CN110806316A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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，解决了光纤光栅传感器植入成功率低、使用寿命短、成本高等问题。本发明光纤光栅传感装置包括由多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，至少一根橡胶轴瓦条内沿埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括有轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管、封装在毛细管中的光纤、和填装在毛细管和光纤间的填料；所述光纤上设有多个光栅。本发明监测系统包括光纤光栅传感装置、光纤光栅解调仪、上位机、数据综合分析单元和报警和输出单元。本发明易于制造、成本低、可靠性好、使用寿命长、准确性高、可同步连续对轴瓦的载荷、温度和应力进行监测。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种轴承传感器及监测系统。

背景技术

水润滑轴承主要安装在船舶艉部，浸泡在水中，利用水作为润滑剂，支承船舶主轴的旋转运行。水润滑轴承的橡胶轴瓦作为弹性体，可有效抑制转轴的旋转振动并改善轴系对中效果。

利用监测系统对橡胶轴瓦条的应力、温度、载荷等状态进行监测，分析橡胶轴承的工作特性，对增强水润滑轴承的功能，提高使用寿命，以及指导船舶维护管理，降低维修成本具有重要经济意义。

由于水润滑轴承长期浸泡在水环境中，传统的电信号传感器难以满足应用环境要求。使用光纤光感器可满足上述应用环境要求。

目前，光纤等传感技术在滚动轴承、机械滑动轴承、橡胶轮胎等装置上已有应用。但是，光纤传感技术尚未在水润滑橡胶轴承轴瓦上进行应用。

中国专利公开号CN102412036A在橡胶产品中直接复合光纤用于植入光纤传感器，但橡胶轴瓦制造时需要经过高温模压工艺过程，温度超过150℃，压力超过1.5MPa。常规光纤的外涂覆层一般为丙烯酸树脂，其工作温度一般为-65～85℃。因此，植入成功率低。此种方法必须采用涂覆聚酰亚胺涂层的耐高温特种光纤，但是，这类光纤生产工艺复杂、导致采购成本高。并且即使预先植入了这类耐高温特种光纤，由于橡胶产品高温模压成型后，具有较高的收缩率，橡胶轴瓦条中沿着轴向植入的光纤，因材料差异，收率较小。因此，橡胶轴瓦条高温模压轴向植入耐高温的特种光纤后，光纤轴向布置的长度比径向布置的长度大很多，橡胶轴瓦条基体和光纤的收缩率差异较大，致使光纤容易断裂。

中国专利公开号CN201610517U公开了在橡胶产品成型后加工穿透孔，进行光纤传感器的二次封装的方法。也有美国专利号US7512294B2公开通过二次成型技术，在聚合物平面基片上进行分层交叉敷设光纤，测量多层复合材料应力应变特性，但结构相对复杂，制造不便，不利于大规模的生产制造。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种易于制造、成本低、可靠性好、使用寿命长、准确性高、可同步连续对轴瓦的载荷、温度和应力进行监测的用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置。

本发明还提供一种使用上述传感装置的水润滑轴承受力状态监测系统。

本发明用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置，包括由多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，至少一根橡胶轴瓦条内沿轴向埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括有轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管、封装在毛细管中的光纤、和填装在毛细管和光纤间的填料；所述光纤上设有多个光栅，所述光栅为均匀光纤布拉格光栅。

所述毛细管中封装有并行的两根光纤，每根光纤上不同轴向位置分布设置多个光栅，形成光栅串，同一光纤上不同轴向位置布置的光栅的中心波长不同，不同光纤上同一轴向位置布置的光栅的中心波长也不同；光栅的中心波长对应相应的光栅周期

所述毛细管为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料为橡胶或树脂材料。

所述毛细管的至少一端伸出或平齐于橡胶轴瓦条的端部表面。

所述埋装方法为，将毛细管按预定位置轴向布置，随橡胶轴瓦模压硫化全部或部分埋入橡胶轴瓦条内；将装有多个光栅的两根光纤并行插入毛细管中，使两根光纤上同样轴向位置的光栅一一对应；最后填装填料。

本发明水润滑轴承受力状态监测系统，至少包括，

上述光纤光栅传感装置：传感装置中的光纤光栅传感单元的光纤上指定位置的光栅，根据橡胶轴瓦基体受力及温度物理量的变化，反射满足布拉格反射条件的光波信号，输出给光纤光栅解调仪；

