CN111307057B - 一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，从空间全场测量的角度研究基于光强调制方式的齿轮多维应变光纤检测技术，采用多点动态检测，将光纤光栅成阵列分布在齿轮齿根表面，通过调节布拉格光栅的间距以及光纤光栅的间距实现多点检测；该布拉格光纤光栅检测系统相对于其他同类装置，由于设计并采用了光纤旋转连接器，实现光纤从旋转运动到静止的转换，从而将光信号从旋转平台上传输到静止平台上，解决了光纤在轴系回转体参数检测中的缠绕问题，实现了多场耦合状态下损伤结构应力波的有效检测，解决了光纤光栅并不是很适合于回转体类零件疲劳监测的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于金属结构件疲劳损伤检测技术领域，涉及一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法。
背景技术
虽然光纤技术已出现近40年，但是光纤光栅却是近10年才被用于传感检测的。布拉格光纤光栅是伴随光纤通信技术而产生的一项重要发明，具有复用能力强，重量轻，体积小等优点，且自从横向紫外曝光刻写技术面世以来，布拉格光纤光栅已快速发展成为当今信息技术的一大热门技术，是构筑未来智能传感网络必不可少的一种技术。在齿轮应变检测方面，目前的方案主要是非本征式、机械式的应变传感器，存在体积大、响应慢、灵敏度低、结构复杂等问题。
光纤布拉格光栅是利用检测反射光中心波长的前后变化，来检测应变的评价方法，具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、易于复用等优点，可为轴系传动齿轮实现疲劳损伤检测与预警机制建立提供有效解决办法。
随着我国机械工业高速、高效、高产、高质、高自动化、低噪、低振发展需求的不断提高，对齿轮的动态性能也提出了更高的要求。为了促进我国机械工业的快速发展，保证机械设备的安全高效运行，针对现有大型机械设备关键部件动态监测方法的不足与问题，研究了一种适用于高周重载金属结构件回转体类齿轮零件的光纤Bragg光栅应变应力动态检测新方法，讨论了复杂受力环境下，高精度齿轮应变光纤光栅检测系统波长校正方法、基于光纤光栅任意方向应力应变的测量与最优布置及尾纤引出等关键问题的解决途径，在满足大型机械设备齿轮传动系统复杂安装条件和使用要求的情况下，完成传动齿轮齿根应变的光纤Bragg光栅多点检测系统集成设计，以光纤光栅传感器为测量节点，实现多场耦合状态下损伤结构应力波的有效检测，这对避免严重故障的发生、保证机械设备的正常运行有着重大的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，以及高分辨率光纤布拉格光纤传感器优化设计方法及尾纤引出的解决办法，实现行星齿轮箱体内齿圈齿根应力应变的多点动态检测。
本发明的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，所构建的齿轮齿根应变模型推导过程如下：
首先，利用光纤中传播光波的基本研究理论Maxwell方法，和导波光学中的耦合模理论，建立光纤Bragg光栅中心波长λB模型为：
λB＝2neffΛ (1)
式中λB是光纤光栅中心波长，neff为光纤纤芯对自由空间波长的有效折射率，∧为光纤布拉格光栅周期。
然后，通过各向同性介质中的虎克定理，建立光纤布拉格光栅的齿轮齿根应变εz模型，即：
ΔλB＝(1-ρe)εzλB (2)
pe为光纤光栅的光常数，是已知量；ΔλB为反射波长的相对漂移量，可由检测系统检测出；据此，可以计算出齿轮应变εz值。
