RU150177U1 - DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION Download PDF

Info

Publication number
RU150177U1
RU150177U1 RU2014126720/28U RU2014126720U RU150177U1 RU 150177 U1 RU150177 U1 RU 150177U1 RU 2014126720/28 U RU2014126720/28 U RU 2014126720/28U RU 2014126720 U RU2014126720 U RU 2014126720U RU 150177 U1 RU150177 U1 RU 150177U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
intra
wear
temperature
measuring
Prior art date
Application number
RU2014126720/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Геннадьевич Морозов
Ильнур Ильдарович Нуреев
Айрат Жавдатович Сахабутдинов
Артем Анатольевич Кузнецов
Ленар Маликович Фасхутдинов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2014126720/28U priority Critical patent/RU150177U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU150177U1 publication Critical patent/RU150177U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

1. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине, равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, отличающееся тем, что на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник непрерывного лазерного излучения выполнен широкополосным и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная решетка Брэгга.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная длиннопериодная решетка.1. A device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction, containing a series-connected laser source, a beam splitter, and at least one measuring optical fiber, the second end of which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to friction surface, as well as sequentially connected at least one transmitting fiber optic fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction, when The first end of the transmitting fiber-optic fiber is connected to the second output of the beam splitter, characterized in that on the segment of the measuring fiber-optic fiber in the region of its second end, an intra-fiber optical sensor for wear and temperature of the product during friction is formed, the laser radiation source is made as a continuous laser source radiation, and the beam splitter as an optical circulator. 2. The device according to claim 1, characterized in that the source of continuous laser radiation is made broadband and has a spectral range of radiation, the width of which overlaps the width of the spectral reflectometric response of an intra-fiber optical sensor lying in this spectral range over the entire range of measured temperatures. The device according to claim 1, characterized in that the intra-fiber optical sensor is designed as an intra-fiber Bragg grating. The device according to claim 1, characterized in that the intra-fiber optical sensor is designed as an intra-fiber long-period grating.

Description

Техническое решение относится к технике оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении, и может быть использовано как в процессе их эксплуатации, так и исследовании указанных характеристик при разработке. Рассматриваемые изделия, как правило, являются элементами различных двигателей, турбин, электрических машин, находящихся в контактном движении с другим изделием. Наиболее наглядным примером таких изделий является щеточно-коллекторный узел электрической машины, контролируемым изделием - его щетка, а измеряемыми параметрами - величина износа и температура щетки.The technical solution relates to the technique of optical measurements of several product parameters simultaneously, in particular, to devices for measuring the amount of wear and temperature of products during friction, and can be used both in the process of their operation and in the study of these characteristics during development. Products under consideration are, as a rule, elements of various engines, turbines, and electric machines that are in contact motion with another product. The most obvious example of such products is the brush-collector assembly of an electric machine, the product being controlled is its brush, and the measured parameters are the amount of wear and temperature of the brush.

Устройства для измерения величины износа и температуры изделий при трении выполняются, как правило, встроенными в контролируемое изделие, и, например, содержат расположенные в изделии два контрольных электрических проводника, изолированных от тела изделия, на определенной глубине и регистрирующую аппаратуру (см. А.с. 1809481 СССР, МПК5 H01R 39/58. Устройство для контроля износа щетки / Н.Н. Павлуцкий; опубл. 15.04.1993, Бюл. №14). При этом контролируется пороговая величина износа изделия, определяемая глубиной расположения контрольных электрических проводников, при достижении которой трущимися изделиями разрушается изоляция проводников, проводники замыкаются элементами второго трущегося изделия и в систему регистрации поступает электрический сигнал о достижении порога износа.Devices for measuring the amount of wear and temperature of products during friction are, as a rule, built into the controlled product, and, for example, contain two control electrical conductors located in the product, isolated from the body of the product, at a certain depth and recording equipment (see A.с 1809481 USSR, IPC5 H01R 39/58. Device for controlling brush wear / NN Pavlutsky; publ. 15.04.1993, Bull. No. 14). At the same time, the threshold value of the wear of the product is determined, which is determined by the depth of the control electrical conductors, at which the rubbing products break the insulation of the conductors, the conductors are closed by the elements of the second rubbing product, and an electrical signal is received to the registration system to reach the wear threshold.

Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа. Кроме того, в ряде применений, например, в электрических машинах, на контрольные электрические проводники может поступить высокое напряжение питания двигателей, что может привести к выходу из строя измерительной части устройства или потребовать применения специальных дополнительных мер по развязке измерительной части по напряжению.The disadvantage of this device is the lack of temperature control, which is of great importance for assessing the process and friction conditions. To measure the temperature, an additional sensor is required. Only a threshold indication of the amount of wear is provided. In addition, in a number of applications, for example, in electric machines, the control electric conductors can receive a high voltage supply of the motors, which can lead to failure of the measuring part of the device or require special additional measures to decouple the measuring part from the voltage.

