CN1973179A - 旋转体监测装置 - Google Patents

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Abstract

一种纤维布雷格光栅(FBG)传感器安装在旋转体上，后者由相对于固定元件旋转安装的旋转轴支撑。FBG传感器沿着旋转轴延伸，其一个端部设置在旋转轴的端部中心。光学纤维安装在固定元件上，其一个端部设置成相对于FBG传感器的端部。从宽带光源发射的光穿过光学纤维并且越过光选纤维和FBG传感器之间的间隙传输到FBG传感器。FBG传感器反射其频率相应于旋转体的变形的光。数据处理单元接收反射的光并且基于该光计算旋转体的变形。

Description

旋转体监测装置
技术领域
本发明涉及一种旋转体监测装置，更特别地，涉及一种利用布雷格(Bragg)光栅传感器检测旋转体，诸如飞轮、直升机的转子等的缺陷和故障的监测装置。
背景技术
旋转体是机械设备，诸如飞轮蓄能系统的飞轮、直升机的转子、涡轮机叶片等等的重要组件。因此，监测这些旋转体，检测任何缺陷或者故障，从而防止不希望的事故发生是非常重要的。一种在操作过程中监测旋转体的方法是直接在旋转体上安装类似应变计的传感器。然而，这种方法存在问题，在于其很难为这些传感器提供动力，以及很难从这些传感器向远离旋转体的控制部分传送信号。
在这种方法中，安装在支撑旋转体的转轴上的滑环用于向这些传感器提供动力并且向控制部分传送信号。传感器的电缆集中在滑环处并且连接在滑环上。然而，典型地导致的问题是滑环的转子和定子之间的接触必须是恒定的。另外，因为这种接触也通常产生磨损和噪声。另外，如果需要在多个点监测旋转体，诸如涡轮机，滑环的安装和走线严重受到限制。
另一种监测旋转体的方法是将信号处理单元和电池与传感器一起安装在旋转体上。然而，电池必须定期更换，这可能造成麻烦。另外，由于其重量和尺寸的原因，将上述监测器件安装在高速旋转体上是极其困难的。
另一方面，还有一种间接监测方法，将传感器安装在互连的构件上，其靠近旋转体定位。例如，安装在支撑旋转体的轴承的壳体上的加速表和间隙传感器，能够监测旋转体的振动。然而，利用上述间接监测方法，很难在早期阶段表明振动信号与旋转体的缺陷或者故障指标之间的联系，并且很难进一步检测旋转体的变形。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的问题并且提供一种监测旋转体的装置，其能够在操作过程中精确地检测旋转体的缺陷或者故障并且其易于安装。
与前述目的一致，并且根据如此处宽泛地实施的本发明，这里提供一种旋转体监测装置，其由相对于固定元件旋转安装的旋转轴支撑。该监测装置包括：用于发射光的宽带光源，发射光；光传输器件，其连接在宽带光源上并且固定在固定元件上；纤维布雷格光栅传感器，其安装在旋转体上，纤维布雷格光栅经由光传输器件接收来自宽带光源的光并且反射其频率相应于旋转体变形的光；以及数据处理单元，其连接在光传输器件上，该数据传输单元经由光传输单元接收从布雷格光栅反射的光并且基于该反射光计算旋转体的变形。
纤维布雷格光栅传感器沿着旋转轴延伸并且其一个端部设置在旋转轴的端部中心。另外，光传输器件是光学纤维，其一个端部设置成相对于纤维布雷格光栅传感器的所述端部。
附图说明
本发明的上述目的和特征从以下结合附图给出的优选实施例的说明中将变得更为明白。
图1示意性地示出了飞轮，其上安装有旋转体监测装置，该装置根据本发明的优选实施例构成；
图2至5示出了将纤维布雷格光栅传感器安装在飞轮的旋转轴上的各种变型；
图6示意性地示出了直升机，其中安装有旋转体监测装置，该装置根据本发明的优选实施例构成；
图7是局部截面图，示出了纤维布雷格光栅传感器的安装机构和图6所示的转子。
具体实施方式
现在将参照附图说明本发明的优选实施例。
