TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 6, June 20 13, pp. 3327  ~ 333 2   e-ISSN: 2087 -278X           3327      Re cei v ed  Jan uary 16, 201 3 ;  Revi sed Ap ril 14, 2013; Accepted Ap ril 25, 2013   Rotating Cantilever Beam Dynamic St rain Measurement  and Analysis b ased on  FBG       Jiang Xi-Xin  Schoo l of Mechan ical/El e ct Eng, W uhan U n i v ersit y  of T e chnol og y , Hub e i,  W uhan ,Chi na , 027-87 85 950 Corresp on din g  author, e-mai l : jian g x i x i n20 06 @16 3 .com       A b st r a ct  T he mai n  for m  of machi n e w o rking pr inci p l e is r o tatio n . T he mech anic a l pr operti es o f  rotatin g   compo nent ar e  signific ant i m p o rtance to  i m pr ove the  ma chi n e s re li abi lity. In the meas ure m e n t, the diffic u lt   thing  is to tra n smit sig nals  form se nsors  on a r o to r to  a station a ry  part . In this  pap er, usin g t h e   F B G s(F i bre  B r agg Ga ug e)   prop erties  of w i reless  tra n s miss ion,  auth o r meas ure th e loc a l stra ins  of   rotating c anti l e v er be a m  ca nti l ever  by util i z i n g the  strai n  pr i n cipl e g a u ge F B G(F i bre Brag g Gaug e) a nd t h e   rotary signal trans m i t equipment,.  The result of analysis s howed that rot a ting cant ilever have complic at dyna mic ph en omen on, dy na mic stra in  not  only r e l a ted t o  spe ed  but  also r e late d to  fluid  actio n , th e   dyna mic stiffing phe no me no n  w e re observe  in the sa me  ti me. F i na lly, au thor offer an i m prove d  insi ght i n to  a strain  m e asurement tec hnique fo r  a r o tating  mechanic al system . The  r e searc h  work  could pr ovide  an  effective w a y for me asur ing r o tating co mpo nent s   mec h a n i c al pro perties.     Key wo rd s:  fib e r Bragg gr atin g (F BG) , dyna mi c stress , me asure m ent , be am    Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Rotating  co m pone nt ca n b e  found  on  al most eve r y u n it of machin ery eq uipme n t, and is   the main co mpone nt for reali z ation of  mecha n ic al function conv ersi on. In the developme n t  o f   mode rn i ndu stry, equi pm ent continu o u sly d e velop s  to wards th e directio n of  larg e-si ze, h i gh- spe ed and fle x ible, the unit load of rotating com pon en t tends to become la rge r   and larger, a nd  factors su ch  as control of machi n e r y vibration,  re du ction of stre ss level, and enha ncement  of  usa ge life  of  mechani cal  com pon ent  and  u s ag e  relia bility are be comi ng  more  an d m o re  importa nt. Usually, dyna mics d e si gn  will be pe rfo r med fo r imp o rtant compo nents, so as to   determi ne its  mode  (di s pla c eme n t, sp ee d and  accel e ration mod e ),  but these pa rameters  refle c overall dyn a m ics  pe rform ance of  structure, and  are  not se nsitive   for local cha nge of  stru cture,  damag e of st ructure no rmal ly occurs at t he lo cati on  of the largest  st ress, rathe r  than the l o cation  of the maxim u m displa ce ment, spe e d  and a c cele ration, in re ce nt years, n u m ero u scho lars  have starte d to study mea s urem ent of dy namic re spo n s thro ugh stress  and strai n   [ 1,2].  