CN109813232B - 基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 - Google Patents
基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109813232B CN109813232B CN201910072961.6A CN201910072961A CN109813232B CN 109813232 B CN109813232 B CN 109813232B CN 201910072961 A CN201910072961 A CN 201910072961A CN 109813232 B CN109813232 B CN 109813232B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- length
- abrasion
- wear
- area
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Abstract
本发明的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，包括步骤1、在光纤上刻写光栅；步骤2、制作光栅磨损传感器；步骤3、将光栅磨损传感器的磨损检测端插入轴瓦的磨损量检测孔中，并调整光栅磨损传感器的位置，使光栅磨损传感器的磨损检测端的轴向与轴瓦的径向平行，光栅磨损传感器的磨损检测端的端面与轴瓦的轴瓦磨损面处于同一平面；步骤4、在待测的滑动轴承工作前，解调出光栅磨损传感器中初始状态下光栅栅区的长度；步骤5、在待测滑动轴承工作过程中，每隔预设时间解调一次光栅磨损传感器中当前的光栅栅区长度，将当前光栅栅区长度与步骤4中长度相减得到磨损量。本发明实现磨损状态的实时检测，具有精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法。
背景技术
磨损量是摩擦学中的重要参量，对于滑动轴承来说，磨损量的测量是维持轴承正常工作基础，意义重大。但摩损量的测量存在诸多的困难，传统的磨损量测量是在物体经历某个历程之后，测量其体积、重量等物理量与磨损前的状态进行比较，将其差值作为磨损量。这也是滑动轴承目前测量磨损量的主要方法，在停机状态下，收集滑动轴承工作过程中产生的磨粒，将其质量作为判断轴承磨损程度的依据。但这是一种离线状态下的测量，同时缺乏一定的可靠性。目前还有许多其他方法测量磨损量，比如使用电磁、电流电位器和激光位移传感器，另外还有光学表面法，超声法等，利用与材料状态有联系的各种信号测量磨损程度，如力，温度及噪声等。但受限于滑动轴承工作的条件与环境，这些方法都无法做到在线的实时高精度检测。
光纤传感器能够以高分辨率测量许多物理量，同时具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等优势。光纤光栅传感器以光波长信息作为传感信号，不受光源，弯曲损耗等影响。并且光栅的栅区长度可以被精确测量，这为光纤光栅传感器测量磨损提供了可能。使光栅栅区与滑动轴承的轴瓦达到等摩擦量，即可在不干扰被测物体正常工作的情况下测量轴承的磨损量，所以相比于其他方法，利用光纤光栅作为磨损量测量的传感器不仅抗干扰能力强，精度高，而且具有实时监测等优势。
目前磨损量测量方法主要有以下几种：
参考文献1：(Zhang C,Zhang J.On-line tool wear measurement for ball-endmilling cutter based on machine vision[J].Computers in Industry,2013,64(6):708-719.)文章提出了一种利用机器视觉获取刀具磨损的在线测量算法，建立了在线刀具磨损监测模型，以评估刀具磨损程度和刀具剩余使用寿命。该算法首先采用机器视觉对刀具进行在线刀具磨损图像的采集，采集加工前和加工过程中的刀具磨损图像，比较对应的图像，判断该图像中的刀具是否出现磨损。然后给出具有像素精度的磨边点初始检测方法，对所构造的磨边检测区域内的像素列进行垂直扫描，检测磨损程度。其检测结果依赖于采集到的图像中刀具，实际中图像的采集受限于刀具等被测物体的工作环境等因素，对相机的分辨率与采样率也有较高要求，不适测量轴承的磨损量。
参考文献2：(Brunskill H,Harper P,Lewis R.The real-time measurement ofwear using ultrasonic reflectometry[J].Wear,2015,332-333:1129-1133.)超声波已被用作测量厚度变化的工具，以了解磨损的演变。文章介绍了利用超声进行磨损测量，超声波在物体传输过程中遇到端面发生反射，检测反射信号与发射信号的时间差，计算物体的厚度，以被测物体的厚度变化作为磨损量的测量值。通过对磨损面内部的加工，以增加超声波在物体中的反射点，校准测量值。但该方法受温度等外界因素影响大，需要额外增加测量其他物理量的传感器对测量结果进行校准，同时声波反射点也会破坏工件的结构，影响其正常工作。
