（机械设计及理论专业论文）柴油机缸套——活塞环油膜厚度传感器的设计.pdf

武汉理工大学硕七学位论文 摘要 缸套一活塞环摩擦副是内燃机中最重要的摩擦副之一，它的应用极为广泛， 数以亿计的内燃机都采用这种摩擦副。研究表明，内燃机摩擦功的2 5 5 0 是由缸套活塞环摩擦副消耗掉的，因此这对摩擦副摩擦学性能的优劣直接影响 着内燃机的性能。缸套活塞环之间油膜厚度的变化和分布规律是内燃机摩擦学 研究的重要内容之一，如果能准确地测量出这个厚度，对合理设计活塞环组、 降低活塞环与缸套之间的摩擦损失、延长括塞环的使用寿命具有很大帮助。 本文以柴油机为研究对象，通过对各种润滑油油膜厚度的测试技术详细比 较，选择了光纤传感技术。经过对光纤传感技术的深入研究和对被测对象的认 真分析后，设计了基于光强调制原理的反射式光纤位移传感器，用于测量缸套 活塞环油膜厚度。它由光源、光纤传感探头、光电转换电路、信号处理电路和 微处理器等组成。方波脉冲调制驱动非相干光源红外发光二极管，以减少其发 光时间，延长其寿命，并使光源稳定；单光纤y 型结构和自聚焦透镜的组合构 成了光纤传感探头，结构简单、体积小巧、制造安装简便，满足本课题的要求； p i n 硅光电二极管工作于光伏模式实现光电转换；信号处理电路包括前置放大 电路、带通滤波电路和交直流转换电路三部分，处理后的信号直接进入微处理 器做进一步处理；选用的微处理器是m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，并设计了相关的数码管显示 电路和r s - 2 3 2 串口接口电路。设计了微处理器的驱动和管理程序，包括主程序、 a d 转换子程序、l e d 显示程序和串口数据发送程序。对传感器进行了初步标 定，并对传感器的具体应用做了分析。最后，论文在总结全文工作的基础上对 进一步研究提出了建议和展望。 关键词：光纤传感器，缸套活塞环，油膜厚度，测量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c y l i n d e r - p i s t o nr i n gf r i c t i o np a i r sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf r i c t i o np a i r si n i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s , i ti sw i d l yu s e di nb i l l i o n so fi n t e m a lc o m b u s t i o n e n g i n e s 。t h er e s e a r c hi n d i c a t e d 。t h e2 5 5 0 f r i c t i o n a lp o w e rl o s so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei sw a s t e db yc y l i n d e r - p i s t o nr i n gf r i c t i o np a i r s t h e r e f o r et h e p e r f o r m a n c eo ft h i sf r i c t i o np a i r sd i r e c t l ya f f e c tt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s p e r f o r m a n c e t h ec h a n g ea n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo ft h el u b r i c a n tf i l mt l l i c k n e s s b e t w e e nc y l i n d e ra n dp i s t o nr i n ga r eo n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t si ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n et r i b o l o g i c a s t u d y i fw ec a na c c u r a t em e a s u r et h i st h i c k n e s s i t w i l lb eo f g r e a th e l pi nd e s i g n i n gp i s t o n ，r e d u c i n gf r i c t i o nl o s e sb e t w e e nc y l i n d e ra n d p i s t o nr i n g ，l e n g t h e n i n gt h ep i s t o n ss e r v i c el i f e i nt h i sp a p e r , t h ed i e s e le n g i n ei st h er e s e a r c ho b j e c t c o m p a r i n ge a c hk i n do f l u b r i c a t i o nf i l mt h i c k n e s st e s tm e t h o di nd e t a i l ，t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g