本发明所采用的高精度复合材料基片式光纤布拉格光栅，沿光纤纤芯传播的宽带光谱受到每个光栅面的调制，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面发射的光相位将会逐渐变得不同直至最后抵消，同时，与布拉格谐振波长不相符的光在每个光栅平面的反射也很微弱；当满足布拉格条件时，反射回来的光强逐步增加，最后形成一个反射峰，光纤光栅传感器的测量信息以波长编码的形式被解调系统接收，通过解调系统对波长编码进行解调，得到波长变化值，再根据公式(2)，可知内齿圈齿根应变εz与光纤光栅反射波长关系呈线性关系。因此，通过得到的波长变化值ΔλB，便可计算出内齿圈齿根的应变的变化值εz。
本发明所采用的技术方案是，一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，具体步骤如下：
步骤1：将基片式光纤布拉格光栅传感器安装在齿根处，沿齿轮轴向水平布置；
步骤2：将基片式光纤布拉格光栅传感器的光纤一端从齿根处引出，并粘贴在齿轮轴表面随齿轮轴转动，将粘贴有光纤的齿轮轴与固定在齿轮旋转中心的光纤旋转连接器一端连接，光纤从光纤旋转连接器中心引出，光纤旋转连接器另一端连至解调系统；
其中，在连接过程中，必须保证光纤旋转连接器轴心与齿轮轴中心重合；
步骤3：使用光源照射基片式光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器将获得的光强信息输入检测系统检测出齿圈的齿根多维参数，并根据多维参数计算齿根应变；
通过应变光纤光栅检测系统，将采集到光纤光栅反射波长的变化传递给计算机，对所得数据进行处理，读取到光纤光栅反射波长数值，并对光纤光栅反射波长数值进行相关的处理，通过光纤光栅应变传感模型便可得出齿轮应变变化情况。
本发明的特点还在于：
基片式光纤布拉格光栅的制备过程具体步骤如下：
第一步：利用纤芯掺杂与纤芯表面特种涂料的涂装技术，通过调控温度为20±1℃，真空度为1×103Pa，湿度为60％，压力为12MPa，制得含锗量为4mol％的光纤；
第二步：利用相位掩膜技术，采用石英相位掩膜版，及KrF准分子激光器，建立243nm波长紫外干涉曝光系统，其单个脉冲能量密度为100mJ/cm2，脉宽20ns，频率50HZ；
第三步:进行照射实验，光纤照射时间为50-60s，制成周期为535nm光纤布拉格光栅，其布拉格光栅位于光纤中部，光栅分布长度5mm，光栅栅距d＝1050nm；
第四步：利用光纤光栅化学表面修饰技术，借助低温等离子体沉积工艺，在光纤光栅表面诱导生长一层耐高温致密陶瓷功能层，功能层厚度为2nm；
第五步：退火工艺，提高FBG技术参数稳定性。其中退火温度为130±1℃，退火时间为12h，并封装获得用于齿轮齿根多维应变检测用的基片式光纤布拉格光栅，基片式光纤布拉格光栅中心波长为1550nm。
步骤3检测方法具体如下：
检测系统包括依次连接的信号调理模块、数据采集模块、单片机和上位机，信号调理模块与解调系统连接；
解调系统负责从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息；
光源发出的光进入光纤布拉格光栅后，不同波长光的光强被解调系统调制，其透射光经光电转换，光强信息转变为电压信息，然后，信号调理模块对电压信号进行滤波、放大，数据采集模块将调理后的电信号送入单片机进行波长、光强解调运算，得到透射光谱的中各谐振峰的波长信息和各波长下的光强信息，在驱动电压的每个扫描周期下，得到相对应的另一组波长信息和各波长下光强信息，最后，将上述信息送入上位机，通过波长偏移和光强变化计算出内齿圈的齿根多维参数，根据多维参数，计算齿根的应变。
齿根应变的模型可表示为：
ΔλB＝(1-ρe)εzλB (1)
式中：p11,p12为光张量的分量；υ为光纤光栅的泊松比；neff为光纤光栅的有效折射率；ΔλB是中心波长偏移量、λB是光纤光栅中心波长。
