CN109313013A - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器，具有以端面在传感头(10)的前端面(10a)露出的方式配置的光纤，其中，具备：与传感头(10)的前端面(10a)平行地紧贴且在与光纤的端面对应的位置形成有贯通孔的第一板材(第一金属板)(20)；与第一板材(第一金属板)(20)平行且配置在测量方向前方，在与正交于光纤的端面的假想直线相交的交点处形成有贯通孔的第二板材(第二金属板)(30)，通过使用上述光学传感器，即使在产生光纤的白浊化或损耗的情况下也能够进行间隙测量。

Description

光学传感器

技术领域

本发明主要涉及旋转机械具备的光学传感器。

背景技术

为了提高涡轮机械的性能，需要减小顶隙。因此，要求高精度地测量该顶隙。此外，在全部旋转机械中，要求高精度地测量旋转侧与静止侧的间隙。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本实开昭59-134026号公报

发明内容

发明要解决的课题

为了在高温/高压水蒸气环境下测量间隙，应解决的课题很多，例如，静电电容式的间隙传感器在这样的环境下，可能会发生劣化引起的绝缘不良，此外，由于受到介电常数变化的影响，因此无法使用。

关于这一点，光学传感器在高温/高压水蒸气环境下，不会受到上述那样的影响，适合使用。然而，在现有技术中，虽然能够捕捉定性的变化，但是无法进行定量的测量。

作为无法进行定量的测量的原因，可列举在光学传感器设置的光纤的端部的白浊化或损耗(陷落、减损)。即，曝露在高温/高压水蒸气下的光学传感器会产生光纤的损耗，而且，可想到在光纤(端部)达到损耗之前在表面产生白浊化。

当在光纤的端部产生白浊化或损耗时，向光纤入射的光的方向发生变动。根据光学传感器的测量原理，向光纤入射的光的方向的变动会给间隙测量造成影响。

由此，利用即使在高温/高蒸气环境下也不会产生光纤的白浊化或损耗的光学材料来构成光学传感器的情况是理想的，但是这并不现实。

因此，在本发明中，鉴于上述技术的课题，其目的在于提供一种即使在产生光纤的白浊化或损耗的情况下也能够进行间隙测量的光学传感器。

用于解决课题的方案

解决上述课题的第一发明的光学传感器在传感头的前端面配置光纤的发光部及受光部，其特征在于，具备：

第一板材，与所述传感头的前端面平行地紧贴，在与所述光纤的所述端面对应的位置形成有贯通孔；及

第二板材，与所述第一板材平行且配置在测量对象侧，在与正交于所述光纤的发光部及受光部的假想直线相交的交点处形成有贯通孔。

解决上述课题的第二发明的光学传感器以上述第一发明的光学传感器为基础，其特征在于，

所述传感头的所述前端面对于作为测量对象的移动体以与其移动方向平行的方式相对，

所述光纤具备利用所述传感头的前端面的受光部接受来自所述移动体的光并向第一受光装置输入的第一受光用光纤及向第二受光装置输入的第二受光用光纤，

所述第一板材的所述贯通孔分别形成在与所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部对应的位置，

所述第二板材的所述贯通孔分别形成在与正交于所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部的假想直线相交的交点处，

所述光学传感器还具备测定部，该测定部基于向所述第一受光装置和所述第二受光装置分别输入的来自所述移动体的光的时刻，测量与所述移动体之间的间隙。

解决上述课题的第三发明的光学传感器以上述第二发明的光学传感器为基础，其特征在于，

所述光纤具备将来自发光装置的照明光从所述传感头的前端面的发光部朝向所述移动体射出的照明用光纤，

所述第一板材的所述贯通孔形成在与所述第一照明用光纤的所述发光部对应的位置，

所述第二板材的所述贯通孔在与正交于所述第一照明用光纤的所述发光部的假想直线相交的交点处形成，

所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤接受的来自所述移动体的光是从所述照明用光纤射出的所述照明光的反射光。

解决上述课题的第四发明的光学传感器以上述第一至第三发明中的任一发明的光学传感器为基础，其特征在于，

在所述第一板材与所述第二板材之间插入具有透光性且对于温度及蒸气的耐受性比各所述光纤高的耐环境性窗。

解决上述课题的第五发明的光学传感器以上述第一至第三发明中的任一发明的光学传感器为基础，其特征在于，

在所述第一板材的所述贯通孔埋入具有透光性且对于温度及蒸气的耐受性比各所述光纤高的耐环境性窗。

解决上述课题的第六发明的光学传感器以上述第三至第五发明中的任一发明的光学传感器为基础，其特征在于，

所述照明用光纤的端面在所述传感头的前端面处，与所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部分离配置。

