CN103175849A - 光纤在线车辆轴承故障检测装置 - Google Patents

Abstract

光纤在线车辆轴承故障检测装置，涉及在线车辆轴承故障检测装置，本发明为了解决现有车辆轴承故障测量装置易受电机等车载设备和电网通信信号的干扰，重载铁轨的实时健康监测精度低的问题，本发明包括传感器、A/D转换器、信号处理系统、光电探测器、宽带光源、波分复用器、耦合器、扫描干涉仪和信号发生器，传感器的输出端与波分复用器的输入端连通，宽带光源与波分复用器激光的输入端连通，波分复用器与耦合器的一个信号端连通，耦合器与扫描干涉仪连通，信号发生器与扫描干涉仪连通，耦合器的信号输出端与光电探测器连通，光电探测器与A/D转换器连通，A/D转换器的输出端与信号处理系统连通。本发明用于在线车辆轴承故障的检测。

Description

光纤在线车辆轴承故障检测装置

技术领域

本发明涉及在线车辆轴承故障检测装置。

背景技术

随着国家铁路系统的智能化升级，火车的运行速度己经得到多次提高，铁路运输安全受到前所未有的挑战。在高密集、高载荷、高速度的铁路运行过程中，车辆轴承的负荷加大，极易引起轴承疲劳、裂纹和压痕等问题，甚至导致轴承断裂，这样就会给机车带来很大的冲击振动，甚至危及行车安全。因此，对车辆轴承运行状态的在线检测和对车辆轴承故障的及时预报，以便采取相应的对策加以解决，确保行车安全具有重大的作用。

近些年，铁路用安装压电式加速度计提取额外冲击振动信号，通过频谱分析来诊断轴承故障，己经取得了一定的进展。但是，由于列车车轮的运行环境恶劣，存在电机、整流装置等车载设备产生的强烈电磁干扰和干线电网的工频干扰，以及测量系统和各单元电路之间的公共接地阻抗产生的严重干扰等诸多不利因素，对列车轴承在线状态监测与故障诊断的准确性和可靠性受到一定的限制。Sky Eye Railway Sefvices公司研制的SkyEye故障检测仪安装在车辆、集装箱车或机车上，能检测超速碰撞、转向架蛇行、上下震动或温度或压力变化这样的状态。其检测数据通过全球卫星定位系统(GPS)传递给数据管理中心，数据管理中心将数据进行处理。如果车辆配件或运载的货物出现紧急事故征兆时，该系统还可将警报直接传送给客户或铁路管理部门。但是这种方法不能在线测量，需要每台车辆安装一个，造价太高，不适合推广。由此可见，用传统传感激光和CCD传感器，一般精度不高，对一些小的故障无法诊断;利用振动传感器可以对轮对和轴承的故障从损伤本质产生的冲击力、加速度探测出发，来判断故障;这些方法都受到电机等车载设备和电网通信信号的干扰，使得有用信号被大量埋没在噪声中，也不是太理想。

光纤光栅(nber Bragg grating)传感器不受电磁干扰、体积小(对监测物结构几乎无任何影响)，重量轻，寿命长(＞20年)，波长编码，不受光强度波动影响，单根光纤可实现大量光纤光栅传感器复用，易于组网，光纤可延深长度达100km。且一根光纤可同时对车辆的应变、温度等信息同时监测。这些优点便其成为铁路安全监测的最理想传感材料。美国运输研究委员2005年年度报告中将光纤传感作为最有发展前途的安全监测技术。美国伊利诺大学(UIUC)的S.L.Chuang等人受到美国铁路协会以及国家科学院的交通研究委员会资助研制利用光纤时域反射测量和光纤微弯损耗对铁轨损伤以及车轮故障进行24小时实时监测，但是由于利用光纤强度进行监测，光强度受到偏振、相位等很多物理量影响，使得此技术虽然实现了实时监测，但精度不高，很难推广。我国也特别重视光纤传感技术的发展，并对该领域做出了大力的扶持。香港理工大学谭华耀和加拿大MOI公司联合开发了光纤光栅重量和速度测量系统，通过埋植在铁轨上的光纤光栅传感器测量的应力和振动追溯到车辆ID-身份识别，根据传感器应变和轮子间的距离计算车体的速度和重量。但是他们都没有解决重载铁轨的实时健康监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有车辆轴承故障测量装置易受电机等车载设备和电网通讯信号的干扰，重载铁轨的实时健康监测精度低的问题，提供一种光纤在线车辆轴承故障检测装置。