光纤旋转连接器通过转动光电转换接头实现引出，且在光纤光栅敏感区采用“分布式缠绕布置”，实现任意方向应力应变测量。
解调系统从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息的具体步骤如下：
首先，根据透射光谱形态，设计数字滤波算法，提高透射光谱的稳定性；其次，根据采样点的变化趋势研究峰值初步定位方法；然后，利用峰值附近的采样点信息，精确计算各谐振峰对应的时间与光强信息；最后，利用光梳状滤波器对谐振峰出现的时间与其波长的对应关系进行实时校正。
光纤由纤芯和包层组成，纤芯直径9um，包层直径125um，纤芯折射率1.482、折射率扰动2.5×10-4。
步骤1中的光纤布拉格光栅使用496胶水粘贴。
本发明的有益效果是：由于光纤光栅信号传输需要光纤，限制了其在轴系回转体中的应用，本发明通过开展一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法研究，提出可采用“光纤旋转连接器”实现，解决了光纤光栅在应用时，由于齿轮箱通常结构比较复杂，光纤随齿轮做旋转运动且尾纤需要引出的复杂检测缠绕问题；
本发明的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，基于单光纤光栅同时检测齿根的多维参数，实现了多场耦合状态下损伤结构应力波的有效检测，不仅能够丰富和发展行星齿轮箱的监测诊断技术理论体系，同时还能为行星齿轮箱的设计制造过程提供指导，具有重要的科学研究价值和工程应用前景。
附图说明
图1是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法光纤布置图；
图2是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的光纤布拉格光栅位置放大图；
图3是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的光纤布拉格光栅应变前后对比图；
图4是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的光纤布拉格光栅结构示意图；
图5是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的光纤光栅检测系统波长校正原理图；
图6是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法实施例的行星齿轮箱内齿圈齿根应变变化曲线；.
图7是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的光纤布拉格光栅与齿轮轴向安装角度关系曲线图；
图8是本发明一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法的实施例检测点选取位置角度图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，具体操作步骤如下：
步骤1：将基片式光纤布拉格光栅传感器安装在齿根处，沿齿轮轴向水平布置(如图2所示)；
步骤2：如图1所示，将基片式光纤布拉格光栅传感器的光纤一端从齿根处引出，并粘贴在齿轮轴表面随齿轮轴转动，将粘贴有光纤的齿轮轴与固定在齿轮旋转中心的光纤旋转连接器一端连接，光纤从光纤旋转连接器中心引出，光纤旋转连接器另一端连至解调系统；
其中，在连接过程中，必须保证光纤旋转连接器轴心与齿轮轴中心重合；
步骤3：使用光源照射基片式光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器将获得的光强信息输入检测系统检测出齿圈的齿根多维参数，并根据所述多维参数计算齿根应变；
