光电探测电路模块，再经由A/D转换器转换为电信号后，进入FPGA处理***完成光纤光栅的波长解调，并利用光纤光栅本身的波长与水泵参数之间的对应关系，计算出该光纤光栅所在地点的实时水泵参数值。

Description

水泵监测装置

技术领域

本实用新型关于一种监测装置，尤其涉及一种水泵监测装置。

背景技术

当宽谱光入射到光纤光栅中时，光纤光栅所对应的中心波长的光会被反射回去，并且光纤光栅所对应的中心波长会随着光纤光栅所受温度、压力等外界环境而改变，利用光纤光栅这一性质把光纤光栅作为传感器的温度、应变等传感***已经被广泛的应用于生产生活中的诸多领域。

但是由于目前的应用中，光纤光栅是点型传感器，在水泵监测装置中需要大量光纤光栅，而现有的光纤光栅感温技术或感测振动的技术中标定波长的范围都很小，相应的精确波长的有效解调区间也很窄，不利于扩展探测器数量。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的之一在于提供一种性能稳定、测量精度高、频带宽动态范围大可以增加光纤光栅的使用数量，实现对水泵机械设备的健康状态评估，从而实现设备的远程实时在线监测的水泵监测装置。

为达上述目的，本实用新型提供一种水泵监测装置，该水泵监测装置包括宽带光源、耦合器、光纤布拉格光栅传感器、光纤F-P可调滤波器、光电探测电路模块、A/D转换器以及FPGA处理***，该宽带光源发出的光进入该耦合器；该光纤布拉格光栅传感器连接于该耦合器，该光纤布拉格光栅传感器接收从该耦合器射出的光并将满足Bragg条件的光反射回该耦合器；该光纤F-P可调滤波器连接于锯齿波扫描电压，且该光纤F-P可调滤波器连接于该耦合器，该光纤F-P可调滤波器接收反射回该耦合器的该满足Bragg条件的光并进行波长扫描，当该光纤F-P可调滤波器出射的窄带光中心波长与该满足Bragg条件的光的波长相匹配时，该满足Bragg条件的光通过该光纤F-P可调滤波器并进入该光电探测电路模块，再经由该A/D转换器转换为电信号后，进入FPGA处理***完成光纤光栅的波长解调，并利用该光纤光栅的波长与水泵参数之间的对应关系，计算出该光纤光栅所在地点的实时水泵参数值。

作为可选的技术方案，该锯齿波扫描电压由该FPGA处理单元产生并施加于该光纤F-P可调滤波器上。

作为可选的技术方案，该耦合器的分光比为60％：40％，该耦合器将该宽带光源发出的光分为第一路光以及第二路光，该第一路光的第一光强为该宽带光源的光的总光强的60％，该第二路光的第二光强为该总光强的40％。

作为可选的技术方案，该第一路光与该第二路光进入的该光纤布拉格光栅传感器的FBG阵列为同一阵列。

作为可选的技术方案，该FBG阵列中的FBG个数为6-10个。

作为可选的技术方案，该宽带光源采用波长范围1525-1565nm的ASE宽带光源。

作为可选的技术方案，该FPGA处理***包括：低通数字滤波器，与该A/D转换器连接，用以去除高频干扰；数据计算处理模块，连接于该低通数字滤波器，用以完成该光纤光栅的波长解调；以及水泵参数显示模块，连接于该数据计算处理模块，用以显示该实时水泵参数值。

作为可选的技术方案，该水泵监测装置还包括液晶显示屏幕，连接于该水泵参数显示模块，该实时水泵参数值显示于该液晶显示屏幕上。

作为可选的技术方案，该光纤F-P可调滤波器为带有压电陶瓷的法布里-珀罗滤波器。

作为可选的技术方案，该水泵参数为该水泵工作中该水泵的振动频率、振动幅度或水泵温度。

与现有技术相比，本实用新型的水泵监测装置是基于光纤传感器的水泵在线工作的监测装置。利用灵敏度高、频带宽动态范围大、抗电磁干扰能力强的光纤布拉格光栅传感器，远程监测水泵工作中的振动频率、振动幅度和水泵温度，采取数据融合方法，把多点检测的信息通过某种准则进行组合，依据结构设计检定参数，以及对检定数据的计算，实现对水泵机械设备的健康状态评估，从而实现设备的远程实时在线监测。

