光纤振动探测报警系统（共7篇）
光纤振动探测报警系统 篇1
一个理想的周界安防系统必须做到防患于未然,对入侵的监控需要从“事后取证”发展到“事先预防”,在入侵行为发生之前或之时就予以发现与阻止。周界入侵探测报警系统作为智能周界安防系统的第一层基础防护,通过感知周界入侵信息,及时将信号传递给视频监控系统、声光报警系统、广播音响系统、灯光照明系统等各个安防子系统,形成一个立体的防护体系。
1 常见周界入侵探测报警技术
1.1 以红外对射等为代表的第一代周界入侵报警产品
红外对射入侵探测器由主动红外发射机和被动红外接收机组成(见图1),当发射机与接收机之间的红外光束被完全遮断或按给定百分比遮断时,产品就能产生报警。
第一代报警产品的报警方式主要是通过点对点红外射线被阻断报警。因其价格低廉,建筑商为应付小区安防验收而大量应用,但误报率较高,维护成本高,逐渐沦为摆设。它的主要优势是技术简单、造价低、安装简便。缺点也比较明显,存在漏报:防护区间仅限于红外射线线条,设备隐蔽性不强,可通过翻越、破墙等手段轻易躲避报警;误报率高:树枝花草遮挡,猫、鼠、鸟经过,风吹落叶、纸片、塑料袋等都可能引起报警;对应用环境有要求:直线对射,防区不能弯曲,距离不能太远;电子元器件:需额外防雷,设备故障率高。
1.2 以电子围栏为代表的第二代周界入侵报警产品
电子围栏起源于畜牧业,用来圈养动物,尤其以脉冲式电子围栏为代表,采用带有高压脉冲信号的金属导线形成围网(见图2),带电围网线路处于触网、短路、断路状态时能产生报警信号,并能给予触网的生物以高压电击,具有极高的威慑力,但不直接危及生命。
第二代报警产品的报警方式主要是指当金属导线处于触网、短路、断路等状态时设备报警,但因其二次伤害带来的刑事民事责任,以及美观程度等问题,限制了民用市场的全面应用,目前在军、警等高警戒领域采用,回归畜牧业。它的主要优势:技术简单、造价低、误报率低、带高压电击,具有被动防御能力;主要缺点:存在漏报,采用金属明线,设备隐蔽性不强,可通过翻越、破墙等手段轻易躲避报警,了解电工常识的人可通过搭导线的方式破坏围栏而不报警;存在二次伤害,通常部署于围墙上,触电后摔下,容易二次伤害,带来刑事民事责任;电子元器件,需额外防雷,维护成本高,需定期调校松紧度。
2 新型周界入侵报警系统——防区型振动光纤
随着科技技术的不断发展,海康威视等企业推出了防区型光纤入侵探测系统,它是针对周界安全防范需求开发的能够在线实时监测入侵行为的系统,非常适合应用于园区、厂区、楼宇等智能建筑行业中。该系列产品采用国际先进的光纤传感技术,将传感光缆铺设在防护对象的物理周界上,进行24小时实时监测,任何经过周界的动作行为都会产生振动,当这些振动信号作用于传感光缆时,光缆将这些振动信号传送回处理器(见图3),处理器通过对振动信号的幅度、频率等多项特征进行分析,对振动信号进行行为分析和识别,迅速区分干扰行为和入侵行为,对干扰行为进行记录而不报警,对入侵行为及时报警并联动视频监控等系统进行响应。
2.1 产品的主要组成部分
机房:处理器、光纤终端盒。
室外:传导光缆、传感光缆、光纤接续盒、传感器、熔接盒。
(1)以防区为防护单位,每个防区独立工作,感知到入侵报警可定位为整个防区,不能定位到某一个具体的点。
(2)处理器和传导光缆通过光纤终端盒连接,每个防区需配置两路光纤,单台处理器最大支持16个防区,可接32路光纤,通过光纤跳线熔接。
(3)传导光缆从机房至室外周界,传导光缆芯数为防区数量的2倍以上,如6个防区需配置12芯传导光缆,但考虑光纤冗余,建议配置16芯光缆。
(4)传导光缆沿周界到达第1和2防区之间,采用光缆开天窗的形式挑4芯光缆分别用2芯熔接第1、2防区传感器,加光纤接续盒做防护。
(5)传感器自带3路2芯光缆,其中1路为通信用,连接传导光缆,其他2路为探测用,熔接敷设在周界上的传感光缆,熔接点用熔接盒做防护。
(6)以挂网方式部署时,传导光缆和接续盒仍然建议埋地,传感器和熔接盒可挂网。
防区型光纤入侵探测系统(图4)在智能建筑中的应用主要有两大类:防凿墙和防周界入侵。
防凿墙应用:实体墙采用在墙体嵌入传感光纤线的方式可以非常有效地防凿墙。在墙体施工同时或事后采用开槽的方式,将传感光缆、传感器、传导光缆全部镶嵌在墙体里面,有极强的隐蔽性,在强化防护效果的同时不破坏整体形象。
实体围墙采用加装扣网和小栅栏后,在扣网和小栅栏上敷设2～3道传感光纤,可有效防止围墙的凿击、攀爬和翻越。如图5所示。
防周界入侵:将探测光缆敷设(掩埋)在周界上,通过感知周界振动信号进行行为判断,进行入侵报警。防区型振动光纤周界入侵探测系统利用收集因振动引起的光波相位变化,形成光波相位变化图库,探测光缆检测到入侵并产生振动信号,与光波相位图库进行比对和分析,智能判断出引起振动信号的动作是入侵还是干扰行为,对干扰行为做记录不报警,对入侵行为进行报警。如图6所示。
对于没有可以利用敷设的建筑物,为不影响美观和达到隐蔽效果,可采用埋地形式部署,如图7所示。传感光缆埋地式敷设采用“蛇型”敷设方式,每两根光缆之间距离为30cm;分“四线制”和“六线制”两种模式,土质较松的地面采用“四线制”,土质较硬的地面采用“六线制”。
报警方式:检测振动信号通过分析引起振动的行为进行报警。
应用现状:随着光纤传感器件成本的下降,振动光纤逐渐从军、警等高端应用场所走向民用市场,在智能楼宇、能源、司法和文教卫等行业的周界应用日益广泛。
2.2 产品优势
(1)户外设备无源:采用光纤传感技术,所有户外设备(包括光纤、传感器等)全部采用无源设计,无需额外供电,节能环保,无需做额外的防雷工程。
(2)探测灵敏度高:通过光干涉信号识别振动信息,振动探测灵敏度达到10m/s2加速度。
(3)体积小:敷设在建筑上的传感光纤体积小,加装多层铠装后,直径也不超过3mm,方便施工,并且隐蔽性很强。
(4)适应多种自然环境:无源和多层定制铠装光纤的特性,防尘防水等级达到IP65,户外设备具备防尘、防潮、防水、防雷、防电磁、防鼠咬、防紫外线等多种防护功能,耐酸耐腐蚀,适应绝大部分自然环境。
(5)施工简单:施工无需拉设电线,无需防雷处理,无需改变现有的建筑结构,只需要在防护围栏上敷设固定细小的传感光纤线即可。
(6)综合成本低:设备材质按照10年以上使用寿命定制,设备无机械操作,进口激光器提供光源,系统运行稳定,后期维护成本极低。
(7)自我保护:设备具有防拆报警功能,光纤线缆具有防破坏报警功能。一旦设备或线缆遭到破坏,立刻进行报警提示。
(8)高扩展性:提供功能强大的安防管理平台,除可管理周界报警系统外,还可管理视频、广播、门禁、巡更、呼叫、电教、照明等其他系统。设备机身提供多个开关量输出,可接入其他系统进行联动。
(9)行为识别技术:结合振动信号复合特征进行提取和分析技术及神经元网络模式识别算法,依靠庞大的行为信息数据库和智能学习功能,可准确地判断出引起振动的行为,对无危害的行为不做报警处理。
3 结束语
从第一代周界入侵报警产品通过点对点的线条防护,到第二代周界入侵报警产品点面结合的防护,第三代周界入侵报警产品利用光纤感应振动信号来分析判断入侵行为,做到了三维立体防护,是目前最先进的周界入侵报警产品。
光纤振动探测报警系统 篇2
关键词： 石油生产； 流量； 光纤； 湍流； 振动
中图分类号： TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.003
Study of optical fiber fluid flow monitoring system
using pipe vibration frequency characteristic
LIU Xiaohui1， LIU Suxiang2， SHANG Ying1， WANG Chang1
