（机械工程专业论文）基于光纤光栅传感的分布式轴承温度测量技术研究.pdf

摘要 轴承广泛应用于航空、航天、车辆、轮船等重要领域，是旋转机械中广泛应 用的基础零件之一，起着支撑和传递动力的作用，同时轴承也是最容易损坏的 零件之一。研究表明机械设备中大约有3 0 的故障是由轴承的损坏造成的，因 此轴承状态监测对企业机械设备正常运行具有极其重要的意义。轴承状态监测 主要是对轴承的振动状态和温度状态的监测。由于振动状态研究中轴承的振动 信号难以准确获取，而温度状态研究中，热源明确，信号单一并易获取，因此 许多对轴承振动状态监测研究的学者后来也转向对轴承温度状态监测的研究。 传统的轴承温度状态监测中采用传统的温度传感器，如热敏电阻，热电偶 等，这些传感器缺点易受电磁干扰，有滞后现象，不易分布式温度场测量，不 能满足分布式轴承温度测量的要求。 一 光纤光栅是一种新型的无源敏感元件，除了具有普通传感器具有的优点外， 还具有不产生电磁干扰、不受电磁干扰，能使用波分复用技术在一根光纤中串 接多个不同波长的光栅进行分布式测量的优点，避免了传统的传感器复杂布线 的缺点。旋转机械设备中轴承温度场的测量需要布置大量的传感器，同时要求 布置的传感器不能影响机械设备的正常工作，采用光纤光栅传感技术能够满足 复杂旋转机械设备中轴承温度场测量的要求。本文正是在这种背景下提出将光 纤光栅传感技术应用于旋转机械设备轴承温度场的测量系统中，论文取得的成 果如下： ( 1 ) 熔融拉锥型光纤分路器是光纤通信中常见的连接器，通过对光分路器 进行分光实验，掌握了分路器分光特性：光分路器分光次数与光源的光功率有 关。通过理论分析和实验得出光纤弯曲半径与弯曲损耗之间的规律：弯曲半径 越大，弯曲损耗越小。 ( 2 ) 设计出一种适合旋转机械设备轴承分布式温度场测量的光纤光栅轴承 温度传感器；通过a n s y s 有限元温度场仿真分析对该传感器结构进行优髓对 该传感器进行静态温度标定：封装在传感器中的光栅温度( t ) 与中心波长( 入) 成良好的线性关系；对光纤光栅轴承温度传感器的灵敏度、敏感度、稳定性、 重复性进行了评估；搭建了一套基于光纤光栅传感技术的分布式轴承温度测量 系统。 关键词：轴承，光纤光栅( f b g ) ，光分路器，温度传感器 a b s t r a c t t h eb e a r i n g sa r ew i d e l yu s e di na v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，v e h i c l e s ，s h i p sa n do t h e r i m p o r t a n ta r e a s t h e y a r eo n eo ft h eb a s e p a r t so ft h ew i d e l y u s e di nr o t a t i n g m a c h i n e r ya n dp l a y i n gt h er o l eo fs u p p o r t i n ga n dt m n s m i t i n gf o r c e ，w h i l eb e a r i n g s a r ea l s ot h em o s te a s i l yd a m a g e dp a r t s v a r i o u ss t u d i e sh a v es h o w nt h a tn e a r l ya b o u t 3 0 o fe q u i p m e n tf a i l u r ei sc a u s e db yb e a r i n gd a m a g e ，s ob e a r i n gc o n d i t i o n m o n i t o r i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h en o r m a lo p e r a t i o no fb u s i n e s sm a c h i n e r y a n de q u i p m e r i t b e a r i n gm o n i t o r i n ga r em a i n l ya b o u tt h em o n i t o r i n go fv i b r a t i o n c o n d i t i o na n dt e m p e r a t u r es t a t u so fb e a r i n g s a st h eb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l si nt h e s t u d yo ft h ev i b r a t i o ns t a t ei sd i f f i c u l tt oo b t a i n ，w h i l et e m p e r a t u r es i g n a l si se a s yt o g e tb e c a u s eh e a ts o u r c ei sac l e a rs i g n a li nt h es t u d yo ft e m p e r a t u r es t a t u s t h