《Photonics》：Cost-Effective, Contactless Optical Vibration Sensor for Rotating Machinery Based on Fiber-Optic Telecommunication Components and a Cross-Correlation Method
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振动测量对于旋转机械早期故障检测至关重要，且在水电站水轮发电机中尤为重要。工业应用中的振动测量通常依赖位移、速度和加速度传感器，每种传感器各有优缺点。本文讨论并提出了一种基于标准光纤电信组件的光纤-光学（fiber-optic）振动传感系统，该系统成本效益高、
振动测量对于旋转机械早期故障检测至关重要，且在水电站水轮发电机中尤为重要。工业应用中的振动测量通常依赖位移、速度和加速度传感器，每种传感器各有优缺点。本文讨论并提出了一种基于标准光纤电信组件的光纤-光学（fiber-optic）振动传感系统，该系统成本效益高、非接触式，且可集成到现有光纤网络中。所提出的系统采用干涉测量传感原理，对电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）和电化效应具有内在免疫性，同时实现微米级分辨率。该传感器的关键进步在于其相对简单且成本效益高的配置——实现了Michelson干涉仪（Michelson interferometer）。它促进了标准光通信硬件的组合，包括一个3×3光纤耦合器（fiber-optic coupler）和两个光电探测器（photodetector），用于可靠判别振动位移方向。相关的信号处理平台基于互相关（cross-correlation）算法，该算法可确定位移的方向和大小。该光学传感器通过一个实际场景的实验室装置进行了实验验证，证明了所提出方法的可行性和性能。
**论文解读：基于光纤电信组件与互相关方法的非接触式光学振动传感器**
**研究背景与问题**
旋转机械（如发电机组）的振动测量是早期故障检测的关键手段，尤其在包含水轮发电机的水电站（hydro power plants，HPPs）中，振动监测可预防设备损坏与失效。传统工业振动传感器主要包括位移传感器、速度传感器和加速度计（如压电式或微机电系统（microelectromechanical systems，MEMS）加速度计），它们各有优缺点：位移传感器适用于低频测量（<10 Hz），但高频性能受限；速度传感器在低频下灵敏度下降；加速度计虽精度高、范围广，但易受连接器污染和电缆噪声影响，且需电磁屏蔽（electromagnetic interference，EMI）。在强电磁干扰环境（如水轮发电机内部）中，传统电子传感器难以正常工作。光纤传感器（fiber-optic sensor）因全介质结构、抗电磁干扰、耐高温等优势成为理想替代方案，但现有光纤干涉仪（如Fabry–Pérot干涉仪（FPI）或光纤布拉格光栅（FBG））常依赖非标准电信组件，成本高且结构复杂。因此，研究人员旨在开发一种基于标准光纤电信组件、成本效益高、非接触式且能集成至现有光纤网络的光学振动传感器，用于旋转机械的振动监测。
**研究开展与结论**
研究人员在克罗地亚斯普利特电气工程、机械工程与海军建筑学院（FESB）实验室进行了系统设计与实验验证。首先，比较了Mach–Zehnder干涉仪与Michelson干涉仪两种配置，发现Mach–Zehnder干涉仪需将传感光纤直接张紧在振动对象上，不适合旋转部件，且易受环境扰动；而Michelson干涉仪可实现非接触测量，灵敏度翻倍，且安装简便。基于Michelson干涉仪，研究人员构建了采用标准G.652D光纤、1550 nm激光器、3×3熔融双锥形（Fused Biconical Taper，FBT）耦合器、两个InGaAs光电探测器和Faraday旋转镜的传感系统。信号处理方面，采用零交叉（zero-crossing）方法计算振动速度，但发现单一探测器无法区分位移方向，导致速度波形仅有正半周，频谱中出现二次谐波。为解决这一方向模糊问题，研究人员提出基于双探测器信号互相关（cross-correlation）的极性反转方法，通过分析两个光电探测器信号之间的相位关系，确定振动方向，并恢复完整速度波形。