解决上述课题的第七发明的光学传感器以上述第三至第六发明中的任一发明的光学传感器为基础，其特征在于，

在所述第二板材，形成在与正交于所述照明用光纤的所述发光部的假想直线相交的交点处的所述贯通孔的直径比分别形成在与正交于所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部的假想直线相交的交点处的各所述贯通孔的直径大。

发明效果

根据本发明的光学传感器，即使在产生了光纤的白浊化或损耗的情况下也能够进行间隙测量。

附图说明

图1是说明在旋转机械配置的本发明的光学传感器的概略图。

图2A是本发明的实施例1的光学传感器的传感头周边的传感器轴向剖视图。

图2B是图2A的A-A向视图。

图2C是图2A的B-B向视图。

图3A是以往的光学传感器(初期状态)的传感头周边的传感器轴向剖视图。

图3B是以往的光学传感器(白浊化或损耗后的状态)的传感头周边的传感器轴向剖视图。

图4是以涡轮为例而说明光学传感器的间隙(顶隙)测量的示意图。

具体实施方式

图1是说明在旋转机械配置的本发明的光学传感器的概略图。如图1所示，该旋转机械在壳体101内具备固定于旋转轴102并与壳体101的内周面具有间隙地配置的旋转体103。并且，本发明的光学传感器将前端以与旋转体103的周面相对的方式配置于壳体101的内周面，从而设置于该旋转机械。

更详细而言，本发明的光学传感器具备：以前端面朝向作为测量对象的旋转体103侧的方式配置于壳体101的内周面的传感器部1；经由第一光纤而与传感器部1连接的发光装置(光源)2；经由第二光纤而与传感器部1连接的第一受光装置3；经由第三光纤而与传感器部1连接的第二受光装置4；及与第一受光装置3和第二受光装置4连接的测定部5(在图1中，将第一～三光纤一并由标号6表示)。

作为测量的次序，首先，在旋转机械的驱动期间，从发光装置2经由第一光纤向传感器部1输出照明光，该照明光从传感器部1的前端部(传感头)朝向旋转体103射出(放出)。

照明光在旋转体103的周面进行反射，其反射光的一部分向传感头入射，经由第二光纤向第一受光装置3输入，经由第三光纤向第二受光装置4输入。

此时，从旋转体103向传感头入射的反射光具有依赖于在旋转体103的周面沿周向(旋转方向)变化的形状或花纹的规定的强度周期。该“形状”在例如旋转体103为涡轮的情况下成为动叶片的形状。而且“花纹”是指在旋转体103的周面没有沿周向变化的形状的情况下，通过例如附带有标记等来设置明暗。

在测定部5中，基于向第一受光装置3及第二受光装置4分别输入的(来自旋转体103的周面的)反射光的时刻，来测量与旋转体103的间隙。

以上是基于本发明的光学传感器的旋转机械的间隙测量的次序。

以下，利用实施例来详细说明本发明的光学传感器。需要说明的是，在下述实施例中，虽然存在作为在一部分涡轮配置光学传感器的情况而说明之处，但是本发明并不局限于此，能够适用于全部旋转机械。

进而言之，本发明的光学传感器在下述实施例中说明的原理(下述(1)式及图4)上，并不局限于旋转机械的旋转体，只要是移动体就能够测量间隙。

[实施例1]

图3A是以往的光学传感器的初期(通常)状态下的传感头周边的传感器轴向剖视图(与旋转体103的径向截面平行的剖视图)，图3B是以往的光学传感器的白浊化或损耗后的状态下的传感头周边的传感器轴向剖视图。首先，利用图3A来说明初期状态。

以往的光学传感器使传感头50的前端面50a与旋转体103的周面相对且具备照明用光纤51、52(第一光纤)、第一受光用光纤53-1、53-2、53-3(第二光纤)、及第二受光用光纤54-1、54-2、54-3(第三光纤)。

照明用光纤51、52分别将一端与发光装置2(参照图1)连接并使其他端的端面(发光部)51a、52a在前端面50a露出。并且，是将从发光装置2输出的照明光从端面51a、52a朝向旋转体103的周面射出的作为传播路径的光纤。

第一受光用光纤53-1、53-2、53-3分别将一端与第一受光装置3(参照图1)连接并使其他端的端面(受光部)53-1a、53-2a、53-3a在前端面50a露出。并且，是将在旋转体103的周面反射的照明光即反射光利用端面53-1a、53-2a、53-3a受光(入射)，向第一受光装置3输入的作为传播路径的光纤。