a ti s w h ys om a n ys c h o l a r sl a t e rc h a n g et h e i rr e s e a r c hf r o mb e a r i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n g t ob e a r i n gt e m p e r a t u r ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r es e n s o r su s e di n t h et r a d i t i o n a lc o n d i t i o nm o n i t o r i n go f b e a r i n gt e m p e r a t u r e ，s u c ha st h e r m i s t o r s ，t h e r m o c o u p l e sa n d 8 0o n , a r cs u s c e p t i b l et o e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n da l o n gw i t l lt h eh y s t e r e s i s ，a n da r en o te a s yf o r d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t ，s ot h e yc a nn o tm e , o rt h er e q u i r e m e n t so f d i s t r i b u t e db e a r i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t h ef i b e r g r a t i n gi s an e ws e n s i t i v ep a s s i v ec o m p o n e n t ，i na d d i t i o nt ot h e a d v a n t a g e sa so r d i n a r ys e n s o rd o e s ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fn o tp r o d u c i n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dl e s ss u s c e p t i b l et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，i t a l s oc a nu s ew d m t e c h n o l o g yc o n n e c t i n gm u l t i p l eg r a t i n g so f d i f f e r e n tw a v e l e 五香酝 i na no p t i c a lf i b e rg r a t i n gf o rd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t , a v o i d i n gt h es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a ls e n s o rc o m p l e xw i r i n g b e a r i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt h er o t a t i n g m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tn e e dt ob el a i dal a r g en u m b e ro fs e n s o r s ，m e a n w h i l et h e s e n s o r sc a nn o ta f f e c tt h en o r m a lw o r ko ft h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t t h e r e f o r e ， u s i n gt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rt e c h n o l o g yi nc o m p l e xr o t a t i n gm a c h i n e r ya n d e q u i p m e n tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fb e a r i n gt e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t s i n t h i sp a p e r , t h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi su s e di nb e a r i n