CN106353249B - 基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法，其中装置包括小轮装配机构、大轮装配机构、解调仪和工控机；小轮两侧的两个支架的正反两面和转向盘前后两面上分别对称布置有光纤光栅；该支撑板上还安装有冲角调节器；所述大轮装配机构的大轮与小轮的中心平面在同一平面上，轮侧相切；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到各个光纤光栅中，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点产生摩擦力，并传递给各个光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；该工控机接收解调信号，并进行采集和分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力，并通过相应公式计算出接触点的瞬态横向摩擦系数。

Description

基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法。

背景技术

光纤光栅(FBG)通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常在10-5～10-3之间

在FBG的中心波长计算式如1-1:

λ_B＝2n_eff·Λ (1-1)

在公式1-1中，n_eff是FBG的折射率。Λ为光栅栅距。耦合模理论说明，FBG仅反射满足条件的光。对其取微分得：

Δλ_B＝2n_eff·ΔΛ+2·Δn_eff·Λ (1-2)

从1-2表明,当n_eff或Λ变化时,中心波长会发生变化。当光栅所处环境改变时，n_eff或Λ都会有相应的变化。探测出光纤光栅的中心波长的改变,便可得知环境的变化量。例如在光纤光栅附近给予温度的变化,这个光纤光栅的中心波长将可能升高或者降低。测量出光栅波长的变化量，就可以转变为所需的温度。

由公式1-2温度耦合效应可知，光纤布拉格光栅受温度和应变同时影响，无法单独测量出应变。可以用单光纤光栅法来降低影响。单光纤光栅测量主要是聚合法。聚合物法就是将FBG放在不同的材料中，材料对于环境的敏感度不同。聚合物对于环境的敏感度不同，故而使光纤光栅对于应变和温度的灵敏度不同。比如选择负灵敏度系数聚合物降低光纤光栅对于温度的灵敏度，对于应变的测量起到了至关重要的作用。这种方法的优点是操作方便，但缺点是选择聚合物材料困难。

光纤光栅是光纤光栅传感器的重要组成部分。作为一种新型光纤无源器件，光纤光栅在近年来发展极为迅速。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用领域的日益扩展，光纤光栅已成为目前最具发展前途的光纤无源器件之一。光纤布拉格光栅(FBG)是目前在光纤传感中用的最多的光栅，而交叉敏感问题是制约光纤光栅传感器进一步发展的一个突出问题。在光纤光栅传感实际应用中，由于光栅布拉格波长对应变和温度都是敏感的，即光纤光栅传感器存在着应变、温度交叉敏感问题，当光纤光栅用于传感测量时，单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，进而无法实现精确的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，从而无法实现精确的测量的缺陷，提供一种基于双波长光纤光栅矩阵运算法的基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置，包括小轮装配机构、大轮装配机构、解调仪和工控机；

所述小轮装配机构包括支撑板以及固定在该支撑板上的小轮及小轮组件，支撑板上固定有转向盘，小轮通过转向盘以及设在小轮两侧的支架固定在支撑板上，在小轮组件的作用下小轮自由旋转；小轮两侧的两个支架的正反两面和转向盘前后两面上分别对称布置有光纤光栅；该支撑板上还安装有冲角调节器，用于调节小轮滚动接触点处的横向力；

所述大轮装配机构包括大轮、变频器、变频电机和齿轮箱，大轮与小轮的中心平面在同一平面上，轮侧相切；小轮支架和转向盘上的光纤光栅的尾纤均通过光纤旋转联轴器后再与解调仪连接；

解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到各个光纤光栅中，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点产生摩擦力，该摩擦力通过转向盘和两侧支架传递给各个光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；

工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力，并通过相应公式计算出在接触点的瞬态横向摩擦系数。

本发明所述的装置中，小轮左右两边两个支架的正反两面上分别粘贴1个光纤光栅。

本发明所述的装置中，转向盘前后两面上分别粘贴1个光纤光栅。

本发明还提供了一种瞬态滑动摩擦系数的测量方法，包括以下步骤：

将中心波长各不相同的光纤光栅粘贴于小轮左右两边两个支架的正反两面上和转向盘前后两面上，并依次标号；

使大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，调节冲角调节器调节使大轮与小轮之间产生一定的冲角，使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；

控制大轮变频电机的转速，当大轮旋转时，小轮支架和转向盘产生的应变信号传递给光纤光栅，解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，光纤光栅产生应变信号；

