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基于光纤传感技术的轴系扭振测试系统研究

摘要

旋转机械在现代工业中扮演着越来越重要的角色，随着人们对性能的需求越来越高，

旋转机械在向着大规模、高转速、高负荷等方向发展，这致使转子系统更易发生扭转振

动，从而破坏机械设备的平稳运行，造成严重后果，因此需要对扭振进行监测，其中对

扭振的测量误差进行分析并补偿至关重要。本文对基于光纤传感的扭振测量系统展开研

究，分析了该扭振测量系统在测量扭振过程中可能遇到的各种误差因素，并给出了相应

的误差补偿方案，通过仿真模型及实验验证了各误差补偿方案的有效性。本文主要研究

内容有：

简要介绍了扭振测量系统的测量原理和扭振信号的分析方法，叙述了扭振测量方法

的发展历程并对比了各种扭振测量方法的优劣，分析了各种误差补偿方案的原理及优缺

点。分别从仿真和实验两个维度对基于条纹宽度的扭振测量方法进行研究，通过仿真模

型分析了系统噪声误差、数据采集误差、弯振误差和条纹宽度误差对扭振测量的影响。

仿真结果表明，通过滤除伪脉冲周期可以有效消除系统噪声误差的影响；应选择相互匹

配的采样率和条纹分度数，在保证误差水平较低的同时不造成资源浪费；对脉冲信号进

行归一化处理可有效消除弯振平行分量的影响，180°对称布置双探头可以消除弯振垂

直分量的影响；脉冲周期同步平均补偿法可以有效削弱条纹宽度误差的影响，但在扭振

频率与转速倍频重合时不适用。搭建了扭振测试系统，对各种误差补偿方案进行了实验

验证，验证了该测量方法的可行性。

针对基于条纹宽度的扭振测量方法的局限性，提出了两种解决方法：一是先利用反

射光强标定白条纹的宽度，再用标定好的白条纹宽度进行扭振测量，通过有限元仿真模

型验证了该方案的可行性，仿真结果表明：可以建立反射光强与白条纹宽度之间的关系，

通过反射光强标定白条纹宽度；二是提出基于结构光的扭振测量方法，通过仿真及实验

进行验证，结果表明基于结构光的扭振测量方法在避免条纹宽度误差影响的同时，也避

免了单光斑上升沿持续时间难以准确提取的问题，为扭振测量提供了一种新的思路。

关键词：光纤传感；扭振测量；误差补偿；脉冲时序法

基于光纤传感技术的轴系扭振测试系统研究

ABSTRACT

Rotatingmachineryisplayinganincreasinglyimportantroleinmodernindustry.With

theincreasingdemandforperformance,rotatingmachineryismovingtowardslargescale,

highspeedandhighload,whichmakesrotorsystemsmoresusceptibletotorsionalvibration.

Torsionalvibrationcandisruptthesmoothoperationofmechanicalequipmentandcause

seriousconsequences,soitisnecessarytomonitortorsionalvibration,inwhichitiscrucialto

analyzeandcompensateforthemeasurementerroroftorsionalvibration.Thispaper

researchesthetorsionalvibrationmeasurementsystembasedonfiberopticsensing,analyzes

variouserrorfactorsthatmaybeencounteredintheprocessofmeasuringtorsionalvibration

inthistorsionalvibrationmeasurementsystem,andgivesthecorrespondingerror

compensationscheme,andver