实验以MEMS加速度计（ADXL335）为参考，在0–1560 rpm转速范围内进行对比测试。结果表明，光学传感器经极性反转后，速度波形与MEMS加速度计高度一致，归一化互相关（Pearson相关系数）达0.8924，仅存在微小偏差（归因于MEMS灵敏度公差）。该研究证明了基于标准电信组件和互相关方法的非接触式光学振动传感器在旋转机械振动监测中的可行性、稳定性和性能，论文发表在《Photonics》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）基于Michelson干涉仪的光学配置：使用标准光纤电信组件（G.652D 9/125 μm光纤、1550 nm激光器、3×3 FBT耦合器、Faraday旋转镜、Thorlabs 50-1550A-APC准直器）构建非接触式测量头，自由空间距离为70 mm，回波功率约?15 dBm；（2）双探测器信号采集与零交叉速度计算：通过两个InGaAs光电探测器（900–1700 nm，17 MHz带宽）获取干涉信号，利用带通滤波器（0.02–10 kHz，240 dB/dec衰减）去噪，并通过零交叉检测计算振动速度（相邻零交叉间隔对应λ/2，其中λ=1550 nm）；（3）基于互相关的极性反转方法：利用3×3耦合器输出两路具有固定相位偏置的干涉信号，通过计算两路信号的互相关函数判断振动方向，生成极性反转函数，修正速度波形的符号，从而恢复完整位移方向信息。实验数据采样频率为1,562,500 sps，经50倍降采样后有效采样率为31,250 sps。
**研究结果**
**2. 面向高电磁场环境及集成至现有光纤电信网络的传感器配置开发**
通过比较Mach–Zehnder干涉仪与Michelson干涉仪两种配置，研究人员发现：Mach–Zehnder干涉仪需将测量光纤张紧于振动对象与固定点之间，不适用于旋转部件，且对环境振动和温度变化敏感；而Michelson干涉仪可实现非接触测量（依赖金属振动表面反射），灵敏度加倍（光路往返一次），且安装简便。基于Michelson干涉仪构建了早期传感器，使用标准电信组件（G.652D光纤、1550 nm准直器、2×2 FBT耦合器等），但实验发现单一探测器无法区分位移方向，导致计算出的速度值仅存在于正半周，频谱分析显示光学传感器频谱以二次谐波为主（MEMS以基波为主），证实了方向信息的缺失。
**3. 基于双探测器互相关极性反转的光学相位辨别**
为解决方向模糊问题，研究人员提出采用3×3 FBT耦合器与两个光电探测器的配置（图10）。理论上，3×3耦合器输出两路具有固定相位偏置的干涉信号，通过分析两路信号的互相关函数，可判断振动方向：在振动周期前半段，一路信号滞后于另一路，互相关函数值增大；后半段相反，互相关函数值减小。据此定义极性反转函数，将零交叉计算得到的速度波形乘以该函数，即可恢复方向信息。实验验证在1560 rpm（26 Hz）条件下进行，经极性反转后，光学传感器速度波形（图14b）与MEMS加速度计速度波形（图14a）高度吻合，Pearson相关系数为0.8924。FFT分析（图14c,d）显示两者频谱结构一致，均以基波为主。仅存在微小偏差，归因于MEMS加速度计灵敏度公差（270–330 mV/g），而光学传感器灵敏度直接溯源至1550 nm激光波长，具有内在可追溯性，有望作为非光学振动传感器的校准参考。
**总结讨论与结论翻译**
本研究讨论了一种新型便携式、非接触式光学系统，用于旋转机械振动测量及异常工况检测。与传统传感技术相比，该光学传感器提供全光纤、无金属解决方案，实现非接触操作和足够位移灵敏度，测量点无源运行（无需供电），且无需电磁屏蔽。系统的主要贡献在于简单的传感器架构和基于双光电探测器与3×3 FBT耦合器的信号处理，通过零交叉和互相关方法确定振动方向和幅度，可与MEMS等传统传感器直接对比。系统经过迭代硬件与软件设计，在实验室验证了可行性、稳定性和性能。未来工作将聚焦于在水电站水轮发电机实际工业条件下评估该系统，并演示将其集成至克罗地亚电力公司（HEP Generation）现有电信基础设施，以及将振动测量纳入水电站监控与数据采集（SCADA）系统，以优化水轮发电机运行。此外，还将利用双探测器同一光源的特性，补偿激光波长和相位慢漂移。