解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力，通过相应公式计算出滚动接触点的瞬态横向摩擦系数。

本发明所述的测量方法中，还包括以下步骤：

逐步增加大轮与小轮之间产生的法向力到预先设定的值；

调节冲角调节器使大轮与小轮之间形成一定冲角，使产生的横向力到预设值；

控制大轮变频电机以某一转速作恒速旋转，通过解调仪把整个检测装置的光纤光栅的应变信号采集并保存起来；

对采集的数据进行处理并计算出滚动接触点瞬态法向力和横向力，再由相应公式计算到瞬态横向摩擦系数。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种基于光纤光栅传感技术的瞬态滑动摩擦系数的测量方法及装置，在两个支架两端相同位置上对称粘贴了FBG，并在转向盘前后两面相同位置上对称粘贴了FBG，所以实验过程中，在整数个周期内，两端的应变Δε为零。这样就解决了交叉敏感问题，可以同时测得温度和应变。这种测量方法可以应用于应变发生变化的旋转机械，尤其见长于应变发生瞬态变化的场合，例如可以测量滚动物体不同时刻的法向应变和横向应变并将它们进行对比。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置的局部结构示意图；

图2为本发明实施例小轮装配机构结构示意图；

图3(a)为转向盘正视图；

图3(b)为转向盘侧视图；

图4是光纤光栅在转向盘和支架上的位置示意图；

图5大轮受力图；

图6为法向力测量原理图；

图7为横向力测量原理图；

图8小轮支架粘贴示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明借鉴双光栅法，采用在元件正反面对称布置2个光纤光栅来实现消除温度带来的影响，当温度升高时他们的温度同时升高，元件受力时，光栅在前后面，所以1个光栅受拉，中心波长增大，1个光栅受压中心波长减小。

Δλ_B＝K_T·ΔT+K_ε·Δε (1-3)

利用公式1-3，粘贴在同一个温度环境中的2个光纤光栅受温度效应影响相同，用于监测应变的光栅相减去掉温度变化所引起的中心波长漂移就可以得到由被测物应变所引起的波长漂移，从而获得当前被测物的应变值。通过此法来消除温度对测量力的影响，以下方案都运用了此方法。

FBG受温度和应变同时影响，光栅的峰值波长会发生变化，其相对变化量可以写成：

Δλ/λ＝(a+ζ)ΔT+(1-Pe)ε (1-4)

其中a、ξ分别是光栅材料的热膨胀系数和热光系数，其值a＝0.55×10^－6,ξ＝8.3×10^－6，即温度灵敏度大约是0.0136nm/℃，(λ为1550nm)；Pe是有效光弹系数，大约为0.22，即应变灵敏度为0.001209nm/μm，1个μm相当于变化1个pm，解调仪的解调误差在5个pm之间，故以此为标准衡量方案的可行性。

1、实验原理

光纤光栅传感器是利用布拉格波长对温度、应变的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：

λ_B＝2n_eff·Λ (1)

式中，n_eff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回原路。对其取微分得：

Δλ_B＝2n_eff·ΔΛ+2Δn_eff·Λ (2)

由式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长λ_B随n_eff和Λ的改变而改变，FBG对于应变和温度都是敏感的，应变影响λ_B是由弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化引起的，温度影响λ_B则是由热光效应和热膨胀效应引起的。对光纤光栅的温度—应变传感测量，Bragg波长λ_B是温度T、应变ε的函数，即

λ_B＝λ_B(ε,T) (3)

当温度发生变化(ΔT)时，由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，可以表示为：

式中，α为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，α取为5.5×10^-7C^-1。

另一方面，由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示为：

式中，V为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于光热效应，它

占热漂移的95％左右，可以表示

式中，ξ为热光系数。硅纤中ξ＝6.67×10^-6C^-1。则(5)可以简化为：

将上式(4)、(7)代入(2)式中，得到温度对光纤光栅波长漂移的影响为：

Δλ_B(T)＝2n_effΛ·αΔT+2n_effΛ·ξΔT＝λ_B(α+ξ)ΔT

当外界应变作用于光纤光栅上时，一方面使光纤光栅被机械性的拉长而导致周期Λ产生变化，可以表示为：

另一方面，弹光效应使光纤光栅折射率发生变化，可以表示为：

对上式(9)两端同时除以n_eff可得：

式中，P_1j(j＝1，2)为pockel系数，ν是泊松比，定义有效弹光系数Pe：

则上式(10)可以转化为：

将上式(8)、(12)代入(2)式中，得到应变对光纤光栅波长漂移的影响为：

Δλ_B(ε)＝2n_effΛ·Δε-2n_effΛ·PeΔε＝λ_B(1-Pe)Δε

由于光纤光栅的中心反射波长λ_B是n_eff和Λ的函数，λ_B随n_eff和Λ的改变而改变，故FBG对于应变和温度都是敏感的，所以光纤光栅中心反射波长的漂移是由温度和应变共同影响的，则可以表示为：