光纤在线车辆轴承故障检测装置，它包括传感器、A/D转换器、信号处理系统、光电探测器、宽带光源、波分复用器、耦合器、扫描干涉仪和信号发生器，传感器的传感信号的输出端与波分复用器的传感信号的输入端连通，宽带光源的输出端与波分复用器的激光的输入端连通，波分复用器的输出端与耦合器的一个信号输入端连通，耦合器的另一个信号输入端与扫描干涉仪的信号输出端连通，信号发生器的输出端与扫描干涉仪的信号输入端连通，耦合器的信号输出端与光电探测器的信号输入端连通，光电探测器的信号输出端与A/D转换器的输入端连通，A/D转换器的输出端与信号处理系统的信号输入端连通;传感器由基底盒上盖、基底盒、悬臂梁和光纤布拉格光栅组成，悬臂梁为等腰三角形板，光纤布拉格光栅固接在悬臂梁的上表面的中线上，基底盒的内腔体中设有阶台，悬臂梁下表面的底端部固接在所述阶台的上表面，基底盒上盖与基底盒固接为封闭的箱体，基底盒的侧壁开有通透的孔洞，光纤通过所述孔洞连接在光纤布拉格光栅的传感信号的输出端，传感器固接在轴箱盖的外表面上。

本发明通过贴置在机车轴箱盖上的光纤光栅振动传感器，拾取车辆通过传感路段过程中钢轨产生的振动信号，根据这些振动信号分析车辆的轮对轴承异常，实现了在线车辆的轴承的疲劳、裂纹、断裂和压痕等轴承的损伤情况进行高精度检测并实时预警。具体指标为:传感器应变分辨率高于4με，振动传感器动态范围大于100dB，5Hz～2.5kHz平坦的响应，交叉串扰小于0.5%，传感器的外径小于10mm;监测精度比现有装置提高50%以上。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图，图2为本发明中传感器的剖视图，图3为悬臂梁的俯视图，图4为传感器设置位置的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一:结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，它包括传感器l、A/D转换器4、信号处理系统5、光电探测器6、宽带光源7、波分复用器8、耦合器9、扫描干涉仪10和信号发生器12，传感器1的传感信号的输出端与波分复用器8的传感信号的输入端连通，宽带光源7的输出端与波分复用器8的激光的输入端连通，波分复用器8的输出端与耦合器9的一个信号输入端连通，耦合器9的另一个信号输入端与扫描干涉仪10的信号输出端连通，信号发生器12的输出端与扫描干涉仪10的信号输入端连通，耦合器9的信号输出端与光电探测器6的信号输入端连通，光电探测器6的信号输出端与A/D转换器4的输入端连通，A/D转换器4的输出端与信号处理系统5的信号输入端连通;传感器1由基底盒上盖1-1、基底盒1-2、悬臂梁2和光纤布拉格光栅3组成，悬臂梁2为等腰三角形板，光纤布拉格光栅3固接在悬臂梁2的上表面的中线上，基底盒1-2的内腔体中设有阶台，悬臂梁2下表面的底端部固接在所述阶台的上表面，基底盒上盖1-1与基底盒1-2固接为封闭的箱体，基底盒1-2的侧壁开有通透的孔洞，光纤通过所述孔洞连接在光纤布拉格光栅3的传感信号的输出端，传感器1固接在轴箱盖的外表面上。