（1.Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，
Laser Institute of Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；
2.Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China）
Abstract： Fluid flow is an extremely important parameter in the oil production field. Realtime monitoring of fluid flow parameter provides a scientific basis for increasing reservoir recovery. An optical fiber fluid flow monitoring system based on pipe vibration frequency characteristic is proposed. The vibration of the pipe is induced by turbulent flow when fluid flow passes through the pipe. The fiber optic sensors wrapped around the pipe outside the wall are used to detect the vibration information. The frequency characteristics of the vibration of the pipe are summarized. Then the relationship between mean flow rate and standard deviation of the vibration of the pipe induced by turbulence is determined.
Keywords： oil production； fluid flow； fiber optic； turbulent flow； vibration
引言石油生产中，流量是油气井下的重要物理量，实时流量监测能够为提高原油采收率提供可靠的科学依据。石油工业中被测流体的成分复杂，流态多种多样，工作现场的条件十分恶劣，传统电子传感器在井下恶劣环境诸如高压、高温、腐蚀、电磁干扰下无法正常工作。与传统电子传感器比较，光纤流量传感器具有如下优点：（1）灵敏度高，动态范围广，准确性高；（2）易于远距离测量；（3）耐高压高温，电气绝缘性好，抗电磁干扰，安全可靠；（4）体积小，质量轻，集传感与传输于一体[15]。本文利用湍流诱发振动特性以及光的相位特性，提出了一种光纤流量监测系统，该系统的光信号在光纤传输的过程中会受到管壁振动信号调制，采用相位载波（phase generated carrier，PGC）调制解调技术完成流量信号的提取。光纤作为感知流量信号的传感器，结构简单可靠，灵敏度高，在石油测试仪器中具有广阔的应用前景。1光纤流量监测系统原理
1.1管壁振动测试原理研究表明，流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式，故压力是流体与管壁传递能量的主要形式[6]。关于圆管湍流的研究表明，压力脉动和流速脉动成正比[7]，即p∝u—v—（1）式中：u—为轴向平均速度；v—为径向平均速度。充满液体的油管可以简化为一维梁，具有关系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V为剪切力；M为弯矩；x为轴向位移；p′（x）为单位长度载荷函数。光学仪器第37卷
第2期刘小会，等：基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统
由工程力学可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y为径向位移；EI为抗弯强度。由梁的振动式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t为时间；g为重力加速度；A为截面积；γ为比重。结合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振动的加速度和压力脉动成正比。根据文献[8]中湍流强度的推导可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u—2∝u—（6）式中N为采样点数。由式（6）可以看出管道振动的标准方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振动的标准方差和平均流量成正比。由以上公式的推导可以得出平均流量与振动加速度标准方差有定量关系，这是光纤流量测量系统的理论基础。
1.2光纤相位调制原理光相位信息由光纤波导的总物理长度、折射率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸决定。假定光纤波导折射率分布保持恒定，并已知施加在光纤上的扰动（外界信号），光通过长度为L的光纤后，出射光波相位延迟为[9]φ=2πnLvc（7）图1光纤流量传感单元
nlc202309032139
Fig.1Optical flow sensing unit式中：n为光纤纤芯折射率；c为真空中光速；v为光频。由此得出光相位的变化式为Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位变化的因素可分为温度效应和应力应变效应。温度效应所引起的相位变化较为缓慢，可采用信号处理的办法消除其引起的相位变化，因此本文的光纤流量监测系统主要采用应力应变效应。光纤流量传感单元如图1所示，在油管外壁选择流量监测点，在流量监测点处缠绕特定长度的高灵敏传感光纤，并在传感光纤末端焊接光纤光栅组成光纤流量传感单元。当流体经过油管时，光纤流量传感单元感应湍流引起的压力脉动，经过PGC技术解调出相应的流量信息。
1.3相位载波调制解调原理迈克尔逊干涉仪干涉信号可表示为I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A为平均光功率；B=κA，κ≤1为干涉条纹可见度；Φ（t）为干涉仪的相位差。设Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），则式（9）可写为[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C为调制深度；ω0为相位载波角频率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D为传感器信号幅值，ωs为传感器信号的角频率，Ψ（t）是扰动信号等引起初始相位的缓慢变化。根据Bessel函数，式（10）可表示为I=A+BJ0（C）+2∑∞k=0（-1）kJ2k（C）cos（2kω0t）cosφ（t）-
2∑∞k=0（-1）kJ2k+1（C）cos（（2k+1）ω0t）sinφ（t）（11）图2PGC解调原理图
