传感器与机械设备检测
摘要：传感技术作为信息技术的三大支柱之一，随着时代的进步呈现飞速发展，其应用范围也愈来愈广。其中光纤传感器以其便携、耐腐蚀、抗干扰能力强等诸多特性成为信息技术的研究热点，并已成为新一代传感器的代表，广泛应用于各行各业。同时，光纤传感器也应用于机械设备检测中。由于在机械设备的检测中, 不能破坏检测对象, 因而重点介绍了光纤传感器在机械设备检测中的应用。光纤传感器不仅能够满足机械设备的检测要求, 而且还能实现对机械设备的无损检测。
关键词：光纤传感器；机械设备检测；光纤传感技术
光纤传感技术产生于20 世纪70 年代末，并在短短几十年时间内获得了飞速发展，光纤传感器以其诸多优势成为信息技术研究的热门，与光纤通信并驾齐驱，广泛应用于通讯、交通、机械等领域，随着光纤传感器的不断发展，其在机械设备检测中所占地位愈来愈重要。利用光纤传感的优势，减轻了设备检测的压力，同时保障检测结果的真实性，以免影响机械设备的后期使用。光纤传感器收集机械设备的参数特征，同时检测外界因素的干扰，最终得出机械设备的状态。光纤传感器的应用，满足了机械设备检测的需求，并体现出明显的优势。本文通过对光纤传感器进行研究，分析其在机械设备检测中的应用。
1. 光纤传感器的原理与分类
众所周知, 描述光波特征的参量很多, 如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等。这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而
发生改变, 特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应力、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时, 都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。光源发出的光耦合进入光纤, 经光纤进入调制区(测量区), 在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号, 使其光学性质如光强、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光; 再经过光纤送入光检测器, 光检测器对进来的 光信号进行转换后输出电信号; 最后对电信号进行信号处理而得到可用信号, 从而获得被测参数。光纤传感器可以测量的环境参量主要有应力、位移、振动、转动、压力、弯曲、应力、应变、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、流量、浓度、pH 值等。光纤传感器是用光在不同的物理状态下, 在光纤中传播光的干涉、衍射、偏振、反射等物理特征的变化, 进行各种物理量的测量装置。来自光源的光线通过接口进入光纤, 然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息, 最后利用微处理器进行信息处理。简言之, 光纤传感器的原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数, 使其随之变化, 然后对已调制的光信号进行检测, 从而得到被测参量, 即将被测参量转换为光信号参数的变化。
光纤传感原理示意图
光纤传感器主要可分为传感型与传光型两种，其中，应用最为广泛的传感型光纤传感器依靠获取相位信息达到测量目的，可称之为干涉型光纤传感器， 是目前光纤传感器中测量精度最高的一种。通过外界因素改变光线中传输光波的相位， 进而影响干涉光的强度，常用的类型有Michelsion 、MaclrZehnder 等。传光型光纤传感器相对而言原理与结构都比较简单，依据强度调制，外界因素直接影响光纤中传输光的强度，达到测量目的，主要分为反射式与透射式 两种，简单可靠，经济实用性高。
2. 光纤传感器的特点