gt e m p e r a t u r ef i e l d m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t t h er e s u l t so ft h ep a p e r m a d ei nt h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f u s e db i c o n i c a lt a p e r e do p t i c a lf i b e rs p l i t t e ri sc o m m o ni no p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nc o n n e c t o r , t h r o u g ht h e s p e c t r o s c o p i ce x p e r i m e n t so no n es p l i t t i n g i n t ot w o ，f o u ra n de i g h to p t i c a ls p l i t t e r , lh a v em a s t e r e dt h es p e c t r o s c o p i cp r o p e r t i e s o ft h e s p l i t t e r ：t h en u m b e ro fo p t i c a ls p l i t t e rs p l i t t i n gr e l a t e s w i t ht h el i g h t s o u r c ep o w e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i s c i p l i n eb e t w e e nt h ef i b e rb e n d i n gr a d i u s a n d b - e n d i n gl o s s ：t h eg r e a t e rt h eb e n d i n gr a d i u s ，t h es m a l l e rt h eb e n d i n g l o s s ( 2 ) af i b e rb r a g gg r a t i n gb e a r i n gt e m p e r a t u r es e n s o ri sd e s i g n e df o rt h e d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t so fr o t a t i n gm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t ； t h r o u g ht h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d , ir a i s e dt h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h et e m p e r a t u r es e n s o r ；as t a t i ct e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t so ft h es e n s o rs h o w st h a t ：t h et e m p e r a m r e ( x ) o ft h ef a t i n gw h i c h p a c k a g e di nt h es e n s o rh a v eg o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hi t sc e n t e rw a v e l e n g t h ( y ) ； a s s e s s m e n tt e s tw a st a k e nf o rt h ea c c u r a c y , s e n s i t i v i t y , s t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t yo f t h ef i b e rg r a t i n gb e a r i n gt e m p e r a t u r es e n s o r ；, ad i s t r i b u t e db e a r i n gt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nf i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：b e a r i n g , f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，o p t i c a ls p l i t t e r , t e m p e r a t u r es e n s o r m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 轴承是旋转机械中广泛应用的基础零件之一，广泛应用于航空、航天、车辆、 轮船等重要领域，起着支撑和传递动力的作用，但是轴承也是最容易损坏的零 件之一，研究表明机械设备中大约有3 0 的故障是由于轴承的损坏造成的，轴 承的质量与机械设备的正常运行有着紧密的联系【l 】。