通过应变光纤光栅检测系统，将采集到光纤光栅反射波长的变化传递给计算机，对所得数据进行处理，读取到光纤光栅反射波长数值，并对光纤光栅反射波长数值进行相关的处理，通过光纤光栅应变传感模型便可得出齿轮应变变化情况。
步骤3检测方法具体如下：
检测系统包括依次连接的信号调理模块、数据采集模块、单片机和上位机，信号调理模块与解调系统连接；
解调系统负责从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息；
光源发出的光进入光纤布拉格光栅后不同波长光的光强被解调系统调制，其透射光经光电转换，光强信息转变为电压信息，然后，信号调理模块对电压信号进行滤波、放大，数据采集模块将调理后的电信号送入单片机进行波长、光强解调运算，得到透射光谱的中各谐振峰的波长信息和各波长下的光强信息，在驱动电压的每个扫描周期下，得到相对应的另一组波长信息和各波长下光强信息，最后，将上述信息送入上位机，通过波长偏移和光强变化计算出内齿圈的齿根多维参数，根据多维参数，计算齿根的应变。
齿根应变的模型可表示为：
ΔλB＝(1-ρe)εzλB (1)
式中：p11,p12为光张量的分量；υ为光纤光栅的泊松比；neff为光纤光栅的有效折射率；ΔλB是中心波长偏移量、λB是光纤光栅中心波长。
基片式光纤布拉格光栅的制备过程具体步骤如下：
第一步：利用纤芯掺杂与纤芯表面特种涂料的涂装技术，通过调控温度为20±1℃，真空度为1×103Pa，湿度为60％，压力为12MPa，制得含锗量为4mol％的光纤；
第二步：利用相位掩膜技术，采用石英相位掩膜版，及KrF准分子激光器，建立243nm波长紫外干涉曝光系统，其单个脉冲能量密度为100mJ/cm2，脉宽20ns，频率50HZ；
第三步:进行照射实验，光纤照射时间为50-60s，制成周期为535nm光纤布拉格光栅，其布拉格光栅位于光纤中部，光栅分布长度5mm，光栅栅距d＝1050nm；
第四步：利用光纤光栅化学表面修饰技术，借助低温等离子体沉积工艺，在光纤光栅表面诱导生长一层耐高温致密陶瓷功能层，所述功能层厚度为2nm；
第五步：退火工艺，提高FBG技术参数稳定性。其中退火温度为130±1℃，退火时间为12h，并封装获得用于齿轮齿根多维应变检测用的基片式光纤布拉格光栅，所述基片式光纤布拉格光栅中心波长为1550nm。
光纤旋转连接器通过转动光电转换接头实现引出，且在光纤光栅敏感区采用“分布式缠绕布置”，实现任意方向应力应变测量。
解调系统从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息的具体步骤如下：
首先，根据透射光谱形态，设计数字滤波算法，提高透射光谱的稳定性；其次，根据采样点的变化趋势研究峰值初步定位方法；然后，利用峰值附近的采样点信息，精确计算各谐振峰对应的时间与光强信息；最后，利用光梳状滤波器对谐振峰出现的时间与其波长的对应关系进行实时校正。
光纤由纤芯和包层组成，纤芯直径9um，包层直径125um，纤芯折射率1.482、折射率扰动2.5×10-4。
步骤1光纤布拉格光栅使用496胶水粘贴。
解调系统从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息的具体步骤如下：
首先，驱动电压模块控制数据采集卡输出周期性驱动电压并通过驱动放大电路驱动可调谐F-P腔滤波器；其次，信号采集模块采用对光纤光栅反射光信号以及梳状滤波器透射光信号进行数据采集；接着，寻峰模块分别对光纤光栅反射光信号以及梳状滤波器透射光信号峰值寻找；最后，波长/应变计算模块将所得采样点数以及梳状滤波器标准波长进行线性插值，通过数据拟合以计算出光纤光栅反射波长值，进而计算出内齿圈齿根应变值。
