CN112556874A - 一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度检测领域，具体为一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，包括以下步骤：步骤一，将温度测量光纤的温度测量栅区封装进毛细管中，且温度测量光纤从毛细管的两端导出；步骤二，将毛细管置于基座的基座通孔中，且温度测量光纤从基座通孔的两端导出；步骤三，将基座置于光纤保护外壳的凹槽中，且温度测量光纤从光纤保护外壳的光纤导出通道导出。本发明提供的制造光纤光栅分布式传感装置的装配方法简单，且制得的装置结构简单、方便装卸、稳定性好，能适用于海上工作平台的齿轮箱轴承。

Description

一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法

技术领域

本发明涉及及温度检测技术领域，具体为一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法。

背景技术

海上工作自升式平台用于海上作业，其结构比较复杂，而且体积非常庞大。该平台经常遭受着海风、海流和潮汐等力的作用，海上腐蚀现象比较严重，材料容易受到破坏，因而其运行工况远非陆地结构工况所能比拟。因此，海上工作升降平台的设备需要具有较高的可靠性。

海上工作自升式平台升降系统齿轮箱单元是自升式海洋平台中一种必不可少的连接和传递动力的主要单元，起着至关重要的作用：如若齿轮箱单元出现故障，引发的平台工作组停工时间较长，造成的巨大的经济损失，且齿轮箱自身的维护成本较高，因此对海洋升降平台起升系统齿轮箱单元的监测研究存在着非常重要的意义，而轴承温度的检测是对海洋升降平台齿轮箱单元检测系统中极为重要的一环。

进一步，轴承是海上工作平台齿轮箱单元中关键的零部件之一，其性能直接影响着旋转机械的性能与寿命。在轴承测试中，轴承温度测试是轴承测试的主要内容之一。轴承温度变化梯度对于研究轴承润滑、承载等性能及寿命有着重要的意义。海上工作齿轮箱单元轴承的温升及温度分布状态直接影响着整个工作平台的工作性能和使用寿命。轴承转速的不断提高,则会导致轴承摩擦生热急剧增加,如果热量得不到及时有效地散发,轴承内部的温度将会异常升高。温度过高则会导致轴承内部零件表面灼伤甚至相互胶合、咬死而早期报废,后果十分严重。特别是摩擦生热的急剧增加将导致轴承工作温度异常升高,并且海上工作平台齿轮箱单元高速轴轴承的温度分布是整个齿轮箱单元中转速最高的轴承，也是最需要进行温度检测的轴承,只有掌握了在不同工况下轴承系统内部的温度分布及其影响,才能对其进行合理的润滑与冷却。目前轴承温度测试中多数采用热电偶、红外温度传感器或者热成像技术等，仅针对静止的轴承套圈测试有效。热电偶技术不能用于轴承旋转时的测试，红外和热成像技术不能实现旋转轴承套圈多点测试。

目前，还没有专门的生产或装配方法以制造出一种光纤光栅轴承温度传感装置，从而使用于海上工作平台的光纤光栅轴承温度测量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，旨在制造出一种适用于海上工作升降平台，且结构简单、安全牢靠、便于装卸、稳定性好的光纤光栅分布式传感装置。

为实现上述目的，本发明提出一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，包括以下步骤：

步骤一，将温度测量光纤的温度测量栅区封装进毛细管中，且温度测量光纤从毛细管的两端导出；

步骤二，将毛细管置于基座的基座通孔中，且温度测量光纤从基座通孔的两端导出；

步骤三，将基座置于光纤保护外壳的凹槽中，且温度测量光纤从光纤保护外壳的光纤导出通道导出。制造光纤光栅分布式传感装置的装配方法简单，且制得的装置结构简单、方便装卸、稳定性好，能适用于海上工作平台的齿轮箱轴承。