光纤传感器属于非接触式测量元件, 具有抗干扰能力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好等特点, 而且测量对象广泛。在传感器行业, 光纤传感器的优势得到了广泛认可。下面具体介绍一下光纤传感器的优点:
( 1) 测量范围广。现在用光纤传感技术可实现的传感有力、热、
声、
电、核等几十种, 可以测量位移、速度、加速度、压力、液面、振动、水声、温度、电场、磁场以及核辐射等物理量。
( 2) 灵敏度高。光纤传感技术不但比其他传感技术的灵敏度要高得多, 而且更能反映外界情况。例如, 利用光纤实现辐射剂量的传感, 其灵敏度比普通的剂量计要高1 万倍; 光纤温度传感器的灵敏度达百分之一度; 光纤位移传感器的灵敏度达一亿分之一厘米。
( 3) 具有安全防爆、耐腐蚀、耐高压、抗干扰能力强, 不受电、磁场干扰的特点, 在易爆环境中使用安全可靠。
( 4) 便于与计算机接口组成遥控、遥测系统，实现多功能、智能化以及远距离测量与控制。
( 5) 体积小、重量轻。用一条光纤可取代上百个传感器阵列或数百条电缆。
3. 光纤传感器在机械设备检测中的应用
机械设备运行中，能够传输出有特征的光波，此类光波参量，可以做为评估机械设备的一项因素，正常的传感检测中，光波参数很容易发生变化，无法获取准确的参量数据。光纤传感器正好利用光波参量变化的特点，通过研究光纤参量的变化方式，掌握机械设备的运行状态，通过机械设备自身传达的参量信息，协调机械设备的运行，体现出光纤传感器的检测优势，表明光纤传感器的实践应用。
3.1 光纤传感器应用于机械设备温度检测
温度指标是机械设备运行过程中必须重点检测的一项，如果机械设备长期处在高温作业的环境下，即会出现带病作业、设备损坏的情
况。光纤传感器的便捷性、高强度优势，恰好可以应用在设备的温度检测中。光纤传感器，能够实时检测温度，而且灵敏性高，如FBG ， 其温度波长灵敏度可达10pm/℃，即使出现细微的温度变化，光纤传感器也能快速的检测到。常用的光纤传感器有： FBG、荧光传感器，都是用于机械设备的温度检测，在光纤传感器中配置高温探头，机械设备的最高检测温度，高达1000℃，广泛应用于极端条件下机械设备测量中，如石油井下作业、核反应堆工程温度检测等。若将光纤传感器置于机组线圈内，还可依靠其连续感知特性实现故障的自动监控。近几年，光纤传感器在机械设备温度检测中，逐步应用到核反应堆方面，目的是加强核反应堆中所使用机械设备的控制力度，实现有效的反应监控，构建自动化的温度监控体系。
3.2 光纤传感器应用于机械设备力学参数检测
力学参数的检测，也是机械设备正常运行的重要依据。光纤传感器自诞生之初就试用于机械设备力学参数检测中，经过不断发展与技术进步，目前广泛应用于桥梁工程、石油钻井压力检测、飞行器动力机组振动监测等诸多领域。例举光纤传感器在机械设备检测中的运用，如：
(1) 桥梁检测。将光纤传感器安置在桥梁的表层，或者也可根据实际情况，深埋在内部结构中，检测桥梁构建的力学变化，得出桥梁工程是否存在位移、裂缝的问题，桥梁工程的缺陷，主要通过力学参数反馈，能够及时预防桥梁事故；
(2) 钻井检测。光纤传感器在石油钻井中，能够监测内部油藏的
压力，摒弃了传统传感器安装困难、稳定性差、滞后性强等不良特性，光纤传感器可为泡点压力管理提供实时数据，有助于减少原油损失，而且能够提供实时的油藏压力，真实的反应出机械设备的力学参数。同时，光纤传感器也具备高精度、测量范围广的特点，例如微弯损耗传感器可测量几十帕到上兆帕的压力范围，可传感亚微米幅度的微振动。总之，光纤传感器，在不同的机械设备中，都可提供准确的力学检测，辅助检测设备的力学变化，得出设备的运行状态。
3.3 光纤传感器应用于机械设备电磁参数检测
与传统传感器相比，光纤传感器不仅具有体积小、重量轻、强度高等优良机械性能，还具备抗电磁干扰、抗原子能辐射等优良性能，可方便地用于机械设备的电磁参数测量过程中。光纤传感器在机械设备的电磁参数检测中，仅仅检测电磁参数，不会影响机械设备的性能，即使是在恶劣的环境条件下(如岩坡工程机械设备检测) ，光纤传感器也能准确的检测机械设备的电磁参数。光纤传感器，可以检测高达上千安的电流，测量过程中，始终保持准确的测量精度。