参考文献3：(Iwai Y,Honda T,Miyajima T,et al.Quantitative estimation ofwear amounts by real time measurement of wear debris in lubricating oil[J].Tribology International,2010,43(1):388-394.)文章利用在线颗粒计数器，开发了一种能定量估计润滑条件下磨损量的诊断技术。在石蜡油中，轴承金属与碳钢摩擦进行磨损试验。循环油中磨损碎片的大小和数量可以实时测量。计算每个碎片的体积，并通过累积所有碎片体积计算出在一定时间内的总磨损量。文章是对传统磨损测量方法的改进，是一种定量的估计磨损量的多少，有一定的测量要求，只能估计整体的质量损失情况，不能还原具体的磨损量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法，本发明将光纤光栅传感器进行合适的封装，使光纤光栅轴向与被检测轴承轴瓦的磨损面垂直，实现光栅与被测轴瓦磨损面同步磨损，被测轴瓦某点的磨损量与光纤光栅轴向的磨损长度相同。通过检测光栅的剩余长度，计算光栅磨损损失长度，从而实现被测轴承磨损量的测量。该方法可以实现磨损状态的实时检测，具有精度高的特点。
为解决上述技术问题，本发明所设计的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，它包括如下步骤：
步骤1：基于FBG刻写技术在光纤上刻写光栅，调节光栏狭缝的宽度，控制光纤曝光区域的长度为1～1.2cm，在光纤去除涂覆层的部分刻写出一个栅区长度为1～1.2cm，反射率大于90％的光栅，根据曝光区域的具体位置，在光纤上标记栅区位置；
步骤2：根据标记的栅区位置首先截去栅区一端1.5～3mm的光栅，然后取剩下部分的栅区与另外一根光纤同轴熔接在一起，最后截去栅区另一端1.5～3mm的光栅，形成光栅磨损传感器，此时剩下部分的栅区为光栅磨损传感器的磨损检测端；
步骤3：在待测的滑动轴承的轴瓦上开设磨损量检测孔，将光栅磨损传感器的磨损检测端插入轴瓦的磨损量检测孔中，并调整光栅磨损传感器的位置，使光栅磨损传感器的磨损检测端的轴向与轴瓦的径向平行，光栅磨损传感器的磨损检测端的端面与轴瓦的轴瓦磨损面处于同一平面，然后固定光栅磨损传感器；
步骤4：在待测的滑动轴承工作前，通过OFDR(光频域反射技术)解调系统解调出光栅磨损传感器中初始状态下光栅栅区的长度；
步骤5：在待测滑动轴承工作过程中，每隔预设时间解调一次光栅磨损传感器中当前的光栅栅区长度，并将步骤4中的初始状态下光栅栅区的长度与解调出的当前光栅栅区长度相减，其差值即为待测滑动轴承预设时间内的磨损量。
本发明中，在待测滑动轴承与光栅轴向长度同步磨损的情况下，光栅长度的变化量等于轴瓦在该点的磨损量，摩擦面摩擦情况相同的情况下，光栅的长度损失量就可以看作是待测滑动轴承在经历某个历程之后的磨损厚度。
OFDR解调系统，可以解调出光栅拍频信号的频域信息，通过算法从OFDR系统输出的频谱图中确定栅区起止位置，计算光栅长度。在磨损过程中，光栅栅区从尾端开始沿轴向磨损，造成栅区长度不断减小。采集某一时刻的数据，解调出该时刻的栅区长度，与光栅初始长度相比较，得到栅区的减少量，即磨损件从初始时刻到该时刻的磨损量。磨损测量的精度取决于解调系统的空间分辨率度，高空间分辨率的OFDR解调系统可以满足高精度的磨损测量需求，实现在线的实时高精度磨损量检测。
该磨损检测方法利用光纤光栅的轴向长度损失减少测量磨损量，检测的是具体某一点的磨损程度，要求光纤光栅的轴向与摩擦接触面垂直，轴承内表面沿光栅轴向的损失厚度等同于光栅的减少长度。对于接触面中每个点的磨损程度都相同的情况，测量任意一点的磨损量即代表被测物体的磨损程度。测量磨损面中各点磨损程度不同的情况，可以利用多个光栅传感器测量不同点的磨损程度，还原出轴承的整体磨损情况。本发明可以实现滑动轴承磨损状态的实时检测，可以高精度测量磨损量。
附图说明
图1为刻写光栅的光纤示意图；
图2为截去栅区一端1.5～3mm光栅的示意图；
图3为剩下部分的栅区与光纤熔接在一起的示意图；
图4为最后截去栅区另一端1.5～3mm的光栅的示意图；
图5为待测滑动轴承的结构示意图；
图6为通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中光栅栅区长度的流程图。
其中，1—光栅、2—包层、3—纤芯、4—光纤、5—轴瓦磨损面、6—焊接面、7—轴瓦、8—磨损量检测孔。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，它包括如下步骤：
步骤1：基于FBG刻写技术在光纤4(单模光纤)上刻写光栅1，调节光栏狭缝的宽度，控制光纤曝光区域的长度为1cm，在光纤4去除涂覆层的部分刻写出栅区长度为1cm，反射率大于90％的光栅1，光栅反射谱波长为1550nm，根据曝光区域的具体位置，在光纤4上标记栅区位置，如图1所示(光栅1刻写在包层2内的纤芯3中)；
步骤2：根据标记的栅区位置，首先用金刚刀截去栅区一端1.5～3mm的光栅1，如图2所示，然后取剩下部分的栅区与另外一根光纤4(也是单模光纤)同轴熔接在一起，如图3所示(焊接面6)，最后用金刚刀截去栅区另一端1.5～3mm的光栅1，形成光栅磨损传感器，如图4所示，此时剩下部分的栅区为光栅磨损传感器的磨损检测端，截去光栅中间的栅区，可以在光栅拍频信号频谱中更为准确的找到光栅的起止点；