For rotating  comp one nt, the key p o int of strain m e a s ureme n t is  how d o e s  th e sign al  transmit  bet ween rotating  comp one nt  a nd stationa ry comp one nts, method avai lable at  prese n inclu de ele c tric sli p  rin g , telemetry, optical fiber  slip ri ng,  and  FB G collimato r In literature  [3-6 ],  resea r cher  m easure s  stre ss dist ri butio n of steam t u rbin e impell e r bla de an d  air comp re ssor  blade un de r rotation con d ition by adopti ng slip ri ng, and sign al is transmi tted th rough  stationa ry  comp one nt (electri bru s h )  an d rotatin g  com pone nt  (armatu r e )   of slip ring,  the disa dvantag e   of  this metho d  i s  the p h ysi c al  conta c t bet ween el ec tri c  b r ush an d a r m a ture  will cau s e n o ise, whi c will overcom e  signal under ci rcum stance  of hi gh  rotation  speed. The telem e try,  was fi rstly  utilized by Westho use in 1 958 for me asurem ent of  ro tating comp o nent [7], rather than u s e s   slip  ring, this typ e  of techn o lo gy enlarge s strain  si g nal  before tran smitting strain  signal to a  radio  freque ncy tra n smitter  whi c h tran smits it in fo rm  of freque ncy-mod u lated  wave,  then receive s   freque ncy  mo dulated  si gna l by a n tenna,  and  the n  d e m odulate s  an d enl arges  strain  si gnal.  T he  disa dvantag e   of  this method is rotation  spe ed of  test can not be hig h  due to the extra weig ht o f   radio f r eq uen cy tran smitter, but the tran smissio n  di stance is l a rg e, rea c hin g  up  to nearly 1 0 0 0   k m . No matter for  s lip ring  or for  wi reless telem e try, there is a  sa m e  difficulty-strain respon se  of  vibration  is d i fferent for di fferent ex cita tions,  a n d  di stributive  me asu r em ent i s  re quired,  while   each strain  gaug n eed two pie c e s  of  wire,  la rg e qu antity of wires will  cause difficulty of  dynamic  bala n ce, at the  same time, re quire ment of strain g aug e  mounting te chniqu e are hi gh,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 6, June 201 3 :  3327 – 33 32   3328 there  are n u m ero u s in stal lation difficulties. A s  a   ne w type of  se nsor  device,  op tical fibe r B r a gg  grating  (FBG ) feature s   sm all volume, in tegrati on  of sensi ng an d transmi ssion, explosi on-pro o f,  fire-p roof,  el e c trom agn etic interferen ce resi stan ce, ea sy constitutio n  of FBG i n telligent  sen s i ng  netwo rk  by adoptio n of wavele ngth  division mult i p lex, time division multipl e x and interval  multiplex te chnolo g y, and   has got  more  and  mo re  attention [8 -9].  Usage  of FB G for eq uipm ent  strain   mea s u r eme n ca n solve  p r o b le ms su ch  a s  remote data transmissio n,  elect r oma g n e tic  interferen ce resi stan ce a nd  dist ributiv me a s urem ent, and re q u irem ents o n  strai n  gau ge   mounting te chniqu e are  sub s tantially  lowe r,  main  method s u s ed i n  FBG  dynamic  stress  measurement  are optical fiber sli p  ring  method an d optical fibe r-collimator met hod, optical fiber  slip  ring  met hod i s  to pl a c e t w o pi ece s  of o p tical fi ber i n  on e pi ece  of thin pi pe, in  whi c one  piece of opti c al fiber  rotate s with  rotatin g  co mpo nent,  the othe r pie c e of  opt ical  fiber stan ds st ill,  optical  sign al is tran smitted out from en d  of  rotating  optical fiber,  and enters stationary opti c al   fiber th rou g h  air. T o  reali z sig nal tra n smi ssi on, th e di sadvanta ge of thi s  m e thod i s  fri c ti on  betwe en pip e  wall an d opt ical fibe r ca u s e s  low  rotat i on sp eed,  which i s  no rm ally lowe r than   2000 rpm. Lit e ratu re [10]  has  re sea r ch ed mea s u r e m ent of rotat i ng compo n e n t stre ss th ro ugh  FBG-optic a l fiber s l ip ring, but its  ro tation s p eed is  lower than 2000r/m.  