轴承发生故障大多数源于振 动损坏、润滑和摩擦发热，轴承一旦振动异常或温度过高，致使轴承发生失效， 从而导致机械不能正常工作，严重时对人身安全产生影响，因此轴承状态监测 对保证企业机械设备正常运行具有极其重要的意义。 目前，常用的轴承状态监测的方法有：振动信号检测与诊断方法；油膜 电阻法：磨损微粒测定法；声发射法；温度监测法1 2 】。其中造成轴承失 效的最主要的因素是振动和温度，所以对轴承的振动和温度状态进行监测也就 基本能够实现对轴承状态进行监测，而传统的轴承振动测试方法为：首先采用 传感器对轴承进行信号采集，然后运用时域分析或频域分析对信号进行处理， 从而达到轴承状态识别的目的。运用此方法对轴承状态监测的不足在于：由于 振动状态研究中一方面难以提取到机械设备中轴承的振动信号，另一方面即使 是提取到了振动信号也无法分辨振动是由轴承自身振动造成的还是机械设备中 其他零件振动造成的和周围环境中其他机械设备造成的，而对轴承温度的研究 中，热源明确，信号单一，因此许多对轴承振动状态监测研究的学者后来也转 向对轴承温度状态监测的研究。 轴承温度场的测量可以通过理论仿真和实验测量两种方法入手。理论仿真直 接由初始条件和边界条件进行传热计算和有限元仿真，得到轴承的温度场分布 情况。但由于理论仿真对轴承周围部件进行了一定程度简化，不能较真实的反 应轴承周围的环境条件，加上机械复杂的传热过程使边界条件很难准确把握， 从而限制了仿真理论分析的精确度，因此仅用于优化设计或作为实验法的辅助 【3 5 】。实验法是采用温度传感器直接测量轴承温度场，常用的温度传感器有热电 阻、热电偶、热敏电阻、红外热像仪等传统的温度传感器。实验法可以获得真 实的轴承温度场，但限于实际条件( 如温度传感器的数量等) ，无法得到较准确 的轴承温度场。 武汉理工大学硕士学位论文 传统温度传感器构成的测温系统有诸多不足：热电偶精度较低、损耗大； 热电阻抗干扰能力差；热敏电阻线性度差、可靠性低；辐射式温度计精度低， 抗干扰能力差。而且一般以模拟信号输出，需要后续信号处理与a d 转换电路 的配合，再加上热误差补偿中大量布置测点时，需要大量的传感器和布线，会 造成温度测量系统的繁冗，并可能影响机械设备的正常工作。因此期望能建立 一种更加简易、精度更高、更加稳定可靠、能适应机械工作环境的分布式轴承 温度场测量系统【聃j 。所以本论文提出基于光纤光栅传感的分布式轴承温度测量 的思路，而且现有研究证明了光纤光栅在温度测量上的可行性。 光纤光栅传感器除了具有普通传感器具有的灵敏度高、体积小、质量轻、 易弯曲、不产生电磁干扰、不受电磁干扰、抗腐蚀性好等优点外，而且能方便 地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个不同波长的光栅进行分布式测量， 避免了传统的传感器复杂布线的缺点。 应用光纤光栅测量轴承温度需要研究光纤光栅封装结构、温度传递规律和 基于光纤光栅传感的温度测量的信号处理。本论文针对轴承温度测量展开相关 原理、方法的研究，以获得适用于轴承温度测量的新方法，从而将近年来发展 最为迅速、最具代表性的光纤无源器件之一的光纤光栅运用到旋转机械设备的 温度场测量中。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 轴承状态监测及温度测量技术发展现状 轴承的运转状态对机器的正常运行至关重要，国内外学者对轴承状态监 测研究较为广泛。轴承状态监测的主要步骤：数据采集信号分析一诊断 识别，一般方式为：利用数据采集器在设备现场采集轴承测量信号并储存，传 送蓟计算机，利用测量分析软件进行深入分析，从而得到轴承各种参数的准确 数值，进而判断这些轴承是否存在故障，轴承状态监测系统主要由传感器、数 据采集卡、工控机及相关信号分析处理软件等组成。 轴承有多种失效形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失 效、压痕失效和胶合失效。由这些失效引起的主要研究状态参量包括振动测量、 声波测量、频谱分析测量、温度测量、高频谐振和振动脉冲等。其中对轴承 进行振动测量和温度测量是目前普遍研究的参量，振动测量主要方法：综合 2 武汉理工大学硕士学位论文 振动加速度、表面探测加速度( 高频频谱技术) 、振动脉冲等。与轴承有关的 振动有以下两个主要特征： 周期性脉冲波形。当轴承元件存在缺陷，在机器运转过程中将对系统产生 周期性冲击，这种冲击重复地激发系统的固有振动。因此轴承振动信号中通常 存在具有一定周期的重复性冲击衰减波形。 幅值调制和频率调制特性【协1 2 1 ，由于轴承的特有结构，轴承元件缺陷产生 的冲击振动会受到转动频率和保持架运转频率的调制，因此振动信号中常含有 幅值调制特征。 轴承振动信号频率在5 0 h z - 8 k h z 之间，可采用振动加速度传感器进行信号的 检测；信号分析方法有频域分析方法和时域分析方法。传统诊断方法对轴承的 分布式故障有较好的效果，但对于局部故障n 射，这些诊断方法的应用效果不太 理想，尤其是在故障的初期。