Fig.2Diagram of PGC图2是PGC解调原理图，迈克尔逊干涉仪的输出信号I分别与二倍频、基频相乘，为了克服信号畸变和消隐现象，分别对两路相乘后的信号进行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信号经过差分放大、积分运算后变换为信号S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G为基频系数；H为倍频系数。将φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信号S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，积分后得到的信号包含传感信号Dcos（ωst）和外部干扰信号，后者通常是慢变信号，通过高通滤波器（HPF）消除外部干扰信号，光纤流量监测系统的最后输出信号S为S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纤干涉流量计实验系统
2.1光路设计连续稳定的激光被声波调制器调制为重复频率为100 Hz、脉宽为1 μs的脉冲激光，脉冲激光信号在经过马赫曾德尔干涉仪后形成两个脉冲激光信号，如图3所示，两个脉冲激光信号依次注入光纤流量传感器，经过一系列光纤光栅反射，在接收端信号形成含有传感信号的脉冲序列。
2.2实验系统设计液体循环系统如图4所示，系统主要由油管、阀门、注水口、出水口、水泵、光纤流量传感器以及电磁流量计组成。首先通过注水口往油管内注入液体，使得液体充满整个循环系统，然后开动水泵，使得液体在油管内循环流动起来，通过调节阀门A和阀门B控制流过光纤流量传感器的流量，在光纤流量传感器附近安装一个电磁式流量计用于标定光纤流量传感器。本系统为了能够检测到0～40 kHz的传感信号，在实验中采用了频率为80 kHz的载波频率。通过分析解调油管中传感信号的频率特性，确定流体振动信号频率范围主要集中于10～30 kHz，实验结果如图5所示，在此频率范围内光纤流量监测系统能较好地完成流量监测。图3光纤流量监测系统光路图
Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system
图4流量测试实验系统
Fig.4Schematic diagram of the
experimental system图5频率范围10～30 kHz下的光强与流量关系图
Fig.5Relationship between light intensity and
flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz
3结论采用光纤传感技术将湍流振动产生的动态压力信号转化为光相位信号，确立了光相位信号与流量的二次曲线关系。通过研究流体流过管道时湍流引起的振动信号的频率特性，提出了一种光纤流量监测系统，成功实现了非浸入式测量范围为5～50 m3/h流量的在线测量。通过实验发现，在大流量的情况下测量精度较高，测量精度为±5%，为进一步实施油井实地实验提供了参考。 参考文献：
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（编辑：刘铁英）
光纤周界探测系统的应用研究 篇3
使用光纤作为传感器的光纤周界探测系统, 弥补了现有视频探测系统所存在有死角和视频探测系统无法主动报警, 遇雾霾、夜晚等天气无法有效监测的缺陷。可以实现长距离大范围区域周界探测、报警等功, 并且前端探测器与传输信息光缆均属于无源器件, 使得该系统适用于有特殊要求的场合。
1 系统原理
在实际应用中, 当外界压力作用于绑扎在弹性栅格上的感应光缆, 受力部分的感应光缆中传输光就会发生相位发生变化。长度为的光纤, 入射光和出射光的相位差是:
其中为光波传播常数, 为光纤折射率, 为光纤长度, 当感应光纤随物体变化, 出射光的相位变化为:
上式的第一项代表由于声压引起的光纤长度的变化, 其中:
由于β的变化而引起的ΔΦ来源于两个作用:弹光效应:引起了光纤折射率的变化;纵向应变引起了光纤直径D的变化。即:
由于感应光纤应主要形变是由物体的轴向应变 (沿光纤纤芯方向) 引起的, 物体的横向应变和剪切应变对光纤应变的影响可以忽略不计。所以在光纤中传输光会产生相位上的变化。
我们利用这一变化, 利用软件计算出在感应光缆没有受力时的入射光和出射光的光程差, 当感应光缆受外力时探测出当前光程差, 通过软件比两者进行详细的比对, 实现对外界入侵信息的探测。
2 系统拓扑结构
3 系统特性分析
在实际应用中影响系统稳定工作的因素是多种多样的, 例如大风、暴雨、冰雹等外界因素, 也有光源长时间工作稳定性、外部接口松动、外部光缆弯曲以及固定探头松动而产生的影响。下面探讨下这两个因素对系统性能的影响以及相应的改良算法。
3.1 光源影响
系统的光源影响主要体现在强度变化和频谱漂移两个方向, 但是对于使用光谱解调方案, 定义对应于固定波长的光强为, 其因光源影响而导致的强度系数为I (λ) , 发生变化后的强度系数为aλ′则进入两个CCD的对应波长的光强定义为aλI1 (λ) 、aλI2 (λ) , 由于只有一路过探头因此我们用另一路作为参考量做除法有:
由上式可知通过探测光路与对比光路光强进行除法运算可以消除光源对系统的影响。
3.2 外部结构影响
在实际运用过程中, 系统外部的接口会因为振动或是其他原因会有松动等现象会对传感路的光强产生影响;敷设于外部的传输光纤会由于敷设及运用过程中的弯曲而对传感路的光强产生影响;温度探头会因为在运用过程中的振动及其它因素产生松动而对传感路的光强产生影响。这三种因素产生的原因虽然不同但是对系统的影响却是相同的, 定义其变化系数为ε, 设使用的为等分耦合器代入公式有:
通过公式可以看出通过简单的对比不能去除掉外部结构对系统的影响。
对其对数做微分有
由公式可知系统运用以上算法可以有效的消除系统外部结构的不稳定性对系统性能的影响。
4 系统应用结构
在现场应用中我们采用在监控机房设置安装中心机柜, 机柜为200*60*60cm。机柜内安装工控计算机、报警主机、继电器扩展模块、系统软件组成。
在系统前端的采集设备由无源单防区控制器、光终端、通信光缆、传感光缆、等组成, 如图1。
5 系统在工作中稳定性分析
光纤周界探测系统在实际工作中运行具有较的高灵敏度, 不论感应光缆采用地埋式敷设还是采用挂网式敷设, 都能在3秒内快速确定探测物的位置。由于系统基于震动产生相位差的报警原理, 所以无法避免由于大风、暴雨吹动感应光缆产生的报警;在实际工作中, 也有由于飞鸟、猫、狗等动物打闹拨动了感应光缆产生的报警。
采用地埋式敷设的光纤周界探测系统, 同时也受到大雪和冷冻天气的影响, 由于大雪使感应光纤与地面的厚度增大, 使得受力后光纤变形小不足以产生报警信息。在冷冻天气敷设在光纤与上土层板块化, 受力后光纤变形小也不足以产生报警。
另外在实际施工过程中, 由于施工人员覆盖土层的厚度不同, 会影响探测的林敏度。
所以基于以上考虑, 光纤周界探测系统和视频探测有效的联动才能达到理想的周界安防效果。
摘要：光纤周界探测系统是以光纤作为信息传输工具, 利用光纤自身特性或者可以集成入光纤的小型光学器件作为探测器的传感器, 由于光纤自身优越的适应性使得此类传感器在有强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境之中被广泛运用。本文详细论述了一种利用光纤作为前端探测即信息采集设备的周界探测系统, 通过实际项目应用研究了光纤周界探测系统, 并对系统的稳定性做了定性的分析。
关键词：半导体,光纤传感器
参考文献
[1]董小鹏, 郑俊达.基于波分复用的光纤多防区周界传感系统[J].中国激光39, 905007-1 (2012) .