第二受光用光纤54-1、54-2、54-3将一端与第二受光装置4(参照图1)连接并使其他端的端面(受光部)54-1a、54-2a、54-3a在前端面50a露出。并且，是将在旋转体103的周面反射的照明光即反射光利用端面54-1a、54-2a、54-3a受光，向第二受光装置4输入的作为传播路径的光纤。

另外，在此，第一受光用光纤53-1、53-2、53-3及照明用光纤51汇总成一组，将其作为光纤组P。此外，第二受光用光纤54-1、54-2、54-3及照明用光纤52汇总成一组，将其作为光纤组Q。

光纤组P、Q沿光学传感器的大致轴向延伸，在传感头50内部，(在与旋转体103的径向截面平行的剖视观察下)朝向前端面50a而向相互的分离距离变宽的方向倾斜成ハ字。而且，光纤组P、Q在前端面50a处，将端面53-1a、53-2a、53-3a及端面51a的位置及角度与端面54-1a、54-2a、54-3a及端面52a的位置及角度以光学传感器的传感器轴向中心线为中心而对称配置。

以上是以往的光学传感器的结构。需要说明的是，以往的使用了光学传感器的间隙的测量次序如使用图1说明那样。

图4是以涡轮为例而说明基于光学传感器的间隙(顶隙)测量的示意图，图中的虚线箭头表示旋转体103(参照图1)的动叶片103a的旋转方向。

将前端面50a的光纤组Q的端面54-1a、54-2a、54-3a及端面52a的位置设为A点(详细而言，端面的位置成为4个部位，但是由于光纤54-1、54-2、54-3、52为一体因而相邻，端面的位置(及角度)大致相同，因此看作一个点)，将光纤组P的端面53-1a、53-2a、53-3a及端面51a的位置设为B点(与A点同样地看作为一个点)。

此外，将A点与B点的分离距离设为L，与端面53-1a、53-2a、53-3a正交的假想直线p(与上述同样，详细而言将3条假想直线看作为1条)、与端面54-1a、54-2a、54-3a正交的假想直线q(与上述同样，详细而言将3条假想直线看作为1条)、及传感器轴向中心线这3条线的交点成为距离测量的基准点O，将距离测量的基准点O处的假想直线p、q的交叉角设为α。

另外，将动叶片103a的外侧端面103b的角部(两个角部中的旋转方向前方侧的角部)与假想直线q相交的点设为C点，将与假想直线p相交的点设为D点。需要说明的是，该角部是向第一受光用光纤33及第二受光用光纤34入射的反射光的强度(急剧)变化的部位。

此外，将动叶片103a从C点移动至D点的时间设为Δt，将光学传感器的前端面31a与动叶片103a的外侧端面103b的间隙(应测量的间隙)设为d。

于是，下述(1)式成立。

[数学式1]

其中，R为旋转体半径，T为旋转体的周期。

需要说明的是，上述(1)式只要光纤组p、q分别包含各1根受光用光纤就成立。而且，上述(1)式中未出现与照明用光纤相关的系数，因此照明光只要利用受光用光纤能够接受由旋转体103反射的反射光即可，照明用光纤的端面也可以处于从A、B点分别偏离的位置(这种情况下，A、B点仅表示受光用光纤的端面的位置)。

在以往的光学传感器中，如图3A所示，在前端面50a存在端面53-1a、53-2a、53-3a、54-1a、54-2a、54-3a及端面51a、52a，由此，在前端面50a射出照明光并接受反射光的情况下，上述(1)式成立。

然而，如图3B所示，在各光纤51、52、53-1、53-2、53-3、54-1、54-2、54-3产生白浊化或损耗时，照明光的出射位置及光的扩展随机化，伴随于此，反射光的受光位置及受光角度也随机化，上述(1)式中的α不确定，上述(1)式不再成立。

另外，如上述专利文献1记载那样，设置具有与光纤的前端部分嵌合的金属细孔的管，通过该金属细孔也能够可靠地规定光路，但是在这样的方法中，由于金属细孔的直径小，因此难以准确地形成。

另一方面，在本实施例的光学传感器中，设置形成有贯通孔的2个金属板及耐环境性窗，由此即使在各光纤产生白浊化或损耗的情况下，也能使上述(1)式成立，进行间隙测量，此外，与上述专利文献1记载的光学传感器相比，能够简易地制造。

图2A是本实施例的光学传感器的传感头周边的传感器轴向剖视图(即与旋转体103的径向截面平行的剖视图)，图2B是图2A的A-A向视图，图2C是图2A的B-B向视图。