yi s c h o s e n t h r o u g hat h o r o u g hs t u d yo f t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g ya n da n a l y z e s t h eo b j e c t ，af i b e ro p t i c a ld i s p l a c e m e n ts e n s o rt om e a s u r et h el u b r i c a n tf i l mt h i c k n e s s b e t w e e nc y l i n d e ra n dp i s t o nr i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do no p t i c i n t e n s i t y m o d u l a t i o n p r i n c i p l e i t i s c o m p o s e db yl i g h ts o u r c e ，f i b e ro p t i c a lp r o b e ， o p t o - e l e c t r o n i e c o n v e r s i o n c i r c u i t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h e m i c r o p r o c e s s o r t h es q u a r e - w a v ei m p u l s em o d u l a t i o na c t u a t e st h en o n - c o h e r e n tl i g h t s o u r o ：i n f r a r e dl i g h te m i t t e rd i o d e ，r e d u c e st h es h i n i n gt i m e ，l e n g t h e n si t sl i f e ，a n d m a k e si ts t a b l e ；t h es i n g l e o p t i c a lf i b e rys t r u c t u r ea n dt h es e l f - f o c u s i n gl e n s c o n s t i t u t e df i b e ro p t i c a lp r o b e ，t h es t r u c t u r ei ss i m p l e ，t h ev o l u m ei ss m a l la n d e x q u i s i t e ，t h em a n u f a c t u r e a n di n s t a l l m e n ti ss i m p l e ，s a t i s f i e st h er e q u e s to f t h i st o p i c ； t h ep i ns i l i c o n p h o t o r e c t i f i e r t h a tw o r k si nt h ep h o t o v o l t a i cp a t t e r nr e a l i z e s p h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s f o r m a t i o n ；t h es i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t i n c l u d st h e p r e - a m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，t h eb a n d - p a s sc i r c u i ta n dt h ea c d cc i r c u i tt h r e ep a r t s ，t h e p r o c e s s e ds i g n a li n p u t st h em i c r o p r o c e s s o rt ob ef u r t h e rp r o c e s s e s e d ；t h es e l e c t e d m i c r o p r o c e s s o ri sm s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a n dd e s i g n e dt h er e l a t e dd i s p l a yc i r c u i ta n dt h e r s - 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t t h em i c r o p r o c e s s o rd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e d ， i i 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 w h i c hi n c l u d e sm a i np r o g r a m ，a dt r a n s f o r m a t i o np r o g r a m ，l e dd i s p l a yp r o g r a m a n ds e r