光纤光栅解调仪：测量所述光纤光栅传感单元中光栅反射的光波信号的中心波长大小并转换成电信号输出给上位机；

上位机：分析计算所述电信号得到被测物理量的值输出给数据综合分析单元；

数据综合分析单元：将收到的被测物理量的值与设定值进行对比分析，将分析结果输出给报警设置和输出单元；

报警和输出单元：根据分析结果输出声光报警和报警记录。

还包括有与上位机连接的显示器，用于显示被测物理量的值。

所述光纤光栅解调仪是多通道波长解调仪，一路通道负责一根光纤上光栅的监测任务。

当光纤光栅传感单元的毛细管内封装有两根并行的两根光纤时，两根光纤在同一指定位置的光栅分别输出两个不同中心波长的光信号给光纤光栅解调仪。

有益效果：

1)采用毛细管封装光纤的结构可以保护光纤、降低橡胶基体应变传递，避免光纤光栅光谱出现啁啾化现象(即光谱多峰或无峰)。并且不影响橡胶轴瓦自身的机械特性。

2)引入毛细管后可以改变光纤的植入方式，即可以通过预先将毛细管与橡胶轴瓦一体模压硫化，然后再安装光纤。这种植入方式一方面降低了生产难度，提高了植入光纤的成功率；另一方面还使光纤完美避开植入时经受高温的问题，因而本发明装置中可以使用普通光纤，从而大大降低了生产制造成本，也避免橡胶轴瓦条因模压硫化后，橡胶基体收缩致使植入光纤断裂的问题，增加了装置的使用寿命，一举多得，效果显著。

3)在毛细管中封装并行的两根光纤，同一光纤上不同轴向位置布置的光栅的中心波长不同，不同光纤上同一轴向位置布置的光栅的中心波长也不同，加之光栅的中心波长对应相应的光栅周期，使得光栅的应变系数和温度系数也不同，从而可用于光栅检测的温度量和应变量的解耦，从而可以对橡胶轴承轴向的受力和温度进行分布式测量，避免单光纤光栅状态监测过程中，温度和受力相互之间的耦合干扰。同时，采用两根光纤平行布置，可以使同一位置上对应的两个光栅保持严格一致，测得的数据更加真实可靠，准确性好。

4)通过调整毛细管的直径、壁厚、填料类型或埋深，可以方便的改变轴瓦表面至光纤的应变传递率，避免橡胶轴瓦受载状态下，光纤光栅传感器进行温度与受力状态监测过程中，光纤光栅反射光谱出现啁啾化现象。

5)本发明的单根毛细管内可以设置单根光纤，可用于测量橡胶轴瓦条的应力。还可以设置两根并行的光纤，可以同步测量载荷、应力和温度，从而可与船舶其他状态参数一起综合评估船舶轴系的健康状况。

附图说明

图1为本发明水润滑轴承受力状态传感装置的安装示意图。

图2为毛细管的安装示意图。

图3为水润滑轴承受力状态监测系统的原理图。

其中，1-橡胶轴瓦、2-橡胶轴瓦条、3-毛细管、4-光纤、5-光栅、6-填料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参见图1及图2，用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感器置，包括由多根橡胶轴瓦条2组成的橡胶轴瓦1，至少一根橡胶轴瓦条2内沿埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括有轴向埋装在所述橡胶轴瓦条2内的毛细管3、封装在毛细管3中的光纤4、和填装在毛细管3和光纤4间的填料6；所述光纤4上设有多个光栅5，所述光栅5为均匀光纤布拉格光栅。

优选的，所述毛细管3中封装有并行的两根光纤4，每根光纤4上不同轴向位置分布设置多个光栅5，形成光栅串，其中，同一光纤4上不同轴向位置布置的光栅5的中心波长不同，不同光纤4上同一轴向位置布置的光栅5的中心波长也不同，光栅5的中心波长对应相应的光栅周期；而并行的两根光纤4可以是同种类型、参数相同或不同的光纤。

所述毛细管3为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料为橡胶或树脂材料。

为以便于光纤4的埋装，所述毛细管3的至少一端伸出或平齐于橡胶轴瓦条的端部表面。而毛细管3可以轴向贯通的方式埋装于橡胶轴瓦条2内(参见图2)，或者一端轴向埋装于橡胶轴瓦条2内(非贯通)，另一端伸出橡胶轴瓦条2的端部表面。本领域技术人员可根据实际需要进行合理设置。

采用本发明结构可以采用下述方法埋装光纤：将毛细管3按预定位置轴向布置，随橡胶轴瓦1模压硫化全部或部分埋入橡胶轴瓦条2内；将装有多个光栅5的两根光纤4并行插入毛细管3中，使两根光纤4上同样轴向位置的光栅5一一对应；最后填装填料6。