图1示意性地示出了飞轮蓄能系统的飞轮，其上安装有旋转体监测装置，该装置根据本发明的优选实施例构成。
如图所示，旋转轴12耦合至圆柱飞轮10的两个端部的中心部分。旋转轴12与飞轮10一起转动，同时由轴承28支撑。为了在旋转过程中实时监测飞轮10，在飞轮10上以螺线形绕制有纤维布雷格光栅(FBG)传感器20。
已知的是，FBG传感器20具有光学纤维22和多个布雷格光栅24，它们形成在光学纤维22上。当光线穿过FBG传感器20，每个布雷格光栅24反射满足其自身布雷格条件的频率的光，但是允许其他频率穿过。通常，满足布雷格条件的频率称为布雷格频率。如果FBG传感器20的环境温度变化并且向FBG传感器20施加拉伸或者压缩力，则光学纤维22的反射系数或者长度改变。这样，布雷格频率也发生改变。有报道说，光学纤维的1％的拉伸导致布雷格频率的波长变化12nm，光学纤维22的1％的压缩导致布雷格频率的波长变化32nm，并且100℃的温度变化导致布雷格频率的波长变化1.1nm。因此，环境温度、拉伸、压缩或者弯曲能通过测量从FBG传感器20的布雷格光栅24反射的光的频率来检测。
FBG传感器20的光学纤维22(以下，称为第一光学纤维)利用环氧树脂(以螺线形)附着在飞轮10的圆周上。光学纤维22配合地插入通孔14，该通孔在中心位置贯穿旋转轴12而形成。光学纤维22的一个端部设置在旋转轴12的端部中心。传统上，光学纤维22非常细和非常轻而不会影响飞轮10和旋转轴12的转动。另外，在将FBG传感器20安装在飞轮10上以后会实施平衡过程。另一方面，FBG传感器20可以在制造飞轮10的时候放置在飞轮10的内部。
固定地安装成相对于旋转轴12并且在飞轮蓄能系统中设置成离开该旋转轴的元件30设置有光传输器件(即，第二光学纤维32)。第二光学纤维32的端部与第一光学纤维22的端部对准。第二光学纤维32从飞轮蓄能系统向外延伸，并且与计算飞轮10的变形的数据处理单元40连接。将第二光学纤维32安装到系统中的固定元件30上并且离开第一光学纤维22的原因是因为第一光学纤维与飞轮10和旋转轴12一起转动。这样，其不能直接连接在数据处理单元40上。还有，第一和第二光学纤维22和32的布置是可行的，因为典型的光学纤维的特征是，其能够向隔开设置的其他光学纤维发送光，也能接收来自隔开设置的其他光学纤维的光。
数据处理单元40包括：宽带光源(未示出)，其在宽频范围内发射光，该光源与第二光学纤维连接；光接收器件(未示出)，用于接收来自FBG传感器20的光并且将接收到的光转换成电信号；光耦(未示出)，其连接在第二光学纤维32上，来自宽带光源的光线穿过第二光学纤维32并且穿过从FGB传感器20反射向光接收器件的光；以及分析部分(未示出)，用于从光接收器件接收信号并且分析该信号，以便计算飞轮10的变形。由于数据处理单元40的结构和变形检测过程对于本领域的技术人员是已知的，其解释内容省略。
另一方面，因旋转轴12的转动导致的振动可能使第一和第二光学纤维22和32的两个相对端不对准，由此导致信号传输中断。为了防止这种情况，在第一和第二纤维22和32的两个相对端上安装了校准和聚焦器件26。校准和聚焦器件26可以实施为梯度指数(gradient-index)(GRIN)棒形透镜或者C透镜。由于这些透镜对于光学领域的技术人员是已知的，其说明省略。
以下，将说明根据本发明的旋转体监测装置的操作效果。
从数据处理单元40内的宽带光源发射出的光穿过第二光学纤维32并且经由安装在固定元件30上的校准和聚焦器件26平行传输，然后，该平行光从固定元件30朝向旋转轴12前进，越过它们之间的间隙。该平行光经由安装在旋转轴12上的校准和聚焦器件26聚焦在FBG传感器20的第一光学纤维22的端部并且穿过第一光学纤维22。