目前，光纤、电光、磁光晶体为基础构成的综合型传感器技术日趋成熟，可实现上千安培电流、几百千伏电压的测量过程，并且具备极高的测量精准度，通过与光纤温度传感器的组合，可广泛应用于智能电站输入输出装置自动检测过程中，将其内置于大型发电机组，可实现机组运行参数的实时监测，便于细微问题的及时发现处理，有效提高了大型发电设备运行的可靠性。例如：发电厂智能电站的机械设备，采用光纤传感器与温度传感器相结合的方式，全面检测智能电站
的机械设备，而且提供实时监测的条件，重点监督设备的电磁参数，通过检测电磁参数，及时处理智能设备的异常问题，保护发电设备的稳定运行，以免引起较大的安全事故，表明光纤传感器在电磁参数检测中的作用。
3.4 光纤传感器应用于机械设备无损检测技术
科技在发展，技术在进步，各行各业所使用的机械设备也朝着复杂化、大型化方向不断前行，而在实际运行中，因过载、使用程序不当等情况，许多机械设备都存在着不易被发现的隐患，这些微小风险逐步累积，可能会酿成严重的事故。近些年来基于光纤传感器的无损检测技术迅猛发展，专门用于监测机械设备的运行，发现机械设备中的各类隐患，预防隐患扩大，避免影响机械设备的正常运行状态。光纤传感器逐渐成为无损检测技术的核心，提高了机械设备无损检测的专业性。
4. 对光纤传感器在机械设备检测中应用的想法
目前仍在使用的各种机械设备结构中, 由于超期使用、过载、缺乏维修及合适的检查等诸多因素的影响, 许多结构已经出现损坏或存在着安全隐患。因此, 近年来利用无损检测评估结构的强度和完整性, 决定其是否安全, 并为检修、更新、改建、延长使用期提供了崭新的途径, 这或许也为结构安全性的控制与反馈提供了一种非常有用的方法。
在安全评定领域内, 目前所使用的方法许多都是破坏性的, 人们也曾提出过一些无损检测结构缺陷的方法。然而, 从某种程度上讲,
这些方法并不总是非常可靠的, 或只能作为定性的评估方法。这些无损检测技术主要依据的是X 和Y 射线的吸收、传播和散射, 核子振动响应、电阻计、离子渗透、超声波、振动、磁等方法。
由于光纤尺寸小、重量轻, 因此将其置入测试的结构内并不影响结构本身的性质。埋入光纤进行传感的基本原理是光纤能高精度地传感结构中的应力变化值, 探测被测试结构内部的变化并利用光时域反射计(OTDR) 和光频域反射计(OFDR) 技术, 测试从光纤反射的信号而将各种被测的量定位。将光纤传感器网络埋入结构中, 就可以“实时”检测结构中各种力学参数、损坏情况及进行系统评估, 实现测试的实时化。
5. 结束语
光纤传感器是机械设备检测的关键，为机械设备，提供了高质量、高性能的检测方法，体现出光纤传感器的优势。机械设备检测中，逐步意识到光纤传感器的实践价值，注重光纤传感器的实时性，改善了机械设备的检测优势。
6. 参考文献
[1] 韩连英, 王晓红. 光纤传感器在机械设备检测中的应用[J]. 光机电信息,2010,03:51-55.
[2] 张勇东, 祁耀斌, 陈逢春. 光纤传感器及其在安全监测系统中的应用[J].电光与控制, 2004, 11( 4) : 60-62.
[3] 孙大永. 分析光纤传感器在机械设备检测中的运用[J]. 黑龙江科技信息,2015,24:99.
[4] 王惠文, 江先进, 赵长明, 等. 光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社, 2001
[5]毕振明. 传感器技术在机电一体化中的应用探讨[J].中国新技术新产品,2011(21).
[6] 马天兵, 杜菲. 光纤传感器的应用和发展[J].煤矿机械, 2004,(8):9- 10.
[7] 王秀彦, 吴斌, 何存富, 刘增华. 光纤传感技术在检测中的应用与展望[J]. 北京工业大学学报,2011,04:406-411.