优选地，步骤一包括以下步骤：

步骤1.1，将温度测量光纤光栅的两端分别与光纤跳线熔接以制成带有温度测量栅区的温度测量光纤；

步骤1.2，截取一段比温度测量光纤光栅长的毛细管，将温度测量栅区完全置于毛细管中，且温度测量光纤从毛细管的两端导出；

步骤1.3，在毛细管的两端点胶，以使温度测量光纤与毛细管连接固定；

步骤1.4，将光纤跳线封装进保护套管中。将温度测量栅区用毛细管完全封装，保证结构的稳定性；用保护套管对光纤跳线进行封装保护，保护套管具有耐腐蚀性，保证了光纤的密封性，防止带腐蚀性的液体直接接触而腐蚀光纤。

优选地，在步骤1.2中，在将温度测量栅区完全置于毛细管中时，温度测量光纤处于松弛状态。如此设置，可防止毛细管受热产生应变对温度测量栅区产生影响。

优选地，步骤二包括以下步骤：

步骤2.1，在基座上开设基座通孔；

步骤2.2，用开设有第一通孔的第一密封端盖粘接在基座通孔的一端，且温度测量光纤穿过第一通孔向外伸出；

步骤2.3，将毛细管吊起，使其置于基座通孔中；

步骤2.4，往基座通孔中灌入导热剂；

步骤2.5，将开设有第二通孔的第二密封端盖粘接在基座通孔的另一端，且温度测量光纤穿过第二通孔向外伸出。毛细管封装在基座中时，并没有与基座直接接触，中间填充了导热剂，使热量传递更为均匀；在基座通孔的两端加盖第一密封端盖和第二密封端盖，可防止导热剂的泄露。

优选地，导热剂的主要成分为氧化镁或氮化铝。采用以氧化镁或氮化铝为主要成分的导热剂，可保证导热效果，提高温度测量精度。

优选地，步骤2.4，在往基座通孔中灌入导热剂时，对基座进行敲击；从而使导热剂填充更加均匀。

优选地，第一密封端盖和第二密封端盖均采用环氧树脂胶分别粘接在基座通孔的两端。环氧树脂易于使用，且具有防水、耐油、耐强酸强碱的性能。

优选地，步骤二还包括步骤2.6，在完成步骤2.5之后，用胶水将第一通孔和第二通孔密封。用胶水将第一通孔和第二通孔密封，增加了结构的密封性，提高了毛细管在基座内的稳定性。

优选地，所述胶水为环氧树脂胶水。环氧树脂易于使用，且具有防水、耐油、耐强酸强碱的性能。

优选地，步骤三包括以下步骤：

步骤3.1，在光纤保护外壳中开设相互连通方形凹槽和弧形凹槽；

步骤3.2，将基座置于方形凹槽中，将从基座中导出的温度测量光纤置于弧形凹槽中。方便将基座和从基座两端导出的温度测量光纤固定在光纤保护外壳中。

与现有技术相比，本发明公开的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法至少具有以下有益效果：装配方法简单、可行、易于操作，且可生产出结构简单、方便装卸、稳定性好、耐腐蚀性好、抗电磁干扰、易于实现分布式测量且能应用于海上工作平台齿轮箱轴承的传感装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明装配方法制得的传感装置在轴承上的安装示意图；

图2为本发明装配方法中光纤保护外壳的结构示意图；

图3为本发明装配方法中光纤保护外壳的局部剖视图；

图4为本发明装配方法中底座的结构示意图；

图5为本发明装配方法中温度测量光纤的结构示意图；

图6为本发明装配方法中温度测量栅区的封装示意图；

图7为本发明装配方法中毛细管的封装示意图；

图8为本发明装配方法中第一密封端盖的结构示意图；

图9为本发明装配方法中第二密封端盖的结构示意图；

图10为本发明装配方法中基座安装在光线保护外壳的结构示意图；

图11为轴承在海上工作平台齿轮箱单元上的安装示意图。

附图标号说明：光纤保护外壳1，基座2，光纤导出通道3，螺栓固定孔4，方形凹槽5，弧形凹槽6，基座通孔7，毛细管8，温度测量栅区9，保护套管10，导热剂11，环氧树脂胶12，第一密封端盖131，第一通孔1311，第二密封端盖132，第二通孔1321，温度测量光纤14，温度测量光纤光栅141，光纤跳线142，解调设备15，计算机16，轴承17。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图11所示，一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，包括以下步骤：