Δλ_B＝λ_B(α+ξ)ΔT+λ_B(1-Pe)Δε

已知温度灵敏度系数K_T和应变灵敏度系数K_ε可以分别表示为：

则光纤光栅中心反射波长的变化量Δλ_Β与温度变化量ΔT和应变变化量Δε的关系可表示为：

Δλ_B＝K_TΔT+K_εΔε

式中，K_T为温度灵敏度系数，可以通过温度标定实验测得；K_ε为应变灵敏度系数，可以通过应变标定实验测得。

当光纤光栅用于传感测量时，由于应变和温度都会引起布拉格波长的变化，单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，从而无法实现精确的测量。为解决这一问题，本发明借鉴双波长光纤光栅矩阵运算法的思想。

本发明借鉴双波长光纤光栅矩阵运算法，采用在小轮左右两边两个支架的正反两面和转向盘前后两面上分别对称布置2个光纤光栅来实现消除温度带来的影响。由于两根光纤光栅处于一个相同温度的环境下，他们随温度的变化是相同的，当温度升高时他们的温度同时升高，当温度降低时他们的温度同时降低，而当元件受力时，由于光纤光栅在正反两面上，所以一个光纤光栅受拉，中心波长增大，另一个光纤光栅受压，中心波长减小。故而他们的应变测量值得到突显。所以，采用这种方法十分可靠有效。

根据以上公式可知，粘贴在同一个温度环境中的2个光纤光栅受温度效应影响相同，用于监测应变的光栅相波长漂移减去由温度变化所引起的中心波长漂移就可以得到由被测物应变所引起的波长漂移，从而获得当前被测物的应变值。通过此法来消除温度对测量力的影响，以下方案就运用了此方法。

最终的方案示意图如图4所示。光纤光栅以这种纵向的粘贴法也可以极大的降低温度对波长的影响从而突出应变对波长的影响，因为试验需要测得小轮支架和转向盘的应变，所以光纤光栅应该尽可能的粘贴于靠近小轮支架底部和转向盘边部的地方来提高测量精度，而在小轮左右两边两个支架上都对称粘贴光纤光栅也是为了提高测量的精度。

2、实验方案

在本实验中，需要测量两个力，分别是瞬态法向力(即正压力)和横向力(即摩擦力)，在此先简述两个力的产生原理，并标出他们的作用方向，如图5所示。

法向力(即正压力)：模拟火车在轨道上行驶时，列车因自身的重力压紧轮轨，故而法向力是指向大轮圆心施加的。用小轮模拟轨道，于是法向力可以通过旋紧螺栓，对小轮施加预紧力压紧大轮来实现，将大轮上的法向力设置为1000N(可改变)。

横向力(即摩擦力)：模拟在列车在转弯的时候，因为摩擦因数的存在，于是列车受到一个摩擦力，我们把这个力称为横向力，方向是垂直于大轮表面。横向力是在不断变化，但是刘老师指出数值不超过250N，我们可以通过改变两轮的冲角来产生横向力，将大轮上的横向力设置为200N。

根据上述实验原理，本发明实施例的基于光纤光栅传感技术的瞬态滑动摩擦系数的测量装置，如图1所示，包括小轮装配机构100、大轮装配机构200、解调仪和工控机。工控机与大轮装配机构中的变频器相连，用于控制大轮变频电机的转速；随着大轮的旋转，大轮与小轮之间的法向力与横向力发生变化，导致支架与转向盘上的应变随着力的变化而变化，并传递给光纤光栅；并且该工控机还与解调仪相连，而解调仪通过跳线与光纤光栅连接；解调仪内置的光源通过跳线传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随支架和转向盘上应变的变化而变化，并产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；工控机接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，最后根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。本发明中的光纤光栅粘贴于小轮装配机构中的支架和转向盘上并通过跳线直接连接到解调仪上。

所述小轮装配机构包括支撑板以及固定在该支撑板上的小轮及小轮组件，支撑板上固定有转向盘，小轮通过转向盘以及设在小轮两侧的支架固定在支撑板上，在小轮组件的作用下小轮自由旋转；如图4所示，小轮两侧的两个支架的正反两面和转向盘前后两面上分别对称布置有光纤光栅；该支撑板上还安装有冲角调节器；用于调节小轮滚动接触点处的横向力。