本实施例的光学传感器首先如图2A所示，使传感头10的前端面10a与旋转体103的周面相对，具备第一照明用光纤11、第二照明用光纤12(第一光纤)、第一受光用光纤13(第二光纤)及第二受光用光纤14(第三光纤)。

第一照明用光纤11将一端与发光装置2(参照图1)连接并使其他端的端面(发光部)11a在前端面10a露出。并且，是将从发光装置2输出的照明光从端面11a朝向旋转体103的周面射出的作为传播路径的光纤。

第二照明用光纤12将一端与发光装置2连接并使其他端的端面(发光部)12a在前端面10a露出。并且，是将从发光装置2输出的照明光从端面12a朝向旋转体103的周面射出的作为传播路径的光纤。需要说明的是，第一照明用光纤11与第二照明用光纤12也可以与不同的发光部连接。

第一受光用光纤13将一端与第一受光装置3(参照图1)连接并使其他端的端面(受光部)13a在前端面10a露出。并且，是将在旋转体103的周面反射的照明光即反射光利用端面13a受光并向第一受光装置3输入的作为传播路径的光纤。

第二受光用光纤14将一端与第二受光装置4(参照图1)连接并使其他端的端面(受光部)14a在前端面10a露出。并且，是将在旋转体103的周面反射的照明光即反射光利用端面14a受光并向第二受光装置4输入的作为传播路径的光纤。

各光纤11～14沿光学传感器的大致轴向延伸。在传感头10内部，第一受光用光纤13及第二受光用光纤14沿光学传感器的大致轴向延伸，(在与旋转体103的径向截面平行的剖视观察下)朝向前端面10a向相互的分离距离变宽的方向倾斜成ハ字地配置。此外，在第一受光用光纤13与第二受光用光纤14之间，第一照明用光纤11及第二照明用光纤12(在与旋转体103的径向截面平行的剖视观察下)朝向前端面10a向相互的分离距离变宽的方向倾斜成ハ字地配置。

另外，在前端面10a，(在与旋转体103的径向截面平行的剖视观察下)端面11a～14a相互分离配置。需要说明的是，图2A示出各光纤11、12、13、14分别配置各1根的状态，但是本实施例没有限定于此，也可以分别为各多根。

此外，本实施例的光学传感器具备与前端面10a平行地紧贴配置的第一金属板20(第一板材)、与第一金属板20平行且配置在比第一金属板20靠测量方向前方侧(旋转体103侧)处的第二金属板30(第二板材)、及插入并固定在第一金属板20与第二金属板30之间的耐环境性窗40，由此来规定受光方向。

第一金属板20具备形成在与从前端面10a露出的端面11a对应的位置的第一内侧贯通孔21、同样形成在与从前端面10a露出的端面12a对应的位置的第二内侧贯通孔22、同样形成在与从前端面10a露出的端面13a对应的位置的第三内侧贯通孔23、及同样形成在与从前端面10a露出的端面14a对应的位置的第四内侧贯通孔24。

第二金属板30具备在与正交于端面11a的假想直线W(与上述假想直线q相同)相交的交点处形成的第一外侧贯通孔31、在与正交于端面12a的假想直线X相交的交点处形成的第二外侧贯通孔32、在与正交于端面13a的假想直线Y相交的交点处形成的第三外侧贯通孔33、及在与正交于端面14a的假想直线Z(与上述假想直线p相同)相交的交点处形成的第四外侧贯通孔34。

另外，第一外侧贯通孔31及第二外侧贯通孔32与第三外侧贯通孔33及第四外侧贯通孔34相比直径增大。这是因为，贯通孔31、32是照明光用的贯通孔，关于照明光，优选几乎不缩减而具有一定程度的宽度地向旋转体103射出。

耐环境性窗40具有使照明光及反射光透过的透光性，由对于高热及高蒸气具有耐受性的材质，例如金刚石或蓝宝石等构成(本实施例没有限定耐环境性窗40的材质，但是耐环境性窗40至少需要对于温度及蒸气的耐受性比各光纤高)。而且，耐环境性窗40也可以不插入于第一金属板20与第二金属板30之间而分别埋入于第一金属板20的贯通孔21～24。

以上是本实施例的光学传感器的结构。需要说明的是，使用了本实施例的光学传感器的间隙的测量次序如使用图1说明那样。

本实施例的光学传感器首先利用第一金属板20及第二金属板30仅接受在这2个金属板的2个贯通孔(贯通孔23和贯通孔33、或者贯通孔24和贯通孔34)中通过的反射光，因此受光光路被规定(同样地照明光路也被规定)。因此，即使在曝露于高温/高蒸气环境等的严苛环境下的各光纤的端部附近产生白浊化或损耗的情况下，沿受光方向也没有影响，上述(1)式中的α的值没有变动，因此能够进行间隙测量。