In this article,  FBG-colli mat o r metho d  is  adopte d  for measurement  of  dynamic strain of  rotary  cantilever beam, its  theory  i s   simil a with literat ure [], but  rot a tion  speed i s  up to  3000rpm .   Thro ugh  se ri al co nne ction  of 3 FBG  st rain  se ns o r s on  rotary can t ilever  bea m modal su rface,  cha nge  of  ca ntilever  bea m   strai n  u n der 80 0r p m   has be en  re sea r ched,  an d dyna mic st rain   distrib u tion a nd re spo n se  of rotating cantileve r be am unde r rotation con d i t ion has be en   analyzed, in dicatin g  that  this metho d  can m e a s u r e dyna mic  strain  of hig h -spee d rota ting   comp one nt effectively.      2. Rese arch  Metho d   2.1 The FBG Sensor    A FBG is co mposed of p e riodi c chan g e s of the  refractive index that are form e d  by th e   exposure  to a n  inten s UV  interferen ce  pattern i n  the  co re  of an  o p tical fibe r.  When lig ht from  a  broa d ba nd source inte ra ct with t he grating, a sin g le  wavele ngth,  know a s  Bragg  wave len g th, is  reflecte d b a ck while  re st of the si gnal  is tra n smitted. A FBG sh ows sen s itivity to strain  a nd  temperature  cha nge s. The  Br agg conditi on is expressed as:     B =2 ef f n                                                           (1)       Whe r B  is the Bragg wavelength of F B G,  e n is the effective refracti ve index of the  fiber c o re,  is the gratin g pe riod.   If the grating  is exp o sed to  extern al p e rt ur batio ns, su ch as  st rain  and  te mpe r at ure,  th Bragg  wavel e ngth will  cha nge s. By me asu r ing   the wavelength ch ange accu rat e ly,  the  physi cal  prop ertie s , su ch a s  strain a nd tempe r atu r e, ca n be m easure d . The  shift of a Bragg wavel engt due to strain and tempe r at ure an d pressure can be ex pre s sed a s   BT aa T                                                  (2)                  Whe r a is the  strain  sensitiv ity coefficient T a  the tempe r ature  sen s itivity coefficient,  with the a s su mption of no  pre s sure ch a nge an d no t e mpe r ature chang e, we  ca n mea s ure the   strain from wavelength  shi ft as:    B a                                                               (3)      2.2. Working  Principle Of Non-Con t ac t Optic a l Signal Transmi ssion   Figure 1 sh o w s the  wo rki ng prin cipl e of t he non-contact opti c al   signal tran smissi on,  broa dba nd lig ht emitted from a light sou r ce an d pr o p a gates al ong a n  optical fibe r, The C-le nse s   cha nge the li ght in the fiber to colli mat ed bea m of parall e l light and collima t ion light tran smit  betwe en ai gap, then, th e optical sig nal co uld tr a n smit bet wee n  station a ry  part an d rota ting   part.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Rotating  Cant ilever Beam  Dynam ic Strain  Measurem ent and Anal ysis... (Ji ang X i -Xin)  3329   Figure 1. Wo rking Pri n ci ple  for Rotary O p tic Signal Transmi ssion       2.3. Working  Principle Of D y namic Str a in Detectio n   Dynami c  strain  te sting system  of rot a ting  rect an gular  sheet  con s i s ts of person a comp uter, int e rrogato r , optical fiber  rotat i ng joint, FBG, rotating shaf t and blade.     