题目：传感器与机械设备检测 学院：机械工程学院班级：
学号：
姓名： 机制1305 [1**********] 陈 伟
传感器与机械设备检测
摘要：传感技术作为信息技术的三大支柱之一，随着时代的进步呈现飞速发展，其应用范围也愈来愈广。其中光纤传感器以其便携、耐腐蚀、抗干扰能力强等诸多特性成为信息技术的研究热点，并已成为新一代传感器的代表，广泛应用于各行各业。同时，光纤传感器也应用于机械设备检测中。由于在机械设备的检测中, 不能破坏检测对象, 因而重点介绍了光纤传感器在机械设备检测中的应用。光纤传感器不仅能够满足机械设备的检测要求, 而且还能实现对机械设备的无损检测。
关键词：光纤传感器；机械设备检测；光纤传感技术
光纤传感技术产生于20 世纪70 年代末，并在短短几十年时间内获得了飞速发展，光纤传感器以其诸多优势成为信息技术研究的热门，与光纤通信并驾齐驱，广泛应用于通讯、交通、机械等领域，随着光纤传感器的不断发展，其在机械设备检测中所占地位愈来愈重要。利用光纤传感的优势，减轻了设备检测的压力，同时保障检测结果的真实性，以免影响机械设备的后期使用。光纤传感器收集机械设备的参数特征，同时检测外界因素的干扰，最终得出机械设备的状态。光纤传感器的应用，满足了机械设备检测的需求，并体现出明显的优势。本文通过对光纤传感器进行研究，分析其在机械设备检测中的应用。
1. 光纤传感器的原理与分类
众所周知, 描述光波特征的参量很多, 如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等。这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而
发生改变, 特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应力、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时, 都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。光源发出的光耦合进入光纤, 经光纤进入调制区(测量区), 在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号, 使其光学性质如光强、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光; 再经过光纤送入光检测器, 光检测器对进来的 光信号进行转换后输出电信号; 最后对电信号进行信号处理而得到可用信号, 从而获得被测参数。光纤传感器可以测量的环境参量主要有应力、位移、振动、转动、压力、弯曲、应力、应变、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、流量、浓度、pH 值等。光纤传感器是用光在不同的物理状态下, 在光纤中传播光的干涉、衍射、偏振、反射等物理特征的变化, 进行各种物理量的测量装置。来自光源的光线通过接口进入光纤, 然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息, 最后利用微处理器进行信息处理。简言之, 光纤传感器的原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数, 使其随之变化, 然后对已调制的光信号进行检测, 从而得到被测参量, 即将被测参量转换为光信号参数的变化。
光纤传感原理示意图
光纤传感器主要可分为传感型与传光型两种，其中，应用最为广泛的传感型光纤传感器依靠获取相位信息达到测量目的，可称之为干涉型光纤传感器， 是目前光纤传感器中测量精度最高的一种。通过外界因素改变光线中传输光波的相位， 进而影响干涉光的强度，常用的类型有Michelsion 、MaclrZehnder 等。传光型光纤传感器相对而言原理与结构都比较简单，依据强度调制，外界因素直接影响光纤中传输光的强度，达到测量目的，主要分为反射式与透射式 两种，简单可靠，经济实用性高。