悬臂梁2为等腰三角形，光纤布拉格光栅3粘贴在等腰三角形悬臂梁2的中线上，以保证其在非中线位置上的受力均匀，悬臂梁2安装于基底盒1-2的内腔体中，然后进行封装，构成轴承故障检测应变传感器的新型封装结构，基底盒上盖1-1封闭基底盒1-2的上端口，构成轴承故障检测应变传感器的新型封装结构。

对车辆轴承故障产生的振动特征频谱数据建模，通过光纤光栅传感器1提取轴承的振动信号，然后对检测频谱数据分析，实现在线预测轴承伤病并及时发出预警信号。

具体实施方式二:结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，基底盒1-2的底表面为弧面。

基底盒1-2的底表面与车辆轴承的轴箱盖外表面的弧形对应，使传感器1紧密布放在轴箱盖上。

具体实施方式三:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，它还包括相位解调器11，相位解调器11串接在信号发生器12与扫描干涉仪10之间的光路中。

具体实施方式四:结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，传感器1的外径小于10mm。

具体实施方式五:结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，光纤布拉格光栅3应变分辨率高于4με。

具体实施方式六:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，信号处理系统5采用DSP信号处理系统。

具体实施方式七:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述光纤在线车辆轴承故障检测装置的进一步限定，扫描干涉仪10采用非平衡干涉仪。

本发明具体应用过程为:

检测装置分为数据采集和分析处理两大部分:数据采集部分由光纤光栅应变传感部分、信号解调部分、高速数据采集卡和计算机处理系统组成;光纤光栅传感部分提取的传感信号，经过解调部分将光信号转换成电信号，通过高速数据采集卡把数据采集到计算机，通过计算机软件完成振动信号和应变信号的运算过程，通过小波变换和遗传算法等数学手段来判定车辆轴承故障。

数据采集部分由宽带光源(ASE)7、波分复用器8、光纤布拉格应变光栅3、扫描干涉仪10、信号发生器12、光电探测器6、A/D转换器4、DSP处理系统5等组成;检测所用的光纤布拉格光栅3位于等腰三角形悬臂梁2的中线位置上，将含有光纤布拉格光栅的悬臂梁2安置在基底盒1-2的内腔体中，基底盒上盖1-1封闭基底盒1-2的上端口;将传感器1放置于机车轴箱盖上，使得基底盒圆弧底面能够很好的和机车轴箱盖的圆形边缘结合在一起。

宽带光源7提供宽带光，通过光纤进入光纤布拉格光栅3，通过光纤光栅传感器发射回来的光信号依次通过波分复用器8、耦合器9进入非平衡干涉仪10，将传感的波长编码的传感信号转换为相位信号，然后进入光电探测器6将干涉仪出来的光强信号转换为含有相位信息的电信号，接着进入A/D转换器4转换为数字信号，将所述具有传感相位信息的数字信号送入DSP处理系统5，解调出轴承的原始振动信号。

本发明采用非平衡干涉相位载波解调技术，将检测到的光纤光栅应变和振动波长信号转化为可识别的电子信号。从探头光源返回的具有传感信号的光信号，通过非平衡干涉仪10，将高功率波长信号转化成相位信息，在经过A/D转换器4数字化后，由DSP处理系统5进行数字化解调，将载波信号和噪声信号通过算法滤掉，还原出原始的振动信号。