After coupli n g, light emitted by wi deb and  light  so urce in FBG  demod ulato r  enters  optical fib e r,  move forward  in polyline s and rea c he FBG on  rotati ng bla de thro ugh o p tical fi ber   rotating joint,  in whi c h, light  meeting Bra gg co nditi on  are reflecte d, light of other wavelen g th are  transmitted throu gh FBG,  the reflecte d  light re turns back to FBG demo dulat or thro ugh  o p tical  fiber  after  p a ssing  opti c al fibe rota ting joint, F B G dem odul ator m odul ates/dem odul ates  wavele ngth signal  of FBG ,   and com m u n icate s  with   PC throug TCP/IP proto c ol, thu s   sig nal  attache d  on rotating ca ntilever bea m an d detec te d by FBG can be  measured an d recorded.       Figure 2. Experime n tal Set-Up fo r Dyna mic Strain De tection by FBG      3. Simulation  Dynami c  stra in re spo n se  of rotary can t ilever beam  will cha nge  unde r excit a tion of  different rotation spee ds, in  orde r to m o u n t FBG at the  positio n of m a ximum st rai n , and e nha n c measurement  effect, strai n   mode of  canti l ever  be am h a s b een  anal yzed, a s  sho w n in th e figu re,  dimen s ion of  analytic mo del and mat e rial p r op ert y  are de scri bed in 2.1, model bo und ary  con d ition s  are co nfigured  as: complet e  soli co nn ection at  en ds wit hout consi deration of  deform a tion a l ong di re ction  x, i.e. deform a tion alo ng  cantilever  bea m width  direction, its 1 s t, 2 n d   and 3 r natu r al fre que ncy  are  re sp ecti vely  60.199 Hz, 37 5.2Hz a nd 10 45.6 H z,  the maximu strain  po sitio n s a r e respe c tively 0mm, 159.3 mm a nd 90.4mm,  with co nsi d e r ation of actu al  length of FBG, the actual  in stallation positio ns  of FBG  ar e respectively 5m m, 159.3mm  and  90.4mm, as  shown in Figu res 3-5.                            Figure 3. The  1 st  Strain Mode Shape           Figure 4. The  2 nd  Strain Mode Shape   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 6, June 201 3 :  3327 – 33 32   3330     Figure 5. The  3 rd  Strain Mode Shape       4.  D y namic  Strain  Meas urement Of Rotating Bla d   4.1. Experimental Set-Up   As con s titutio n  of dynamic stre ss mea s u r em e n t syste m  of rotary ca ntilever beam  shown  in  figure 7, the  driving d e vice is a A C  va riation fre quen cy moto r of 45KW a n d  rotation  sp eed  30 30 00rpm,  rotation  spe ed  can  be  ad justed  by  sp e ed regul ation  software  of i ndu strial  co ntrol  comp uter, o r   by manual a d justme nt of adju s t able re sista n ce, motor drive s  a speed -in c reasi n g   gear b o x, of whi c h ge ar ra tio is 1:5, gea rbox dr ive s  b earin g box, cantilever be a m  is install e d  o n   end fa ce  of b earin g b o x, a nd i s  built i n -hou se,  with l ength  280m m, thickne s 6mm a nd m a terial  Q235,  modul us  of ela s ticit y  2.09E11  an d de nsity  7 8 0 0 kg/m,  sp ecifi c   sha pe  as shown in  figure 6,   rotary collima t or holdin g  de vice is in stall ed on  en d of high-sp eed  shaft of speed -incre asi ng g ear  box, so that  optical  shaft center  of rotary collim ator i s  located  at  the rotating center of  rotati ng  shaft, adj ust  the  stationary collimator on five -dim ensi on fine  adjustment bracket  fixed  on  foundatio n, so that o p tical  sh a ft ce nters of t w colli mators  coin ci dent  with e a ch  other, th u s   optical  signal comm uni cati on can be realiz ed between rotary-stationary collim ators.        