此外，由于光源中PZT的蠕动性和迟滞性、F-P腔的温度特性等原因，谐振峰在扫描周期中出现的时间与其波长的对应关系会发生变化，因此，利用光梳状滤波器对谐振峰出现的时间与其波长的对应关系进行了实时校正(如图5所示)。
基片式光纤布拉格光栅传感器是在光纤中段位置上刻写多段结构参数不同的光栅单元，各光栅单元的透射光谱彼此无重叠。
如图4所示，光纤由纤芯和包层组成，纤芯直径9um，包层直径125um，纤芯折射率1.482、折射率扰动2.5×10-4。
光纤旋转连接器通过转动光电转换接头实现引出，且在光纤光栅敏感区采用“分布式缠绕布置”，实现任意方向应力应变测量。
步骤5：解调系统从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息的具体步骤如下：
首先，驱动电压模块控制数据采集卡输出周期性驱动电压并通过驱动放大电路驱动可调谐F-P腔滤波器；其次，信号采集模块采用对光纤光栅反射光信号以及梳状滤波器透射光信号进行数据采集；接着，寻峰模块分别对光纤光栅反射光信号以及梳状滤波器透射光信号峰值寻找；最后，波长/应变计算模块将所得采样点数以及梳状滤波器标准波长进行线性插值，通过数据拟合以计算出光纤光栅反射波长值，进而计算出内齿圈齿根应变值。
步骤6检测过程具体如下：
在机械设备运行过程中，由于疲劳损伤会使局部应变发生微小改变，变化量会通过粘接层传递到与之相连的基片式应变检测光纤光栅上，改变光纤光栅周期Λ和有效折射率neff，光纤光栅的中心波长也随之改变。所以，通过检测光纤光栅反射波波长漂移量，就可以得到高周金属结构件疲劳损伤的变化。
基于所研究的光纤光栅的齿轮应变检测系统实际检测过程如下：半导体光放大器(SOA)的可调谐环形腔激光器在周期性扫描电压的作用下发出一系列窄带光信号，在一个扫描周期中，每个时刻发出的光具有确定的波长值，由于倾斜光纤光栅的透射光谱结构类似带阻滤波器，所以光源发出的光进入光纤光栅阵列(在一根光纤上刻写多段结构参数不同的光栅单元，各光栅单元的透射光谱彼此无重叠，用于分布式测量)后，不同波长光的光强会被调制，其透射光经光电转换，光强信息转变为电压信息，然后，信号调理模块对电压信号进行滤波、放大等操作，数据采集模块将调理后的电信号送入单片机进行波长、光强解调运算，得到透射光谱的中各谐振峰的波长信息和各波长下的光强(耦合强度)信息，在驱动电压的每个扫描周期下，均会得到一组波长和光强信息，最后，将上述信息送入上位机，通过波长偏移和光强变化可计算出内齿圈的齿根多维应变参数。
推导得出，齿根应变传感模型为：
ΔλB＝(1-ρe)εzλB (1)
其中，pe为光纤光栅的光常数，pe定义如下：
式中：ΔλB——波长偏移量；pe——弹光系数；εz——光纤光栅轴向应变,p11,p12——光张量的分量；υ——光纤光栅的泊松比，neff——光纤光栅的有效折射率。
由此，根据检测系统测得的波长变化量ΔλB便可得出齿轮应变εz变化情况。
本发明采用光纤布拉格光栅作为传感元件，在齿面方向应变的作用下，光纤布拉格光栅会发生弯曲变形，影响光栅栅面和光纤横截面夹角θ，进而会使光纤横截面的折射率分布发生变化；在齿宽方向应变和温度的作用下，光纤光栅会发生轴向变形，使光栅周期Λ发生变化(如图3所示)。
为了使光纤布拉格光栅测量灵敏度最大，研究了光纤光栅传感探头轴向应变和光纤光栅传感探头与轮齿轴向的夹角的关系，通过材料力学分析，光纤光栅轴向的应变εz1、测点处沿轮齿径向的应变εy以及θ的关系如式(3)所示。
式中：εy为测点处沿轮齿径向的应变；θ为光纤布拉格光栅传感器探头与轮齿轴向的夹角；υ为齿轮材料的泊松比。
最优的安装角度应该在给定εy的情况下使|εz1|获得最大值。根据式(3)，可以画出光纤光栅的轴向应变εz1和轮齿的轴向夹角θ的关系曲线图，如图7所示。从图中能够看出：当θ增大时，|εz1|先是减小，再是增大；当θ为27°左右时，εz1为0；当θ为45°左右时，εz1大小与0°左右时相当。