步骤一，将温度测量光纤14的温度测量栅区9封装进毛细管8中，且温度测量光纤14从毛细管8的两端导出；

步骤二，将毛细管8置于基座2的基座通孔7中，且温度测量光纤14从基座通孔7的两端导出；

步骤三，将基座2置于光纤保护外壳1的凹槽中，且温度测量光纤14从光纤保护外壳1的光纤导出通道3导出。

温度测量光纤14用于测量温度，其中发挥温度测量的区域是温度测量栅区9。装配光纤光栅分布式传感装置的方法步骤如下：

步骤一，将用于测量温度的温度测量栅区9封装进毛细管8中，即毛细管8的内径应大于温度测温光纤的直径；将温度测量光纤14穿入到毛细管8中，并将温度测量栅区9置于毛细管8中，温度测量光纤14从毛细管8的两端导出，用于连接温度测量栅区9所测量的温度值。

步骤二，将毛细管8置于基座2的基座通孔7中，在毛细管8的两端延伸出温度测量光纤14，基座2的长度大于毛细管8的长度，但小于温度测量光纤14的长度；因此将毛细管8置于基座通孔7中时，温度测量光纤14会从基座通孔7的两端向外导出。

步骤三，将基座2置于光纤保护外壳1的凹槽中，温度测量光纤14从光纤保护外壳1的光纤导出通道3向外导出。

将经上述步骤装配好的光纤光栅分布式传感装置安装在被测轴承17上，具体可在光纤保护外壳1上开设螺栓固定孔4，然后用螺钉穿过螺栓固定孔4将光纤保护壳安装固定在被测轴承17的外环上，以方便测量轴承17的温度；将从光纤导出通道3导出的温度测量光纤14与解调设备15电性连接，解调设备15可采用光纤光栅调制解调仪；然后将解调设备15与计算机16电性连接。

通过上述装配方法制得的光纤光栅分布式传感结构简单、方便安装在被测轴承17上，且长期稳定性好、便于拆卸、能应用于海上工作平台齿轮箱轴承。

进一步地，步骤一具体包括以下步骤：

步骤1.1，将温度测量光纤光栅141的两端分别与光纤跳线142熔接以制成带有温度测量栅区9的温度测量光纤14；其中温度测量光纤光栅141则为用于测量温度的温度测量栅区9，光纤跳线142则为非温度测量栅区，两者构成温度测量光纤14；

步骤1.2，截取一段比温度测量光纤光栅141长的毛细管8，且毛细管8的内径比温度测量光纤光栅141的直径大(毛细管8的内径可为1.2mm，避免内径过小不易于温度光纤光栅的套入)；将温度测量栅区9完全置于毛细管8中，且温度测量光纤14不能绷直，应当使其保持处于松弛状态；温度测量光纤14从毛细管8的两端导出；

步骤1.3，在毛细管8的两端点胶，以使温度测量光纤14与毛细管8连接固定；胶水可采用环氧树脂胶水；

步骤1.4，将光纤跳线142封装进保护套管10中。

温度测量光纤14中的温度测量栅区9用于测量温度，在温度测量栅区9外封装毛细管8，以保持结构的稳定性；其中毛细管8可以选用导热性能良好的毛细铜管。将温度测量光纤14套入毛细管8后，温度测量栅区9应完全位于毛细管8内，以避免影响测量精度。在将温度测量栅区9置于毛细管8中时，应当使温度测量光纤14保持松弛状态，不能绷直，以防止毛细管8受热产生应变对温度测量栅区9产生影响。将温度测量栅区9完全置于毛细管8内后，对毛细管8的两端用环氧树脂胶水进行密封，以将温度测量光纤14与毛细管8连接固定，同时能保证毛细管8内部的密封性，避免外界因素对毛细管8内部的温度测量栅区9产生影响，造成温度测量精度较低。温度测量栅区9用毛细管8进行封装保护，而从毛细管8两端导出的温度测量光纤14则采用保护套管10进行封装保护；保护套管10具有耐腐蚀性，优选采用收缩比为2:1的辐照交联特种含氟聚合物PVDF制成，具有优异的耐化学腐蚀和耐溶剂性能，绝缘性好，保证了光纤的密封性，隔绝了液体，防止带腐蚀性的液体直接接触而腐蚀了光纤。