所述大轮装配机构包括大轮、变频器、变频电机和齿轮箱，大轮与小轮的中心平面在同一平面上，轮侧相切；大轮的两侧也对称安装有多个光纤光栅，该多个光纤光栅的尾纤均通过光纤旋转联轴器后再与解调仪连接；小轮支架和转向盘上的光纤光栅的尾纤也通过光纤旋转联轴器后再与解调仪连接；

解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到各个光纤光栅中，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点产生滑动摩擦力，该摩擦力通过转向盘和两侧支架传递给光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机。

工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力，并通过相应公式计算出大轮在滚动接触点的瞬态横向摩擦系数。

由于大轮与小轮之间的法向力通过小轮和支架作用于转向盘上，使转向盘受力产生变形，而转向盘受力简单，便于分析，并且形变较大，便于准确测量，故可以设计在转向盘前后对称粘贴光纤光栅，通过检测光纤光栅的瞬态应变来测量瞬态法向力(瞬态正压力)；又由于大轮与小轮之间的横向力通过小轮和小轮轴作用于小轮支架上，使小轮支架受力产生弯曲，而小轮支架变形较大，方便准确测量，故可以设计在小轮左右两边支架的正反两面上对称粘贴光纤光栅，通过检测光纤光栅的瞬态应变来测量瞬态横向力(瞬态摩擦力)。又因为转向盘和小轮支架的位置关系是垂直的，更加方便与横向力和法向力的测量。并且通过有限元分析和计算，发现横向力和法向力的测量方法都有效可行，而且此方法操作简单，测量获得灵敏度系数高，所以可以采用此种方案测量。

1)法向力测量：当小轮整体与大轮装配完成后，通过旋紧螺栓使小轮对大轮施加一个大小为1000N的预紧力，即为法向力。当小轮对大轮施加1000N的法向力时，大轮也会对小轮产生1000N反作用力，该力需要通过小轮，支架，以及转向盘来接受这1000N的力，因为转向盘受力简单，分析方便准确，形变较大，所以在转向盘前后两面上对称粘贴2个中心波长各不相同的光纤光栅进行法向力测量，如图3所示。当转向盘受到反作用力时，其中外面的一根光纤光栅受压产生压应变，里面的一根光纤光栅受拉产生拉应变，将两根光纤光栅相互对比，进行测量求出法向力的值。

转向盘两端均有螺栓固定，可以简化为简支板。挠度的改变就相当于应变的变化，为验证方案的可行性，计算转向盘中间的挠度。

进行初步计算，将力施加在中间，中间载荷1000N，利用公式算出挠度Wc为201με。此方案符合要求，且方便操作，故选用此方案。

2)横向力测量：当小轮整体与大轮装配完成后，旋紧螺栓使大轮上产生1000N的法向力，然后将蜗杆转动一定角度使大轮与小轮之间形成一定的冲角，此时，他们之间不仅会产生法向力，同时还会有一个横向蠕变，产生横向蠕变力，即为横向力。将蜗杆旋转到一定程度使大轮与小轮之间产生200N的横向力。当大轮受到200N的横向力时，小轮也会受到一个大小相等，方向相反的横向力，小轮在横向力的作用下向一侧发生一个微小的蠕变，使小轮的支架受力弯曲，于是，对小轮横向力的测量就转化为对小轮两边支架的应变测量。采用支架作为基底，将4个中心波长各不相同的光纤光栅对称粘贴在小轮左右两边两个支架的正反两面上进行横向力测量，如图8所示。当两个小轮支架受到横向力时，两支架相同一侧的两根光纤光栅会受拉产生拉应变，而相同另一侧的两根光纤光栅会受压产生压应变，将四根光纤光栅相互对比，进行测量求出法向力的值。

支架底部有螺栓固定，支架受到横向力弯曲后，相当于悬臂梁结构，测量粘贴距离固定点最近的应变最大，得到的值越准确，粘贴位置如图8所示。挠度为距离固定点最远点，支架的尺寸为长126mm×宽5mm×高50mm。

选用弹簧钢，材料的相关系数弹簧钢泊松比为0.26～0.32、弹性模量206GPa，利用公式2-1，故算得最远端挠度y＝1.06mm，此方案符合要求，且方便操作，故该方案可行。

由于转向盘和小轮支架的位置关系是垂直的，故更方便横向力(摩擦力)和法向力(正压力)的测量，支架通过螺栓固定在转向盘上。

3、实验内容

光纤布拉格光栅的灵敏度系数测定，如果光纤光栅的灵敏度系数影响不大或者可以通过公式变形消除公式中相同的(应变或者温度)灵敏度系数，即可不标定灵敏度，在本实验中为消除温度和应变耦合问题，所以灵敏度系数必须重新标定。

