CN107036732B - 能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，包括光纤探头、光源、光电转换及滤波放大模块和采集处理和显示模块；光纤探头包括1根发射光纤TF，2组接收光纤：第1组接收光纤RF1和第2组接收光纤RF2；第1组接收光纤RF1的端面与第2组接收光纤RF2的端面之间具有距离差；光源用于向光纤探头的发射光纤TF提供入射光；光纤探头的输出端经光电转换及滤波放大模块连接采集处理和显示模块。本发明在实现润滑油膜厚度检测的同时，实现油液温度的检测并对油液厚度的检测结果进行温度补偿。

Description

能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器
技术领域
本发明属于滑动轴承技术领域，特别涉及一种能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器。
背景技术
滑动轴承(包括径向和轴向)是核电机组、现代大型轧机、汽轮机、燃机以及水轮机等重大装备中转子的主要支承形式，工作过程中轴承利用流体动压效应所形成的润滑油膜不仅要保证微米级小间隙摩擦副的充分润滑，同时要承载数十吨甚至数百吨转子系统的重量以及抵御系统内部自激励力和外界干扰力的影响。在影响转子轴承系统摩擦学与转子动力学性能的诸多物理量中，油膜厚度和温度是其中主要的参数。现有的传感器不能同时实现油膜厚度和温度的检测，要实现厚度和温度的检测需安装不同的传感器，从而为传感器的安装带来不便。同时，现有的光纤传感器在进行润滑油膜厚度检测时，工作过程中油液温度的变化会导致油液折射率发生变化，从而影响现有光纤传感器油膜厚度检测的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，在实现润滑油膜厚度检测的同时，实现油液温度的检测并对油液厚度的检测结果进行温度补偿，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，包括光纤探头、光源、光电转换及滤波放大模块和采集处理和显示模块；光纤探头包括1根发射光纤TF，2组接收光纤：第1组接收光纤RF1和第2组接收光纤RF2；第1组接收光纤RF1的端面与第2组接收光纤RF2的端面之间具有距离差；光源用于向光纤探头的发射光纤TF提供入射光；光纤探头的输出端经光电转换及滤波放大模块连接采集处理和显示模块；转换及滤波放大模块的作用是将接收到的光进行光电转换并对光电信号进行放大滤波；采集处理和显示模块的作用是作为上位机，对转换及滤波放大模块输出信号进行采集、并对采集的信号进行处理，实现油膜厚度、温度的检测和显示。
进一步的，发射光纤TF和接收光纤规格相同，都为多模光纤；第1组接收光纤RF1分为RF1-1和RF1-2，第2组接收光纤RF2分为RF2-1和RF2-2；接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2都为两根，排列方式为：发射光纤TF排布在中心，8根接收光纤成对称十字排列在发射光纤TF旁侧。
进一步的，以发射光纤TF的中心为圆点建立XY直角坐标系；一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于X轴正半轴，一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于X轴负半轴，另一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于Y轴正半轴，另一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于Y轴负半轴。
进一步的，接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同，接收光纤RF2-1和RF2-2与发射光纤TF的轴间距也不同；第1组接收光纤RF1的端面与发射光纤TF端面齐平，第2组接收光纤RF2的端面与发射光纤TF端面有1个确定的距离d0；接收光纤RF1-1和RF2-1位于内侧靠近发射光纤TF且与发射光纤TF间隔布置，接收光纤RF1-2和RF2-2位于外侧。
进一步的，接收光纤RF1-1、RF1-2紧贴布置在一起，接收光纤RF2-1、RF2-2紧贴布置在一起。
进一步的，光源发出的光经耦合器进入发射光纤TF，并通过发射光纤TF穿透油液照射到反射面，反射面反射的光再由第1组接收光纤RF1接收，第1组接收光纤RF1的光功率随着油膜厚度d变化而变化；接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同，在相同油膜厚度情况下RF1-1和RF1-2接收光功率不同，接收光纤RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M被油膜厚度d调制；
线性化的光纤传感器输出特性方程见式(1)：
M＝a0+a1d (1)