Известно волоконно-оптическое устройство для контроля величины износа изделий (см. Пат. 4884434 США, 73/7, G01M 11/08. Датчик износа / Т. Сатаке, Е. Имада; опубл. 05.12.1989), которое содержит в качестве встроенных контрольных проводников несколько петель из отрезков волоконно-оптических световодов, расположенных на различной глубине изделия. Каждый отрезок подключен к источнику лазерного излучения и детектору. При достижении величины износа глубины залегания первой петли отрезок волоконно-оптического световода разрывается, что приводит к формированию на выходе детектора сигнала о соответствующей величине износа, и т.д.A fiber-optic device is known for monitoring the amount of wear of products (see US Pat. No. 4884434, 73/7, G01M 11/08. Wear Sensor / T. Satake, E. Imada; publ. 05.12.1989), which contains control conductors several loops of segments of fiber optic optical fibers located at different depths of the product. Each segment is connected to a laser source and a detector. When the amount of wear of the depth of the first loop is reached, the length of the fiber optic fiber is torn, which leads to the formation of a corresponding value of wear at the detector output, etc.

Данное устройство позволяет избавиться от недостатков устройств, использующих электрические контрольные проводники и возможности поступления высоковольтных напряжений на измерительные схемы. Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Кроме того, обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа, хотя и формируется несколько порогов измерения.This device allows you to get rid of the disadvantages of devices that use electrical control conductors and the possibility of high-voltage voltages on the measuring circuit. The disadvantage of this device is the lack of temperature control, which is of great importance for assessing the process and friction conditions. To measure the temperature, an additional sensor is required. In addition, only a threshold indication of the amount of wear is provided, although several measurement thresholds are generated.

Прототипом технического решения является устройство (см. Пат. 8571813 США, 702/34, G01/N 3/56. Волоконно-оптическая сенсорная система для определения износа поверхностей / Джонстон Р.Т.; опубл. 29.10.2013), которое содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого размещен в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, а на втором конце измерительного волоконно-оптического световода дополнительно сформирован участок из переизлучающего материала.The prototype of the technical solution is a device (see US Pat. 8571813 USA, 702/34, G01 / N 3/56. Fiber-optic sensor system for determining surface wear / Johnston RT; publ. 10.29.2013), which contains sequentially connected by a laser source, a beam splitter, and at least one measuring optical fiber, the second end of which is placed in the product at a depth equal to or less than the distance to the rubbing surface, as well as connected at least one transmitting optical fiber tovod detector and controller determine the wear quantity and temperature of the product by friction, wherein the first end of the transmitting fiber optic light guide is connected to the second output of the beamsplitter and the second end of the measuring fiber optic light guide portion is further formed from reemitted material.

Прототип работает следующим образом. Переизлучающий материал возбуждается импульсным излучением источника лазерного излучения через светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод и переизлучает световую энергию на другой длине волны в результате, например, люминесценции. Таким материалом может быть фосфор. Для измерения величины износа и температуры изделия при трении используются характеристики переизлучающего материала. Детектор, отличающийся возможностью проведения как амплитудных, так и спектральных измерений с определением длин волн поступающего на него излучения, регистрирует через светоделитель и передающий волоконно-оптический световод излучение от переизлучающего материала и определяет величину износа по амплитудным характеристикам переизлучения, изменяющимся при стирании переизлучающего материала, и температуру - по спектральным характеристикам переизлучения, а именно, зависящей от температуры длине волны переизлучения.The prototype works as follows. The re-emitting material is excited by pulsed radiation from a laser source through a beam splitter, and at least one measuring fiber optic fiber re-emits light energy at a different wavelength as a result of, for example, luminescence. Such material may be phosphorus. To measure the amount of wear and temperature of the product during friction, the characteristics of the re-emitting material are used. A detector characterized by the possibility of performing both amplitude and spectral measurements with determining the wavelengths of the radiation arriving at it, detects radiation from the re-emitting material through a beam splitter and a fiber-optic optical fiber and determines the amount of wear based on the amplitude characteristics of re-radiation, which changes when the re-emitting material is erased, and temperature - according to the spectral characteristics of re-radiation, namely, the temperature-dependent wavelength of re-radiation.