本实验采用光纤布拉格光栅传感器进行应变测量。通过实验方案可知，在本在实验中，我们需要先制作一种光纤光栅传感器进行应变标定实验，以测量光纤光栅传感器的应变灵敏系数。然后，再制作另一种光纤光栅传感器进行应变测量实验，以测量轮轨试验台上小轮支架和转向盘的应变，所以需要分别进行两组实验。

3.1、应变标定实验

为了得到应变灵敏度系数，决定采用控制变量法，先使温度一定即公式后面的数值是一定的，然后改变公式后面的应变，同时测量出中心波长飘移的数据，进行统计利用公式算出光纤布拉格光栅的应变灵敏度系数。

为获得光纤布拉格光栅传感器的应变测量精度，采用测力计完成应变系数标定以及校核实验，研究在不同载荷下，中心波长飘移，即在贴有光纤光栅的元件上不断施加力，待其数值稳定后解调仪测量得出中心波长，测力计读出力的大小。

当支撑小轮的整体装配完成后，如图2所示，利用测力计对小轮施加1000N的法向力和250N的横向力，对小轮支架和方向盘的上产生的应变进行测量并记录下光纤光栅的波长数据备份，为后续的实验做铺垫。

本发明的一个具体实施例中，如图2所示，小轮装配机构是由小轮21、胀紧套22、小轮转轴23、轴承24、支架25、转向盘26、前支撑板27、大齿轮28、蜗轮29、小齿轮30、蜗杆31、大齿轮轴、小齿轮轴、后支撑板32、螺栓、螺母等组成。其中，小轮主要用来模拟火车轮轨，而胀紧套由于对中精度好，安装、拆卸便利，故利用高强度的拉力螺栓的作用，在胀紧套的内环和小轮转轴之间、胀紧套的外环和小轮轮毂之间产生抱紧力，进而实现小轮和小轮转轴的连接，角接触球轴承用于支撑小轮转轴和小轮，降低旋转过程中的摩擦系数并保证其回转精度，故角接触球轴承的内圈与小轮转轴，外圈与支架均采用过渡配合连接，由于小轮利用胀紧套安装在小轮转轴上，故小轮转轴用于承受小轮在转动工作中的弯矩和转矩，支架利用小轮转轴来支撑小轮，用螺栓将支架底面连接并紧固在转向盘上，使小轮、支架、转向盘成为一个整体，故可以通过改变转向盘的旋转角度来调整小轮与大轮间的冲角；将大、小齿轮轴安装到前支撑板上，再将转向盘和蜗轮从前支撑板前表面分别安装到大、小齿轮轴上并用螺母拧紧，并将大、小齿轮从前支撑板后表面分别安装到大、小齿轮轴上(此时大、小齿轮相互啮合并可以传递转矩)并用螺母拧紧，将蜗杆安装在前支撑板蜗轮下方处使蜗杆与蜗轮啮合以传递转矩，最后将前、后支撑板用螺栓和螺母连接并紧固在实验台上，并在前、后支撑板之间安装施力螺栓和施力螺母。当使用工具旋转蜗杆时，由于蜗杆与蜗轮啮合使得蜗轮旋转，并且蜗杆与蜗轮按1:60传动，蜗轮通过小齿轮轴带动小齿轮旋转，由于小齿轮与大齿轮啮合使得大齿轮旋转，并且小齿轮与大齿轮按1:6传动，大齿轮通过大齿轮轴带动转向盘旋转，由于小轮通过胀紧套、小轮转轴、轴承和支架固定在转向盘上，使小轮和转向盘形成一个整体，故小轮随着转向盘一起旋转，使小轮与大轮之间形成一定冲角，又由于转矩在传递过程中总的传动比为1:360，故当蜗杆旋转一圈(即360°)时，传动到小轮时小轮旋转1°并使小轮与大轮之间形成1°冲角。

3.2、法向力(正压力)的相关测量

首先要把支撑小轮的装配体移动一个位置，使小轮前方有足够的装配空间。然后从支撑小轮的装配体上拆下转向盘，并按实验方案在转向盘上粘贴光纤光栅，最后把贴有光纤光栅的转向盘安装在装配体上，并把小轮的整体安装完成。

为了完成法向力的相关测量，需要按照图6所示的原理图组装实验台，即在小轮前方固定一竖直平板，并在小轮和平板之间安装测力计。在小轮的后方是螺栓施力装置，通过旋转螺栓使小轮与平板之间产生法向力，并不断拧紧螺栓使法向力逐渐增大直至达到1000N(由小轮与平板之间的测力计来确定)，同时记录下此时光纤光栅的波长数据。这是施加法向力过程。