近年来，信号处理中时域分析方法n 毛1 5 1 被应用到故 障诊断中。时域分析方法可以有效地应用于非平稳随机信号d 叼的分析，弥补了 传统的基于快速傅里叶变换的频谱分析只适用于平稳信号分析的缺陷。常用的 时域分析方法有短时傅里叶变换n 钔、w i g n e r - v i l l e 分布n 砌和小波分析n 们。 轴承温度监测是轴承故障诊断的一个重要部分。研究者采用理论仿真和 实验对比的方法来研究轴承的温度场，理论研究主要有热网络法和有限元法 的轴承传热学分析的方法和理论。实验测试是研究者使用热电偶温度传感器、 热敏电阻温度传感器、铜电阻传感器测温、数字式温度传感器等来测量轴承的 温度场。其中常用的是将热电偶和热敏电阻温度传感器钻孔或粘贴在轴承座部 件上，定期监测温度数据。 在轴承状态监测研究方面有影响力的单位都是对轴承温度场进行监测，包 括轴承振动监测研究方面有影响力的机构也加入了对轴承温度场的研究，国外 的美国密歇根大学、美国加州大学、日立精机、韩国浦项科技大学、波兰建罗 茨瓦夫大学等和国内的上海交通大学、天津大学、浙江大学、江苏大学、大连 理工大学等对轴承温度场做过充分的研究。 早期的研究者普遍采用理论分析的方法来研究轴承温度场：1 9 3 7 年美国 加州大学b e r k l e y 分校的b l o c kt 1 教授口伽研究了机械设备相对运动表面的温 升，首次提出了受到相同热流量作用下的运动体和静止体的表面温度分布的 计算后来j a e g e r j c 教授晗订在此基础上提出用两接触表面的平均温度相等 的原则来分配热流量的理论。 2 0 世纪6 0 年代，h a r r i s 和b u r t o n u l3 较早地将传热学技术应用于预测滚 武汉理工大学硕士学位论文 动轴承温度上。1 9 7 3 年，r u m b a r g e r 等按照h a r r i s 的分析思路对高速圆柱滚 子轴承进行了热分析，但在进行对流换热系数计算时，按照“同心旋转圆环 间充满黏性介质”的物理模型来简化轴承，这种处理方法较为粗略。 1 9 8 0 年，k l e c k n e r 等人开发了高速圆柱滚子轴承的大型分析软件 材c y - b e a n 一，并介绍了高速圆柱滚子轴承的热分析，但未给出轴承发热及轴 承传热的具体计算公式。 1 9 8 1 年，c o e 等人使用“c y b e a n 软件对内径为11 8 m m 、d n 值为3 1 0 6 的高速滚子轴承作了计算，结果表明能很好地预测高速圆柱滚子轴承外圈的 温度及传入润滑油的热量，但是预测计算出的内圈温度比试验测出的温度值 低很多。 1 9 8 4 年h a r r i s 口近似采用流体外掠平板式局部换热系数公式来计算轴承 向润滑油的散热及壳体壁面与润滑油的换热，但是h a r r i s 假设润滑油的流动 状态为层流，并未考虑高速旋转时轴承元件润滑油的紊流，而且没有提及所 用换热系数公式具体使用的换热表面。 李中华等人娴3 对数控机床轴承部件中的动压润滑轴承和球轴承进行温度 对粘度影响的热力学建模，并且借助计算机技术，利用m a t l a b 和v i s u a lb a s i c 等完成轴承润滑热力学建模仿真。 如图1 - 1 所示热电偶安装在衬套内部，距离内表面1 5 2 咖，加工孔直径 是2 m m ，轴承座孔直径是8 m m ，热电偶丝裸线( 提高热电偶的安装精度) ，采用 双固定的安装方法，即在轴承座和衬套的外面都用树脂固定，且在热电偶的热 端要有一定量的导热硅胶。热电偶的具体安装位置如图1 - 2 、卜3 所示。 ” l 1 1 、 4 t1i _ l ol l1 21 3 l l j ， 2 i 图1 - 1 热电偶在轴承座的安装图l - 2 承载区热电偶安装的位置 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 3 承载区热电偶安装的位置 金永福硷鄙针对滑动轴承在运动状态下的实际情况，建立滑动轴承内部的动 力学温度场模型和动力学压力分布模型，并通过仿真实验以期获得动力学状态 下滑动轴承内部的温度场和压力的分布规律，掌握其摩擦磨损特性与温度场分 布、压力分布之间的关系，为寻找滑动轴承内部的摩擦磨损的动态特性提供理 论支撑，进而为滑动轴承的设计和故障诊断提供理论依据。仿真结果表明：沿 轴承套中心线方向上，往外温度升高较快，滑动轴承内部的油膜压力的大小 与转子的位移在开始阶段变化趋势一致，当出现压力峰值后。位移继续增大， 油膜压力反而呈下降趋势，同时油膜压力在动力学状态下呈现不对称分布，动 态油膜压力在滑动轴承磨损后期下降的很快，压力降低的相对幅度较大，加剧 了滑动轴承内部的摩擦磨损，加速了滑动轴承的磨损。 蒋兴奇汹3 等人根据传热学理论。建立了主轴单元的热传递模型，通过热传递 阻抗的计算公式，计算出主轴轴承的摩擦热，建立了热传递方程。解决了轴承 设计中轴承摩擦热对速度和刚度性能影响的问题 杨永生等人阱3 对减速器输入轴温度持续高达7 5 c 以上，直接影响了减速器 的安全运行及轴承的寿命，分析了减速器轴承温度过高的原因：( 1 ) 输入轴的 供油压力低：( 2 ) 输入轴供油口径偏小，提出了解决办法：( 1 ) 在减速器主润 滑站的低压油泵旁边，增加2 台c b - b 2 5 的低压油泵( 一用一备) 和一组过滤器， 对减速器输入轴轴承采用单独供油的方法，( 2 ) 将输入轴上原有的2 个o1 2 m 的供油口改为o1 6 r a m ；达到了减速器输入轴轴承温度始终保持在6 5 c 以下自蟑 的。 