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1、农机精密设备故障监测和诊断技术研究基于光纤宽通带滤波器 郑小梅 李伟 郑州职业技术学院 中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所 摘 要： 由于不同的光谱算法对应光敏电阻的灵敏度不同, 导致了基于光电传感的排种器故障检测装置的精度并不高, 为了提高光敏电阻的灵敏度, 需要对光电传感器的光进行滤波处理。为此, 提出了一种超材料光纤宽通带滤波器复合结构, 并提出了复合结构的光学超材料滤波器结构优化方案。通过数值仿真模拟和实验两种方法对滤波器在排种器故障诊断装置上应用的可行性进行验证, 仿真结果表明:在通频带可以实现超过 96.2%的透光率, 在整个通频带的自由空间中有效地减少了色散行为的强度
2、, 并表现出良好的阻抗匹配, 可以有效地从负到零/低的指数调节介电常数和磁导率。对不同类型的传感器对播种机的故障诊断误差进行了测试, 测试结果表明:采用光纤宽通带滤波器后, 可以有效提高监测装置的精度, 将其使用在精密装置的检测设备上, 具有较为广阔的应用前景。关键词： 光电传感器; 光纤宽通带; 故障诊断; 精密农机; 排种器; 作者简介：郑小梅 (1982-) , 女, 河南焦作人, 讲师, 硕士。作者简介：李伟 (1979-) , 男, 安徽宣城人, 工程师, 硕士, (E-mail) 。收稿日期：2016-11-10基金：河南省自然科学基金项目 (2015GZC155) Researc
3、h on Fault Monitoring and Diagnosis Technology of Agricultural Machinery Precision Equipment Based on Optical Fiber Wide Passband FilterZheng Xiaomei Li Wei Zhengzhou Technical College; Zhengzhou Cotton & Jute Engineering Technology and Design Research Institute, ACFSMC; Abstract： Due to the sensiti
4、vity of spectral algorithm, corresponding to different photosensitive resistance, it results in a photoelectric sensor metering device fault detection device based on no high accuracy.In order to improve the sensitivity of the photosensitive resistance, the need for photoelectric sensor light filter
5、ing processing, it puts forward an ultra wide passband filter material fiber composite structure.And it put forward the optical composite structure of metamaterial filter structure optimization scheme.To verify the feasibility of the application of filter in metering device fault diagnosis device by
6、 numerical simulation and experiment of two kinds of methods.The simulation results showed that the bandwidth can achieve transmission rate of more than 96.2% in the whole passband in free space, which can effectively reduce the intensity of dispersion behavior.And it showed good the impedance match
7、ing, which can be effective from negative to zero/low permittivity and permeability index adjustment.At the end of the fault diagnosis errors of different types of sensors to the seeding machine was tested, the test results indicate that the optical fiber wide bandpass filter, which can improve the
8、accuracy of the effective monitoring device.It used the precision testing equipment in the device, which has a wide application prospect.Keyword： photoelectric sensor; optical fiber wide passband; fault diagnosis; precision agriculture machinery; seed metering device; Received： 2016-11-100 引言精密播种机排种