参见图3，本发明水润滑轴承受力状态监测系统，至少包括，

上述光纤光栅传感装置：传感装置中的光纤光栅单元根据橡胶轴瓦基体受力及温度物理量的变化，反射满足布拉格反射条件的光波信号，输出给光纤光栅解调仪；毛细管3内埋装有两根光行的光纤4时，则两根并行光纤在同一轴向位置上的光栅5输出两个不同的中心波长光信号，输出给光纤光栅解调仪。

光纤光栅解调仪：测量所述光纤光栅传感单元中光栅反射的光波信号的中心波长大小并转换成电信号输出给上位机；

上位机：分析计算所述电信号得到被测物理量的值，输出给数据综合分析单元；

数据综合分析单元：将收到的被测物理量的值与设定值进行对比分析，将分析结果输出给报警和输出单元；并且数据综合分析单元还可以接收舶舶其它状态参数单元的检测数据，在此进行综合分析，并将分析结果输出给报警和输出单元；

报警和输出单元：根据分析结果输出声光报警和报警记录。

还包括有与上位机连接的显示器，用于显示被测物理量(温度、应力、载荷)的值。

所述光纤光栅解调仪是多通道波长解调仪，一路通道负责一根光纤上光栅的监测任务。

毛细管3内埋装单根光纤2时，对橡胶轴瓦的静载受力分布检测：

在水润滑橡胶轴承的某一根或多根橡胶轴瓦条2中植入光纤光栅传感单元，每个光纤光栅传感单元设有一根布置有多个光栅的光纤，光栅反射输出的光信号中心波长值随被测量变化而变化。每根光纤分配光纤光栅解调仪的一个通道，该通道负责本光纤上光栅应变状态的检测。均匀光纤光栅(FBG)具有均匀的周期性折射率，满足布拉格反射条件：

λ_B＝2n_effΛ (1)

Λ为光栅周期，n_eff为纤芯等效折射率。当外界被测量的温度、应力发生改变，会导致光纤光栅反射的中心波长发生变化。光纤光栅的中心波长与温度和应变的变化关系为：

其中，

为光纤的热膨胀系数，

为光纤材料的热光系数，

为光纤材料的弹光系数。

当船舶轴系停止运转时，假设水润滑轴承的水环境温度不变，即ΔT＝0。光纤光栅的中心波长与轴瓦静载荷力F引起橡胶产生轴向应变的变化关系为：

因此，通过检测水润滑轴承传感装置轴向分布光栅的中心波长即可监测转轴在水润滑轴承上分布静载荷。

毛细管3内埋装并行的两根光纤2时，对橡胶轴瓦温度、应力的测量：

在水润滑橡胶轴承的某一根或多根橡胶轴瓦条2中植入光纤光栅传感单元，每个光纤光栅传感单元设有两根并行的设有多个光栅的光纤，两根并行光纤在同一位置上的光栅输出两个不同的中心波长光信号，该光信号的中心波长值随被测量变化而变化。每根光纤分配光纤光栅解调仪的一个通道，该通道负责本光纤上光栅应变状态的检测。均匀光纤光栅(FBG)具有均匀的周期性折射率，满足布拉格反射条件：

λ_B＝2n_effΛ (1)

Λ为光栅周期，n_eff为纤芯等效折射率。当外界被测量的温度、应力发生改变，会导致光纤光栅反射的中心波长发生变化。光纤光栅的中心波长与温度和应变的变化关系为：

其中，为光纤的热膨胀系数，为光纤材料的热光系数，

为光纤材料的弹光系数。

因此，对于在并行光纤(f₁,f₂)上,同一轴向位置n_k,(k＝1,2,3,……)的两个光栅((f₁,n_k),(f₂,n_k))的中心波长分别为：

同一区域的两个光栅中心波长变化可进一步具体表示为：

式中，K_T1、K_T2、K_ε1、K_ε2分别为波长不同的两种规格光纤光栅温度系数和应变系数，其大小主要由光纤材料、布拉格光栅周期决定。由于两种光栅周期相差较大，两种光纤光栅应变系数和温度系数相差较大，通过解二元一次方程组(4)，即可求得温度和应变值，实现温度量和应变量的解耦计算。

在并行的两根光纤的同一轴向位置分别刻写不同波长范围的光栅，波长范围可以是

(中心波长850nm左右)，

(中心波长1300nm左右)和

(中心波长1550nm左右)。他们对温度和应力的灵敏系数不同，以此来测量温度和应力。光纤光栅解调仪测量同一位置区域的并行光纤上的两个光栅((f₁,n_k),(f₂,n_k))的中心波长并将其转换成电信号输出到数据采集处理单元。

数据采集处理单元输出中心波长数值给上位机，上位机根据预定义的计算公式，计算出被测物理量的数值送显示器显示和数据综合分析单元。数据综合分析单元将收到的被测物理量的值和船舶其他状态参数单元数值进行比较和综合分析，将分析数据结果送报警及输出单元。报警及输出单元输出声光报警信号，进行轴系校中或轴系运行及检修维护报警指示。