步骤3：在待测的滑动轴承的轴瓦7上开设磨损量检测孔8，如图5所示，将光栅磨损传感器的磨损检测端插入轴瓦7的磨损量检测孔8中，并调整光栅磨损传感器的位置，使光栅磨损传感器的磨损检测端的轴向与轴瓦7的径向平行，光栅磨损传感器的磨损检测端的端面与轴瓦7的轴瓦磨损面5处于同一平面，然后固定光栅磨损传感器，这样封装使光栅传感器与轴承轴瓦在工作中具有相同的磨损量；
步骤4：在待测的滑动轴承工作前，通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中初始状态下光栅栅区的长度；
步骤5：在待测滑动轴承工作过程中，每隔30秒解调一次光栅磨损传感器中当前的光栅栅区长度，并将步骤4中的初始状态下光栅栅区的长度与解调出的当前光栅栅区长度相减，其差值即为待测滑动轴承30秒内的磨损量。
上述技术方案的步骤4和步骤5中，通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中光栅栅区的长度的具体方法为：通过OFDR系统及解调算法，获得光栅拍频信号频谱图，在光栅拍频信号频谱图的基础上寻找光栅栅区位置，计算栅区长度，详见参考文献：Xin G,Zhengying L,Fan W,et al.Distributed sensing technology of high-spatialresolution based on dense ultra-short FBG array with large multiplexingcapacity[J].Optics Express,2017,25(23):28112.。
在OFDR系统的光栅拍频信号频谱图的基础上寻找光栅栅区位置位置及计算栅区长度计算方法如下：首先对光栅频谱做归一化处理，设定阈值为光栅频谱幅值最大值的20％，提取光栅频谱幅值大于阈值的部分，即为选定的光栅栅区，即可确定光栅栅区的位置和长度。
根据OFDR系统选中拍频频率与距离的关系，提高线性扫频光源的扫频范围可以提高系统的空间分辨率，即检测磨损精度更高。设定扫频光源扫频范围为1500～1600nm，扫频速度为100nm/s，扩大线性扫频光源的扫频范围可以提高磨损量测量的精度。光源的设定可以使解调系统的空间分辨率达到8.87um左右，即光栅频谱图中每两个点之间表示的实际距离为8.87um，统计上述选定栅区内的点数，选定栅区的长度等于总点数乘以空间分辨率。
图6是通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中光栅栅区长度的流程图，两端截断的光栅在频域上有较为陡峭的起止点，便于设定阈值提取光栅栅区以确定光栅长度，光栅频谱图中横轴表示点数，纵轴表示频谱幅度。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：基于FBG刻写技术在光纤(4)上刻写光栅(1)，调节光栏狭缝的宽度，控制光纤曝光区域的长度为1～1.2cm，在光纤(4)去除涂覆层的部分刻写出栅区长度为1～1.2cm，反射率大于90％的光栅(1)，根据曝光区域的具体位置，在光纤(4)上标记栅区位置；
步骤2：根据标记的栅区位置首先截去栅区一端1.5～3mm的光栅(1)，然后取剩下部分的栅区与另外一根光纤(4)同轴熔接在一起，最后截去栅区另一端1.5～3mm的光栅(1)，形成光栅磨损传感器，此时剩下部分的栅区为光栅磨损传感器的磨损检测端；
步骤3：在待测的滑动轴承的轴瓦(7)上开设磨损量检测孔(8)，将光栅磨损传感器的磨损检测端插入轴瓦(7)的磨损量检测孔(8)中，并调整光栅磨损传感器的位置，使光栅磨损传感器的磨损检测端的轴向与轴瓦(7)的径向平行，光栅磨损传感器的磨损检测端的端面与轴瓦(7)的轴瓦磨损面(5)处于同一平面，然后固定光栅磨损传感器；
步骤4：在待测的滑动轴承工作前，通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中初始状态下光栅栅区的长度；
步骤5：在待测滑动轴承工作过程中，每隔预设时间解调一次光栅磨损传感器中当前的光栅栅区长度，并将步骤4中的初始状态下光栅栅区的长度与解调出的当前光栅栅区长度相减，其差值即为待测滑动轴承预设时间内的磨损量。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于：步骤4和步骤5中，通过OFDR解调系统解调出光栅磨损传感器中光栅栅区的长度的具体方法为：通过OFDR系统及解调算法，获得光栅拍频信号频谱图，在光栅拍频信号频谱图的基础上寻找光栅栅区位置，计算栅区长度。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于：在OFDR系统的光栅拍频信号频谱图的基础上寻找光栅栅区位置位置及计算栅区长度计算方法如下：首先对光栅频谱做归一化处理，设定阈值为光栅频谱幅值最大值的20％，提取光栅频谱幅值大于阈值的部分，即为选定的光栅栅区，即可确定光栅栅区的位置和长度。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于：所述步骤5的预设时间为30秒。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于：光栅反射谱波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量检测方法，其特征在于：所述OFDR解调系统的扫频光源扫频范围为1500～1600nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910072961.6A CN109813232B (zh) | 2019-01-25 | 2019-01-25 | 基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910072961.6A CN109813232B (zh) | 2019-01-25 | 2019-01-25 | 基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109813232A CN109813232A (zh) | 2019-05-28 |