Figure 6. The  Cantilever B eam and FB         Figure 7. Experime n tal Set-Up     4.2. Result  Und e r e n viro nment of ro o m  temperature 20 , pe rfo r m mea s u r e m ent test of  dynamic  stre ss, firstly in ord e r to av oid discrep an cie s   between boun dary con d itions  of sim u lation  an alysis  and a c tual  condition s, im pact te st is p e rform ed  fo cantileve r be am und er  st atic conditio n , to   determi ne na tural freq uen cy of cantilev e r bea m, as   sho w n in the  figure, the 1 s t orde r freq ue ncy  is 54.9 H z a n d  the 2nd ord e r  frequ en cy is 331.8Hz.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Rotating  Cant ilever Beam  Dynam ic Strain  Measurem ent and Anal ysis... (Ji ang X i -Xin)  3331 Figure 8. Impact sig nal of Cantileve r Be am  Fi gure 9. Analysis of Impa ct Signal Resp onse  Spectrum        Rotation  spe ed test sta r ts from 100rp m , and rotati on sp eed ri ses to 800 rpm  stably as  per i n terval  of  app roximatel y  100rpm  poi nt by poi nt, reco rdin g FB G outp u t valu e of all  recording  points i n  turn, after rea c hin g  800 rpm,  de cre a ses to  0 r pm sta b ly as  per i n terval  o f  100rpm p o i n by point, ma ke re co rd s of  retractin g   stro ke FB outp u t value of  all  test poi nts i n  reve rse  o r de r,  and re peat th e cycle a s  pe r the above  mentione m e thod for 3 times, then su btract the ave r age  value of Bra gg wavelengt h of all gratings fr om FB G Brag g wa velength of  all ch annel s,  the   results a r e pl otted in figure s  a s  follows, figure  10 sho w s the  ch ang e of micro strain of ca ntile ver  beam un de r con s tant rot a tion sp eed  420 rp m, an d figure 11  sho w s analy s is of re sp o n se   spe c tru m  of sign al in figu re 10, in  whi c h, freq uen cy  7.26Hz is a  freque ncy rel a ted to rotati on   spe ed, 1 4 .53 H z is dou ble d -fre que ncy  of 7.26 Hz,  no rmally d ouble d -fre que ncy  related to  rota tion  spe ed exi s ts in rota ry sy stem d r iven  by motor,  55 Hz i s  1 s t o r d e r n a tural f r e quen cy of rotary  cantileve r be am.        Figure 10. Th e Rotating  Ca ntilever Beam   Dynami c  Stra in Data From  1#FBG in 42 0RPM   Figure 11. Th e Rotating  Ca ntilever Beam   Dynami c  Stra in From 1# F B G in Freq ue ncy  Domai n  in 42 0 RPM       Figure 1 2   sh ows the  micro-st rain  chan ge  of ca ntile ver  be am un der 660 rpm,fi gure   13  sho w s analy s is of freq ue ncy sp ectru m  in fi gure 12, whi c h shows existen c e of frequ e n cy  10.93 Hz relat ed to rotation  spee d, existence  of frequ ency spe c tru m  21.85Hz re lated to rotation  spe ed d ouble d -fre que ncy,  and exi s ten c e of a  la rge  amplitude f r e quen cy 55.1 8 H nea r natu r al  freque ncy 54 .9Hz of canti l ever bea m, the re a s on f o r app ea ran c e of freq ue ncy 55.18 Hz is   dynamic  stiffening  of ca n t ilever beam  unde r the ac t i on of cent rifu gal force, whi c h ma ke n a tu ral  freque ncy  of  cantileve r b e a m raise   ap proximately  0 . 28Hz, the  re aso n  for rapi d ri se  of dyn a mic  stre ss amplitude of cantil ever  beam at  55.18Hz is similarity  between natu r al freque ncy and  4- time-freq uen cy of rotation spe ed, and reso nan ce o c curs , mean while, with th e rise  of rota tion  spe ed, effect  of fluid emb o d ies  graduall y , t he 2nd n a tural frequ en cy 333.8Hz  of cantileve r b e a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 6, June 201 3 :  3327 – 33 32   3332 and its  dou bl e frequ en cy a r e ex cited, bu t its frequ en cy  value is la rger tha n   static value,  whi c h is   also a p hen o m enon of dyn a mic stiffenin g        Figure 