空气压缩机轴位移监测系统

　　0　引言

　　空气压缩机在运行中的一大问题是由于轴位移过大而造成紧急停车。对近30年来部分国有空气压缩机由于轴位移超标而导致故障的现场数据统计进行理论分析,造成故障的原因有3个方面:

　　(1)轴位移测量装置精度不高,造成系统没有在轴位移超限时停车;

　　(2)机器本身的故障,主要是轴向推力过大造成,由于设计原因,使得机器在运转过程中产生的残余轴向力超过设计值,而使机器多次故障停车;

　　(3)润滑系统的故障,进入止推轴承的润滑油量不足以及润滑油质不好等因素。

　　分析指出轴位移测量精度不高是造成事故的主要原因。

　　文章提出了利用高速AVR对激光入射强度的自动控制,通过入射光纤接收后以一定距离照射到被测物表面,经强度补偿反射式光纤位移传感器调制后,由光电转换电路转换成电信号,再由AVR进行A/D转换,分析数据,得到不同光强照射下的轴位移,取平均值即得到高精度的测量值。由于AVR处理速度快、集成高精度A/D转换部件,因此系统具有电路简单、转换精度高、集成度好等优点。

　　1　理论依据

　　1·1　三探头光纤位移传感器补偿测量法原理

　　在传统的反射式强度调制型光纤位移传感器的基础上,再增加一根接收光纤,组成等间距排列三探头的光纤传感器,如图1所示。这种光纤探头无间隙紧密排列,光纤尺寸相同,易于做成带状,其间距大小仅由光纤芯径和包层厚度来确定。反射面到光纤端面的距离最终通过相邻接收光纤光强信号的比值来确定,这种光纤传感器能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响。根据光纤端面出射场强高斯函数描述得出场强分布,即:

　　式中:K₀为光波在发射光纤中的损耗;φ0为光源耦合到光纤的光强;R(z)为光场分布等效半径; r为半径,且：

　　式中a0为纤芯半径;θc为光纤的最大入射角; k为光场耦合系数;z为光纤端面到反射面的距离,表征光源的性质和耦合条件对光场分布的影响。

　　对于图1所示的三探头光纤传感头结构,以发射光纤中心轴线为轴,以过三光纤端面中心的连线为R轴建立坐标系。对这种反射接收型的光纤传感器,假设反射面为光滑镜面,不考虑散射的影响,则接收光纤所接收的光强等价于将之置于反射体镜面对称出直接接收的光强乘以镜面的反射系数。根据光纤纤端光强分布,将式(1)代人可得接收光纤收到的光通量:

　　式中:ρ为镜面的反射率;K为接收光纤的光功率损耗(本征损耗);为由于接收光纤弯曲所附加的损耗; s为光纤有效接收面积。