具体过程：

1)旋松装配体的地脚螺母并抽出底脚螺栓，将支撑小轮的装配体向旁边移动一个位置，使小轮前方有足够的装配空间(即小轮前方可以安装受力支座，并且小轮与受力支座之间的间隙足够安装测力计)。再插入底脚螺栓并旋紧地脚螺母，将支撑小轮的装配体固定在试验台上；

2)旋松螺母，将转向盘从支撑小轮的装配体上拆下来。再将中心波长互不相同的2根光纤光栅从5～6依次标号，并按顺序首尾相连焊接在一起，其中，6号光纤光栅的另一端与跳线相连并焊接在一起。然后使用粘胶将光纤光栅粘贴于实验方案中设计在转向盘正反两面的位置上。使用两根光纤光栅可以防止试验误差，以及消除温度耦合的影响。待胶水完全凝固后，将贴有光纤光栅的转向盘安装到支撑小轮的装配体上，并用螺母锁紧，最后完成小轮的整体安装。

3)将承受法向力的L型件用螺栓安装到受力支座上，旋紧螺栓，使其紧固在支座上。再将受力支座放置到小轮前方合适的位置上，使小轮与L型件之间的间隙略大于测力计的长度，再稍微调整受力支座的位置，使小轮与L型件中心对齐，最后插入底脚螺栓并旋紧地脚螺母，使受力支座固定在试验台上；

4)将测力计放置在小轮与L型件之间，然后旋紧螺栓使小轮与L型件夹紧测力计(测力计两端没有安装拉环)。再将测力计与显示器连接起来并将显示器接通电源。最后调整显示器的小数点位置，仪表显示单位，以及测量的量程(可以按照说明书上的操作流程进行)。调整合适后按原点确认。此时，显示器上就会显示出小轮受到的压力(即小轮与L型件之间的法向力)；

5)将跳线的尾纤插入解调仪的连接端口，再将解调仪与电脑通过网线连接，然后打开总电源并开启显示器电源，启动计算机传感测试软件。在计算机传感软件的菜单下点击连接，接通解调仪与计算机信号传输，显示连接成功后，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)。点击开始测量，软件就会显示解调仪所得到的数据，同时具有记录保存功能(每秒钟可保存4000个数据)，即可完成数据的采集和保存；

6)旋紧螺栓施力装置中的螺栓，使小轮与L型件之间的法向力逐渐增加，当显示器上为1000N时(即小轮与L型件之间的法向力为1000N)，停止旋紧螺栓，同时记录下此时光纤光栅的波长数据。

3.3、横向力(摩擦力)的相关测量

为了完成横向力的相关测量，需要按照图7所示的原理图组装实验台。根据上述实验的实验装置，在小轮的后方是螺栓施力装置，通过旋松螺栓，将测力计从小轮与L型件之间取下来，再将承受横向力的支座从实验台上整体拆下来，然后将测力计一端用细绳与小轮连接，另一端也连接一条细绳并施加200N的横向力，同时记录下此时光纤光栅的波长数据，实验台装配完成后如图7所示。这是施加横向力过程。

具体过程：

1)在小轮的后方是螺栓施力装置，通过旋松螺栓使小轮与L型件之间的法向力逐渐减小直至为零，继续旋松螺栓，然后将测力计从小轮与L型件之间取下来。

2)旋松支座的地脚螺母并抽出其底脚螺栓，将承受法向力的支座整体(包括安装其上的L型件)从实验台上拆下来；

3)旋松螺母，将小轮支架从支撑小轮的装配体上拆下来。再将中心波长互不相同的4根光纤光栅从1～4依次标号，并按顺序首尾相连焊接在一起，其中，4号光纤光栅的另一端与跳线相连并焊接在一起。然后使用粘胶将光纤光栅粘贴于实验方案中设计在小轮左右支架正反两面的位置上，如图8所示。使用4根光纤光栅可以防止试验误差，以及消除温度耦合的影响。待胶水完全凝固后，将贴有光纤光栅的小轮支架安装到支撑小轮的装配体上，并用螺母锁紧，最后完成小轮的整体安装。

4)旋上并拧紧测力计两端的拉环，将测力计一端的拉环与小轮(或者小轮轴)通过细绳(细绳能承受200N以上的拉力)连接起来，再将测力计另一端的拉环上也连接一根细绳，最后在细绳的自由端施加一定的拉力；