光纤振动探测报警系统 篇4
罐区储运的油品大部分都属于甲类和甲A类火灾危险性介质, 通常以液态形式在常温增加压力条件下储存, 具有气液两相的性质。其火灾危险性主要表现在以下几个方面:
(1) 易挥发。以液态形式储存, 释压后, 立即挥发为气体。气化后体积膨胀250～300倍, 并急剧扩散蔓延。
(2) 相对密度大 (空气的1.5～2倍) 。比空气重, 容易停滞和积聚在电缆沟、下水道等低洼处, 易与空气形成爆炸性混合气体, 一旦达到爆炸极限, 遇火源便可以燃烧、爆炸。
(3) 易燃、易爆。闪点低, 着火温度比一般可燃气体温度低 (约为400～530℃) , 危险性大, 与空气接触后形成爆炸性混合气体, 爆炸极限是2.1%～9.5% (体积比) , 可被小火星点燃, 爆炸速度为2000～3000m/s。
(4) 燃烧热值高。热值大于15605.5kJ/kg (91272kJ/m3) , 火焰温度高达2120℃, 辐射热强, 极易引燃、引爆周围的易燃、易爆物质, 使火势扩大。
(5) 易膨胀。储罐属于压力容器, 储存在容器内的油品, 在一定的温度和饱和蒸气压下处于气液共存的平衡状态。随着温度的升高, 液态体积会不断膨胀, 气态压力也会不断增大, 气体泄漏的可能性也就越大。
(6) 有腐蚀性。内腐蚀可以不断地使容器壁变薄, 从而导致容器的耐压强度, 缩短容器的使用年限, 导致容器穿孔漏气或爆裂, 引起火灾报站事故。同时, 容器内壁因受到硫化氢的腐蚀作用, 还会生成黑褐色的硫化亚铁 (Fe S含硫量:36%) 粉末, 附着在器壁上或沉积于容器底部。这种硫化亚铁粉末如果随残液倒出, 或使空气大量进入排空液态的容器内, 硫化亚铁会与空气中的氧气发生氧化反应, 放热而自然, 生成氧化铁 (Fe3O4) 和二氧化硫 (SO2) , 这种自燃现象也易造成火灾爆炸事故。
(7) 易产生静电。油品从管口、喷嘴或破损处高速喷出时能产生静电, 静电电压可高达数千乃至数万伏。根据测定, 当静电电压在350～450V时, 所产生的放电火花就能引起可燃气体燃烧或者爆炸。由于从管口、喷嘴或破损处高速喷出时, 极易产生高电位静电, 所以其放电火花足以引起火灾或爆炸事故。
2 光纤光栅感温火灾报警系统
2.1 特点
(1) 光纤传感器体积小, 质量轻, 能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及近距离测量。
(2) 自动对光栅传感器所在区域进行实时巡检, 检测现场温度的异常波动, 实现早期火灾报警。
(3) 以图文形式实时显示相应监测点的温度值和温度变化曲线, 方便管理人员操作和维护。
(4) 各个监测点的温度和报警信息都保存到光纤光栅感温火灾探测器的大容量储存器内, 可查看各监测点的历史温度变化曲线, 为决策和维护提供数据支持。
(5) 光纤传感器的探测部分无源, 本安防爆, 平时只有光通过, 不导电, 工作状态下不会产生电火花, 不受雷电干扰。
(6) 可根据实际情况对光纤光栅感温火灾探测器的报警阈值进行现场设定。
(7) 用准分布式测量方式, 测量点多, 可以灵活调整传感器的布设位置。
(8) 系统结构紧凑, 安装简单, 维护方便, 抗电磁干扰、抗腐蚀, 能在恶劣的环境下工作, 可靠性高, 使用寿命长。
2.2 光纤光栅感温探测器的工作原理
光纤光栅是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件, 一般采用特殊的紫外光照射工艺, 对光纤纤芯进行照射, 入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起光纤折射率的永久性变化, 从而在纤芯内形成空间相位光栅, 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 (投射或反射) 滤波器。
图1是光纤光栅结构原理, 当宽带光经光纤传输到光栅处时, 光栅将有选择地反射回一束窄带光。在光纤不受外界影响 (环境温度) , 改窄带光中心波长为宜固定值λB;而当环境温度发生变化时, 光栅的栅距Λ将发生变化 (同时光栅处纤芯折射率neff也会发生变化) , 反射的窄带光中心波长将随之发生改变, 这样就可以通过检测反射的窄带光中心波长的变化值, 测量到光栅处的有关物理量的变化, 如图2所示。
通过检测λB的变化值Δλ, 即可实现对保护区域的温度检测。系统工作时, 由宽带光源发出的光通过耦合器调制并经光分路器后摄入各个光纤光栅传感器中;每一支光纤光栅传感器会反射回一个与自身温度相对应的窄带光脉冲, 波长解调模块把每支光纤光栅传感器反射回的光脉冲信号转换成波长信号, 送入信号处理器进行计算;信号处理器把每个波长信号与初始参数进行对比计算, 从而得出每支传感器所处位置的实际温度, 如果在一条光纤上串接多个不同λB的光纤光栅传感器, 就可以实现一条光纤上的多点测量即为准分布式温度监测;如图3, 其中通道数1～n表示为光纤光栅报警系统具有的独立报警区域的个数, 每一个报警区域对应一个继电器, 当某个区域有超温报警时, 相应的继电器动作并送出报警信号, 在火灾自动报警控制器中, 每个报警信号都有一个唯一的地址编码, 管理人员可通过地址编码迅速确定是那个部位出现了温度异常, 并采取有效的处理措施。
3 光纤光栅探测器在石化罐区的工业应用
光纤光栅测温主机是光纤温度传感系统的核心设备, 它集激光发射、信号采集、温度分析、报警值设定、报警信号输出等功能于一体, 光纤光栅测温主机设置在全厂的消防控制中心。传输光缆利用仪表桥架敷设到储罐区, 在储罐区的合适位置设置分线盒, 然后再由分线盒引出光缆到每个储罐, 在储罐上设置分光器, 划分每个储罐报警区域的数量, 根据报警区域数量引出相应数量的单芯单模光纤, 此光纤用于连接光纤光栅温度探头。
图4为光纤光栅感温火灾探测系统安装在拱顶罐上, 用专用的固定卡或导热胶把光纤光栅温度探头固定在罐顶的围栏下沿的扁铁上, 作为一个报警区域;在罐底部制作支撑点, 把光纤光栅温度探头固定在罐底, 作为第二个报警区域, 这样我们就把一个储罐划分成了两个报警区域, 相当于占用了两个通道, 同理其它拱顶罐以同样的方式设置报警区域, 然后根据储罐的数量, 就可以计算出整个罐区需要的总通道数。