进一步地，步骤二具体包括以下步骤：

步骤2.1，在基座2上开设基座通孔7；

步骤2.2，将开设有第一通孔1311的第一密封端盖131用环氧树脂胶12粘接在基座通孔7的一端，第一通孔1311与基座通孔7相互连通，温度测量光纤14可穿过第一通孔1311向外伸出；

步骤2.3，将毛细管8吊起，使其置于基座通孔7中；

步骤2.4，在往基座通孔7中灌入导热剂11时，对基座2进行敲击；导热剂11的主要成分为氧化镁或氮化铝；

步骤2.5，将开设有第二通孔1321的第二密封端盖132用环氧树脂胶12粘接在基座通孔7的另一端，且温度测量光纤14穿过第二通孔1321向外伸出；

步骤2.6，用环氧树脂胶水将第一通孔1311和第二通孔1321密封。

将第一密封端盖131粘接在基座2的一端，然后将基座2未粘接第一密封端盖131的一端竖直向上，用固定装置将基座2固定；然后将毛细管8吊起来，置于基座通孔7内，此时温度测量光纤14穿过第一通孔1311向外延伸，另一端从基座通孔7中向上往外延伸；往基座通孔7中灌入导热剂11，一边灌入一边轻轻敲击基座2的外壁，以使导热剂11填充均匀；为保证导热效果，导热剂11的主要成分可以优选为氧化镁或氮化铝。当导热剂11完全盖过毛细管8，填充满基座通孔7与毛细管8之间的间隙后，将第二密封端盖132粘接在基座2的另一端，其中温度测量光纤14应穿过第二密封端盖132上的第二通孔1321向外伸出；最后用环氧树脂胶水将第一通孔1311和第二通孔1321粘接、密封，以完成毛细管8在基座2中的封装。基座2可采用导热性能良好的金属材质制成，即保证了结构的稳定性，又不影响温度测量栅区9对轴承17温度的测量。

进一步地，步骤三具体包括以下步骤：

步骤3.1，在光纤保护外壳1中开设相互连通方形凹槽5和弧形凹槽6；

步骤3.2，将基座2置于方形凹槽5中，将从基座2中导出的温度测量光纤14置于弧形凹槽6中。

基座2的整体形状呈现立方体，而光纤保护外壳1中开设的方形凹槽5的形状则与基座2的形状相适配；如此设置可使基座2更稳固地安装在光纤保护外壳1中。光纤保护外壳1还开设有与方形凹槽5相互连通的弧形凹槽6，当基座2置于方形凹槽5中时，从基座2两端导出的温度测量光纤14置于弧形凹槽6中。光纤保护外壳1还开设有光纤导出通道3，温度测量光纤14从光纤导出通道3导出，然后与解调设备15电性连接，最后再将解调设备15与计算机16电性连接。

依照上述的装配方法可制得一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置，包括光纤保护外壳1、基座2、毛细管8和温度测量光纤14，光纤保护外壳1上设有多个凹槽，基座2上设置有基座通孔7；温度测量光纤14上设有多个温度测量栅区9；温度测量栅区9封装在毛细管8中；毛细管8封装在基座2中；基座2置于光纤保护外壳1的部分凹槽内。

进一步地，当温度发生变化时，温度测量栅区9的中心波长变化满足：

其中，ξ为光纤光栅的热光常熟，n为光栅光芯的有效折射率，α为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为温度的变化量。

进一步地，还包括有保护套管10，相邻两个温度测量栅区9之间的温度测量光纤14为非温度测量栅区，至少部分非温度测量栅区封装于保护套管10内，部分非温度测量栅区为未封装于毛细管8内的部分温度测量光纤14。

进一步地，方形凹槽5和弧形凹槽6分别为多个，且依次间隔设置于光纤保护外壳1上。方便在光纤保护外壳1中设置多个温度测量光纤14；达到测量多个位置温度的目的，使整个测量结果更加准确。