5)将测力计与显示器连接起来并将显示器接通电源。最后调整显示器的小数点位置，仪表显示单位，以及测量的量程(可以按照说明书上的操作流程进行)。调整合适后按原点确认，此时，显示器上就会显示出受到的压力(即小轮所承受的横向力)；

6)将跳线的尾纤插入解调仪的连接端口，再将解调仪与电脑通过网线连接，然后打开总电源并开启显示器电源，启动计算机传感测试软件。在计算机传感软件的菜单下点击连接，接通解调仪与计算机信号传输，显示连接成功后，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)。点击开始测量，软件就会显示解调仪所得到的数据，同时具有记录保存功能(每秒钟可保存4000个数据)，即可完成数据的采集和保存；

7)不断增大细绳自由端的拉力，使大轮所受到的横向力逐渐增加，当显示器上为200N时(即小轮所承受的横向力为200N)，立即停止增大细绳自由端的拉力并保持该拉力不变，同时记录下此时光纤光栅的波长数据。

3.4、瞬态法向力(正压力)和横向力(摩擦力)的测量

根据上述实验的实验装置，将支撑小轮的装配体安装在实验台原来的位置上。根据以上实验所得的光纤光栅波长数据，可以通过旋紧螺栓施力装置中的螺栓使大轮与小轮之间产生1000N的法向力，并通过旋转蜗杆使大轮与小轮之间形成一定冲角从而产生200N的横向力。将跳线穿过非接触式的光纤连接器连接到解调仪上，控制大轮变频电机以某一合适的转速作恒速旋转，例如100r/min，用解调仪把光纤光栅的应变信号采集并保存起来，对所得数据进行处理并计算出滚动接触点瞬态法向力(正压力)和横向力(摩擦力)，再由公式即可得到瞬态横向摩擦系数。

在本实验中，由于试验台大轮需要转动，因此在大轮上封装后的光纤光栅不能直接连接到解调仪上，因为直接连接的话大轮的转动会带动光纤跳线的转动，从而导致接线头无法固定。为解决这种问题，我们把光纤连接线塞入联轴器里，从右侧拉出并进行焊接。

光纤连接处是一种非接触式的光纤连接器，其内部是一根光纤旋转接头，它的一端连接旋转中的光纤接头，另一端的光纤接头是不旋转的，因此我们可以从不旋转的这端焊接跳线连接到解调仪上，这样一来就解决了上述问题。

具体过程：

1)将连接测力计的细绳从小轮(或者小轮轴)上解下来。

2)旋松装配体的地脚螺母并抽出底脚螺栓，将支撑小轮的装配体放置在原来的位置上，使大轮与小轮的中心平面在同一平面上。然后装上地脚螺栓并拧紧地脚螺母，把支撑小轮的装配体固定在试验台上；

3)小轮支架与转向盘上光纤光栅的粘贴已在以上实验3.2和实验3.3中完成。把小轮支架和转向盘上的两根跳线穿过非接触式的光纤连接器，再把两根跳线的尾纤插入解调仪的连接端口，将解调仪与电脑通过网线连接，然后打开总电源并开启显示器电源，启动计算机传感测试软件。在计算机传感软件的菜单下点击连接，接通解调仪与计算机信号传输，显示连接成功后，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)。点击开始测量，软件就会显示解调仪所得到的数据，同时具有记录保存功能(每秒钟可保存4000个数据)，即可完成数据的采集和保存；

4)不断旋紧螺栓施力装置中的螺栓，使小轮对大轮施加的预紧力逐渐增加，在旋紧过程中，当解调仪中光纤光栅的波长数据与3.2实验中的波长数据一致时，停止旋紧螺栓，说明此时大轮与小轮之间的法向力达到1000N；

5)朝着一个方向(顺时针方向或逆时针方向)不断旋转蜗杆，使得大轮与小轮之间冲角不断增大，从而导致大轮与小轮之间横向力逐渐增加，在旋转过程中，当解调仪中光纤光栅的波长数据与3.3实验中的波长数据一致时，停止旋转蜗杆，说明此时大轮与小轮之间的横向力达到200N。关闭计算机传感测试软件；

6)将控制电机的电箱打开，总开关打到on，将合闸/分闸开关顺时针扭转(即把开关旋到合闸上)，打开工控机上的“组态王”软件(组态王是工控机上用来控制变频电机运行状态的软件，通过在该软件上直接设置变频电机的运转方式，如方波、三角波、正弦波、恒速，运行速度，波长和幅值来控制变频电机按照方案中的状态运行)，点击“运行”，打开该控制软件的参数设置界面，设置大轮以恒速旋转，旋转速度设定为100r/min，幅值和周期都设定为0，点击“参数确认”，按下电箱上的绿色启动按钮，电机转动并通过齿轮箱带动大轮以100r/min的转速恒速旋转；