i a li n t e r f a c ed a t as e n d i n gp r o g r a m d e m a r c m e dt h es e n s o r ，p r e s e n t e dt h er e s u l t a n da n a l y z e dt h ew a yo fa c t u a la p p l i c a t i o n f i n a l l y ，b a s e do nt h es u m m a r i e sa n d c o n c l u s i o n so fa l lr c s e a r c hw o r k s ，t h ep r o p o s a la n dt h ef o r e c a s tf o rf u r t h e rs t u d ya r e p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cs e n s o r , c y l i n d e r - p i s t o nr i n g ，o i lf i l mt h i c k n e s s ， m e a s u r e m e r l t 1 1 1 武汉理t ：大学硕士学何论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 活塞环在内燃机工作过程中具有非常重要的作用，其最主要的功能是阻止 燃烧室高温、高压气体进入曲轴箱，同时还可以把活塞的热量传入气缸套，以 避免活塞温度过高。尽管活塞环工作在高温、高压等恶劣条件下，但仍要求其 在工作过程中具有较小的摩擦阻力来减少能量的损失以及较小的磨损来保证一 定的工作寿命。为此，活塞环通常都被润滑油润滑，缸套活塞环是内燃机中最 重要的摩擦系统之一。活塞环与气缸套之间是典型的滑动摩擦。 油膜厚度是保证缸套活塞环摩擦副可靠、稳定工作的最主要参数。缸套- 活塞环润滑性能试验研究过程中发现，润滑油浊膜的实测区域是弹流润滑区域， 具有高压、高温、有油污和强电磁干扰等不利特征，而且实际工况还会影响到 测量的精度和准确性。因此油膜厚度的检测和试验研究存在很大困难，以往的 研究主要集中在润滑特性的理论研究。 根据多年以来国内外许多学者进行的大量理论研究和一些试验研究可知， 缸套活塞环油膜厚度有如下规律： ( 1 ) 缸套活塞环油膜厚度一般分布规律 缸套活塞环之间的油膜厚度不仅沿气缸长度方向变化，而且在内燃机的一 个循环中也随着行程的不同而变化。在任一个行程中，油膜都是在上、下止点 位置时厚度最薄。这是因为，在上、下止点附近，活塞运动速度很低，而且上 止点缸壁温度很高，导致润滑油粘度降低。根据流体动压理论，运动速度越低， 润滑油粘度越低，承载油膜厚度就越薄。活塞向下运动时，由于活塞高速运动 的特点，流体动压效果显著，油膜厚度逐渐增大。在气缸中部，活塞运动速度 达到最大，油膜厚度也达到最大0 1 。 此外，缸套活塞环摩擦副的油膜厚度还受内燃机的运转参数、活塞环的结 构参数、活塞环的配置和气缸套形状等因素影响哺”。 ( 2 ) 缸套活塞环油膜厚度的周向不均性【4 j 缸套活塞环摩擦副的油膜厚度还存在着周向不均性，即在同一平面上的油 武汉理工大学硕士学位论文 膜厚度并不相同。这主要是由以下因素引起的： 1 ) 活塞环偏摆的影响 内燃机工作时，由于动态受力的不均匀性，活塞在缸套中运动时不可避免 地要围绕其销心摇摆，装在其上的活塞环也不可避免地要发生偏摆。显然，活 塞环的这种偏摆将使缸套活塞环问的收敛楔形和周向油膜厚度分布发生变化。 对主推力边来说，在吸气冲程和做功冲程，偏摆小时油膜厚度大，而在压 缩冲程和排气冲程则相反；对次推力边来说，其变化情况正好和主推力边相反。 也就是说，在一固定偏摆角下，若改善了主推力边的润滑则必然使次推力边润 滑状态变差，反之亦然。而且同一偏摆角对活塞环周向各点的影响是不一样的， 主推力边和次推力边是受影响最大的两个点。 活塞环开口位置的影响 在活塞环缸套的相对运动过程中，由于活塞环不可避免地要发生偏摆， 活塞的偏摆引起的活塞环偏转的大小在周向是不同的。因此，活塞环开口的 周向位置对其周向油膜厚度分布会产生影响。 1 2 课题研究的目的和意义 缸套活塞环摩擦副是柴油机中最重要的摩擦副之一，它的应用极为广泛， 数以亿计的柴油机都采用这种摩擦副。研究表明，柴油机摩擦功的2 5 5 0 * , 是由缸套活塞环摩擦副消耗掉的p i ，这对摩擦副摩擦学性能的优劣直接影响着 柴油机的经济性、使用寿命和摊放特性。缸套活塞环的润滑、摩擦的分析研究 一直是柴油机界关注的重要领域。多年以来国内外许多学者进行了大量的研究 工作，形成了许多种润滑理论模型。除了理论以外，很多学者也做了相关的实 验测试，取得了一定的成果，但仍有很多方面需要改进。 在国家“十一五”规划中提出要做有关柴油机长寿命摩擦副的研究，研究 的主要对象就是活塞环、汽缸套、轴瓦、凸轮挺杆，增压器的滑动轴承等，目 标是使得这些摩擦副具有1 8 0 0 0 2 4 0 0 0 个小时的大修期。要开展上述课题的研 究，建立一个合适的试验平台是关键，只有在平台上经过严格精确的试验，才 能得出一些有价值的结论，对今后柴油机的设计制造等工作会有很好的指导作 用。而在柴油机试验平台的建立过程中，如何准确地测量缸套活塞环之间的油 膜厚度是必须考虑的一个问题，因为油膜厚度的变化和分布规律是柴油机摩擦 2 武汉理工大学硕士学位论文 学研究的重要内容之一，对合理设计活塞环组、降低活塞环与缸套之间的摩擦 损失、延长活塞环的使用寿命具有很大帮助。