9、器的监测过程中, 为了确保光电晶体管的灵敏度, 需要使用一种新的光学滤波材料, 而超材料是一种很好的选择。光学介质滤波器的宽通带特性是由依赖于单元的几何参数的人工周期结构构成;然而, 在一定条件下, 通过有效的参数激发的光学介质滤波器的电磁谐振特性将导致通带强色散行为。因此, 强色散行为会导致工作带宽狭隘和信号失真, 将大大限制滤波器的光学超材料滤波器的应用实践。避免强色散行为, 研究者提出了许多不同结构设计的光学超材料滤波器。其中, 一个有效的设计原则是, 应用多个垂直堆叠的金属层, 以获得一个宽的通频带。不幸的是, 这种设计的原则是非常复杂的, 难以应用在光学领域。这是因为光学超材料滤波器
10、的电磁共振响应需要谨慎地控制整个通频带, 导致几何参数设置更复杂。因此, 提出了一种改进的传统渔网结构以降低谐振频段中色散行为强度获得宽通带滤波器, 对精密播种机排种器故障诊断的研究具有重要的现实意义。1 精密播种机排种器故障诊断方法超材料的出现为光学滤波器的设计提供了非常大的空间, 可以有效地提高光敏电阻对于不同波长光的敏感度, 从而提高检测装置的精度, 将其使用在精密播种机的排种故障检测上具有深远的意义。目前, 排种器故障检测的主要方法有以下几种:1) 人工检测法。人工检测方法是最原始的检测方法, 其检测过程如图 1 所示。图 1 人工检测法示意图 Fig.1The manual dete
11、ction method 下载原图人工检测非常直观, 当种子从排种器排出时落在涂有黄油并以匀速运动的带上, 用尺子可以量出种子的间距, 对间距数据进行处理, 从而可以得到排种器的性能和故障。2) 机器视觉检测法。由于 CCDS 摄像技术的发展, 采用 CCD 相机和平面镜对排种器进行故障检测成为可能, 吉林大学采用这一原理研制了排种器性能检测平台, 如图 2 所示。图 2 排种器故障机器视觉检测法结构图 Fig.2The structure of the machine vision inspection method for the failure of the seed metering
12、device 下载原图机器视觉检测法的基本原理是利用 CCD 相机和平面镜, 在空间内还原种子的实际位置, 从而测定排种器是否存在故障;但这种装置结构原理较为复杂, 数据处理时间长, 设备成本高, 且容易产生误差。3) 光电效应法。光电效应方法是利用光电扫描设备和计算机, 将测定的两个排种脉冲时间间隔和理想条件下的时间间隔进行对比, 得到排种性能和故障的特征表征量。这种方法的典型代表是北京市农机所研制的帆布带式排种器试验台和美国 Y.LAN 博士的光电播种性能评价实验平台, 如图 3 所示。图 3 光电传感器测定方法 Fig.3The determination method of photo
13、electric sensor 下载原图Y.LAN 博士实验台的光电检测传感器使用 24 个光电晶体管组成装置, 通过吸收二极管发出的光束来测定种子间距, 考察排种器的性能, 其监测速度快、精度高。但是, 当种子体积较小、速度较快时, 需要提高装置的检测精度才能达到较好的检测效果。因此, 本研究采用超材料光纤宽带通滤波器对光电晶体管吸收的光进行滤波处理, 以提高光电晶体管的灵敏度。2 基于光纤宽通带滤波器的精密排种器故障诊断原理光纤光栅是 20 世纪 70 年代发明的一种新技术, 光纤滤波器采用干涉条纹的方法吸收紫外线发热, 从而改变光波的特性。当光波满足式 (1) 条件时, 会形成布拉格反射
14、, 即其中, 表示特定空间折射率的周期;n 表示纤芯的折射率。图 4 光纤传感器原理图 Fig.4The principle of optical fiber sensor 下载原图由图 4 可以看出: 和 n 的变化都会引起波长的变化, 因此将光纤传感器进行封装, 当外界的温度、应力和压力发生变化时, 会引起和发生改变, 从而达到监测的目的。为了提高光纤滤波器的灵敏度, 设计了一种改进的传统金属-绝缘体-金属 (MDM) 夹层结构去实现一个宽的通频带, 如图 5 所示。结构设计的仿真采用一种模拟周期结构的实用软件 Ansoft 公司的 HFSS 13.0。两个理想的磁导体平面作为边界正常的
15、Y 轴, 两个理想的电导体平面作为边界正常的 X 轴, 频率步长为 0.02THz。仿真过程中, 两个 Floquet 端口应用在改进的渔网结构中顶部和底部的边界, 模拟正常的入射波。图 5 一种改进的传统金属-绝缘体-金属 (MDM) 夹层结构 Fig.5An improved traditional metal insulator metal (MDM) sandwich structure 下载原图本文提出的改进的渔网结构在仿真中表现出了优秀的传输性能。在实际应用中, 本文设计的超材料滤波器可以采用聚焦离子束加工、电子束光刻技术制作。所有的尺寸参数如表 1 所示。表 1 结构设计的所有尺
16、寸参数 Table 1All dimensions of structural design parameters 下载原表 银层遵循 Drude 模型为其中, p=1.3710s 是等离子体频率; D=910s 是碰撞频率。通过通频带可以看出:通频带宽是 5.0 THz, 传输能量的最大变化小于 3.6%通过完整的通频带。为了方便, 定义了通频带为 f=f 2-f1去描述这样一个独特的谐振通带传输顶部。这种具有很稳定的、高质量的通频带的光学超材料滤波器, 优于先前报道的结构材料。为了了解通频带中的物理机制, 通过应用基于单元胞的 S 参数检索方法检索有效折射率、磁导率和介电常数。通过这些有效介质参数, 可以深入了解整个通频带的电磁响应的影响。为了快速诊断排种器的故障, 需要对排种数据进行统计, 对样本数据以 0.5Xr为间距进行等分划分, 以粒距分布区段 Xr为横坐标, F i为纵坐标, 可以得到频率直方图, 则其中, n