7)当大轮恒速转动后，启动计算机传感测试软件。在计算机传感软件的菜单下点击“连接”，接通解调仪与计算机信号传输，显示连接成功后，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)。点击开始测量，软件就会显示解调仪所得到的光纤光栅波长的数据，同时具有记录保存功能(每秒钟可保存4000个数据)，即完成了实验数据的采集和保存。

8)保存测量数据并关闭计算机传感测试软件，按下电箱上的红色停止按钮并合闸，将控制电机的电箱打开并把总开关打到off，把“组态王”软件上的设置归零并关闭软件。

根据以上瞬态法向力(正压力)与横向力(摩擦力)的测量实验，将所得到光纤光栅的波长数据进行分析、处理，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力。由于摩擦系数是摩擦力和正压力的比值，则可通过公式计算出大轮在滚动接触点的瞬态横向摩擦系数。

由于本发明是将光纤光栅设置与小轮的支架和转向盘上，是一种间接测量方法，因此可以推广到非旋转的装置中对瞬态滑动摩擦力系数的测量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置，其特征在于，包括小轮装配机构、大轮装配机构、解调仪和工控机；

所述小轮装配机构包括支撑板以及固定在该支撑板上的小轮及小轮组件，支撑板上固定有转向盘，小轮通过转向盘以及设在小轮两侧的支架固定在支撑板上，在小轮组件的作用下小轮自由旋转；小轮两侧的两个支架的正反两面和转向盘前后两面上分别对称布置有中心波长各不相同的光纤光栅；该支撑板上还安装有冲角调节器，用于调节小轮滚动接触点处的横向力；

所述大轮装配机构包括大轮、变频器、变频电机和齿轮箱，大轮与小轮的中心平面在同一平面上，轮侧相切；小轮支架和转向盘上的光纤光栅的尾纤均通过光纤旋转联轴器后再与解调仪连接；

解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到各个光纤光栅中，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点产生摩擦力，该摩擦力通过转向盘以及两侧支架传递给各个光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；

工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出小轮的瞬态正压力与摩擦力，并通过相应公式计算出在接触点的瞬态横向摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，小轮左右两边两个支架的正反两面上分别粘贴1个光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，转向盘前后两面上分别粘贴1个光纤光栅。

4.一种基于权利要求1的瞬态滑动摩擦系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将中心波长各不相同的光纤光栅粘贴于小轮左右两边两个支架的正反两面上和转向盘前后两面上，并依次标号；

使大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，调节冲角调节器调节使大轮与小轮之间产生一定的冲角，使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；

控制大轮变频电机的转速，当大轮旋转时，小轮支架和转向盘产生的应变信号传递给光纤光栅，解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，光纤光栅产生应变信号；

解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出大轮与小轮之间的瞬态法向力与瞬态横向力，通过相应公式计算出接触点的瞬态横向摩擦系数；

光纤光栅中心反射波长的变化量Δλ_Β与温度变化量ΔT和应变变化量Δε的关系可表示为：

Δλ_B＝K_TΔT+K_εΔε

式中，K_T为温度灵敏度系数，通过温度标定实验测得；K_ε为应变灵敏度系数，通过应变标定实验测得；

法向力的测量：在转向盘前后两面上对称粘贴2个中心波长不同的光纤光栅进行法向力测量，当转向盘收到反作用力时，外面的一根光纤光栅受压产生压变力，里面的一根光纤受拉产生拉应变，将两根光纤光栅相互对比，进行测量求出法向力的值；

横向力的测量：将4个中心波长各不相同的光纤光栅对称粘贴在小轮左右两边两个支架的正反两面上进行横向力测量，当两个小轮收到横向力时，两支架同一侧的两根光纤光栅受拉产生拉应变，相同另一侧的两根光纤光栅受压产生压应变，将四根光纤光栅相互对比，进行测量求出横向力的值。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

逐步增加大轮与小轮之间产生的法向力到预先设定的值；

调节冲角调节器使大轮与小轮之间形成一定冲角，使产生的横向力到预设值；

控制大轮变频电机以某一转速作恒速旋转，通过解调仪把整个检测装置的光纤光栅的应变信号采集并保存起来；

对采集的数据进行处理并计算出大轮与小轮在滚动接触点处产生的瞬态法向力和瞬态横向力，再由相应公式计算到瞬态横向摩擦系数。