满足上述布雷格条件的频率的光被布雷格光栅24反射。然而，其他频率的光穿过布雷格光栅24。如果飞轮10变形，则布雷格光栅24也会变形。这导致可以被布雷格光栅反射的光的频率相应于布雷格光栅24的变形而发生变化。从布雷格光栅24反射的光穿过第一光学纤维22并且经由安装在旋转轴12上的校准和聚焦器件26平行传输。该平行光朝向固定元件30传输，越过旋转轴12和固定元件30之间的间隙。该平行光经由安装在固定元件30上的校准和聚焦器件26聚焦在第二光学纤维32上，并且通过第二光学纤维32传输到数据处理单元40内的光接收器件。该光接收器件将接收到的光转换成电信号并且将该信号传输到分析部分。分析部分基于该信号计算飞轮10的变形。
图2至5图示了FBG传感器20安装在飞轮10的旋转轴12的各种改动。
在上述的实施例中(参照图1)，第一光学纤维22插入沿中心轴形成在旋转轴的中心部分的通孔14内。然而，当旋转轴12相对较长时，很难轴向贯穿旋转轴12在其中心部分形成通孔14，以便第一光学纤维22配合插入。在这种情况下，如图2所示，沿轴向在旋转轴12的外表面上从与飞轮10结合的点到靠近旋转轴12的端部的点形成狭槽12a。另外，形成导向孔12b，与狭槽12a的端部连通并且向着安装在旋转轴12的端部的校准和聚焦器件26延伸。因此，黏附在飞轮10上的FBG传感器20的第一光学纤维22沿着旋转轴12延伸，同时束缚或者配合在狭槽12a内。然后，其插入导向孔12b内。狭槽12a防止第一光学纤维22和轴承28发生干涉，这样确保了轴12的光滑转动。
如图3所示，如果旋转轴12不被任何轴承支撑，仅形成导向孔12b，其从靠近旋转轴12的端部的圆周点向校准和聚焦器件26延伸，而不形成狭槽12a(见图2)。因此，黏附在飞轮10上的FBG传感器20的第一光学纤维22沿着旋转轴12延伸，同时束缚在旋转轴12的外表面上。然后其插入导向孔12b。
如果无法在旋转轴12上形成狭槽12a或者导向孔12b，则在其中心部分装配校准和聚焦器件26的附加的容纳构件16可以耦合在旋转轴12的端部(如图4所示)。黏附在飞轮10上的FBG传感器20的第一光学纤维22沿着旋转轴12延伸，同时束缚在旋转轴12的外表面上。然后其受到引导进入该容纳构件16，朝向校准和聚焦器件16。
另一方面，如果旋转轴12太长并且由轴承支撑，则第一光学纤维22应当轴向穿过旋转轴12。但是，很难甚至不可能在旋转轴12内部轴向形成狭窄路径(其中配合插入光学纤维)，其物理特性是非常硬的和刚性的。为了解决这个问题，设置了支撑杆18(如图5所示)。支撑杆18由柔软的材料制成，诸如塑料，从而有利于在其中轴向形成光学纤维路径19。支撑杆18在其端部装配有校准和聚焦器件26。另外，插入孔13(其中配合地插入支撑杆18)在旋转轴12的中心位置轴向贯穿该轴。结果是，通过从旋转轴12的插入孔13分离支撑杆或者向其中插入支撑杆18可以容易地实现第一光学纤维22的安装与维护。
不是必须要在支撑杆18的中心部分形成光学纤维路径19。可代替地，可以在支撑杆18的外表面上轴向形成狭槽，其中束缚或者配合第一光学纤维22。在这种情况下，附加的容纳构件16(见图4)应耦合在旋转轴12的端部。
图6示意性地示出了直升机，其中本发明的旋转体监测装置安装在转子叶片上。图7是局部剖视图，示出了FBG传感器的安装结构和图6所示的转子。
如图所示，直升机50通常包括主体52；转子54，其通过旋转轴56连接在主体52上；尾桁58；以及尾舵59。转子54典型地是三或者四叶片55。
FBG传感器60的光学纤维62黏附在所有叶片55的表面上并且轴向穿过旋转轴56。插入孔57轴向贯通旋转轴56在其中心部分形成(其中配合插入光学纤维62)，使得光学纤维62的一个端部设置在旋转轴56的端部中心。在制造叶片55的时候，FBG传感器60可以放置在叶片55的内部。如参照图2至5所述，光学纤维62的安装结构和旋转轴56可以做多种改动。