图5为光纤光栅感温火灾探测系统安装在球罐上, 将温度传感器分为多圈, 围绕球罐布设, 每一圈之间的间距约为3米左右, 也可以沿着球罐上的消防管道布设, 按照球罐上下两部分为两个报警区域, 分光器安装在球罐支撑柱上。
图6为光纤光栅感温火灾探测系统安装在外浮顶储罐上, 用专用的固定卡或导热胶把光纤光栅温度探头固定在浮盘密封圈附件, 作为一个报警区域, 传输光缆穿直径20m m的镀锌钢管沿罐体外上引到罐顶, 然后沿着可移动的楼梯敷设到光纤接线盒, 光纤接线盒安装在浮顶储罐的顶部, 从光纤接线盒引出单模光纤连接测温光栅, 这里需要注意的是传输光缆的长度必须可以保证让浮顶从最低位置到达最高位置。
图7为光纤光栅感温火灾探测系统安装在内浮顶储罐上, 用专用的固定卡或导热胶把光纤光栅温度探头固定在浮舱与罐内壁密封圈结合处, 作为一个报警区域, 连接光缆的接线盒固定在通气孔外, 进入通气孔内部的单模光缆的长度必须可以保证让浮顶从最低位置到达最高位置, 外部连接光缆的做法与外浮顶罐相同。
4 与其它线型感温探测器的比较
光纤光栅感温火灾探测系统与线型感温电缆测温系统、空气铜管测温系统、空气采样测温系统比较具有测量精度高、安全防爆、抗电磁干扰、防雷击、可靠性好、灵敏度高、使用寿命长的优点, 可实现罐区无电、实时在线监测, 整个系统可以通过分布组网的方式测量整个罐区的温度、既可以显示各个罐的温度也可以上报到监控计算机系统统一管理, 即可显示被监测点温度, 也可以通过分析温升速率实现温度报警。
当然目前光纤光栅感温火灾探测系统也有它本身的局限性, 由于光纤测温主机的价格比较高, 对于小规模的罐区或者单独的储罐在使用本系统时经济性不好。
5 结束语
综上所述, 由于光纤光栅感温火灾探测系统的优点, 所以在大型化工罐区应用本系统既提高了火灾探测自动报警系统的可靠性、安全性, 又减少了施工和后期维护的工作量, 所以本系统是未来罐区火灾自动探测报警系统的发展方向。
参考文献
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[2]张雅, 向虎, 汤国强.光纤光栅感温火灾探测报警系统在原油罐区的应用.炼油技术与工程, 2006
光纤振动探测报警系统 篇5
笔者首先介绍了光纤光栅的传感原理,以虚拟软件LabVIEW作为开发平台设计了一套基于光纤光栅传感的用于往复式压缩机振动检测的系统。
1 光纤光栅传感原理
由耦合理论可知,只有满足布拉格条件的光波才能最大限度被反射,光纤Bragg光栅的反射或透射波长光谱主要取决于有效折射率neff 和光栅常数Λ[5],布拉格公式为:
λB=2neffΛ (1)
外界扰动使这两个参量中任何一个发生改变,均会使光栅波长发生漂移。对式(1)进行微分可得:
ΔλB=2·Δneff·Λ+2·neff·ΔΛ (2)
有外力作用时,其有效折射率neff 和光栅常数均会发生改变。外力作用于光纤光栅,光弹效应使折射率发生改变,而外力引起的形变则使光栅常数Λ发生改变;外界温度发生改变时,热膨胀引起的形变导致光栅常数Λ改变。先忽略温度与应力交叉敏感,波长漂移量则为:
undefined (3)
式中 α——材料膨胀系数;
ξ ——热光系数;
pe ——有效弹光系数。
当外界的振动干扰作用于FBG时,会产生一个周期性的应变,FBG中心反射波长也将产生同周期的漂移。通过检测周期性的波长漂移信号就可以达到对振动量检测的目的。
2 实验系统组成
振动在线监测系统,主要是通过布置在压缩机关键部位的光纤光栅加速度传感器,将采集到压缩机的振动状态信号进行软件处理,从而得到压缩机的运行状况。
2.1 系统硬件组成
系统硬件主要有:光纤光栅解调仪、高灵敏度光纤光栅加速度传感器和光纤耦合器。其中光纤光栅加速度传感器采用本实验室自制产品,其测量范围为±25m/s2,频率测量范围为3～65Hz,灵敏度50pm/(m·s-2)。光纤光栅波长解调设备采用美国Micon Optics公司的OS-130型解调仪,该设备解调频率为1kHz,波长分辨率为1pm。由于所测压缩机的转速为333r/min,根据往复式压缩机振动检测标准和采样定理,计算振动烈度需要检测主频的十倍频,即55.5Hz,每个周期需要超过10个采样点才能相对准确的计算幅值,所以采样频率至少要大于600Hz,本实验采用的OS-130型解调仪完全可以满足要求。
2.2 系统软件组成
系统软件部分采用美国NI公司的LabVIEW进行编写。压缩机振动监测系统软件部分主要包括:数据解调、信号滤波 、振动有效值计算、结果的输出和保存。在系统中,使用振动烈度(振动速度有效值)作为压缩机振动评价量。软件部分主要是通过时域及频域分析,得到振动烈度、历史趋势图、三维瀑布图,为压缩机状态监测和故障分析提供有用数据。整个系统结构如图1所示。
2.2.1 数据的传输与解调模块
UDP协议在传送数据的过程中没有建立连接,也不进行检查,因此在优良的网络环境中,其工作效率较TCP协议高,故采用UDP/IP作为解调仪与工控机通信协议。由于解调仪与工控机之间的通信协议是以UDP/IP作为底层通信承载,所以数据通过解调仪传输到计算机,必须通过数据解调才能作为后续数据处理的数据源。程序中对于数据的解调是依靠LabVIEW中UDP模块函数来编写。
2.2.2 数据分析模块
数据分析模块主要是将解调后的波长信号转变加速度信号,然后进行时域和频域分析。时域分析包括振动总量和相关;频域分析包括FFT和功率谱。
在对所采集的信号进行分析之前,需要进行一系列的数据预处理,包括工程单位的转化、滤波等。程序中,滤波器选用了巴特沃兹低通滤波器对信号进行滤波处理。FFT点数的选择将直接影响FFT的结果,由于系统需要在线实时分析并显示结果,故将FFT点数设置为512。在时域分析中,首先将采集到的波形信号转化成加速度信号,再对加速度信号进行换算,计算出设备的振动烈度,并以柱状图的形式示出。该模块的部分程序框图如图2所示。