油膜厚度d，见式(2)：
Figure BDA0001195495230000031
第2组接收光纤RF2接收到光，与第1组接收光纤RF1参数相同，由于距离d0的原因，在相同油膜厚度的前提下，第2组接收光纤的比值为油膜厚度d+d0时的值，第1组接收光纤的接收光功率之比M1和第2组接收光纤的接收光功率之比M2分别对应光纤传感器位移输出特性曲线上的两个点，输出特性方程的a1用式(3)表达；当油液温度升高时，油液折射率降低，增大了光纤最大入射角，比值特性曲线的斜率会增大，反之斜率会降低，利用式(4)进行油膜温度的检测，其中t0、t1为温度特性方程的系数；从式(3)可以看出，特性曲线斜率与待测油膜厚度没有关系，因此在进行油膜厚度动态检测时，利用特性曲线斜率a1的变化，实现油液温度检测；
Figure BDA0001195495230000032
T＝t0+t1a1 (4)
其中M2为RF2-1、RF2-2接收到的光经光电转换后的电压信号比值；M1为RF1-1、RF1-2接收到的光经光电转换后的电压信号比值；T为油膜温度；
首先通过式(3)计算a1，通过式(4)计算润滑油膜温度值；通过实验标定，得到a1和a0随温度变化的对应关系，从而得到a0，再应用式(2)获得油膜厚度，从而对光纤传感器的输出特性进行温度补偿，实现准确的油膜厚度检测。
进一步的，光纤探头安装在滑动轴承的轴瓦上，光纤探头与轴瓦内表面之间的距离w为传感器初始安装距，d为光纤探头距离转子表面之间的距离，油膜厚度h为d减去w；
检测时，光源的光耦合到发射光纤TF中，从TF发出的光透过油膜射到轴颈表面，经轴颈表面反射，第1组接收光纤和第2组接收光纤都接收到反射光，经光电转换和滤波放大后，进入采集处理和显示模块；采集到的数据分别为接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2接收到的光经光电转换后的电压信号U1-1、U1-2、U2-1、U2-2；在采集处理和显示模块中对所采集的电压信号进行比值处理：M1为U1-2与U1-1的比值、M2为U2-2与U2-1的比值，光纤传感器的M1随距离d的变化而变化，测出的距离d减去w则为油膜厚度h；
当油膜温度发生变化时，同时检测到M2与M1，利用式(3)得到a1，再利用式(4)实现润滑油液温度的检测；
Figure BDA0001195495230000041
T＝t0+t1a1 (4)。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，避免了同时在轴瓦上安装两种传感器分别得到油膜厚度和温度，同时由于实现了温度检测，可以对线性化的光纤传感器输出特性方程中a1和a0进行校正，实现油膜厚度检测的温度补偿，避免了温度变化时油膜厚度测量的不准确。
附图说明
图1为光纤传感器测量原理；
图2a为光纤排列方式示意图；图2b为图2a的俯视图；
图3为光纤传感器输出特性曲线；
图4为油膜厚度测量原理图。
具体实施方式
本发明技术方案是这样实现的：
请参阅图1所示，本发明一种能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，包括光纤探头1、光源2、光电转换及滤波放大模块3和采集处理和显示模块4；光源2是波长650nm半导体激光器，采集处理和显示模块4由DSP及其外围电路组成。光纤探头1的输出端经光电转换及滤波放大模块3连接采集处理和显示模块4。
光纤探头1的光纤排列方式见图2a和图2b所示，包括1根发射光纤TF，2组接收光纤：第1组接收光纤RF1和第2组接收光纤RF2。
发射光纤和接收光纤规格相同，都为多模光纤。第1组接收光纤RF1分为RF1-1和RF1-2，第2组接收光纤RF2分为RF2-1和RF2-2；接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2都为两根，共8根排列方式如图2所示：发射光纤TF排布在中心，8根接收光纤成对称十字排列在发射光纤TF旁侧；以发射光纤TF的中心为圆点建立XY直角坐标系；一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于X轴正半轴，一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于X轴负半轴，一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于Y轴正半轴，一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于Y轴负半轴；这种排列方式可以增大接收光功率，同时可以起到补偿作用。此外，接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同、接收光纤RF2-1和RF2-2与发射光纤TF的轴间距也不同。第1组接收光纤RF1的端面与发射光纤TF端面齐平，第2组接收光纤RF2的端面与发射光纤TF端面有1个确定的距离d0。为了不影响第2组接收光纤RF2-1对光接收，发射光纤TF与接收光纤RF1-1和RF2-1不能紧密排列，而是如图2所示接收光纤RF1-1、RF2-1与发射光纤TF有一定距离，其轴间距为l。