Прототип в отличие от описанных выше аналогов позволяет одновременно измерять как величину износа, так и температуру изделия, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения, и соответственно к оценке качества работы изделия в целом.The prototype, in contrast to the analogs described above, allows you to simultaneously measure both the amount of wear and the temperature of the product, which is of great importance for assessing the process and friction conditions, and accordingly to assessing the quality of the product as a whole.

Недостатком прототипа является сложность конструкции, определяемая, в том числе, необходимостью использования химически активного переизлучающего материала, его установки в изделие и обеспечения надежного контакта с волоконно-оптическим световодом. Использование переизлучающего материала, позволяет постоянно контролировать величину износа, однако, используется относительно небольшая толщина переизлучающего материала, что приводит к необходимости использования нескольких волокон, расположенных в изделии на различных глубинах, для обеспечения заданного диапазона измерений величины износа. Сам метод измерения величины износа громоздок и сложен при реализации. Следует отметить относительно невысокую точность и измерения температуры при использовании метода люминесценции.The disadvantage of the prototype is the design complexity, determined, inter alia, by the need to use chemically active re-emitting material, install it in the product and ensure reliable contact with the fiber optic fiber. The use of re-emitting material allows you to constantly monitor the amount of wear, however, a relatively small thickness of the re-emitting material is used, which leads to the need to use several fibers located in the product at different depths to ensure a given measurement range of the amount of wear. The method of measuring wear is cumbersome and difficult to implement. It should be noted the relatively low accuracy and temperature measurements using the luminescence method.

Решаемая техническая задача заключается в повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, приходящегося на одно волокно, повышение точности измерений величины износа и температуры, упрощении конструкции устройства.The technical problem to be solved is to increase the range of continuous measurement of the amount of wear per fiber, increase the accuracy of measurements of the amount of wear and temperature, and simplify the design of the device.

Решаемая техническая задача в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении, содержащем последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, достигается тем, что на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор.The technical problem to be solved is a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction, which contains a laser radiation source, a beam splitter, and at least one measuring optical fiber, the second end of which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to the rubbing surface, as well as connected in series to at least one transmitting fiber-optic optical fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature rounds of the product during friction, the first end of the transmitting fiber optic fiber connected to the second output of the beam splitter, is achieved by the fact that on the segment of the measuring fiber optic fiber in the region of its second end, an intra-fiber optical sensor for wear and temperature of the product during friction is formed, a laser radiation source made as a source of continuous laser radiation, and the beam splitter as an optical circulator.

Источник непрерывного лазерного излучения может быть выполнен широкополосным и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, также лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.A source of continuous laser radiation can be made broadband and has a spectral range of radiation, the width of which overlaps the width of the spectral reflectometric response of an intra-fiber optical sensor, also lying in this spectral range, in the entire range of measured temperatures.

Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной решетки Брэгга.The device can be performed using an intra-fiber optical sensor based on an intra-fiber Bragg grating.

Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки.The device can be performed using an intra-fiber optical sensor based on an intra-fiber long-period grating.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства с изделием.In FIG. 1 shows a block diagram of a device with an article.

На фиг. 2 представлен алгоритм работы контроллера определения величины износа и температуры изделия при трении.In FIG. 2 shows the algorithm of the controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction.

Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (фиг. 1) содержит последовательно соединенные источник 1 лазерного излучения, оптический циркулятор 2, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод 3, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод 4, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода 4 соединен со вторым выходом оптического циркулятора 2. Кроме того на отрезке длиной L измерительного волоконно-оптического световода 3 в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик 7 величины износа и температуры изделия 8 при трении, размещенный в изделии 8 на глубине H равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности, источник 1 лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения.A device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction (Fig. 1) contains a laser radiation source 1 connected in series, an optical circulator 2, and at least one measuring optical fiber 3, as well as at least one transmitter fiber optic fiber 4, detector 5 and controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction 6, and the first end of the transmitting optical fiber 4 is connected to the second output of the optical circuit ora 2. In addition, on a length L of the measuring optical fiber 3 in the region of its second end, an intra-fiber optical sensor 7 of the amount of wear and temperature of the product 8 during friction is formed, which is placed in the product 8 at a depth H equal to or less than the distance R from the rubbing surface, the source of laser radiation 1 is made as a source of continuous laser radiation.

Устройство может быть выполнено с использованием широкополосного источника 1 непрерывного лазерного излучения и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7, также лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.The device can be made using a broadband source 1 of continuous laser radiation and has a spectral range of radiation, the width of which overlaps the width of the spectral reflectometric response of an intra-fiber optical sensor 7, also lying in this spectral range, over the entire range of measured temperatures.

Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга.The device can be performed using an intra-fiber optical sensor 7 based on an intra-fiber Bragg grating.

Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки.The device can be performed using an intra-fiber optical sensor 7 based on an intra-fiber long-period grating.

Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении.Consider the operation of the device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction.

Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник лазерного излучения 1, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 к источникам питания, осуществляют запись программы обработки сигнала согласно алгоритму приведенному на фиг. 2 в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6. В изделии 8 располагают часть измерительного волоконно-оптического световода 3, второй конец которого размещен в изделии 8 на глубине H равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности изделия 8 и какого-либо другого изделия (на фиг. 1 не показано). При этом на отрезке длиной L измерительного волоконно-оптического световода 3 в области его второго конца (расстояние от края оптического датчика до края измерительного оптического световода должна быть не менее требуемой разрешающей способности измерения величины износа изделия при трении) сформирован внутриволоконный оптический датчик 7 величины износа и температуры изделия при трении. Внутриволоконный оптический датчик 7 может быть построен на основе внутриволоконной решетки Брэгга, а так же - на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки. Расстояние H-L=P величина постоянная и определяет разницу между глубиной установки внутриволоконного оптического датчика и его длиной. Величина P может быть равно 0, а R=H, что и будет принято для упрощения пояснения работы устройства.The components of the circuit according to FIG. 1, a laser radiation source 1, a detector 5 and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction 6 are connected to power sources, a signal processing program is recorded according to the algorithm shown in FIG. 2 to the controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction 6. The product 8 has a part of the measuring optical fiber 3, the second end of which is placed in the product 8 at a depth H equal to or less than the distance R from the rubbing surface of the product 8 and some other products (not shown in FIG. 1). At the same time, on the length L of the measuring optical fiber 3 in the region of its second end (the distance from the edge of the optical sensor to the edge of the measuring optical fiber must be not less than the required resolution for measuring the amount of wear of the product during friction), an intra-fiber optical sensor 7 of the amount of wear is formed and product temperature during friction. The intra-fiber optical sensor 7 can be constructed on the basis of the Bragg intra-fiber lattice, as well as on the basis of the long-period intra-fiber lattice. The distance H-L = P is a constant value and determines the difference between the depth of installation of the intra-fiber optical sensor and its length. The value of P can be equal to 0, and R = H, which will be taken to simplify the explanation of the operation of the device.

Тогда величина износа изделия при трении будет определяться как:Then the amount of wear of the product during friction will be determined as:

Figure 00000002
Figure 00000002

т.е. для измерения величины износа изделия при трении осуществляют измерение длины внутриволоконного оптического датчика 7.those. to measure the amount of wear of the product during friction, the length of the fiber optic sensor 7 is measured.

Для измерения температуры изделия при трении производят измерение центральной резонансной длины волны λi рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7, которая при калиброванном значении температуры TC после установки в изделие равна для решетки Брэгга:To measure the temperature of the product during friction, the central resonance wavelength λ i of the reflectometric response of the intra-fiber optical sensor 7 is measured, which, when calibrated by the temperature T C after installation in the product, is equal to the Bragg grating:

Figure 00000003
Figure 00000003

а для длиннопериодной решетки:and for a long-period grating:

Figure 00000004
Figure 00000004

где n - эффективный показатель преломления основной моды сердцевины решетки Брэгга; Δn - разность эффективных показателей преломления сердцевины и оболочки длиннопериодной решетки; ΛBG и ΛLPG - соответственно период решетки Брэгга и длиннопериодной решетки (См. Васильев, С.А. Волоконные решетки показателя преломления и их применения / С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, №12. - С. 1085-1103).where n is the effective refractive index of the main mode of the core of the Bragg grating; Δn is the difference between the effective refractive indices of the core and shell of the long-period grating; Λ BG and Λ LPG , respectively, the period of the Bragg lattice and the long-period lattice (See Vasiliev, S.A. Fiber gratings of the refractive index and their applications / S.A. Vasiliev, O.I. Medvedkov, I.G. Korolev, A. S. Bozhkov, A.S. Kurkov, E.M. Dianov // Quantum Electronics. - 2005.- V. 35, No. 12. - S. 1085-1103).

При изменении температуры изменяется центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика, которая является функцией температуры изделия, а ее изменение описывается следующим выражением для внутриволоконной решетки Брэгга, встроенной в изделии:As the temperature changes, the central resonance wavelength of the reflectometric response changes, which is a function of the temperature of the product, and its change is described by the following expression for the Bragg intra-fiber lattice integrated in the product:

Figure 00000005
Figure 00000005

где ΔT - изменение температуры; α - коэффициент теплового расширения кварцевого стекла.where ΔT is the temperature change; α is the coefficient of thermal expansion of quartz glass.