考虑到轮齿的实际尺寸，光纤布拉格光栅的最佳安装方式应使θ为0°时，此时光纤布拉格光栅与轮齿轴向平行粘贴，如图2所示。
本发明的齿根应变检测方法产生的显著进步：
(1)解决了传统的通过机壳上的压电加速度计的齿轮损伤检测，以振动信号为检测信息载体，这种间接的测量方式传递路径多变，映射关系不清晰，无法与齿轮直接接触，易使微弱的早期疲劳裂纹损伤信息淹没，造成故障的误诊和漏诊的问题。
(2)疲劳损伤变化复杂、检测困难。本发明所采用的光纤光栅器件微型化，耦合性好，能深入齿轮箱与被测齿轮直接接触，准确获取应变信息，解决传统轴系传动齿轮疲劳损伤检测方法传递路径多变，映射关系不清晰的技术难题；
(3)由于金属疲劳往往是从应力集中处开始发生并扩散的，需要测量其多维应力。本发明通过研究轴系传动齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力等多维应力的同时测量方法、应力监测点选取方法以及多参数的解耦方法，通过在光纤光栅敏感区的准确高效的“分布式缠绕布置”，实现了轴系传动齿轮齿根应力应变参数的多维检测，实现多场耦合状态下金属零件损伤结构应力波的有效检测，解决了光纤光栅并不是很适合于金属零件多维参数测量的疲劳监测的技术难题。
(4)本发明公开了一种利用光纤布拉格光栅检测齿轮齿根应变检测系统，需要着重解决传统光纤在轴系回转体参数检测中的缠绕问题。该布拉格光纤光栅检测系统相对于其他同类装置，由于设计并采用了光纤旋转连接器，实现光纤从旋转运动到静止的转换，从而将光信号从旋转平台上传输到静止平台上，解决了光纤在轴系回转体参数检测中的缠绕问题，解决了光纤光栅在回转体类零件参数检测中的应用难题。
(5)从空间全场测量的角度研究基于光强调制方式的齿轮多维应变光纤动态检测原理，采用多点动态检测技术，光纤光栅成阵列分布在齿轮齿根表面，通过调节布拉格光栅的间距以及光纤光栅的间距可以实现多点检测；
(6)该布拉格光纤光栅检测系统相对于其他同类装置，由于设计并采用了光纤旋转连接器，实现光纤从旋转运动到静止的转换，从而将光信号从旋转平台上传输到静止平台上，解决了光纤在轴系回转体参数检测中的缠绕问题；
(7)针对光源中PZT的蠕动性和迟滞性对谐振峰在扫描周期中出现的时间与其波长对应关系的影响，设计了波长校正方案，对光纤光栅透射光谱中的波长信息进行实时校正，最大化减少了光纤光栅传感器对测量灵敏度的影响。
实施例：
行星齿轮箱是机械系统的关键传动装置，但恶劣的工作环境导致其故障频发，传统的监测诊断方法很难有效识别轮齿疲劳损伤故障。由于内齿圈齿根多维参数(齿面方向应变、齿宽方向应变和温度)能够准确、全面反映齿轮的运行状态，在诊断行星齿轮箱微弱故障方面具有优势。
本发明给出一种利用光纤布拉格光栅检测齿轮齿根多维参数的方法，能为齿轮疲劳损伤与故障诊断提供可靠的故障信息。
结合轮齿齿根尺寸，设计的用于齿根应变检测实验所采用的光纤布拉格光栅中心波长为1550nm，光栅位于光纤中部，光栅分布长度5mm；
将光纤布拉格光栅按图2方式平行粘贴于齿轮齿根处。
当检测行星齿轮机构中的行星轮和太阳轮故障时，行星轮所有轮齿须能够和内齿圈上的检测齿发生直接啮合，太阳轮的所有轮齿也须能够和检测轮齿发生间接啮合，其中直接啮合是指行星轮与检测齿发生直接接触，间接啮合是指当太阳轮和某个行星轮发生啮合时，该行星轮正与检测齿发生直接啮合。为此，一种直接的做法是在内齿圈所有轮齿的齿根部位布置光纤光栅测点，但这会极大增加检测成本，因此，本发明从行星齿轮箱中各齿轮的相对运动关系考虑减少检测齿数量。如图8为描述行星轮、太阳轮与内齿圈啮合关系的简化模型，图8中1、2位置和2、3位置的夹角均为θ，1、4位置的夹角为К。假设某一时刻行星轮(太阳轮)在1位置和内齿圈的A点发生直接(间接)啮合，当行星轮公转一周后，行星轮(太阳轮)在2位置与A点发生直接(间接)啮合，则行星轮再公转一周后与A点发生啮合的应为行星轮(太阳轮)的3位置。