2. 光纤传感器的特点
光纤传感器属于非接触式测量元件, 具有抗干扰能力强、灵敏度高、体积小、重量轻、柔性好等特点, 而且测量对象广泛。在传感器行业, 光纤传感器的优势得到了广泛认可。下面具体介绍一下光纤传感器的优点:
( 1) 测量范围广。现在用光纤传感技术可实现的传感有力、热、
声、
电、核等几十种, 可以测量位移、速度、加速度、压力、液面、振动、水声、温度、电场、磁场以及核辐射等物理量。
( 2) 灵敏度高。光纤传感技术不但比其他传感技术的灵敏度要高得多, 而且更能反映外界情况。例如, 利用光纤实现辐射剂量的传感, 其灵敏度比普通的剂量计要高1 万倍; 光纤温度传感器的灵敏度达百分之一度; 光纤位移传感器的灵敏度达一亿分之一厘米。
( 3) 具有安全防爆、耐腐蚀、耐高压、抗干扰能力强, 不受电、磁场干扰的特点, 在易爆环境中使用安全可靠。
( 4) 便于与计算机接口组成遥控、遥测系统，实现多功能、智能化以及远距离测量与控制。
( 5) 体积小、重量轻。用一条光纤可取代上百个传感器阵列或数百条电缆。
3. 光纤传感器在机械设备检测中的应用
机械设备运行中，能够传输出有特征的光波，此类光波参量，可以做为评估机械设备的一项因素，正常的传感检测中，光波参数很容易发生变化，无法获取准确的参量数据。光纤传感器正好利用光波参量变化的特点，通过研究光纤参量的变化方式，掌握机械设备的运行状态，通过机械设备自身传达的参量信息，协调机械设备的运行，体现出光纤传感器的检测优势，表明光纤传感器的实践应用。
3.1 光纤传感器应用于机械设备温度检测
温度指标是机械设备运行过程中必须重点检测的一项，如果机械设备长期处在高温作业的环境下，即会出现带病作业、设备损坏的情
况。光纤传感器的便捷性、高强度优势，恰好可以应用在设备的温度检测中。光纤传感器，能够实时检测温度，而且灵敏性高，如FBG ， 其温度波长灵敏度可达10pm/℃，即使出现细微的温度变化，光纤传感器也能快速的检测到。常用的光纤传感器有： FBG、荧光传感器，都是用于机械设备的温度检测，在光纤传感器中配置高温探头，机械设备的最高检测温度，高达1000℃，广泛应用于极端条件下机械设备测量中，如石油井下作业、核反应堆工程温度检测等。若将光纤传感器置于机组线圈内，还可依靠其连续感知特性实现故障的自动监控。近几年，光纤传感器在机械设备温度检测中，逐步应用到核反应堆方面，目的是加强核反应堆中所使用机械设备的控制力度，实现有效的反应监控，构建自动化的温度监控体系。
3.2 光纤传感器应用于机械设备力学参数检测
力学参数的检测，也是机械设备正常运行的重要依据。光纤传感器自诞生之初就试用于机械设备力学参数检测中，经过不断发展与技术进步，目前广泛应用于桥梁工程、石油钻井压力检测、飞行器动力机组振动监测等诸多领域。例举光纤传感器在机械设备检测中的运用，如：
(1) 桥梁检测。将光纤传感器安置在桥梁的表层，或者也可根据实际情况，深埋在内部结构中，检测桥梁构建的力学变化，得出桥梁工程是否存在位移、裂缝的问题，桥梁工程的缺陷，主要通过力学参数反馈，能够及时预防桥梁事故；
(2) 钻井检测。光纤传感器在石油钻井中，能够监测内部油藏的
压力，摒弃了传统传感器安装困难、稳定性差、滞后性强等不良特性，光纤传感器可为泡点压力管理提供实时数据，有助于减少原油损失，而且能够提供实时的油藏压力，真实的反应出机械设备的力学参数。同时，光纤传感器也具备高精度、测量范围广的特点，例如微弯损耗传感器可测量几十帕到上兆帕的压力范围，可传感亚微米幅度的微振动。总之，光纤传感器，在不同的机械设备中，都可提供准确的力学检测，辅助检测设备的力学变化，得出设备的运行状态。
3.3 光纤传感器应用于机械设备电磁参数检测
与传统传感器相比，光纤传感器不仅具有体积小、重量轻、强度高等优良机械性能，还具备抗电磁干扰、抗原子能辐射等优良性能，可方便地用于机械设备的电磁参数测量过程中。光纤传感器在机械设备的电磁参数检测中，仅仅检测电磁参数，不会影响机械设备的性能，即使是在恶劣的环境条件下(如岩坡工程机械设备检测) ，光纤传感器也能准确的检测机械设备的电磁参数。光纤传感器，可以检测高达上千安的电流，测量过程中，始终保持准确的测量精度。