Соотношение (3) дает типичный сдвиг λBG в зависимости от температуры ~0,01 нм/°C. (См. там же).Relation (3) gives a typical shift of λ BG depending on the temperature of ~ 0.01 nm / ° C. (See ibid.)

Для внутриволоконной длиннопериодной решетки определяется сдвиг ΔλLPG For an intrafiber long-period grating, the shift Δλ LPG is determined

Figure 00000006
Figure 00000006

Соотношение (4) дает типичный сдвиг ΔλLPG в зависимости от температуры ~0,1 нм/°C. (См. там же).Relation (4) gives a typical shift Δλ LPG depending on the temperature of ~ 0.1 nm / ° C. (See ibid.)

Таким образом, измерение температуры будет определяться зависимостью:Thus, the temperature measurement will be determined by the dependence:

Figure 00000007
Figure 00000007

или, выраженное через температуру из уравнений (2)-(5) и из условий:or, expressed in terms of temperature from equations (2) - (5) and from the conditions:

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
- измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7; TM - измеряемая температура изделия, i - BG или LPG, в зависимости от типа решетки на которой выполнен внутриволоконный оптический датчик 7.Where
Figure 00000009
- the measured central resonant wavelength of the reflectometric response of the intrafiber optical sensor 7; T M is the measured temperature of the product, i - BG or LPG, depending on the type of grating on which the intra-fiber optical sensor 7 is made.

Для измерения температуры источник 1 лазерного излучения генерирует непрерывное излучение. Данное излучение через оптический циркулятор 2, поступает на измерительный волоконно-оптический световод 3 и через него во внутриволоконный оптический датчик 7.To measure the temperature, the laser source 1 generates continuous radiation. This radiation through the optical circulator 2, enters the measuring fiber-optic optical fiber 3 and through it into the intra-fiber optical sensor 7.

Рефлектометрический отклик внутриволоконного оптического датчика 7 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход оптического циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется

Figure 00000009
- измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям
Figure 00000009
, заложенным калибровочным значениям λi, TC, Δλi/ΔT и в соответствии с (7) определяется температуры изделия при трении. Полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).The reflectometric response of the intra-fiber optical sensor 7 through the measuring optical fiber 3, the first and second output of the optical circulator 2 transmitting the optical fiber 4 is fed to the detector 5, in which
Figure 00000009
- the measured central resonance wavelength of the reflectometric response of the intra-fiber optical sensor 7. The received information is sent to the controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction 6, in which according to the obtained values
Figure 00000009
embedded in the calibration values λ i , T C , Δλ i / ΔT and in accordance with (7) the temperature of the product during friction is determined. The obtained value is supplied to the information display device (in Fig. 1, the information display device is not shown).

Для измерения величины износа изделия при трении используется та же процедура, что и для измерения температуры до момента обработки информации о рефлектометрическом отклике внутриволоконного оптического датчика 7 в детекторе 5.To measure the amount of wear of the product during friction, the same procedure is used as for measuring the temperature until the information about the reflectometry response of the intra-fiber optical sensor 7 in the detector 5 is processed.

Внутриволоконный оптический датчик 7 формирует рефлектометрический отклик с амплитудой Ai на центральной резонансной длине волны

Figure 00000009
, которая является функцией от его длины L.The intra-fiber optical sensor 7 generates a reflectometric response with amplitude A i at the central resonant wavelength
Figure 00000009
, which is a function of its length L.

Для внутриволоконного оптического датчика 7, выполненного на основе внутриволоконной решетки Брэгга, эта функция может быть описана следующим выражением:For an intra-fiber optical sensor 7, based on the Bragg intra-fiber lattice, this function can be described by the following expression:

Figure 00000010
Figure 00000010

где кBG - коэффициент связи внутриволоконной решетки Брэгга, который для однородных внутриволоконных решеток Брэгга постоянен (См. там же).where k BG is the coupling coefficient of the Bragg intra-fiber lattice, which is constant for homogeneous Bragg intra-fiber lattices (See ibid.).

Для внутриволоконного оптического датчика 7, выполненного на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки, эта функция может быть описана следующим выражением:For an intra-fiber optical sensor 7 made on the basis of a long-period intra-fiber grating, this function can be described by the following expression:

Figure 00000011
Figure 00000011

где кLPG - коэффициент связи внутриволоконной длиннопериодной решетки, который для однородных внутриволоконных длиннопериодных решеток постоянен (См. там же).where k LPG is the coupling coefficient of the long-period interfiber lattice, which is constant for homogeneous long-wavelength interfiber lattices (see ibid.).