关于本实用新型的优点与精神可以藉由以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1所示为根据本实用新型的水泵监测装置的示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1所示为根据本实用新型的水泵监测装置的示意图。本实用新型提供一种水泵监测装置，该水泵监测装置包括宽带光源1、耦合器2、光纤布拉格光栅传感器3、光纤F-P可调滤波器4、光电探测电路模块5、A/D转换器6以及FPGA(现场可编程门阵列)处理***7，其中，上述宽带光源1例如采用波长范围1525-1565nm的ASE宽带光源，光纤F-P可调滤波器4为带有压电陶瓷的法布里-珀罗滤波器。宽带光源1发出的光进入耦合器2；光纤布拉格光栅传感器3连接于耦合器2，光纤布拉格光栅传感器3接收从耦合器2射出的光并将满足Bragg条件的光反射回耦合器2；光纤F-P可调滤波器4连接于锯齿波扫描电压8，且光纤F-P可调滤波器4连接于该耦合器2，该光纤F-P可调滤波器4接收反射回该耦合器2的该满足Bragg条件的光并进行波长扫描，当该光纤F-P可调滤波器4出射的窄带光中心波长与该满足Bragg条件的光的波长相匹配时，该满足Bragg条件的光通过该光纤F-P可调滤波器4并进入该光电探测电路模块5，再经由A/D转换器6转换为电信号后，最后进入FPGA处理***7完成光纤光栅的波长解调，并利用光纤光栅本身的波长与水泵参数之间的对应关系，计算出该光纤光栅所在地点的实时水泵参数值。该水泵参例如为该水泵工作中该水泵的振动频率、振动幅度或水泵温度。

其中，本实施方式中，耦合器2的分光比例如为60％：40％，耦合器2将该宽带光源1发出的光L分为第一路光L1以及第二路光L2，第一路光L1的第一光强为该宽带光源1的光L的总光强的60％，该第二路光L2的第二光强为该总光强的40％。

第一路光L1与该第二路光L2进入的该光纤布拉格光栅传感器3的FBG阵列为同一阵列，其中上述FBG阵列中的FBG个数例如为6-10个，但并不以此为限。

另外，上述FPGA处理***7还包括：低通数字滤波器71、数据计算处理模块72以及水泵参数显示模块。低通数字滤波器71与A/D转换器6连接，用于去除高频干扰；数据计算处理模块72连接于低通数字滤波器71，用以完成光纤光栅的波长解调；水泵参数显示模块连接于该数据计算处理模块72，用以显示实时水泵参数值。其中本实施方式中水泵参数显示模块例如为温度显示模块73，此外，水泵监测装置还包括液晶显示屏幕74，连接于温度显示模块73，实时温度值或是其他一些实时水泵参数值显示于该液晶显示屏幕74上。

其中，本实施方式中，锯齿波扫描电压8是由FPGA处理单元7中的锯齿波产生模块75产生并施加于光纤F-P可调滤波器4上实现波长扫描，同时FPGA处理单元7实现扫描电压信号采集。而为了获得锯齿波扫描电压8，在锯齿波产生模块7575与光纤F-P可调滤波器4之间还连接有D/A转换器76。在进行实时波长标定时，由FPGA处理单元7产生扫描电压信号，并采集记记录扫描电压信号，实现光纤F-P可调滤波器4的波长扫描。每采集到一个吸收峰形电压信号，就寻找其相应的峰位根据该峰位获得此刻光纤F-P可调滤波器4的扫描电压值，由此记录下所有吸收峰的波长-电压数据对，之后将这些数据对应拟合出波长-电压之间的变化函数关系。该函数关系就是用来解调光纤光栅波长的依据和标准，本装置可在光纤光栅波长解调中每个电压扫描周期均进行波长标定过程，即本装置实行实时波长标定。

本实施方式中以水泵参数为水泵温度为例进行说明，主要采用光纤布拉格光栅(FBG)作为温度传感器，来实时监控各指定点温度。

光纤FBG光栅是一种新型的光无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。其温度传感原理是：宽带光入射光纤光栅，将产生模式耦合，当满足布拉格条件时，光纤光栅将起到一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波(其余的光波从光纤光栅的另一端透射出去)，该窄带光波的中心波长即为光纤光栅布拉格波长λB，当光纤光栅受到外界温度作用时，λB受外界环境影响而发生变化，导致符合Bragg条件的反射波长发生位移ΔλB，由此可得到中心波长随温度的变化率，一是热光效应使得纤芯有效折射率随温度发生变化，二是由于热膨胀使得栅距变化也就是说温度和应力都能引起周期和折射率的变化,即都能使布拉格中心波长发生移动。以上即为光纤FBG光栅温度传感的机理，本实用新型根据此机理，通过检测满足Bragg条件的反射波中心波长发生位移ΔλB来检测作用在光纤光栅上的温度信号。