另外，通过耐环境性窗40将前端面10a密封，由此即使在高温/高蒸气环境下各光纤也不会受到其影响。由此，能够进行准确的间隙测量。

此外，在本实施例的光学传感器中，照明用光纤11、12与受光用光纤13、14在前端面10a处分离配置，因此能够减少发光受光的干涉，能够进行更准确的间隙测量。

另外，在本实施例的光学传感器中，在开设有贯通孔的板材(第一金属板20及第二金属板30)之间仅安装耐环境性窗40，与上述专利文献1记载那样的金属细孔加工相比，在实现性及加工性上有利。

另外，将本发明的光学传感器使用在对于除了旋转体以外还包含的移动体的间隙的测量的情况下，只要使传感头的前端面对于作为测量对象的移动体以与其移动方向平行的方式相对，就能够得到同样的结果。

工业实用性

本发明作为光学传感器而优选。

标号说明

1 传感器部

2 发光装置

3 第一受光装置

4 第二受光装置

5 测定部

6 各光纤

10、50 传感头

10a、50a (传感头的)前端面

11 第一照明用光纤

11a (第一照明用光纤的)端面(发光部)

12 第二照明用光纤

12a (第二照明用光纤的)端面(发光部)

13、53-1、53-2、53-3 第一受光用光纤

13a、53-1a、53-2a、53-3a (第一受光用光纤的)端面(受光部)

14、54-1、54-2、54-3 第二受光用光纤

14a、54-1a、54-2a、54-3a (第二受光用光纤的)端面(受光部)

20 第一金属板(第一板材)

21 第一内侧贯通孔

22 第二内侧贯通孔

23 第三内侧贯通孔

24 第四内侧贯通孔

30 第二金属板(第二板材)

31 第一外侧贯通孔

32 第二外侧贯通孔

33 第三外侧贯通孔

34 第四外侧贯通孔

40 耐环境性窗

51、52 照明用光纤

51a、52a (照明用光纤的)端面(发光部)

101 壳体

102 旋转轴

103 旋转体

103a 动叶片

103b 外侧端面。

Claims (7)

1.一种光学传感器，在传感头的前端面配置光纤的发光部及受光部，所述光学传感器的特征在于，具备：

第一板材，与所述传感头的前端面平行地紧贴，在与所述光纤的所述端面对应的位置形成有贯通孔；及

第二板材，与所述第一板材平行且配置在测量对象侧，在与正交于所述光纤的发光部及受光部的假想直线相交的交点处形成有贯通孔。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，

所述传感头的所述前端面与作为测量对象的移动体相对配置，

所述光纤具备利用所述传感头的前端面的受光部接受来自所述移动体的光并向第一受光装置输入的第一受光用光纤及向第二受光装置输入的第二受光用光纤，

所述第一板材的所述贯通孔分别形成在与所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部对应的位置，

所述第二板材的所述贯通孔分别形成在与正交于所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部的假想直线相交的交点处，

所述光学传感器还具备测定部，该测定部基于向所述第一受光装置和所述第二受光装置分别输入的来自所述移动体的光的时刻，测量与所述移动体之间的间隙。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，

所述光纤具备将来自发光装置的照明光从所述传感头的前端面的发光部朝向所述移动体射出的照明用光纤，

所述第一板材的所述贯通孔形成在与所述第一照明用光纤的所述发光部对应的位置，

所述第二板材的所述贯通孔在与正交于所述第一照明用光纤的所述发光部的假想直线相交的交点处形成，

所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤接受的来自所述移动体的光是从所述照明用光纤射出的所述照明光的反射光。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学传感器，其特征在于，

在所述第一板材与所述第二板材之间插入具有透光性且对于温度及蒸气的耐受性比各所述光纤高的耐环境性窗。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的光学传感器，其特征在于，

在所述第一板材的各所述贯通孔分别埋入具有透光性且对于温度及蒸气的耐受性比各所述光纤高的耐环境性窗。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的光学传感器，其特征在于，

所述照明用光纤的端面在所述传感头的前端面处，与所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部分离配置。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的光学传感器，其特征在于，

在所述第二板材，形成在与正交于所述照明用光纤的所述发光部的假想直线相交的交点处的所述贯通孔的直径比分别形成在与正交于所述第一受光用光纤及所述第二受光用光纤的所述受光部的假想直线相交的交点处的各所述贯通孔的直径大。