Из приведенных выражений видно, что при изменении L, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины внутриволоконного оптического датчика 7, будет происходить изменение амплитуды его рефлектометрического отклика: в случае использования внутриволоконной решетки Брэгга в соответствии с выражением (8), в случае использования внутриволоконной длиннопериодной решетки в соответствии с выражением (9).It can be seen from the above expressions that with a change in L, which in our case will be caused by wear of the product and a corresponding decrease in the length of the intrafiber optical sensor 7, there will be a change in the amplitude of its reflectometric response: in the case of the use of the Bragg grating in accordance with expression (8), in the case of using an intrafiber long-period grating in accordance with expression (9).

Определим зависимости Li(Ai) для внутриволоконного оптического датчика 7:Let us determine the dependences L i (A i ) for the intra-fiber optical sensor 7:

- при использовании внутриволоконной решетки Брэгга- when using the Bragg intra-fiber grating

Figure 00000012
Figure 00000012

- при использовании длиннопериодной решетки- when using a long-period grating

Figure 00000013
Figure 00000013

Таким образом, рефлектометрический отклик внутриволоконного оптического датчика 7 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход оптического циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется Ai - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям Ai, заложенным значениям кi, R, в соответствии с (10) для случая использования решетки Брэгга (i=BG) и в соответствии с (11) для случая использования длиннопериодной решетки (i=LPG) из (1) определяется величина износа ΔR изделия при трении, полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).Thus, the reflectometric response of the intra-fiber optical sensor 7 through the measuring optical fiber 3, the first and second output of the optical circulator 2, the transmitting optical fiber 4 is fed to the detector 5, in which A i is recorded - the measured central resonant wavelength of the reflectometric response of the intra-fiber optical sensor 7. The received information goes to the controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction 6, in which, according to the received values m A i, laid values for i, R, in accordance with (10) in the case of using Bragg grating (i = BG) and in accordance with (11) in the case of using long-period grating (i = LPG) (1) is determined by the value wear ΔR of the product during friction, the obtained value is transmitted to the information display device (in Fig. 1, the information display device is not shown).

Преимущества использования внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга и внутриволоконной длиннопериодной решетки заключаются в уникальном преобразовании измеряемой температуры в смещение длин волн, отраженного от них излучения, и в возможности простого изготовления. При этом сам внутриволоконный оптический датчик 7 является неотделимой частью измерительного волоконно-оптического световода 3, что еще больше упрощает конструкцию устройства по сравнению с прототипом. Кроме того, как было показано выше, решетки способны одновременно измерять и величину износа. При типовых значениях длин внутриволоконных решеток Брэгга 5-30 мм и внутриволоконных длиннопериодных решеток 20-60 мм только одно волокно требуется для измерения величины износа изделия при трении на указанную величину.The advantages of using the intra-fiber optical sensor 7 based on the Bragg intra-fiber lattice and the long-fiber intra-fiber lattice are the unique transformation of the measured temperature into a shift in the wavelengths of the radiation reflected from them and the possibility of simple manufacturing. In this case, the intra-fiber optical sensor 7 itself is an integral part of the measuring optical fiber 3, which further simplifies the design of the device compared to the prototype. In addition, as shown above, gratings are capable of simultaneously measuring the amount of wear. For typical Bragg gratings of 5-30 mm and fiber gratings of 20-60 mm, only one fiber is required to measure the wear of the product during friction by the specified value.

Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении может быть реализовано с использованием различных типов измерительных волоконно-оптических световодов 3 и передающих волоконно-оптических световодов 4, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач: диапазона измеряемых температур, физико-химических свойств изнашиваемого материала и т.д. Это могут быть кварцевые, германиевые, полимерные, сапфировые и др. волоконно-оптические световоды. Во всех указанных волоконно-оптических световодах могут быть сформированы внутриволоконные оптические датчики 7 на основе решеток Брэгга или длиннопериодных решеток.A device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction can be implemented using various types of measuring fiber optic optical fibers 3 and transmitting optical fiber 4, the specific form of which is determined depending on the tasks being solved: the range of measured temperatures, the physicochemical properties of the wear material, etc. It can be quartz, germanium, polymer, sapphire and other fiber optic fibers. In all of these optical fibers, intra-fiber optical sensors 7 may be formed based on Bragg gratings or long-period gratings.

Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:A device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction can be implemented on the following elements, designed to operate at a wavelength of 1550 nm:

- источника 1 лазерного излучения для получения непрерывного широкополосного излучения SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Super-lum»;- source 1 of laser radiation to produce continuous broadband radiation SLD-1550-3 - laser diode company "Super-lum";

- оптический циркулятор 2 - циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;- optical circulator 2 - 3PIOC-1550 circulator of the Flyin company;

- измерительный волоконно-оптический световод 3 и передающий волоконно-оптический световод 4 - волоконно-оптический световод SMF-28 фирмы «Corning»;- measuring optical fiber 3 and transmitting optical fiber 4 - optical fiber SMF-28 company "Corning";

- внутриволоконный оптический датчик 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга или длиннопериодной решетки, записанных на волокне SMF-28 в НЦВО «Фотоника» (Москва), НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), Инверсия-Файбер (Новосибирск), Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSense;- an intra-fiber optical sensor 7 based on a Bragg intra-fiber lattice or a long-period lattice recorded on an SMF-28 fiber at the Scientific Center for Higher Education “Photonika” (Moscow), Research Institute of Prefs and Knitu-Kai (Kazan), Inversion-Fiber (Novosibirsk), Inversion-Sensor (Perm ), etc., or purchased sensors of these firms and FiberSense;

- детектор 5 - LSIPD-175-FA волоконно-оптические InGaAs PIN фотоприемники (приемные модули) фирмы IFP;- detector 5 - LSIPD-175-FA fiber-optic InGaAs PIN photodetectors (receiving modules) from IFP;

- контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.- a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction; 6 - a microprocessor controller based on chips from Atmel, Microchip, etc.

При реализации устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.When implementing a device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction, all of the indicated blocks for generating, receiving and processing signals can be performed on a single chip or in an integral design.

По сравнению с устройством по прототипу, для измерения величины износа и температуры изделия при трении с помощью оптических датчиков, включая датчики с переизлучающим материалом, в том числе выполненные на едином кристалле или в интегральном исполнении, у которых существует зависимость рефлектометрического отклика по амплитуде от величины износа и по длине волны их спектральной характеристики от температуры, предложенное устройство внутриволоконного оптического датчика не требует:Compared with the prototype device, for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction using optical sensors, including sensors with re-emitting material, including those made on a single chip or in an integrated version, in which there is a dependence of the reflectometric response in amplitude on the amount of wear and according to the wavelength of their spectral characteristics of temperature, the proposed device intrafiber optical sensor does not require:

во-первых, значительного количества измерительных волоконно-оптических световодов для перекрытия всего диапазона измеряемых величин износа и позволяет непрерывно измерять износ в пределах 5-30 мм для решеток Брэгга и 20-60 мм для длиннопериодных решеток, при этом одновременно проводить измерение температуры;firstly, a significant number of measuring fiber optic fibers to cover the entire range of measured wear values and allows you to continuously measure wear within 5-30 mm for Bragg gratings and 20-60 mm for long-period gratings, while simultaneously taking temperature measurements;

во-вторых, применения химически активных переизлучающих материалов, например, фосфора, что позволяет избежать сложностей стыковки указанного материала с оптической частью прибора и самой его эксплуатации, а также позволяет изготавливать цельный измерительный волоконно-оптический световод с встроенным в него без механических соединений внутриволоконным оптическим датчиком.secondly, the use of chemically active re-emitting materials, for example, phosphorus, which avoids the difficulties of joining the specified material with the optical part of the device and its operation, and also allows the manufacture of an integral measuring fiber-optic fiber with a fiber-optic sensor integrated in it without mechanical connections .

Указанное выше, позволяет судить о существенном упрощении конструкции устройства в целом.The above, allows us to judge a significant simplification of the design of the device as a whole.

Испытания опытного устройства измерения величины износа и температуры изделия при трении, выполненных на внутриволоконных решетках Брэгга, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), откалиброванных на оптических анализаторах спектра EXFO там же, показали, что использование устройства на одном измерительном волоконно-оптическом световоде для измерения величины износа позволило измерить износ в диапазоне до 25 мм с разрешающей способностью в 100 мкм и температуру изделия при трении в диапазоне до 180°C при погрешности измерения температуры 0,1°C. При этом погрешность измерения величины износа и температуры определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения величины износа и температуры и значительно превышает погрешности измерения прототипа.Tests of an experimental device for measuring the amount of wear and temperature of a product during friction performed on Bragg intra-fiber gratings manufactured at the Scientific Research Institute of Advanced Research and Development of Optics and Optics KNITU-KAI (Kazan), calibrated on EXFO optical spectrum analyzers in the same place, showed that the device was used on one measuring optical fiber optical fiber to measure the amount of wear, it was possible to measure wear in the range up to 25 mm with a resolution of 100 μm and the product temperature during friction in the range up to 180 ° C with a temperature measurement error s 0,1 ° C. Moreover, the error in measuring the amount of wear and temperature was determined mainly by the error of the ADC of the controller for determining the amount of wear and temperature and significantly exceeds the measurement error of the prototype.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, приходящегося на одно волокно, повышение точности измерений величины износа и температуры, упрощении конструкции устройства.All this allows us to talk about achieving a solution to the technical problem - increasing the range of continuous measurement of the amount of wear per fiber, improving the accuracy of measuring the amount of wear and temperature, simplifying the design of the device.