根据上述FBG的传感原理，本***需要针对FBG的实时波长进行解调，现有的解调方法很多，如可调F-P滤波法、被动解调法、匹配光栅法、非平衡M-Z干涉法以及可调谐窄带光源法等。由于本装置采用等精度压力传感器，所测总压符合正态分布，可以采用加权平均算法与分批估计相结合的融合算法进行数据融合由于传感器本身的故障概率，影响测量数据的一致性。因此，数据融合前，必须进行测量数据一致性检验。不仅提高可靠性，而且计算量少，易于实现。在保证一定的测量范围、较高信噪比和精度的基础上，用宽带光源和光纤F-P可调滤波器4设计了一种可调谐窄带光源，即让宽带光源入射光纤F-P可调滤波器4，光纤F-P可调滤波器4在锯齿波或正弦波扫描电压的驱动下，出射连续的不同中心波长的窄带光，窄带光的中心波长与扫描电压相对应。若用锯齿波扫描电压扫描光纤F-P可调滤波器4，光纤F-P可调滤波器4透射光的中心波长与对应的扫描电压有较好的线性关系。

光纤F-P可调滤波器4出射的窄带光扫描FBG阵列，当窄带光中心波长与满足Bragg条件的光的波长相同时，光电探测电路模块探测的光信号最强，光电转换的电压最大，否则探测信号非常弱。光电转换得到的信号电压经过放大、滤波和整形后，再通过数据采集和信号处理，根据光纤F-P可调滤波器4的扫描电压与其透射光中心波长的对应关系就可解调出每个光纤光栅的波长。

综上所述，本实用新型的水泵监测装置是基于光纤传感器的水泵在线工作的监测装置。利用灵敏度高、频带宽动态范围大、抗电磁干扰能力强的光纤布拉格光栅传感器，远程监测水泵工作中的振动频率、振动幅度和水泵温度，采取数据融合方法，把多点检测的信息通过某种准则进行组合，依据结构设计检定参数，以及对检定数据的计算，实现对水泵机械设备的健康状态评估，从而实现设备的远程实时在线监测。

藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本实用新型的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本实用新型的保护范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本实用新型所欲申请的权利要求的保护范围内。因此，本实用新型所申请的权利要求的保护范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (10)

1.一种水泵监测装置，其特征在于该水泵监测装置包括宽带光源、耦合器、光纤布拉格光栅传感器、光纤F-P可调滤波器、光电探测电路模块、A/D转换器以及FPGA处理***，该宽带光源发出的光进入该耦合器；该光纤布拉格光栅传感器连接于该耦合器，该光纤布拉格光栅传感器接收从该耦合器射出的光并将满足Bragg条件的光反射回该耦合器；该光纤F-P可调滤波器连接于锯齿波扫描电压，且该光纤F-P可调滤波器连接于该耦合器，该光纤F-P可调滤波器接收反射回该耦合器的该满足Bragg条件的光并进行波长扫描，当该光纤F-P可调滤波器出射的窄带光中心波长与该满足Bragg条件的光的波长相匹配时，该满足Bragg条件的光通过该光纤F-P可调滤波器并进入该光电探测电路模块，再经由该A/D转换器转换为电信号后，进入FPGA处理***完成光纤光栅的波长解调，并利用该光纤光栅的波长与水泵参数之间的对应关系，计算出该光纤光栅所在地点的实时水泵参数值。

2.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该锯齿波扫描电压由该FPGA处理单元产生并施加于该光纤F-P可调滤波器上。

3.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该耦合器的分光比为60％：40％，该耦合器将该宽带光源发出的光分为第一路光以及第二路光，该第一路光的第一光强为该宽带光源的光的总光强的60％，该第二路光的第二光强为该总光强的40％。

4.如权利要求3所述的水泵监测装置，其特征在于该第一路光与该第二路光进入的该光纤布拉格光栅传感器的FBG阵列为同一阵列。

5.如权利要求4所述的水泵监测装置，其特征在于该FBG阵列中的FBG个数为6-10个。

6.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该宽带光源采用波长范围1525-1565nm的ASE宽带光源。

7.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该FPGA处理***包括：

低通数字滤波器，与该A/D转换器连接，用以去除高频干扰；

数据计算处理模块，连接于该低通数字滤波器，用以完成该光纤光栅的波长解调；以及

水泵参数显示模块，连接于该数据计算处理模块，用以显示该实时水泵参数值。

8.如权利要求7所述的水泵监测装置，其特征在于该水泵监测装置还包括液晶显示屏幕，连接于该水泵参数显示模块，该实时水泵参数值显示于该液晶显示屏幕上。

9.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该光纤F-P可调滤波器为带有压电陶瓷的法布里-珀罗滤波器。

10.如权利要求1所述的水泵监测装置，其特征在于该水泵参数为该水泵工作中该水泵的振动频率、振动幅度或水泵温度。