测量工作原理
光源2发出的光经耦合器进入发射光纤TF，并通过发射光纤TF穿透油液照射到反射面，反射面反射的光再由第1组接收光纤RF1接收，第1组接收光纤RF1的光功率会随着油膜厚度d变化而变化。因为接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同，因此在相同油膜厚度情况下RF1-1和RF1-2接收光功率不同，这样接收光纤RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M就会被油膜厚度d调制，其特性曲线如图3所示。
通过这种比值处理，可以消除光功率波动、反射率变化等因素对光纤传感器输出特性的影响。在油液温度确定的情况下，取线性测量区间为d01-d02，则经过拟合、线性化的光纤传感器输出特性方程见式(1)。
M＝a0+a1d (1)
从式(1)可知，检测出接收光纤RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M后，就可以得到油膜厚度d，见式(2)。
Figure BDA0001195495230000061
第2组接收光纤RF2也会接收到光，与第1组接收光纤RF1参数相同，由于距离d0的原因，在相同油膜厚度的前提下，第2组接收光纤的比值为油膜厚度d+d0时的值，则第1组接收光纤的接收光功率之比M1和第2组接收光纤的接收光功率之比M2分别对应光纤传感器位移输出特性曲线上的两个点A点和B点，则输出特性方程的a1可以用式(3)表达。当油液温度升高时，油液折射率会降低，增大了光纤最大入射角，因此比值特性曲线的斜率会增大，反之斜率会降低，因此可以利用式(4)进行油膜温度的检测，其中t0、t1为温度特性方程的系数，系数t0、t1可通过对实验标定数据线性化后得到。从式(3)可以看出，特性曲线斜率与待测油膜厚度没有关系，因此在进行油膜厚度动态检测时，利用特性曲线斜率a1的变化，实现油液温度检测。
Figure BDA0001195495230000071
T＝t0+t1a1 (4)
其中M2为RF2-2、RF2-1接收到的光经光电转换后的电压信号比值；M1为RF1-2、RF1-1接收到的光经光电转换后的电压信号比值；T为经过补偿后的油膜温度。
检测到润滑油膜温度值后，则在此温度下光纤传感器输出特性方程对应的a1和a0就可以确定，从而可以对光纤传感器的输出特性进行温度补偿，实现更加准确的油膜厚度检测。
结合滑动轴承油膜状态检测进行说明，检测原理如图4所示：
检测部分包含光纤探头1、光源2、光电转换及滤波放大模块3和采集处理和显示模块4。检测对象为轴颈5和轴瓦6之间的油膜。光纤探头1的作用是拾取被油膜厚度和油温调制的光信号，光纤排列方式见图2a和图2b所示；光源2的作用是给发射光纤TF提供入射光；光电转换及滤波放大模块3的作用是将接收到的光进行光电转换并对光电信号进行放大滤波；采集处理和显示模块4的作用是作为上位机，对转换及滤波放大模块3输出信号进行采集、并对采集的信号进行算法处理，实现油膜厚度、温度的检测和显示。
如图4所示，在轴瓦上安装光纤传感器的光纤探头1，光纤探头1与轴瓦内表面之间的距离w为传感器初始安装距，d为光纤探头距离转子表面之间的距离，则油膜厚度h为d减去w。
检测时，光源的光耦合到发射光纤TF中，从TF发出的光透过油膜射到轴颈表面，经轴颈表面反射，第1组接收光纤和第2组接收光纤都接收到反射光，经光电转换和滤波放大后，进入数据采集。采集到的数据分别为接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2接收到的光经光电转换后的电压信号U1-1、U1-2、U2-1、U2-2。在上位机中可以对所采集的电压信号进行比值处理，即M1为U1-2与U1-1的比值、M2为U2-2与U2-1的比值，光纤传感器的M1随距离d的变化而变化，测出的距离d减去w则为油膜厚度h。
根据前述，当油膜温度发生变化时，同时检测到M2与M1，利用式(3)得到a1，再利用式(4)就可以实现润滑油液温度的检测。

Claims (3)

1.能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，其特征在于，包括光纤探头(1)、光源(2)、光电转换及滤波放大模块(3)和采集处理和显示模块(4)；
光纤探头(1)包括1根发射光纤TF，2组接收光纤：第1组接收光纤RF1和第2组接收光纤RF2；第1组接收光纤RF1的端面与第2组接收光纤RF2的端面之间具有距离差；
光源(2)用于向光纤探头(1)的发射光纤TF提供入射光；
光纤探头(1)的输出端经光电转换及滤波放大模块(3)连接采集处理和显示模块(4)；转换及滤波放大模块(3)的作用是将接收到的光进行光电转换并对光电信号进行放大滤波；采集处理和显示模块(4)的作用是作为上位机，对转换及滤波放大模块(3)输出信号进行采集、并对采集的信号进行处理，实现油膜厚度、温度的检测和显示；