固定地相对于旋转轴56安装并且在直升机的主体52内与该旋转轴56隔开设置的元件70设置有另一个光学纤维72。光学纤维72的端部与FBG传感器60的光学纤维62的端部对准。光学纤维72与用于计算叶片55的变形的数据处理单元(未示出)连接。
为了检测每个叶片55的缺陷或者故障，布雷格光栅62独立地形成在各个叶片55的光学纤维62处，使得在一个叶片55处的布雷格光栅64反射的光的频率区别于从其他叶片55处的布雷格光栅64反射的光的频率。
校准和聚焦器件66安装在旋转轴56和固定元件70的两个相对端。校准和聚焦器件66可以实施为GRIN棒状透镜或者C透镜。
由于本实施例的操作和效果与先前的实施例(飞轮蓄能系统)相同，其解释省略。
工业实用性
如上详细所述，根据本发明的旋转体监测装置配置成通过向旋转体上黏附FBG传感器，并且通过进一步向任何固定的元件安装另一个光学纤维向FBG传感器传输光或者从该传感器接收光，从而在操作过程中精确地监测旋转体的缺陷和故障。
另外，由于FBG传感器是非常细并且非常轻的，不会影响旋转体的转动，安装过程简单而且操作可靠性得到了提高。
在不背离其精神和实质的条件下本发明可以以其他的具体形式实施。所描述的实施例在所有的方面考虑都应当是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由附带的权利要求指出，而不是由前述说明指出。所有的变化，只要其进入权利要求等同的意义和范围之内，就应当包括在它们的范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转体监测装置，由相对于固定元件旋转安装的旋转轴支撑，所述装置包括：
用于发射光的宽带光源；
光传输器件，其连接在宽带光源上并且安装在固定元件上；
纤维布雷格光栅传感器，其安装在旋转体上，该纤维布雷格光栅传感器经由光传输器件从宽带光源接收光并且反射其频率相应于旋转体的变形的光；和
数据处理单元，其连接在光传输器件上，该数据处理单元经由光传输器件接收从纤维布雷格光栅传感器反射的光并且基于该反射的光计算旋转体的变形。
2.如权利要求1所述的监测装置，其中，纤维布雷格光栅传感器沿着旋转轴延伸，并且纤维布雷格光栅传感器的一个端部设置在该旋转轴的端部中心；和
光传输器件是光学纤维，其一个端部设置成相对于纤维布雷格光栅传感器的端部。
3.如权利要求2所述的监测装置，其中，插入孔贯通旋转轴而形成在其中心部分，该孔中插入所述纤维布雷格光栅传感器。
4.如权利要求2所述的监测装置，其中，在旋转轴的外表面上沿轴向形成狭槽，在该狭槽中配合有所述纤维布雷格光栅传感器；和
导向孔形成在旋转轴上，该导向孔与所述狭槽的端部连通并且朝着旋转轴的端部中心延伸，该孔中插入所述纤维布雷格光栅传感器。
5.如权利要求2所述的监测装置，其中，在旋转轴上形成导向孔，该导向孔与靠近旋转轴的端部的圆周点连通，并且朝旋转轴的端部中心延伸，该孔中插入所述纤维布雷格光栅传感器。
6.如权利要求2所述的监测装置，其中，该监测装置进一步包括支撑杆，该支撑杆沿轴向形成有路径，所述纤维布雷格光栅传感器通过该路径；和
插入孔，所述支撑杆插入该插入孔中，该插入孔沿轴向贯通旋转轴在其中心部分形成。
7.如权利要求2所述的监测装置，其中，该监测装置进一步包括容纳构件，其耦合到旋转轴的端部，该容纳部件引导所述纤维布雷格光栅传感器进入其中，使得该布雷格光栅传感器的端部定位在旋转轴的中心。
8.如权利要求2至7中任一项所述的监测装置，其中，该监测装置进一步包括校准和聚焦器件，其设置在所述纤维布雷格光栅传感器和所述光学纤维的两个相对端部。
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