10. Th e Rotating  Ca ntilever Beam   Dynami c  Stra in Data From  1#FBG in 65 5RPM   Figure 11. Th e Rotating  Ca ntilever Beam   Dynami c  Stra in From 1# F B G in freque ncy  domain in 6 5 5RPM       5. Conclusio n   This a r ticl e in trodu ce s a n e strain  me asu r em ent m e thod of rotat i ng compo n e n t, strain  of con s tant se ction cantilever bea m unde r rota ry condition i s  measu r e d  throu gh com p lex  stru cture of F B G-opti c al  co upler,  dynami c  st rain  of co nstant  se ctio n ca ntilever  b eam u nde r hi gh- spe ed rotary  con d ition i s   measured through th e ch a r acte ri stics of  FBG su ch  a s  multiple -p oi n t   with one lin e ,distributiv e measure m ent and no n-conta c t tra n smi ssi on of  optical sig nal,  mean while, t e st  re sults are an alyze d as i ndi cated  i n  test  analy s i s , cantilever  beam  emb o d i es   abun dant  kin e tic  cha r a c teristics u nde r rotary condi tio n , su bsta ntial  theoretical  rese arche s   ha ve  been  perfo rm ed on  so me o f  these  kineti c  cha r a c teri st i cs,  while  re se arch on  othe r cha r a c teri sti cs  has ju st be en  sta r ted. T h is ar ti cle  ha s p r ovided  some  funda ment al  expe riment  helpful fo r th ese   resea r che s , a nd the s e th eo ries can  be v e rified i n   exp e rime nt. Due   to re stri ction  of experi m ent al  con d ition s , the high est  rot a tion spee d reached i n  th i s  the s is is  onl y 800rpm, bu t it is po ssi ble  to  rea c h 20 000 rpm in theo ry, and stress mea s u r em ent requi rem ents of exist i ng machine r equipm ents  can be met ba sically.      Ref e ren c e   [1]  Li De bao.  A Genera l  Revi e w   o n  Sev e ral  F undam enta l  Points Of Exp e riment al Strai n /Stress Moda l   Anal ys is. Journ a l Of Vibration  And Shock . 1996; (1).  [2]  Lu Qiuh ai, Li D eba o. T he Advances of Mod a l   T heor y .   Adv a n c e in Mech anic s . 1996; (4).  [3 H A N  Zh o n g  h e ,  ZH U  Xi a o   y a n ,  D I N G  C h an g  fu . R e se a r ch  an d  De ve lo p m en t o f  Vi b r a t i onal  Measur ement T e chnolog y of  Steam T u rbine  Blade.  T u rbi n e  T e chnol ogy . 2 002; 44( 3): 129 -131.   [4]  Z H EN Shuc he n, HE Li to ng . Non-co ntacti ng me asurem ent of vibr atio n par ameters  for rotati n g   bla des.  Ga s Tu rb ine  Te ch no log y 2002; 1 5 (1) :  7-12.  [5]  AL-Bed oor BO . Blade Vi brati on Meas urem e n t in T u rbo-Ma chin er y :  C u rre nt Status.  T he Shock an Vibrati on Di ges t . 2002; 34(6):  455- 461.   [6]  Che n  Ji ngmi n g, W ang  Z o n g bo. A S u rve y   of  Vibr atio n M onitor i ng  T e chnol og y Of Ste a m T u rbin e   Blad es Both At Home And Ab roan.  T her ma l Pow e r Generat ion . 19 97; 3: 5 3 -57.   [7]  V Do nato, etc.  Meas urin g b l ade  vibr atio n of  lar ge lo w  p r essure  st eam   turbi ne.  Jo urn a l of  Pow e r   Engi neer in g . 1981; 3.    [8]  More y  W W ,  Meltz GW Glenn  H.  F i bre optic Bragg gr atin g sensors.  SPIE.  198 9; 116 9: 98 210 7.  [9]  Kerse y  AD, D a vis MA, Patrick  HJ, et al. F i b e r grati ng s ens ors. J Lig h t W a ve T e chno l; 1 997; 1 5 (8):   144 2-14 63.   [10]  K y u ngm ok Ki m, Jong Mi n L ee,  Yoh a  H w a ng. Determ inat ion  of eng in ee ring strai n  d i stributi on i n   a   rotor bl ad w i th fibre Br ag g  gratin g arr a y and  a r o tar y  optic c oup ler .   Optics  and  Lasers in   Engi neer in g . 2008; 46: 7 58– 7 62.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.