光纤传感器在涡轮轴向位移检测中的应用研究

　　1　引言

　　要保证涡轮机正常工作,必须对其主体工作状况进行实时监测,其中轴向位移是影响涡轮机正常工作的关键因素。涡轮机的轴向位移测量受环境恶劣因素影响,高速燃气不但会给测量引入额外的速度误差,而且给测量带来很大难度。

　　针对涡轮机轴向位移的动态测量,许多传统的位移传感器已不适用。光纤位移传感器具有灵敏度高、响应速度快、电安全性、体积小、重量轻、可灵活柔性挠曲、耐恶劣环境,实现非接触测量等,且易于与计算机连接,可满足多功能、智能化的测量要求。

　　2　系统结构及工作原理

　　图1为光纤位移检测系统在涡轮轴向位移检测中的应用示意图。

　　2.1　光纤位移检测系统结构

　　光纤位移检测系统结构如图2所示。传感器采用等间距错位式三光纤探头结构。该结构是在基本反射式光纤位移传感器的基础上,通过引入第二根接收光纤作为参考光纤,这两根接收光纤共同感受光源功率波动、光纤传输损耗、环境光等干扰因素的影响,然后通过比值运算抑制这些干扰的影响,最后的位移大小反映为两路信号的比值。

　　2.1.1　传感头部分

　　三光纤初始位置如图3所示。两组出射光纤距反射体(涡轮叶片)表面初始位置取不同的值,如一个为d,另一个取d+D.d取最大灵敏度位置,则当D为某合适值时,参考通道的收集光强基本不受d的大小变化影响。被测物有轴向位移时(沿光纤轴向),只要测出信号通道返回光与参考通道返回光的功率比,就可以推出被测物体的位移量。理论上,这种处理在很大程度上补偿了光源功率波动、光纤传输损耗变化、电路元器件的特性漂移以及环境杂散光等因素的影响。根据相关实验结果,d取0·2 mm,d+D取4 mm.

　　为稳定光源输出功率,采用精密参考电压和三极管组成的恒流源驱动光源LD,并采用具有负温度系数的热敏电阻对光源进行温度补偿。另外,当温度≤500℃的涡轮机工作时,为避免该信号对位移测量的引入影响,采用PD探测光波中心波长λ0=0·85μm、半波宽为100 nm的窄带滤光片滤除温度光等干扰。

　　2.1.2　信号调理部分和信号输出系统

　　信号调理电路和信号输出系统分别如图4、图5所示。

　　2.2　系统工作原理

　　光源LD受恒流源驱动,发出恒定的光信号。该光经入射光纤传至涡轮机的叶片,由于叶片的旋转(设转速为,叶片30个),信号光纤和参考光纤接收回来的信号是被调制成频率为0·6MHz的脉冲光;同时涡轮机的轴向位移信号对该光进行幅度调制。