对轴系转轴回转振动的周期测量及振动总值报警：

在船舶行驶的过程中，由于船舶轴系转轴旋转不平衡，橡胶轴瓦中的光纤光栅传感单元受到转轴回转振动产生的周期性冲击载荷作用。在此载荷的作用下，光栅产生周期性的应变，光纤光栅解调仪输出周期性的脉冲信号，脉冲的周期即回转振动周期为：

其中，f_n为转轴转动频率，即回转振动频率，单位：赫兹；n为转轴转速，单位：转/分钟。

轴瓦载荷力F引起橡胶产生轴向应变，通过轴瓦橡胶、毛细钢管和聚酯填料的剪切应力传递给光栅，引起光栅产生应变，应变传递系数为k_ε，进而引起光栅中心波长的变化，实现光纤光栅对轴瓦载荷的测量。

转轴的回转振动以轴瓦载荷变化的形式传递给光纤光栅，使光栅的中心波长产生相应的变化。以振动烈度作为振动总值得表达方式，即以振动速度在测量频带内的均方根值表示振动的大小。振动烈度的加速度表达式如下：

其中：

N点振动加速度信号的DFT为

(k＝0,1,…,N-1)。

f_k为谐波频率。

f_a<f_n<f_b,为频带范围，f_s为采样频率。

k_a为大于Nf_a/f_s的最小整数，k_b为小于Nf_b/f_s的最大整数。

由于检测量为冲击性载荷，因此振动烈度可表达为：

其中,K_m为转轴质量相关的常数,F(k)为N点载荷力信号的DFT。

参考行业规范及标准，设定报警设置及输出单元的振动报警值，当振动总值达到报警值，输出声光报警。

Claims (9)

1.一种用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置，包括由多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，其特征在于，至少一根橡胶轴瓦条内沿埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括有轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管、封装在毛细管中的光纤、和填装在毛细管和光纤间的填料；所述光纤上设有多个光栅，所述光栅为均匀光纤布拉格光栅。

2.如权利要求1所述的用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置，其特征在于，所述毛细管中封装有并行的两根光纤，每根光纤上不同轴向位置分布设置多个光栅，形成光栅串；同一光纤上不同轴向位置布置的光栅的中心波长不同，不同光纤上同一轴向位置布置的光栅的中心波长也不同；光栅的中心波长对应相应的光栅周期。

3.如权利要求1所述的用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置，其特征在于，所述毛细管为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料为橡胶或树脂材料。

4.如权利要求1-3任一项所述的水润滑轴承受力状态与温度传感装置，其特征在于，所述毛细管的至少一端伸出或平齐于橡胶轴瓦条的端部表面。

5.如权利要求4所述的用于水润滑轴承受力状态检测的光纤光栅传感装置，其特征在于，所述埋装方法为，将毛细管按预定位置轴向布置，随橡胶轴瓦模压硫化全部或部分埋入橡胶轴瓦条内；将装有多个光栅的两根光纤并行插入毛细管中，使两根光纤上轴向同样位置的光栅一一对应；最后填装填料。

6.一种水润滑轴承受力状态监测系统，其特征在于，至少包括，

权利要求1-5任一项所述的光纤光栅传感装置：所述传感装置中的光纤光栅传感单元的光纤上指定位置的光栅，根据橡胶轴瓦基体受力及温度物理量的变化，反射满足布拉格反射条件的光波信号，输出给光纤光栅解调仪；

光纤光栅解调仪：测量所述光纤光栅传感单元中光栅反射的光波信号的中心波长大小并转换成电信号输出给上位机；

上位机：分析计算所述电信号得到被测物理量的值输出给数据综合分析单元；

数据综合分析单元：将收到的被测物理量的值与设定值进行对比分析，将分析结果输出给报警设置和输出单元；

报警和输出单元：根据分析结果输出声光报警和报警记录。

7.如权利要求6所述的水润滑轴承受力状态监测系统，其特征在于，其特征在于，还包括有与上位机连接的显示器，用于显示被测物理量的值。

8.如权利要求5或6所述的水润滑轴承受力状态监测系统，其特征在于，所述光纤光栅解调仪是多通道波长解调仪，一路通道负责一根光纤上光栅的监测任务。

9.如权利要求8所述的水润滑轴承受力状态监测系统，其特征在于，当光纤光栅传感单元的毛细管内封装有两根并行的两根光纤时，两根光纤在同一指定位置的光栅分别输出两个不同中心波长的光信号给光纤光栅解调仪。

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