所以，如果在内齿圈连续若干个轮齿的齿根部位布置光纤布拉格光栅测点，只要保证在行星轮与所有检测齿完成一次啮合的过程中，检测齿正好可以和1-2之间的行星轮(太阳轮)轮齿发生直接(间接)啮合，则当行星轮公转一周后，检测齿必然也正好可以和2-3之间的行星轮(太阳轮)轮齿发生直接(间接)啮合，依次类推，随着齿轮的运转，检测齿最终可以和行星轮(太阳轮)的所有轮齿发生直接(间接)啮合。如果期望进一步减少检测齿的数目，可做如下考虑，假设行星轮公转i周后到行星轮(太阳轮)到达4位置，4位置和1位置的夹角为К，其中К＜0，则检测齿只要能够和1-4之间的轮齿完成啮合，就可以达到检测行星轮和太阳轮所有轮齿的目的，但此时完成所有轮齿检测所需要的时间相应增长。根据这一思路，在行星齿轮箱内齿圈某一区域的连续若干个轮齿上布置光纤光栅阵列实现对行星轮和太阳轮轮齿故障的检测，其中检测齿的数目按照上述方法，可以根据行星齿轮箱结构和运行参数确定。
光纤光栅传感探头分布于上述方法所选取的行星齿轮箱内齿圈齿根上的测点处，当光路部分中宽带光源产生的光进入可调谐F-P腔滤波器，通过光耦合器，一路(70％输出端)进入光纤光栅传感模块中的光纤光栅传感探头，另一路经光隔离器进入梳状滤波器后，光纤光栅的反射光信号和梳状滤波器的透射光信号分别同时进入电路部分中的信号调理电路，实现光信号-电流信号-电压信号的转换，数据采集卡对两路信号调理电路输出的光信号进行实时数据采集，并传递给计算机。同时，计算机通过控制数据采集卡输出周期性驱动电压，经电路部分中的驱动放大电路，驱动可调谐F-P腔滤波器，使可调谐F-P腔滤波器在特定的波长范围内进行扫描。
当周期性电压驱动可调谐F-P腔滤波器时，其中的压电陶瓷(PZT)会伸缩，可调谐F-P腔滤波器的腔长会改变，所以，通过可调谐F-P腔滤波器的波长会发生变化。可调谐F-P腔滤波器输出光强最大时，是当透射波长和反射波长值一致的时候。F-P腔滤波器的透射波长和腔长是逐一对应的关系，同时压电陶瓷上的驱动电压与F-P腔滤波器腔长是逐一对应的关系，所以驱动可调谐F-P腔滤波器的周期性电压与透射波长是逐一对应的关系，即当已知驱动电压与可调谐F-P腔滤波器透射波长的关系并检测到FBG反射光谱在扫描电压周期中的位置时，通过与已知的梳状滤波器的标准波长及梳状滤波器在扫描电压周期中的位置进行数据拟合，便可求得FBG反射波长值进而可求出内齿圈齿根应变变化值。
实验过程中，通过调节可控稳流电源来控制磁粉制动器产生阻力矩，对行星齿轮箱进行加载。本次实验主要测试的是行星齿轮箱的准静态工况，设置负载为10Nm，转速为：0.6r/min，内齿圈齿根应变变化曲线如图6所示。由此可见，本发明的方法可以有效测出齿轮各点的应变。
本发明首次提出并成功将光纤布拉格光栅传感技术用在回转体类零件高周重载轴系传动齿轮齿根应变的检测中，在满足大型机械设备齿轮传动系统复杂安装条件和使用要求的情况下，基于光纤Bragg光栅技术设计了一种切实可行的传动齿轮动态实时检测系统，以光纤光栅传感器为测量节点，实现多场耦合状态下损伤结构应力波的有效检测，可长期、有效地监测高周重载轴系传动齿轮的磨损情况。
Claims (4)
1.一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，其特征在于，
步骤1：将基片式光纤布拉格光栅传感器安装在齿根处，沿齿轮轴向水平布置；
所述基片式光纤布拉格光栅的制备过程具体步骤如下：
第一步：利用纤芯掺杂与纤芯表面特种涂料的涂装技术，通过调控温度为20±1℃，真空度为1×103Pa，湿度为60％，压力为12MPa，制得含锗量为4mol％的光纤；