进一步地，光纤保护外壳1上还设置有光纤导出通道3，光纤导出通道3用于导出温度测量光纤14。

进一步地，光纤导出通道3的横截面呈弧形，用以减少温度测量光纤14在导出时的弯曲程度。

传统的光纤光栅轴承传感器都是在轴瓦上进行开槽处理预埋传感器或在轴承座上直接粘贴，一方面操作难度较为复杂，可行性低，且无法进行拆卸更换，另一方面距离轴承太远，测量所得的数据存在很大的偏差。而本发明装配方法制得的传感装置无需进行预埋操作处理，只需在轴承外环内圈上开设凹槽和固定螺栓孔，即可稳定方便的安装整套设备，并且该温度测量装置直接布置在轴承外环上，相比于传统的轴承温度传感器，结果更为精确。本发明装配方法制得的传感装置具有测量精度高、结构简单、长期稳定性好、便于拆卸、耐腐蚀性好、抗电磁干扰、易于实现分布式测量且能应用于海上工作平台齿轮箱轴承的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将温度测量光纤(14)的温度测量栅区(9)封装进毛细管(8)中，且温度测量光纤(14)从毛细管(8)的两端导出；

步骤二，将毛细管(8)置于基座(2)的基座通孔(7)中，且温度测量光纤(14)从基座通孔(7)的两端导出；

步骤三，将基座(2)置于光纤保护外壳(1)的凹槽中，且温度测量光纤(14)从光纤保护外壳(1)的光纤导出通道(3)导出。

2.根据权利要求1所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，步骤一包括以下步骤：

步骤1.1，将温度测量光纤光栅(141)的两端分别与光纤跳线(142)熔接以制成带有温度测量栅区(9)的温度测量光纤(14)；

步骤1.2，截取一段比温度测量光纤光栅(141)长的毛细管(8)，将温度测量栅区(9)完全置于毛细管(8)中，且温度测量光纤(14)从毛细管(8)的两端导出；

步骤1.3，在毛细管(8)的两端点胶，以使温度测量光纤(14)与毛细管(8)连接固定；

步骤1.4，将光纤跳线(142)封装进保护套管(10)中。

3.根据权利要求2所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，在步骤1.2中，在将温度测量栅区(9)完全置于毛细管(8)中时，温度测量光纤(14)保持处于松弛状态。

4.根据权利要求1所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，步骤二包括以下步骤：

步骤2.1，在基座(2)上开设基座通孔(7)；

步骤2.2，用开设有第一通孔(1311)的第一密封端盖(131)粘接在基座通孔(7)的一端，且温度测量光纤(14)穿过第一通孔(1311)向外伸出；

步骤2.3，将毛细管(8)吊起，使其置于基座通孔(7)中；

步骤2.4，往基座通孔(7)中灌入导热剂(11)；

步骤2.5，将开设有第二通孔(1321)的第二密封端盖(132)粘接在基座通孔(7)的另一端，且温度测量光纤(14)穿过第二通孔(1321)向外伸出。

5.根据权利要求4所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，导热剂(11)的主要成分为氧化镁或氮化铝。

6.根据权利要求4所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，步骤2.4，在往基座通孔(7)中灌入导热剂(11)时，对基座(2)进行敲击。

7.根据权利要求4所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，第一密封端盖(131)和第二密封端盖(132)均采用环氧树脂胶(12)分别粘接在基座通孔(7)的两端。

8.根据权利要求4所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，步骤二还包括步骤2.6，在完成步骤2.5之后，用胶水将第一通孔(1311)和第二通孔(1321)密封。

9.根据权利要求8所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，所述胶水为环氧树脂胶水。

10.根据权利要求1所述的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，其特征在于，步骤三包括以下步骤：

步骤3.1，在光纤保护外壳(1)中开设相互连通的方形凹槽(5)和弧形凹槽(6)；

步骤3.2，将基座(2)置于方形凹槽(5)中，将从基座(2)中导出的温度测量光纤(14)置于弧形凹槽(6)中。

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