2.2.3 数据显示与控制模块
数据显示模块主要包括机组概貌图、单值棒图、时域波形图、振动趋势图、FFT图和三维瀑布图。根据需求,在LabVIEW的前面板上选择所需的控件,对所选控件进行控件自定义,最后在前面板上把所有控件组合排列后构成用户界面。系统中,将不同的显示项目分页放置,通过按钮点击可以实现界面跳转。在不同的数据显示项目中,旁边都给出了图中数据的一些详细信息。例如在振动趋势图中,在图的右侧给出了振动总量的最大值和最小值;对于FFT频谱图,利用LabVIEW中波形波峰监测函数,在FFT频谱图的右侧也列出了图中峰值及各个峰值所对应的频率。
另外,考虑到LabVIEW控件显示三维瀑布图效果不佳,程序中采用动态链接技术,不仅可以实现该功能,也有助于节省内存。通过VB编程实现后生成动态链接库DLL,在LabVIEW中调用该DLL,完成三维瀑布图功能的实现。
2.2.4 数据保存与查询模块
数据分析结果需要实时的保存到数据库中,这样就可以通过数据查询对数据进行回放,也可以作为历史数据方便后期的查询。系统中的数据保存与查询模块通过LabSQL来连接Access数据库。LabSQL 与数据库之间是通过 ODBC 连接,这需要在Access数据路中先建立好数据库及所需表格,然后在 Windows ODBC数据源中创建数据库的数据源名称DSN,再将数据源中的数据库路径指向Access环境下建好的数据库。程序中,运用数据库语言中INSERT和SELECT语句来完成数据库的写入和记录集的查询。
3 振动测试实验结果
为了测试系统的可行性和实用性,用该系统在某石化公司的往复式氢气压缩机上进行了测试。测试以GB-T777-2003为依据,对压缩机汽缸端部的3个相互垂直方向进行振动测试,最后测得的振动烈度有效值分别为:径向垂直方向2.2m/s,径向水平方向2.0m/s,和活塞往复方向2.5m/s。参照JB/T 8541-1997标准3个方向的振动烈度均低于2.8m/s,对于平衡对称式压缩机,2.8m/s值的烈度等级为A级——优秀。并且该测试结果与用手持式振动测试仪所测试结果相符,因此认为本测试系统所测试的结果有效。
4 结束语
利用虚拟仪器开发平台LabVIEW,开发了一套基于光纤光栅的振动在线监测系统,将光纤传感技术应用于石化设备的振动的在线监测。与其他同类监测系统相比,该系统不仅拥有一般分析、显示、保存功能外,安全性能也得到很大的提升。系统的监测数据保存于数据库当中,为随后的故障诊断的研究和开发提供了数据和软件支持。
摘要：提出了应用光纤传感技术对石化设备进行振动监测的方法。开发了基于虚拟仪器Lab-VIEW的监测系统,分析了故障判断原理。该系统既实现监测数据的远程传输与在线分析功能,又具有完善的离线分析与显示功能。利用该系统对某型号往复式压缩机进行了现场测试,结果表明该系统具备了对石化设备进行实时监测的能力。
关键词：石化设备,光纤传感,振动监测,LabVIEW
参考文献
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[4]姜德生,何伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子.激光,2002,13(4):420～430.
光纤振动探测报警系统 篇6
安康水电站主厂房消防系统, 主要包括:火灾自动报警及联动、气体灭火系统、超音速干粉灭火系统、消火栓水灭火系统、防排烟系统和通风系统。火灾自动报报警及联动主要由一台集中报警控制器和现场设备组成, 完成对火灾的自动探测和有关消防设备的联动控制和监控。
系统使用的火灾探测器均为美国霍尼韦尔最早的产品, 已淘汰, 且火灾探测器大部分已损坏, 应更新改造, 恢复其正常的报警及联动功能。
分布式光纤温度传感系统:感温光纤光缆有多处断裂。断点位置不能确定, 需要将光缆逐段检查, 由于光缆本身已经没有得到很好的保护, 如果拉扯, 将彻底报废而无法进行光缆熔接, 且熔接后回光信号会衰减, 测温不能返回温度信号, 因此, 不能够满足日常测温的监控需求。
光纤主机经过长期使用, 激光光源已经衰弱, 激光发射开始不稳定, 导致温度信号不能及时回传, 温度曲线不能显现;主机主要部件平均累加卡不能再累加回传的信号数据, 导致主机不能正常运行;设备内部光耦合器, 信号放大器, 光电转换器, 通过数据监测, 运行期间, 会有突然停顿不工作的问题出现, 导致测温曲线不能正常显示。
ZD-1型光纤主机不能实现新版本软件的运行, 新版软件不支持兼容旧机型中的核心部件采集卡、耦合器。
因此, 经过上级主管部门的审批, 安康水电站按照已批复的项目, 开展了消防系统探测器及感温光纤大修与改造。安装调试工期为37天。
2 大修项目
2.1 大修准备
做好大修前的准备工作。包括机具、工作条件等。认真熟悉图纸, 领会设计意图, 并进行技术、安全交接。
2.2 依据消防技术验收规范中所要求的内容进行维修
(1) 火灾探测器检修, 更换已损坏智能光电感烟探测器 (TC907A) 190套、智能感温探测器 (JTW-SD-885) 25套。 (2) 更换光纤感温探测器JTW-LCD-70A-GTH01 2 000 m。 (3) 更换1台光纤感温探测主机为JTWN-LCD-70A-2D-2或更先进设备。 (4) 光纤感温探测系统及主机调试。 (5) 火灾自动报警系统联动的调试。
3 完成工作量
(1) 将原型号为TC907A感烟探测器更换为型号为TC906A感烟探测器共190套、更换感温探测器25套。 (2) 更换感温光纤2 000 m、更换感温光纤主机1台。 (3) 对所安装的探测器进行调试、试验。 (4) 对火灾自动报警系统进行调试试验, 对所更换的感烟探测器逐一进行加烟试验, 30 s内报警, 信号反馈至消防控制室, 消防报警主机显示相应的物理地址。对所更换的感温探测器逐一进行加温试验, 当温度急剧上升时, 感温探测器报警, 信号反馈至消防控制室, 消防报警主机显示相应的物理地址, 符合规范要求。对未更换部分也进行了试验, 感烟探测器进行加烟试验, 能正常报警, 但报警时间过长, 不符合消防规范要求, 需进行更换。 (5) 对光纤感温探测系统进行调试。对感温光纤系统进行调试, 所有感温光纤共分为12个区, 在每个电缆夹层任意挑选4处, 用热毛巾对感温光纤进行加温, 光纤报警, 信号反馈至光纤主机, 主机显示当前报警区域及实时温度。火灾自动报警系统用12个监视模块对其监视, 当光纤主机报警后, 报警信号通过监视模块将信号反馈至消防控制室, 并显示物理地址。