Claims (4)

1. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине, равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, отличающееся тем, что на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор.1. A device for measuring the amount of wear and temperature of the product during friction, containing a series-connected laser source, a beam splitter, and at least one measuring optical fiber, the second end of which is designed to be placed in the product at a depth equal to or less than the distance to friction surface, as well as sequentially connected at least one transmitting fiber optic fiber, a detector and a controller for determining the amount of wear and temperature of the product during friction, when The first end of the transmitting fiber-optic fiber is connected to the second output of the beam splitter, characterized in that on the segment of the measuring fiber-optic fiber in the region of its second end, an intra-fiber optical sensor for wear and temperature of the product during friction is formed, the laser radiation source is made as a continuous laser source radiation, and a beam splitter as an optical circulator. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник непрерывного лазерного излучения выполнен широкополосным и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.2. The device according to claim 1, characterized in that the source of continuous laser radiation is made broadband and has a spectral range of radiation, the width of which overlaps the width of the spectral reflectometric response of an intra-fiber optical sensor lying in this spectral range over the entire range of measured temperatures. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная решетка Брэгга.3. The device according to p. 1, characterized in that the intra-fiber optical sensor is designed as an intra-fiber Bragg grating. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная длиннопериодная решетка.
Figure 00000001
4. The device according to p. 1, characterized in that the intra-fiber optical sensor is designed as an intra-fiber long-period grating.
Figure 00000001
RU2014126720/28U 2014-07-01 2014-07-01 DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION RU150177U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126720/28U RU150177U1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126720/28U RU150177U1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU150177U1 true RU150177U1 (en) 2015-02-10

Family

ID=53292670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014126720/28U RU150177U1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU150177U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2557577C1 (en) * 2014-07-01 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Measuring device of value of wear and temperature of product at friction

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2557577C1 (en) * 2014-07-01 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Measuring device of value of wear and temperature of product at friction

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hoffmann et al. Applications of fibre optic temperature measurement.
CN110440838B (en) Multi-parameter optical fiber sensing instrument and sensing method based on multi-core optical fiber
US20150069996A1 (en) Optical fiber for a sensor and a power device monitoring system
Zhou et al. Simultaneous strain and temperature measurement with fiber Bragg grating and multimode fibers using an intensity-based interrogation method
CN210089716U (en) Multi-parameter synchronous sensing acquisition instrument based on multi-core optical fiber sensing
CN101556193A (en) Device and method for calibrating a fibre optic temperature measuring system
Li et al. Power-referenced optical fiber refractometer based on a hybrid fiber grating
US11131544B2 (en) Optical fibre curvature sensor and measurement device comprising said sensor
RU2557577C1 (en) Measuring device of value of wear and temperature of product at friction
RU170835U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION
US11391645B2 (en) Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system
EP3172545B1 (en) Temperature sensor
RU2631082C1 (en) Device for measuring wear amount and temperature of product at friction (versions)
RU150177U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION
CN108801500A (en) Fiber-optical grating temperature sensor based on chaos associated fiber ring attenuation and vibration technique
CN110440837B (en) Multi-parameter optical fiber synchronous sensing acquisition instrument and sensing acquisition method
Miao et al. Simultaneous measurement of strain and temperature using single tilted fibre Bragg grating
RU166821U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE VALUE OF WEAR AND PRODUCT TEMPERATURE DURING FRICTION
RU2413259C1 (en) Method of detecting signals of measuring transducers based on bragg gratings, recorded in single fibre optical guide
RU2491523C1 (en) Fibre-optic thermometer
CN108489631A (en) A kind of absorption spectrum intensity compares temp measuring method
Wo et al. A compact all fiber refractive index sensor based on modal interference
Kuznetsov et al. FBG based brush length sensors for onboard measurement systems
Christensen et al. A fiberoptic temperature sensor using wavelength-dependent detection
CN109668652A (en) A kind of optical fibre temperature survey apparatus of glass tube filling

Legal Events

Date Code Title Description
MG1K Anticipatory lapse of a utility model patent in case of granting an identical utility model

Ref document number: 2014126786

Country of ref document: RU

Effective date: 20150727