黄文魁汹1 采用铜电阻作为温度传感器，温度传感器埋入在与油压堵安装位置 的对称测，图1 - 4 所示为温度传感器的安装位置图；铜电阻感温元件放入传感 器保护壳内，且距a 面0 5 毫米，如图1 - 5 所示，内部采用弹簧压紧铜电阻传 5 = 堕奎堂堡主堂垡笙塞 感器为了防震。 西 图卜4 温度传感器安装位置 图卜5 温度传感器外型 葛玉荣等人籼3 采用单线数字式温度传感器ds1 8b20 与单片机对动 车组轴承温度进行检测。 1 2 2 光纤光栅传感器及其温度测量研究现状 国内外研究表明，光纤光栅中心波长直接受温度、应变等因素影响并具有良 好的线性关系，光纤光栅是十分理想的感温元件，通过对光栅适当的封装，光 纤光栅温度传感器已被逐步应用到各种实际应用领域中。 裸光栅一般不能直接用于实际的工程传感测量中，必须对其进行适当的增敏 和封装，一方面提高其传感测量的灵敏度，另一方面对光纤光栅起保护作用。 一般情况下，光纤光栅传感器的增敏与封装是同时进行，相辅相成的。对于光 纤光栅温度传感器，主要采用将光纤光栅嵌入热膨胀系数较大的基底材料中或 粘贴于其表面，利用基底的膨胀作用来提高温敏性静3 。但是现有的各种封装都 只是为各向温度相同的被测环境设计的，只能将其置于如混凝土、复合材料或 放入油、组织等被测物内部进行温度测量，而针对机械设备内部部件的温度进 行测量的封装结构研究却很少有人研究。 1 9 9 5 年，i n o u e a 啪1 等人首次采用金属铝作为衬底材料，将光栅粘贴在铝片 上进行封装实验，实验表明经封装后的光纤光栅温度传感器温度灵敏度是裸光 纤光栅的3 倍；第二年，6 u p t a s 采用嗍a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 作为封装基底 材料进行实验，实验结构表明该封装结构的增敏效果不明显。 日本学者t o r um i z u n 锄i 嘲等人采用t e f l o n ( 聚四氟乙烯) 材料作为封装基 6 武汉理工大学硕士学位论文 底材料，用环氧树脂将8 m m 长的光纤光栅分别粘贴在单层和双层t e f l o n 基底上， 结构如图卜6 所示。在0 k - 3 0 0 k 的温度范围内对两种光纤光栅封装结构进行温 敏实验，实验结构表明双面基底夹板式结构比单面基底结构灵敏度稍高，在7 7 k 一 ( a ) 几嘲 ( b ) 图卜6 光纤光栅温度传感器单、双层t e f l o n 基底封装示意图 时，双面基底夹板式结构的温度灵敏度为相同温度下将光栅粘贴于铝衬底时的2 倍，增敏效果较好。之后其他研究者的板式封装结构多是在此基础上对基底材 料进行改进或更换。 y u n - j i a n gr a oh 们从光纤光栅的传感原理、性质、廉价批量制作方法、各 种解调技术、多路复用技术这五个未来发展方向全面系统地概述了光纤光栅传 感技术。 日本n o r i t o m oh i r a y a m a 4 l 】等人将包层都是聚酰亚胺的一段大数值孔径u 型 光纤与f b g 连接后封装在类似热电偶结构的不锈钢管前端制成了安装简便自强 度传感器。弯曲半径为1 5 m m 的u 型弯曲光纤和f b g 问用陶瓷玻璃连接，使用 聚酰亚胺粘合剂，连接好的f b g 固定在掺氮化硼的陶瓷玻璃棒上，如图l - 7 所 示。实验表明封装后的传感器总损耗0 9 d b ，u 型光纤弯曲损耗o 0 5d b ，温度 敏感度为1 0 3 p m c ，温度为2 5 0 ( 2 时性能稳定。 c e f c e r a m i cr o db o r o nn i t r i d c 图卜7f b g 嵌入热电偶结构的温度传感器封装结构图 俞钢【4 2 1 等人介绍了一种新型剪刀形去敏封装结构，如图l - 8 所示，利用这种 武汉理工大学硕士学位论文 装置进行光纤光栅的温度补偿实验。这种封装结构的有点为保持了传感器( 光 一图1 - 8f b g 剪刀形温度补偿结构示意图 纤光栅) 体积小；无需给光栅光栅施加预应力；封装后不产生啁啾现象，在一3 0 一8 0 温度区，温度灵敏度降低1 0 倍以上，达到0 0 0 1 r i m ，缺点是封装结 构不易安装。 李彬h 3 3 等人选择一种负温度系数材料作为衬底对光纤光栅进行封装，图1 - 9 所示为该封装结构示意图。该封装结构的优点是：结构简单小巧，制作容易， 不影响光栅本身的特性，实验表明温度灵敏度降低到0 5 p m ，长期稳定性较 好，封装一年后反射波长基本不变，并且传感器的温度灵敏度仍然保持在0 5 p m 左右。 b 翻陀f i b e rh c k a g i n gm a t e r i a lh e ms o l i d i f i e dg j u e c 阻山啊f i b e rf i b a p l i i 噜 a i rl 孵 图l - 9 光纤光栅负温度系数材料封装结构示意图 先圩光 图卜1 0 光纤光栅毛细钢管封装示意图 8 武汉理工大学硕士学位论文 周智h 们等人根据光纤光栅的温度传感理论，研究了一种毛细钢管式环氧树 脂封装的光纤光栅的温度传器，如图卜1 0 所示，研究结果表明：该光纤光栅封 装结构对温度非常敏感，相对于裸光栅温度灵敏度明显提高，并且该封装的传 感器的温度一波长特性曲线具有较好的线性度。 