| CN109813232B true CN109813232B (zh) | 2020-07-10 |
Family
ID=66605015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910072961.6A Active CN109813232B (zh) | 2019-01-25 | 2019-01-25 | 基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109813232B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110823570A (zh) * | 2019-10-11 | 2020-02-21 | 中国人民解放军海军工程大学 | 水润滑轴承磨损状态检测传感装置及监测系统 |
| CN110806316B (zh) * | 2019-10-11 | 2021-07-13 | 中国人民解放军海军工程大学 | 用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置及其监测系统 |
| CN112798262B (zh) * | 2021-02-05 | 2022-09-27 | 天津求实飞博科技有限公司 | 一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5422324B2 (ja) * | 2009-09-28 | 2014-02-19 | 株式会社フジワラテクノアート | 固体培養装置が備える手入れ機又は排出スクリューの支持ナット摩耗検知方法及び装置 |
| WO2011099337A1 (ja) * | 2010-02-10 | 2011-08-18 | 株式会社小松製作所 | 摩耗量測定装置、摩耗量測定方法、摩耗量測定プログラムおよび記録媒体 |
| DE102011000425A1 (de) * | 2011-02-01 | 2012-08-02 | Tmd Friction Services Gmbh | Bremsscheibe und Verfahren zur Überprüfung des Verschleißes einer Bremsscheibe |
| US8790074B2 (en) * | 2011-02-09 | 2014-07-29 | Siemens Energy, Inc. | Multiplexed optical fiber wear sensor |
| CN104457562A (zh) * | 2013-09-13 | 2015-03-25 | 武汉惟景三维科技有限公司 | 一种基于面结构光的承载鞍在线检测系统 |
| CN103528517B (zh) * | 2013-10-17 | 2016-06-29 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 光纤式受电弓碳滑板磨耗在线分区实时检测系统 |
| DE102014110383A1 (de) * | 2014-04-01 | 2015-10-01 | Becker Marine Systems Gmbh & Co. Kg | Lager zum Lagern einer Welle, insbesondere eines Ruderschaftes, elektronische Lagerspielmessvorrichtung, Ruder umfassend ein Lager zum Lagern einer Welle und Verfahren zur Messung eines Verschleißes eines Lagers zum Lagern einer Welle |
| CN104482876B (zh) * | 2014-12-21 | 2017-09-05 | 天津大学前沿技术研究院有限公司 | 基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统 |
| CN105973896B (zh) * | 2016-05-27 | 2018-10-23 | 武汉理工大学 | 基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置及方法 |
| CN106931886B (zh) * | 2017-05-13 | 2020-06-19 | 中铁隧道集团有限公司 | 一种便于快速检测滚刀磨损程度的系统 |
-
2019