4 发现问题、处理与建议
4.1 烟感测试
用发烟器对准感烟探测器吹烟30秒内模拟火警, 探测器报警灯点亮, 主控机报警显示报警点编码号及地理位置, CRT以动态画面显示报警在平面图上的位置。共测试烟感373个 (其中190个为此次更换的感烟探测器, 其余均未在此次更换范围内) , 除部分烟感由于安装位置高没有进行测试, 其余全部测试完毕, 由于主变室、风洞现场设备正在运行中, 因此顶部烟感未做测试。符合合同要求。此次更换完成的烟感探测器满足消防规范要求, 未更换部分, 大部分都超过30 s才报警, 因此建议下次更换所有设备。
4.2 温感探测器测试
用电吹风对准温感探测器吹热风30秒内模拟火警, 探测器报警灯点亮, 主控机报警显示报警点编码号及地理位置, CRT以动态画面显示报警在平面图上的位置。保护I室、保护II室6个及办公层操作间1个温感探测器均测试正常, 主机及CRT报警显示正常。1—4F风洞共16个温感探测器由于机组运行没有测试。但消防规范要求感温探测器需在30秒内报警, 才符合消防规范要求, 大部分都接近30秒才报警, 因此建议下次更换所有设备。
4.3 手报测试
手动按下手动报警按钮上的玻璃片模拟火警, 手动报警按钮报警灯点亮, 主控机报警显示报警点编码号及地理位置, CRT以动态画面显示报警在平面图上的位置。所有手报共49个均测试, 其中4个手报损坏无法报警, 需更换。其余正常, 消防主机及CRT报警显示正常。
4.4 输入模块、输出模块测试
报警主机打到自动状态下, 通过主机联动程序, 对现场任意两点报警设备进行模拟报警, 被控设备 (声光报警器、风阀、风口、风机) 通过输入模块将24 V送到被控设备, 设备动作后, 通过输出模块将信号反馈到消防控制主机。结果测试正常。共测试797个模块, 大部分模块由于设备老化, 当主机将24 V送到模块时, 被控设备打开较慢, 反馈信号返回主机时间较长, 由于是设备老化的问题, 已不能修复, 建议下次更换模块。
5 红外光束探测器测试
通过对探测器发射端进行遮挡, 将红外线遮挡住, 接收端无法接收到红外信号, 致使探测器报警, 共测试17组探测器, 其中4组探测器光源发射端损坏, 无法修复, 应更换。
5.1 声光报警器测试
通过主机总线控制盘将24 V电源供给输入模块, 致使声光报警器发出闪光及声响, 共测试40只, 全部正常。但由于设备老化严重, 部分声光报警器反映较为缓慢, 建议下次更换设备。
5.2 短路隔离器测试
对1—10回路分别进行了测试, 将线路进行短接时, 隔离模块为保证主机不被损坏, 将整个回路进行隔离, 结果正常。
5.3 感温光纤系统
光缆: (1) 安康水电站所敷设的光缆是2006年敷设的旧式光缆, 只有简单的护套保护, 经过长时间使用, 外皮已经开始脱落, 不能有效地保护内部光纤, 光缆有多处断裂。 (2) 光缆断点位置不能确定, 需要将光缆逐段检查, 光缆本身已经没有得到较好的保护, 如果拉扯, 将彻底报废;无法进行光缆熔接, 回光信号会衰减, 测温不能返回温度信号, 因此, 不能够满足日常测温的监控需求。
主机: (1) 使用的ZD-1型旧型主机, 经过长期使用, 激光光源已经衰弱, 激光发射开始不稳定, 导致温度信号不能及时回传, 温度曲线不能显现, 失去了测温的主要目的。 (2) 温度曲线在400数据处开始断裂, 不能够回传, 经过数据分析, 是因为主机主要部件平均累加卡不能再累加回传的信号数据, 导致主机不能正常运行, 不能起到火灾预防的作用。 (3) 设备内部光耦合器, 信号放大器, 光电转换器, 通过数据监测, 运行期间, 偶然会有突然停顿不工作的问题出现, 虽然很短暂, 但是也给测温带来了问题, 导致测温曲线不能正常显示。
软件: (1) ZD-1匹配软件系统已停用, 如更换新版本ZD-1主机不能实现新版本软件的运行, 新版软件不支持兼容旧机型中的核心部件采集卡、耦合器。 (2) 新版本的软件支持监测现场图文显示, 支持光纤断点自检, 支持自动系统复位, 极大地提高了消防监测的可靠性与实用性。
感温光纤系统更换后:使用最新研发使用的ZD-2型新型测温主机, 感温光纤采用铠装光纤, 均为目前较为先进的设备, 更换完毕后对感温光纤系统进行调试, 所有感温光纤共分为12个区, 在每个电缆夹层任意挑选4处, 用热毛巾对感温光纤进行加温, 光纤报警, 信号反馈至光纤主机, 主机显示当前报警区域及实时温度。火灾自动报警系统用12个监视模块对其监视, 当光纤主机报警后, 报警信号通过监视模块将信号反馈至消防控制室, 并显示物理地址。
参考文献
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光纤振动探测报警系统 篇7
光纤光栅将波长作为敏感量,克服了传统光学传感系统受光源起伏、光纤弯曲损耗及连接损耗影响的缺点,可以在强电磁干扰、高温和腐蚀性环境中进行振动信号的测量。光纤光栅振动传感系统的核心是波长编码的解调[1,2],主要方法有非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调法、可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法和匹配光纤光栅检测法等,对此国内外已有大量的报道。然而,经解调系统后的振动信号往往伴随噪声同时存在,如何有效消除噪声的干扰,最大程度提取原始振动信号,成了光纤光栅振动传感系统的关键。