胡家艳“町等人针对光纤光栅温度传感器的温度、应变交叉敏感问题，提出 了一种光纤光栅温度传感器新型封装工艺a l 盒封装工艺，封装结构如图 1 - 1 1 所示。同时对其温度和应力特性进行了理论分析和实验研究。研究表明， 该封装降低了光纤光栅对应变的灵敏性，同时将温度灵敏度提高到裸光栅的1 8 倍。 图i - il 光纤光栅a 1 盒封装结构示意图 u i 嫡出曲硼j 舢匝m o yi l 娩 图1 - 1 2 光纤光栅铝合金封装结构示意图 刘春桐m 等人将光纤光栅粘贴在铝合金箔片上进行封装，如图卜1 2 所示， 通过悬臂梁进行加载和水浴加热方法对封装后光纤光栅进行应变与温度传感特 性进行实验研究，实验结果表明：采用铝合金箔片封装后的光纤光栅传感器与 裸光栅相比较，应变灵敏度提高了1 2 倍，温度灵敏度提高了3 0 2 倍，中心波 长的飘移与荷载及温度都具有良好的线性关系，且较好的重复性。 钱颖“刀等人采用不同热两种膨胀系数材料作为粘贴衬底对光栅进行管式封 装，如图1 - 1 3 、1 - 1 4 所示为两种管式封装结构，一种是采用铝为衬底管式封装， 另一种为利用液晶聚合管进行温度补偿式结构封装，这两种结构的优点：封 9 一 武汉理工大学硕士学位论文 装结构包装易于小型化，但包装长度至少要比光栅长出4 0 ，且安装容易，各元 件简单。 藏 图1 - 1 3 光纤光栅管式封装结构示意图 图1 - 1 4 光纤光栅液晶聚合管进行温度补偿式封装结构示意图 以上所有的研究现状中，光纤光栅封装结构主要是选择某有机物( 主要为 t e f l o n 聚四氟乙烯) 作为基底或采用热膨胀系数较大的某金属( 主要为铝或铝 合金) 作为衬底进行增敏或去敏的平板式或管式封装，这些封装结构在实际的 工程应用中主要对机械设备表面的温度测量或建材行业中如混凝土、复合材料 或放入油、组织等被测物内部进行温度测量，而对机械设备内轴承的温度测量 研究韵光纤光栅传感器封装结构的研究甚少，本文基于光纤光栅传感针对复杂 旋转机械设备内轴承温度场的温度测量展开研究。 1 3 论文研究内容及安排 本课题来源于国家重点基金资助项目。项目名称：基于光纤光栅传感的复杂 机械系统损伤动态监测基础理论与关键技术，项目编号：5 0 9 3 5 0 0 5 。 从传统的轴承温度测量来看，运用光纤光栅传感测温方法测量轴承的温度 有很大的优越性：光纤光栅传感器具有体积小、防爆炸、绝缘、抗电磁干扰、 精度高、可靠性高、环境适应性好同时一根光纤上可以布置多个不同波长光 栅实行不同参数的分布式测量。 主要研究内容有： 1 ) 光纤光栅测量系统中光功率损耗的研究 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 适用于机械设备内部轴承温度场分布式测量的光纤光栅轴承温度传感器 设计 3 ) 光纤光栅轴承温度传感器的温度标定、性能评估及基于光纤光栅轴承温 度传感器的分布式轴承温度测量的系统搭建。 本论文对基于光纤光栅传感的分布式轴承温度测量技术进行了深入研究， 主要研究内容安排如下： 第一章主要介绍本课题研究背景及意义，轴承状态监测及温度测量的国内 外研究现状，通过分析光纤光栅传感技术的优点，结合旋转机械设备轴承温度 场特点，提出将光纤光栅传感技术应用于轴承温度测量中。 第二章主要介绍光纤光栅传感技术的基本理论，推导了在没有外界应力条 件下仅由温度变化导致的光栅中心变化的计算公式，并且介绍了光纤光栅传感 的分布式测量特点。 第三章主要介绍熔融拉锥型光纤耦合器的制作和工作原理，分别对1 2 ， 1 4 ，1 8 光纤分路器进行分光实验，并且对光纤光栅传感的测量系统中光功率损 耗进行研究。 第四章主要介绍光纤光栅传感封装原理，设计一种适合旋转机械设备中轴 承温度场分布式测量的光纤光栅温度传感器，通过a n s y s 有限元软件对该温度 传感器进行温度场仿真分析，完成该传感器的结构优化，同时为光栅的最优粘 贴点提供依据，并且对该传感器进行温度标定实验和性能评估。 第五章主要介绍了光纤光栅传感的分布式温度测量系统的特点，搭建了基 于光纤光栅传感的分布式轴承温度场测量系统并进行了实验。 第六章为结论部分，对本文的研究工作做出了总结，并对未来进一步研究 作出了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感原理 光纤光栅传感器主要由光栅敏感元件和封装体元件组成，包括光纤光栅温 度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅位移传感器、 光纤光栅加速度传感器等。这些传感器的传感原理基本相同：被测量的改变导 致光栅中心波长的改变，通过解调技术得到光栅中心波长的变化量，进而计算 出被测量。由于光栅敏感元件对温度和应变的变化较敏感，因此任何导致温度 和应变改变的被测量都可以通过光纤光栅传感器进行测量。所以对光纤光栅传 感器的研究主要是对光栅的研究，包括光栅传感器灵敏度的研究、光栅传感器 粘贴位置的研究等。由此可见，研究分析光纤光栅传感技术基本原理，分布式 传感方式对光纤光栅传感器性能恒定具有重要意义。 