非平衡干涉相位载波解调关键技术主要包括两个部分，光路中相位载波解调信号的产生和信号解调系统。如图1所示，在干涉仪一条臂上加上一个压电陶瓷(PZT)做相位解调器11，通过信号发生器12对压电陶瓷加调制信号实现干涉仪相位的大幅度调制。这种方法检测灵敏度较高，以便于组阵，可实现全光纤化，通过该结构，可以把波长编码的传感信号转换成相位编码的传感电信号。非平衡干涉相位载波解调技术的电路部分是把干涉仪的电信号用相关检测和微分一交叉相乘方式分离光纤干涉仪的交流传感信号和低频随机相位漂移，在通过高通滤波器得到稳定的传感信号输出。在实际信号处理过程中，使用数字信号处理系统通过软件修改解调系统，具有很大的灵活性，例如本振信号的相差、频差、微分器的饱和、交叉相乘的增益波动、以及温度漂移所造成的低频信号积分溢出等问题都可以通过数字信号处理技术的算法来实现，它代替了模拟电路的不稳定性，使得系统的稳定性大大提高，而且减小了电路的体积和功耗。另外通过DSP算法计算，可以把压电陶瓷的非线性影响降低到最小。在设计算法实现过程中，考虑到系统的采样率，根据系统的要求选择合适的信号解调速率，实时处理探头的传感信息。另外我们还要考虑运算的复杂性，这种技术要进行多次的相乘、滤波、微分、积分等运算，使得运算的复杂度提高，选择合适的芯片既要保证运算的精度，又要保证信号的检测速度。通过非平衡迈克尔逊干涉仪将波长编码的传感信号转换为相位信息，同时由于非平衡干涉仪会受到环境噪声等影响，使得解调系统的最佳工作点漂移，引入压电陶瓷作为相位载波信号，使得系统的灵敏度达到最佳水平，真实还原出原始轴承的振动信号。

经过数据信号处理系统5之后的数据即为轴承的实时状态，然后通过实时显示装置将该信息和轴承故障数拥库中存在的各种轴承故障信息提供给工作人员参考，如果有故障出现及时生成报表、并通过预警装置发送到调度中心或者其他有关部门。

本发明在车辆行进的过程中进行在线监测，及时发现轴承故障信息，判断轴承的损伤情况，防止发生重大事故。

本发明适用于对在线车辆轴承故障的检测，用本发明的装置能够实现对在线车辆的轴承的疲劳、裂纹、断裂和压痕等轴承的损伤情况进行高精度检测并实时预警。本发明应用光纤光栅传感技术实现了对动车的测量且开发出适合铁路应用的高灵敏度、低噪声、小体积、低成本、具有实用意义的车辆轴承故障检测装置，它还具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点。为列车安全运行提供技术保障。

Claims (7)

1.光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，它包括传感器(1)、A/D转换器(4)、信号处理系统(5)、光电探测器(6)、宽带光源(7)、波分复用器(8)、耦合器(9)、扫描干涉仪(10)和信号发生器(12)，传感器(1)的传感信号的输出端与波分复用器(8)的传感信号的输入端连通，宽带光源(7)的输出端与波分复用器(8)的激光的输入端连通，波分复用器(8)的输出端与耦合器(9)的一个信号输入端连通，耦合器(9)的另一个信号输入端与扫描干涉仪(10)的信号输出端连通，信号发生器(12)的输出端与扫描干涉仪(10)的信号输入端连通，耦合器(9)的信号输出端与光电探测器(6)的信号输入端连通，光电探测器(6)的信号输出端与A/D转换器(4)的输入端连通，A/D转换器(4)的输出端与信号处理系统(5)的信号输入端连通;传感器(1)由基底盒上盖(1-1)、基底盒(1-2)、悬臂梁(2)和光纤布拉格光栅(3)组成，悬臂梁(2)为等腰三角形板，光纤布拉格光栅(3)固接在悬臂梁(2)的上表面的中线上，基底盒(1-2)的内腔体中设有阶台，悬臂梁(2)下表面的底端部固接在所述阶台的上表面，基底盒上盖(1-1)与基底盒(1-2)固接为封闭的箱体，基底盒(1-2)的侧壁开有通透的孔洞，光纤通过所述孔洞连接在光纤布拉格光栅(3)的传感信号的输出端，传感器(1)固接在轴箱盖的外表面上。 

2.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，基底盒(1-2)的底表面为弧面。 

3.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，它还包括相位解调器(11)，相位解调器(11)串接在信号发生器(12)与扫描干涉仪(10)之间的光路中。 

4.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，传感器(1)的外径小于10mm。 

5.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，光纤布拉格光栅(3)应变分辨率高于4με。 

6.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，信号处理系统(5)采用DSP信号处理系统。 

7.根据权利要求1所述光纤在线车辆轴承故障检测装置，其特征在于，扫描干涉仪(10)采用非平衡干涉仪。 

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