第二步：利用相位掩膜技术，采用石英相位掩膜版，及KrF准分子激光器，建立243nm波长紫外干涉曝光系统，其单个脉冲能量密度为100mJ/cm2，脉宽20ns，频率50HZ；
第三步：进行照射实验，光纤照射时间为50-60s，制成周期为535nm光纤布拉格光栅，其布拉格光栅位于光纤中部，光栅分布长度5mm，光栅栅距d＝1050nm；
第四步：利用光纤光栅化学表面修饰技术，借助低温等离子体沉积工艺，在光纤光栅表面诱导生长一层耐高温致密陶瓷功能层，所述功能层厚度为2nm；
第五步：对第四步获得的光纤光栅采用退火工艺，其中退火温度为130±1℃，退火时间为12h，并封装获得用于齿轮齿根多维应变检测用的基片式光纤布拉格光栅，所述基片式光纤布拉格光栅中心波长为1550nm；
步骤2：将基片式光纤布拉格光栅传感器的光纤一端从齿根处引出，并粘贴在齿轮轴表面随齿轮轴转动，将粘贴有光纤的齿轮轴与固定在齿轮旋转中心的光纤旋转连接器一端连接，光纤从光纤旋转连接器中心引出，光纤旋转连接器另一端连至解调系统；
其中，在连接过程中，必须保证光纤旋转连接器轴心与齿轮轴中心重合；
步骤3：使用光源照射基片式光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器将获得的光强信息输入检测系统检测出齿圈的齿根多维参数，并根据所述多维参数计算齿根应变，检测方法具体如下：
所述检测系统包括依次连接的信号调理模块、数据采集模块、单片机和上位机，所述信号调理模块与解调系统连接；
所述解调系统负责从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息；
光源发出的光进入光纤布拉格光栅后不同波长光的光强被解调系统调制，其透射光经光电转换，光强信息转变为电压信息，然后，信号调理模块对电压信号进行滤波、放大，数据采集模块将调理后的电信号送入单片机进行波长、光强解调运算，得到透射光谱的中各谐振峰的波长信息和各波长下的光强信息，在驱动电压的每个扫描周期下，得到相对应的另一组波长信息和各波长下光强信息，最后，将上述信息送入上位机，通过波长偏移和光强变化计算出内齿圈的齿根多维参数，根据所述多维参数，计算齿根的应变；
所述齿根应变的模型可表示为：
ΔλB＝(1-ρe)εzλB (1)
εz为光纤光栅轴向应变，
为光纤光栅的应变灵敏度，该参数由光纤光栅的光常数pe决定，pe定义如下：
式中：p11,p12为光张量的分量；v为光纤光栅的泊松比；neff为光纤光栅的有效折射率；ΔλB是中心波长偏移量、λB是光纤光栅中心波长；
所述解调系统从光纤布拉格光栅透射光中精确解调出谐振峰的波长和光强信息的具体步骤如下：
首先，根据透射光谱形态，设计数字滤波算法，提高透射光谱的稳定性；其次，根据采样点的变化趋势研究峰值初步定位方法；然后，利用峰值附近的采样点信息，精确计算各谐振峰对应的时间与光强信息；最后，利用光梳状滤波器对谐振峰出现的时间与其波长的对应关系进行实时校正。
2.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，其特征在于，所述光纤旋转连接器通过转动光电转换接头实现引出，且在光纤光栅敏感区采用“分布式缠绕布置”，实现任意方向应力应变测量。
3.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，其特征在于，所述光纤由纤芯和包层组成，所述纤芯直径9um，包层直径125um，纤芯折射率1.482，折射率扰动2.5×10-4。
4.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅检测轴系齿轮齿根应变的方法，其特征在于，步骤1所述光纤布拉格光栅使用496胶水粘贴。
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