2 1 光纤光栅传感基础与原理 由耦合波理论可得，当光栅满足相位匹配条件时，光栅的布喇格波长为 一 厶= 2 人 ( 2 1 ) 式中：厶为不喇格波长；，嘧为光纤传播模式的有效折射率；人为光栅周期。 光栅光纤 图2 - 1 光纤光栅结构与传光原理 图2 - l 所示为光纤光栅结构与传光原理图。有效折射率7 k 和光栅周期人会 受到应力仃、应变s 及温度r 等的影响，从而引起反射光波长的偏移，波长 由丸增加到砧。 一般情况下，f b g 传感器波长厶可以作为外加应力和温度p ，d 的函数 毛= p ，d ( 2 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 光栅的b r a g g 波长移动可视为相对于光栅的初始参考状态( 吼，t o ) 的变化一 砧= 九( o r ，t ) - 砧( ，瓦) ( 2 3 ) 将公式( 2 3 ) 作t a y l o r 展开并取一次近似，则f b g 中心波长变化与应 力和温度变化关系可表示为： 地铡口仉 刳r 仃 协4 ) 式中，r 和仃分别是温度和应力的改变量， 丝a r1 j 口和 鲁 r 分别是厶对r 和 盯的偏导数。把式( 2 一1 ) 代入( 2 - 4 ) ，变量砧( o r ，r ) 相对于r 和叮的燹化司以 进一步展开为： 她= 2 卜 筹 口+ 人 鲁1 3 r + 2 卜 筹 r + 人 鲁 t 仃( 2 吲 再引入变量 s = 坠 ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入( 2 5 ) ，可得到波长变化量的表达式： 峨= 砧 ( 等 口+ 古 铡口) r + ( 筹 r + 古 割r ) 仃 c 2 训 引入光纤y 0 u i l g 氏模量乓和热膨胀系数口，、热光系数善、有效弹光系数以， = i 警i r ( 2 8 ) 旷 觌= 嚣l 9 ， 善；吉吲口 一古嘲r 把( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入( 2 - 7 ) ， 1 3 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 丁。 波长变化的表达式可写为 武汉理工大学硕士学位论文 地= 砧 c 町均虮c - 训钥= u 何均小c - 刊司( 2 - 1 2 ) 其a i - 等 口为光纤的热膨胀系数；毒= 丑iv a 引n l 为光纤材料的热光系数； 见i 一古 鲁 r 为光纤材料弹光系数o 式( 2 - 1 2 ) 中第一项代表温度对f b g 反射波长的影响，第二项代表光栅的 应变对f b g 反射波长的影响。 2 善光纤光栅分布式传感理论 传感器网络是指采用两根或更多的传感器，按照线性阵列、星型、梯形或 环形灯拓扑结构连续或离散的组合在一起，并通过唯一的光电终端或接收单元 来工作和控制的系统。 光纤光栅传感网络主要采用的是波分复用技术、空分复用技术和时分复用 技术，导致光栅传感器直接测量的是反射或者透射波长的波长厶移位信息。波 分复用技术在可提供的光源光谱范围内，对每个f b g 进行独特的光谱编码，光 谱确定了光栅的工作范围。最突出的优势就是传感b r a g g 光栅的物理栅距与波长 分辨率无关，只要接收到的反射波长信号达到一定的强度就可以解调，而波长 信息与反射光强度无关。 2 ) 【2 耦合器 e j 蚣lb 硼g 2f b g j胁 卅一 图2 - 2 光纤光栅波分复用传感原理图 上图2 - 2 为光纤光栅波分复用传感的工作原理图。根据光纤光栅波分复用 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 技术，把多个不同波长的光纤光栅传感器串接在一根光纤中，再由同一个转接 头连接到解调仪。同一根光纤中不同光栅的工作波长相互区分，一般要求相邻 两个光栅的反射中心波长之差大于2 5 3 n m ，反射峰均在各自波长范围内变化， 不会相互重叠，在耦合器取出反射光后，波长解调系统对多个光栅的波长移位 进行测量，检测出对应的被测量值以及其空间分布。 传统的传感器采用传感器网络实行分布式测量需要传感器采用多点测豇 这种测量的成本过高或者存在多点测量传感器的安装问题，导致传统的传感器 不能进行分布式多点场测量，而对于光纤光栅，由于光栅只对波长与自身波长 相同的光有反射作用，而对其他波长的光是基本无损耗的通过，采用波分复用 技术在解调仪一个通道的一根光纤上可以焊接多个波长不同的光栅实行多点分 布式测量，或者可以通过光分路器( 光耦合器的一种) 将一个通道的光分成几 路( 由光分路器决定，有1 2 、1 4 、1 8 等分路器) ，在每一路上又可以串接多 个光栅，所以用光纤光栅传感可以进行分布式测量。图2 - 3 所示为宽带光通过入 = 1 3 0 9 n m 光栅图，波长入= 1 3 0 9 n m 光栅只对与波长入= 1 3 0 9 n m 的光有反射作用， 波长为1 3 0 9 n m 的光9 0 以上被反射回来，只有不到1 0 的投射光，而对与波长 不为1 3 0 9 r i m 的光基本没有损耗的通过该光栅，同样对反射回来通过该光栅的光 也没有任何的损耗，光信号在光纤中可以无干扰的通过光栅。 宽带光 h