小波变换由于其良好的时频分析能力,在各种工程实践中得到了广泛应用。但基于小波阀值消噪的方法仅对信噪比高、噪声均匀分布的信号具有良好的去噪效果,而对于信噪比低、噪声非均匀分布的信号则效果不佳。本文将奇异值分解(SVD)与小波消噪技术相结合,有效解决了非均匀噪声下的振动信号消噪问题。
1 SVD理论[3]
SVD从矩阵的角度出发,将矩阵中的各分量分解到正交子空间中。对于任意矩阵,其SVD表示为
式中,H为任意m×n阶矩阵,矩阵的秩为k;U和V分别是m×m阶和n×n阶正交矩阵;Λ=diag(λ1,λ2,…,λk)为对角阵,对角元素为矩阵H的奇异值,并且λ1≥λ2≥…≥λk;VT表示矩阵V的转置矩阵。利用SVD可以将m×n阶矩阵H表示为k个m×n阶子矩阵之和:
式中,ui和vi分别为矩阵U和矩阵V的第i个列向量;λi是矩阵H的第i个奇异值;Hi是包含ui和vi的子矩阵。若矩阵H表示时频信息,则对应的ui和vi视为频率矢量和时间矢量。因此,H中的时频信息被分解到一系列由ui和vi构成的时频子空间中。选取一定子空间进行重构,可以提取出特定成分的信号。
2 小波阀值消噪[4,5]
小波阀值消噪方法包括硬阀值和软阀值两种,其基本原理是对含噪信号进行n层小波分解,将信号分解到不同的频带空间,得到各层小波分解系数。硬阀值法将大于阀值的系数保持不变,小于阀值的系数置零,因此硬阀值处理后得到的信号较粗糙。
式中,d
软阀值法根据小波系数与阀值之差采取不同的处理方法,常见的规则见下式:
式中,α为比例系数,且0≤α≤1;sgn(x)为符号函数。
3 算法实现与结果分析
3.1 奇异值-小波消噪算法
利用一维含噪振动信号可以构造出多种矩阵,如Hankel矩阵、Toeplitz矩阵和Cycle矩阵等,本文采用连续截断信号方式来构造相关矩阵。
设一维信号序列为
式中,n为数据长度。取正整数k和l,令n=k×l,得到k×l阶相关矩阵H如下:
矩阵H经过奇异值分解后可得
将子矩阵λiHi的各行元素首尾连接,构造出一维信号Si:
式中,Si,k表示子矩阵λiHi的第k行向量。选取最大奇异值对应的子矩阵并构造出对应的一维信号S1,分量S1中包含主振动信号成分和相对均匀分布的噪声,而其他分量主要是噪声,因此舍去。最后对S1进行小波阀值消噪得到S′1,S′1即为最终消噪后的振动信号。
3.2 不同消噪算法的比较
图1展示了采用不同的阀值选择规则对含噪振动信号(噪声均匀分布)进行直接小波消噪的效果。其中,(a)图为噪声均匀分布的振动信号波形,(b)图为采用minimaxi阀值规则(极大极小原理选择阀值)对信号进行消噪后的波形,(c)图为采用rigrsure阀值规则(基于Stein的无偏似然估计原理的自适应法)对信号进行消噪后的波形,(d)图为采用heursure阀值规则(启发式阀值选择)对信号进行消噪后的波形,(e)图为采用sqtwolog阀值规则(固定阀值sqrt(2log(length(x))))对信号进行消噪后的波形。可以看出,尽管采取minimaxi阀值规则和rigrsure阀值规则处理后的波形略显失真,但是采用heursure阀值规则和sqtwolog阀值规则取得了很好的消噪效果。因此,对于噪声均匀分布的振动信号,只要选取合适的阀值规则,直接利用小波消噪可以取得满意的结果。
图2展示的是采用与上述相同的4种阀值规则对含噪振动信号(噪声非均匀分布)进行直接小波消噪的效果。
其中,(a)图表示的是噪声非均匀分布的振动信号波形,信号的前一半引入的随机噪声方差较小,后一半引入的随机噪声方差较大,(b)图为采用minimaxi阀值规则对信号进行消噪后的波形,(c)图为采用rigrsure阀值规则对信号进行消噪后的波形,(d)图为采用heursure阀值规则对信号进行消噪后的波形,(e)图为采用sqtwolog阀值规则对信号进行消噪后的波形。可以看出,采用minimaxi阀值规则和rigrsure阀值规则,对噪声方差较小的前半段信号处理效果较好,而对噪声方差较大的后半段信号处理效果很差。采用heursure阀值规则和sqtwolog阀值规则同样有这种缺陷。因为前后两段信号的小波系数差别较大,阀值选取上会存在矛盾,因此,对于噪声非均匀分布的振动信号,直接利用小波消噪难以取得满意的结果。
图3展示的是采用本文提出的小波奇异值方法对信号(噪声非均匀分布)进行消噪的效果。其中(a)图同样是噪声非均匀分布的振动信号波形,信号的前一半引入方差较小的随机噪声,后一半引入方差较大的随机噪声。首先将一维含噪振动信号利用截断法构造出3×n阶矩阵H,对矩阵H进行奇异值分解,得到该矩阵的奇异值分别为18.608 6、8.431 5和4.841 8。选择奇异值18.608 6、8.431 5和4.841 8对应的子空间分别进行信号的重构,重构后的信号波形见(b)图、(c)图和(d)图。在(b)图中,非均匀的噪声已经相对均匀地分布到了振动信号波形中,而(c)图、(d)图属于噪声信号,舍去。对(b)图的含噪信号进行小波阀值消噪,采取之前效果较差的minimaxi阀值规则,处理后的波形如(e)图所示,效果很好。
4 结束语
本文比较了采取4种不同的小波阀值规则对噪声均匀分布和噪声非均匀分布振动信号的消噪效果,并提出了奇异值分解和小波消噪相结合的算法,该算法克服了直接采取小波阀值消噪对噪声非均匀分布信号效果差的缺点,能够有效地提取出真实的振动信号,为光纤光栅振动传感系统数据处理提供有力的技术支持。
摘要：针对小波阀值法对噪声非均匀分布振动信号消噪差的缺点,提出了奇异值分解(SVD)结合小波阀值消噪的算法。采用截断法构造出包含信号信息及非均匀噪声的相关矩阵并进行SVD,得到一系列正交子空间,将非均匀噪声相对均匀地分解到子空间中。选取奇异值最大的子空间分量重构信号并对此信号进行了小波阀值消噪。结果表明,该方法适用于非均匀噪声干扰下的振动信号提取,与直接小波消噪相比,提取出的信号失真更小,信号有效成份更完整。
关键词：光纤光栅,振动,奇异值分解,小波阀值消噪
参考文献
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