目前，光纤、电光、磁光晶体为基础构成的综合型传感器技术日趋成熟，可实现上千安培电流、几百千伏电压的测量过程，并且具备极高的测量精准度，通过与光纤温度传感器的组合，可广泛应用于智能电站输入输出装置自动检测过程中，将其内置于大型发电机组，可实现机组运行参数的实时监测，便于细微问题的及时发现处理，有效提高了大型发电设备运行的可靠性。例如：发电厂智能电站的机械设备，采用光纤传感器与温度传感器相结合的方式，全面检测智能电站
的机械设备，而且提供实时监测的条件，重点监督设备的电磁参数，通过检测电磁参数，及时处理智能设备的异常问题，保护发电设备的稳定运行，以免引起较大的安全事故，表明光纤传感器在电磁参数检测中的作用。
3.4 光纤传感器应用于机械设备无损检测技术
科技在发展，技术在进步，各行各业所使用的机械设备也朝着复杂化、大型化方向不断前行，而在实际运行中，因过载、使用程序不当等情况，许多机械设备都存在着不易被发现的隐患，这些微小风险逐步累积，可能会酿成严重的事故。近些年来基于光纤传感器的无损检测技术迅猛发展，专门用于监测机械设备的运行，发现机械设备中的各类隐患，预防隐患扩大，避免影响机械设备的正常运行状态。光纤传感器逐渐成为无损检测技术的核心，提高了机械设备无损检测的专业性。
4. 对光纤传感器在机械设备检测中应用的想法
目前仍在使用的各种机械设备结构中, 由于超期使用、过载、缺乏维修及合适的检查等诸多因素的影响, 许多结构已经出现损坏或存在着安全隐患。因此, 近年来利用无损检测评估结构的强度和完整性, 决定其是否安全, 并为检修、更新、改建、延长使用期提供了崭新的途径, 这或许也为结构安全性的控制与反馈提供了一种非常有用的方法。
在安全评定领域内, 目前所使用的方法许多都是破坏性的, 人们也曾提出过一些无损检测结构缺陷的方法。然而, 从某种程度上讲,
这些方法并不总是非常可靠的, 或只能作为定性的评估方法。这些无损检测技术主要依据的是X 和Y 射线的吸收、传播和散射, 核子振动响应、电阻计、离子渗透、超声波、振动、磁等方法。
由于光纤尺寸小、重量轻, 因此将其置入测试的结构内并不影响结构本身的性质。埋入光纤进行传感的基本原理是光纤能高精度地传感结构中的应力变化值, 探测被测试结构内部的变化并利用光时域反射计(OTDR) 和光频域反射计(OFDR) 技术, 测试从光纤反射的信号而将各种被测的量定位。将光纤传感器网络埋入结构中, 就可以“实时”检测结构中各种力学参数、损坏情况及进行系统评估, 实现测试的实时化。
5. 结束语
光纤传感器是机械设备检测的关键，为机械设备，提供了高质量、高性能的检测方法，体现出光纤传感器的优势。机械设备检测中，逐步意识到光纤传感器的实践价值，注重光纤传感器的实时性，改善了机械设备的检测优势。
6. 参考文献
[1] 韩连英, 王晓红. 光纤传感器在机械设备检测中的应用[J]. 光机电信息,2010,03:51-55.
[2] 张勇东, 祁耀斌, 陈逢春. 光纤传感器及其在安全监测系统中的应用[J].电光与控制, 2004, 11( 4) : 60-62.
[3] 孙大永. 分析光纤传感器在机械设备检测中的运用[J]. 黑龙江科技信息,2015,24:99.
[4] 王惠文, 江先进, 赵长明, 等. 光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社, 2001
[5]毕振明. 传感器技术在机电一体化中的应用探讨[J].中国新技术新产品,2011(21).
[6] 马天兵, 杜菲. 光纤传感器的应用和发展[J].煤矿机械, 2004,(8):9- 10.
[7] 王秀彦, 吴斌, 何存富, 刘增华. 光纤传感技术在检测中的应用与展望[J]. 北京工业大学学报,2011,04:406-411.
题目：传感器与机械设备检测 学院：机械工程学院班级：
学号：
姓名： 机制1305 [1**********] 陈 伟