发射光纤TF和接收光纤规格相同，都为多模光纤；第1组接收光纤RF1分为RF1-1和RF1-2，第2组接收光纤RF2分为RF2-1和RF2-2；接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2都为两根，排列方式为：发射光纤TF排布在中心，8根接收光纤成对称十字排列在发射光纤TF旁侧；
接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同，接收光纤RF2-1和RF2-2与发射光纤TF的轴间距也不同；第1组接收光纤RF1的端面与发射光纤TF端面齐平，第2组接收光纤RF2的端面与发射光纤TF端面有1个确定的距离d0；接收光纤RF1-1和RF2-1位于内侧靠近发射光纤TF且与发射光纤TF间隔布置，接收光纤RF1-2和RF2-2位于外侧；
光源(2)发出的光经耦合器进入发射光纤TF，并通过发射光纤TF穿透油液照射到反射面，反射面反射的光再由第1组接收光纤RF1接收，第1组接收光纤RF1的光功率随着油膜厚度d变化而变化；接收光纤RF1-1和RF1-2与发射光纤TF的轴间距不同，在相同油膜厚度情况下RF1-1和RF1-2接收光功率不同，接收光纤RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M被油膜厚度d调制；
光纤传感器输出特性方程见式(1)：
M＝a0+a1d(1)
油膜厚度d，见式(2)：
Figure FDA0004092558790000021
第2组接收光纤RF2接收到光，与第1组接收光纤RF1参数相同，由于距离d0的原因，在相同油膜厚度的前提下，第2组接收光纤的比值为油膜厚度d+d0时的值，第1组接收光纤的接收光功率之比M1和第2组接收光纤的接收光功率之比M2分别对应光纤传感器位移输出特性曲线上的两个点，输出特性方程的a1用式(3)表达；当油液温度升高时，油液折射率降低，增大了光纤最大入射角，比值特性曲线的斜率会增大，反之斜率会降低，利用式(4)进行油膜温度的检测，其中t0、t1为温度特性方程的系数；从式(3)可以看出，特性曲线斜率与待测油膜厚度没有关系，因此在进行油膜厚度动态检测时，利用特性曲线斜率a1的变化，实现油液温度检测；
Figure FDA0004092558790000022
T＝t0+t1a1(4)
其中M2为RF2-2、RF2-1接收到的光经光电转换后的电压信号比值；M1为RF1-2、RF1-1接收到的光经光电转换后的电压信号比值；T为油膜温度；
首先通过式(3)计算a1，通过式(4)计算润滑油膜温度值；通过实验标定，得到a1和a0随温度变化的对应关系，从而得到a0，再应用式(2)获得油膜厚度，从而对光纤传感器的输出特性进行温度补偿，实现准确的油膜厚度检测；
或者，光纤探头(1)安装在滑动轴承的轴瓦上，光纤探头(1)与轴瓦内表面之间的距离w为传感器初始安装距，d为光纤探头距离转子表面之间的距离，油膜厚度h为d减去w；检测时，光源(2)的光耦合到发射光纤TF中，从TF发出的光透过油膜射到轴颈表面，经轴颈表面反射，第1组接收光纤和第2组接收光纤都接收到反射光，经光电转换和滤波放大后，进入采集处理和显示模块；采集到的数据分别为接收光纤RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2接收到的光经光电转换后的电压信号U1-1、U1-2、U2-1、U2-2；在采集处理和显示模块中对所采集的电压信号进行比值处理：M1为U1-2与U1-1的比值、M2为U2-2与U2-1的比值，光纤传感器的M1随距离d的变化而变化，测出的距离d减去w则为油膜厚度h；当油膜温度发生变化时，同时检测到M2与M1，利用式(3)得到a1，再利用式(4)实现润滑油液温度的检测；
Figure FDA0004092558790000031
T＝t0+t1a1(4)。
2.根据权利要求1所述的能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，其特征在于，以发射光纤TF的中心为圆点建立XY直角坐标系；一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于X轴正半轴，一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于X轴负半轴，另一组接收光纤RF2-1、RF2-2位于Y轴正半轴，另一组接收光纤RF1-1、RF1-2位于Y轴负半轴。
3.根据权利要求1所述的能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器，其特征在于，接收光纤RF1-1、RF1-2紧贴布置在一起，接收光纤RF2-1、RF2-2紧贴布置在一起。
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