- 2019-01-25 CN CN201910072961.6A patent/CN109813232B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109813232A (zh) | 2019-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109813232B (zh) | 基于光纤光栅长度的滑动轴承磨损量测量方法 | |
| Shiraishi | Scope of in-process measurement, monitoring and control techniques in machining processes—Part 1: In-process techniques for tools | |
| CN108801164B (zh) | 一种基于激光测试工件缝隙值的方法及系统 | |
| Shiraishi | Scope of in-process measurement, monitoring and control techniques in machining processes—Part 2: In-process techniques for workpieces | |
| Jardret et al. | Scratch durability of automotive clear coatings: a quantitative, reliable and robust methodology | |
| US20200173765A1 (en) | Outer Dimensioning Measurement System for Tubulars | |
| CN110017784A (zh) | 一种卷曲钢卷端部在线质检装置和方法 | |
| CN111300268B (zh) | 用于测量机加工工具的状态的工具装置以及方法 | |
| Udupa et al. | Characterization of surface topography by confocal microscopy: II. The micro and macro surface irregularities | |
| JPH0621783B2 (ja) | 機械部品の疲労・余寿命評価法 | |
| JP4617168B2 (ja) | 軸受損傷評価装置および軸受損傷評価方法 | |
| Stout | Optical assessment of surface roughness: The effectiveness of a low-cost, commercially-available instrument | |
| CN111076667B (zh) | 一种金属表面划痕动态快速测量方法 | |
| Thwaite | Measurement and control of surface finish in manufacture | |
| Carolan et al. | Assessment of tool wear in milling using acoustic emission detected by a fiber-optic interferometer | |
| Weingaertner et al. | A method to determine the grinding wheel’s topography based on acoustic emission | |
| EP0131710A1 (en) | Method of determining surface roughness using a visible and infrared laser source | |
| Blanco et al. | Influence of part material and sensor adjustment on the quality of digitised point-clouds using conoscopic holography | |
| Muzyka et al. | Studies on the material damageability by the scratching method | |
| WO2005103608A1 (en) | Continuous surface deformation measurement | |
| CN213495733U (zh) | 带锯条龟背在线检测装置、校直机及龟背在线检测系统 | |
| Lee et al. | A new technique for measuring the roughness profile of rock joints | |
| Fawcett et al. | Use of a fiber optic displacement probe as a surface finish sensor | |
| Schuetz | CALIBRATING SURFACE GAGES FOR SUCCESS | |
| Bhushan et al. | In situ instrumentation for localized wear studies of magnetic thin-film disks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |