CN113532518A - 基于光纤光栅的多参数同步测量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，该装置包括轮对支架，上层支撑架上固定车轮实验轮对，下层支撑架上固定轨道实验轮对，轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；该装置还包括电动机和齿轮变速箱；车轮实验轮对包括中心轴、车轮、扭矩检测机构和垂向检测机构，扭矩检测机构包括沿中心轴的中间位置外环方向均匀设置的四个光纤光栅，形成光纤光栅全桥光路，用于测量车轮实验轮对的扭矩和扭转振动；垂向检测机构包括固定在两个车轮之间的中心轴上的一对弹簧钢板，每个弹簧钢板上均对称设有两个光纤光栅，并通过光纤与外部光纤光栅解调仪连接，用于测量车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅测量领域，尤其涉及基于光纤光栅的扭矩、扭转振动、垂向力和垂向振动等多参数同步测量的方法及装置。
背景技术
扭矩、扭转振动、垂向力、垂向振动是轨道交通领域车辆运行时的重要参数，尤其是在车辆过弯过程中。这些参数能够表现车辆过弯时的轮对状态，对于如钢轨波磨，车轮多边形化等现象的研究具有重要意义。然而，实际测量过程中往往需要使用多种传感器去测量上述参数，测得数据往往需要经过信号转换且很难实现同步测量，不利于相关数据的处理及分析。因此需要提出一种能够实现扭矩、扭转振动、垂向力、垂向振动同步测量的测量方法。
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法，把入射光以相干场图形写入纤芯，致使纤芯的折射率产生周期性变化，让其产生周期性调制，进而在单模光纤的纤芯内部形成永久性的空间相位光栅。光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。
而光纤光栅对温度与应变存在的交叉敏感效应是其传感测量的固有特性，当温度和应力同时变化时，存在“交叉敏感”效应。现有技术中很多实验都不能很好的解决该交叉敏感问题。且单个光纤光栅或单个光纤光栅传感器只能测量一个物理量，基于本试验台需要同时测量扭矩、扭转振动、垂向力和垂向振动四个参数，以前的测量方法在同一实验条件下测量物理量单一，无法达到同时测量的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中应变与温度存在交叉敏感问题，以及扭转信息和垂向力信息无法同时测量的问题，提供一种不受温度和弯矩影响的同时测量扭矩、扭转振动、垂向力和垂向振动的新方法。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，该装置包括轮对支架，其上设有两层支撑架，上层支撑架上固定车轮实验轮对，下层支撑架上固定轨道实验轮对，轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；该装置还包括电动机和齿轮变速箱，电动机与齿轮变速箱的输入轴之间通过联轴器连接，电动机通过齿轮变速箱给轨道实验轮对提供动力；
其中，车轮实验轮对包括中心轴、车轮、扭矩检测机构和垂向检测机构，两个车轮安装在中心轴两端，扭矩检测机构包括沿中心轴的中间位置外环方向均匀设置的四个光纤光栅，形成光纤光栅全桥光路，并通过中心轴内部的光纤连接外部光纤光栅解调仪，用于测量车轮实验轮对的扭矩和扭转振动；垂向检测机构包括固定在两个车轮之间的中心轴上的一对弹簧钢板，每个弹簧钢板上均对称设有两个光纤光栅，并通过光纤与外部光纤光栅解调仪连接，用于测量车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。
接上述技术方案，光纤光栅全桥光路中光纤光栅与的中心轴之间夹角为45°。
接上述技术方案，每个弹簧钢板通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承，以及固定在轴承上方的垫块和压块，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。
接上述技术方案，每个弹簧钢板的两端还设有对称的施重块。
接上述技术方案，轨道实验轮对包括两个盘型实验轮和光轴，光轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，光轴中部套设大同步带轮，齿轮变速箱输出轴通过联轴器与一小同步带轮轴连接，小同步带轮轴上安装小同步带轮，小同步带轮和大同步带轮上安装有同步带，同步带上侧通过一张紧轮机构下压张紧。
接上述技术方案，小同步带轮轴安装在一带座的球轴承上。
接上述技术方案，张紧轮机构包括张紧轮、张紧轮轴和张紧轮支架，张紧轮安装在张紧轮轴上，张紧轮轴安装在张紧轮支架上的一带座球轴承上。
接上述技术方案，大同步带轮通过键连接安装在光轴上；
大同步带轮两侧安装轴承结构，该轴承结构包括带座球轴承和弹簧钢板，带座球轴承上安装轴承压块和垫块，弹簧钢板中部夹在轴承垫块和轴承压块中间，通过螺栓固定。
本发明还提供了一种基于光纤光栅的多参数同步测量的方法，该方法基于上述技术方案的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，该方法包括以下步骤：
使用特定尺寸的车轮使车轮实验轮的内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差，并调整车轮实验轮对和轨道实验轮对的相对位置关系，使两者轴线具有夹角，对应实际列车过弯时的冲角；
启动电动机，驱动轨道实验轮对旋转，车轮实验轮对也随之旋转；
车轮实验轮对和轨道实验轮对之间发生摩擦自激振动，光纤光栅解调仪同步实时测量8个光纤光栅的波长漂移量；
根据测量的光纤光栅全桥光路的4个光纤光栅的波长漂移量计算车轮实验轮对的扭矩和扭转振动；
根据两个弹簧钢板上4个光纤光栅的波长漂移量计算车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。
接上述技术方案，对所有光纤光栅均进行事先标定。
本发明产生的有益效果是：本发明利用基于光纤光栅的多参数同步测量的装置模拟轨道交通车辆过弯过程中的复杂轮轨接触行为，并使用光纤光栅传感技术实现扭矩、扭转振动、垂向力和垂向振动4个关键物理量的同步测量，由于扭转、垂向数据均通过光纤光栅解调仪采集，无需进行信号间转换，在时间上具有良好的对应性，同时测量精度较高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的车轮实验轮对的结构示意图；
图2是本发明实施例光纤光栅全桥光路的结构示意图；
图3为本发明实施例的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置的结构示意图；
图4为本发明的车轮实验轮对部分结构示意图；
图5为本发明实施例的轨道实验轮对结构示意图；
图6为本发明实施例车轮实验轮对示意图；
图7为本发明实施例利用车轮实验轮对测量扭矩、扭转振动、垂向力、垂向振动同步测量方案示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明实施例基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，该装置包括轮对支架3，其上设有两层支撑架，上层支撑架上固定车轮实验轮对31，下层支撑架上固定轨道实验轮对32，轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；该装置还包括电动机1和齿轮变速箱2，电动机与齿轮变速箱的输入轴之间通过联轴器连接，电动机通过齿轮变速箱给轨道实验轮对提供动力。
其中，如图车轮实验轮对31包括中心轴311、车轮312、扭矩检测机构313和垂向检测机构314，两个车轮安装在中心轴两端，扭矩检测机构包括沿中心轴的中间位置外环方向均匀设置的四个光纤光栅3131、3132、3133、3134，形成光纤光栅全桥光路，并通过中心轴内部的光纤连接外部光纤光栅解调仪A，用于测量车轮实验轮对的扭矩和扭转振动。具体地，可使用一根光纤串接轴上的4个光纤光栅测量，其中4个光纤光栅与轴线呈45°粘贴于被测轮对光轴中部，组成光纤光栅全桥，光纤由轴上预埋孔导出至一侧轴端，此时光纤可通过光纤旋转接头连接，由旋转接头另一侧导出至光纤光栅解调仪A。理论上4个光纤光栅在轴水平方向上的位置对于测量结果影响不大，为了避免光纤光栅的安装对轴的力学性能产生不利影响，故安装在轴的中部。使用光纤光栅测量扭矩、扭转振动需要提前标定。根据上述光纤光栅安装方法，当轮轴发生弯曲变形时，4个光纤光栅会产生一个相同的与轴弯矩相关的波长偏移量，另外，温度也会使4个光纤光栅产生一个与温度相关的波长偏移量，利用桥路输出“相邻桥臂输出相减”的特点，可以消除温度与轴弯矩的影响。另外，本安装方法在消除温度和弯矩影响的同时兼顾了轴的扭矩、扭转振动的测量。具体标定方法为固定被测轮对的一侧实验轮，在另一侧实验轮上施加固定的扭矩，由光纤光栅解调仪解调获得对应的光纤光栅漂移量，标定时应选取多组扭矩，重复多次标定，以获得准确的光纤光栅漂移量——扭矩曲线。
垂向检测机构包括固定在两个车轮之间的中心轴上的一对弹簧钢板3141，每个弹簧钢板上均对称设有两个光纤光栅，共计四个光纤光栅3142-1、3142-2、3142-3、3142-4，并通过光纤与外部光纤光栅解调仪连接，用于测量车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。如图7所示，具体可使用一根光纤串接两个弹簧钢板上的4个光纤光栅，其中4个光纤光栅粘贴于安装有车轮实验轮对的弹簧钢板上，其中每2个光纤光栅粘贴在同一弹簧钢板上方，形成光纤光栅半桥，光纤末端直接连接至光纤光栅解调仪A。光纤光栅可采用环氧树脂AB密封胶封装。使用光纤光栅测量垂向力、垂向振动时需要提前标定，由于温度会使每2个光纤光栅产生与温度相关的波长偏移量，利用桥路输出“相邻桥臂输出相减”的特点，可以消除温度的影响。标定方法为在轨道实验轮对下侧使用千斤顶向两实验轮施加固定垂向载荷，由光纤光栅解调仪解调获得对应的光纤光栅漂移量，标定时应选取多组垂向力，重复多次标定，以获得准确的光纤光栅漂移量——垂向力曲线。利用光纤光栅解调仪解调两根光纤八个光栅的波长漂移量，可以实现四个物理量的同步测量，其中测量扭矩、扭转振动的光纤可用旋转接头导出。
如图1所示，车轮实验轮对31中，弹簧钢板3141和3142通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承3143，以及固定在轴承上方的垫块3144和压块3145，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。进一步地，每个弹簧钢板的两端还设有对称的施重块。通过施重块调高或者调低改变弹簧钢板的垂向距离引起弹簧钢板的形变来调整轮对垂向力。
如图3、5所示，轨道实验轮对32包括两个盘型实验轮322和光轴321，光轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，光轴中部套设大同步带轮323，齿轮变速箱2的输出轴通过联轴器41与一小同步带轮轴连接，小同步带轮轴上安装小同步带轮42，小同步带轮42和大同步带轮323上安装有同步带，同步带上侧通过一张紧轮机构44下压张紧。
本发明实施例中，小同步带轮轴安装在一带座的球轴承上。张紧轮机构包括张紧轮、张紧轮轴和张紧轮支架，张紧轮安装在张紧轮轴上，张紧轮轴安装在张紧轮支架上的一带座球轴承上。
进一步地，大同步带轮通过键连接安装在光轴上；大同步带轮两侧安装轴承结构，该轴承结构包括带座球轴承3242和弹簧钢板3241，带座球轴承上安装轴承压块3244和垫块3243，弹簧钢板中部夹在轴承垫块和轴承压块中间，通过螺栓固定。
本发明实施例基于光纤光栅的多参数(扭矩、扭转振动、垂向力、垂向振动)同步测量的方法主要基于上述实施例的装置，该同步测量方法包括以下步骤：
在已对光纤光栅进行标定获取对应的数学关系的前提下，使用特定尺寸的盘型实验轮使内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差，并调整两轮对的相对位置关系，使两者轴线具有夹角，对应实际列车过弯时的冲角。
启动电动机后电动机动力经由传动系统传递至轨道实验轮对，驱动轨道实验轮对旋转，由于轨道实验轮对与车轮实验轮对紧密接触且存在相互作用力，在摩擦力的作用下，车轮实验轮对也将被驱动旋转。由于弹簧钢板的支撑刚度较小，两个轮对会发生摩擦自激振动，此时，光纤光栅解调仪同步实时测量8个光纤光栅的波长漂移量，并将被测数据上传至上位机，经过数学计算后可以获得被测轮对的时间对应的扭矩、扭转振动、垂向力、垂向振动信息。
具体地，扭矩和扭转振动的测量：为了进行车轮实验轮对31轴的扭矩和扭转振动的测量，本发明实施例采用光纤光栅全桥光路测量。可在轴周向表面上开槽，将光纤光栅是埋在槽里面，最后在轴端开孔安装上光纤旋转接头，通过旋转接头与外部光纤光栅解调仪连接的。光纤光栅的位置如图2所示，其中光栅3131、3132、3133、3134与轴线呈45°粘贴，相邻光纤光栅间保证90°夹角的位置关系。这种安装方法可以在消除温度和弯矩对测量结果的同时兼顾扭矩的测量
当转轴受到扭矩M用时，因转轴发生扭转，粘贴其上的四个光栅就会受到相应的拉伸，光栅的波长偏移量和扭矩的关系式为：
式中M为被测扭矩；Δλi为光栅的波长偏移量，i＝1，2，3，4；d为轮轴直径；G材料剪切模量；Kε为光纤光栅的应变灵敏度。
光栅中心波长差随时间的振动曲线可以分解为“直流”分量与“交变”分量之和，其中“直流”分量决定于负载扭矩，而“交变”分量则可以表示扭转角振动。
垂向力和垂向振动的测量：垂向力和垂向振动的测量通过贴在弹簧钢板上的4个光纤光栅3142-1、3142-2、3142-3、3142-4来实现，光纤光栅的位置如图1所示。根据标定可以得到法向力和光栅波长偏移量的关系为：
Nl＝a1Δλ1+a2Δλ2+c1
Nr＝a1Δλ1+a2Δλ2+c1
式中Nl,Nr为被测垂向力；Δλi为光栅的波长偏移量，i＝1，2；a1,a2,c1为标定系数。
由标定后得到公式可以分别得到左轮和右轮的垂向力。
本发明产生的有益效果是：利用轮轨接触实验台模拟轨道交通车辆过弯过程中的复杂轮轨接触行为，并使用光纤光栅传感技术实现扭矩、扭转振动、垂向力和垂向振动4个关键物理量的同步测量，由于扭转、垂向数据均通过光纤光栅解调仪采集，无需进行信号间转换，在时间上具有良好的对应性，同时测量精度较高。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，该装置包括轮对支架，其上设有两层支撑架，上层支撑架上固定车轮实验轮对，下层支撑架上固定轨道实验轮对，轨道实验轮对带动车轮实验轮对转动；该装置还包括电动机和齿轮变速箱，电动机与齿轮变速箱的输入轴之间通过联轴器连接，电动机通过齿轮变速箱给轨道实验轮对提供动力；
其中，车轮实验轮对包括中心轴、车轮、扭矩检测机构和垂向检测机构，两个车轮安装在中心轴两端，扭矩检测机构包括沿中心轴的中间位置外环方向均匀设置的四个光纤光栅，形成光纤光栅全桥光路，并通过中心轴光纤连接外部光纤光栅解调仪，用于测量车轮实验轮对的扭矩和扭转振动；垂向检测机构包括固定在两个车轮之间的中心轴上的一对弹簧钢板，每个弹簧钢板上均对称设有两个光纤光栅，并通过光纤与外部光纤光栅解调仪连接，用于测量车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，光纤光栅全桥光路中光纤光栅与的中心轴之间夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，每个弹簧钢板通过轴承结构固定在中心轴上，轴承结构包括轴承，以及固定在轴承上方的垫块和压块，弹簧钢板固定在垫块和压块之间。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，每个弹簧钢板的两端还设有对称的施重块。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，轨道实验轮对包括两个盘型实验轮和光轴，光轴两端通过胀紧套固定两个盘型实验轮，光轴中部套设大同步带轮，齿轮变速箱输出轴通过联轴器与一小同步带轮轴连接，小同步带轮轴上安装小同步带轮，小同步带轮和大同步带轮上安装有同步带，同步带上侧通过一张紧轮机构下压张紧。
6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，小同步带轮轴安装在一带座的球轴承上。
7.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，张紧轮机构包括张紧轮、张紧轮轴和张紧轮支架，张紧轮安装在张紧轮轴上，张紧轮轴安装在张紧轮支架上的一带座球轴承上。
8.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，其特征在于，大同步带轮通过键连接安装在光轴上；
大同步带轮两侧安装轴承结构，该轴承结构包括带座球轴承和弹簧钢板，带座球轴承上安装轴承压块和垫块，弹簧钢板中部夹在轴承垫块和轴承压块中间，通过螺栓固定。
9.一种基于光纤光栅的多参数同步测量的方法，其特征在于,该方法基于权利要求1的基于光纤光栅的多参数同步测量的装置，该方法包括以下步骤：
使用特定尺寸的车轮使车轮实验轮的内外车轮具有滚动半径差，对应列车过弯时由于轮对横移导致的内外车轮滚动半径差，并调整车轮实验轮对和轨道实验轮对的相对位置关系，使两者轴线具有夹角，对应实际列车过弯时的冲角；
启动电动机，驱动轨道实验轮对旋转，车轮实验轮对也随之旋转；
车轮实验轮对和轨道实验轮对之间发生摩擦自激振动，光纤光栅解调仪同步实时测量8个光纤光栅的波长漂移量；
根据测量的光纤光栅全桥光路的4个光纤光栅的波长漂移量计算车轮实验轮对的扭矩和扭转振动；
根据两个弹簧钢板上 4个光纤光栅的波长漂移量计算车轮实验轮对的垂向力和垂向振动。
10.根据权利要求8所述的基于光纤光栅的多参数同步测量的方法，其特征在于,对所有光纤光栅均进行事先标定。
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