本课题研究的目的就是为柴油机 试验平台的传感检测系统的建立做一些有益的探索和研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 油膜厚度测试技术概述 润滑油油膜厚度常用的测量方法包括；接触电阻法、电容法、电涡流法、 光干涉法、光纤传感器法、电容分压器法、超声波法、阻容振荡法、x 射线法、 激光衍射法、应变仪法等【6 】。然而由于活塞环组件的复杂性，以及压力大、温度 高、速度变化快的恶劣工作环境，使得活塞环组件在检测和试验研究方面存在 很大困难，因此真正应用于缸套活塞环之闻的油膜厚度实际测量的只有接触电 阻法、电容法和电涡流法。 接触电阻法是通过在缸套和活塞环中埋设电极，测量油膜的接触电阻，利 用油膜厚度与接触电阻之间的关系进行测量的。但由于在活塞环上埋设电极过 于困难，电极的绝缘性也难以保证，所以现在应用很少。 电容法是一种较成熟的技术，是润滑油膜测试技术中积累数据最多、使用 经验最为丰富的方法，是一种公认的有效检测油膜厚度的方法。其原理是通过 测量两物体之同的电容值来判断油膜厚度。如果己知润滑油的介电常数，根据 油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的变化规律，可以相当准确地计算出油膜 厚度，但测出的只是平均膜厚，在部分膜的状态下此方法就失去了功效，且此 方法要求润滑剂必须是非极性的。另外导线及周围环境的分布电容往往很难准 确估算，因而测量精度不高。另外一旦活塞环发生倾斜，极易发生缸套活塞环 之间的接触，会造成电容的短路使得传感器失效1 7 j 。 电涡流法是目前润滑油膜厚度测量的工程实用方法之一。电涡流传感器是 利用金属导体的电涡流效应，将一些非电量转化为电量进行测量的一种传感器。 金属导体在传感器线圈高频交变磁场的感应下，产生涡电流，这一涡电流在导 体中形成闭合回路又产生磁场，反过来影响线圈的阻抗、电感和品质因数等， 当被测导体的几何形状、材质不变及线圈的几何形状、工作电流频率不变时， 就构成了电涡流位移传感器。能准确测量被测金属物体与传感器探头端面之闯 3 武汉理t ：大学硕士学位论文 的静态或动态位移，结构简单、测量精度高、灵敏度高、动态响应好，可实现 非接触测量。但是它要求测量对象为导体，且极易受电磁干扰，测量所得的结 果是最小油膜厚度。在缸套活塞环之间油膜厚度的测量应用中，还存在上止点 处活塞环运动脱离测量点的问题。 1 3 2 光纤传感技术及其在油膜厚度测试中的应用 光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号 的新型传感技术，研究内容包括光纤传感光学与传感器技术两大部分。是2 0 世 纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，这是其优于其它传感技 术的原因之一。第一个既“传”又“感”的传感器出现于1 9 5 7 年，该光纤传感 器采用闪烁发光纤维探测高能粒子的轨迹。光纤通讯拥有一个广阔的市场，能 提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成- - i - j 能为光纤传感器所使用的 基础科学。1 9 7 0 年，美国康宁公司成功研制出传输损耗为2 0 d b k m 的光导纤维 ( o p t i c a lf i b e r ) 眇】，同年该公司又成功地使操作简便的砷化铝钾( g a a l a s ) 半 导体激光器在室温下连续运行，这两项发明奠定了现代光通讯实用化的基础。 目前，光导纤维的损耗已降至0 2 d b k m 以下，多种特殊光纤也层出不穷， 如双折射光纤、攸逝场光纤、掺稀土元素光纤等。这些具有不同性能的光纤不 仅用于信号的传输，还被广泛用于信号的处理和信号的获取。 作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特 的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰， 易为各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现 代电子装置和计算机相匹配。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控， 是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特另l j 容易接受被测物的加载， 是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗辐射 性能好，特别适合于在易燃、易爆、空间受严格限制的或者受强电磁干扰的恶 劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大的重视，几乎在各个领 域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 目前国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已经取得丰硕的成果， 不少光纤传感器系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。国内不少科研院 所和学校对光纤传感技术也进行了多年的研究。取得不少研究成果，但大多处 于预研阶段，离实用化尚有相当距离。光纤传感器的示意图如图l - l 所示【l o i 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 兜纤他喀器垃嬉渊割陋) 图1 1 光纤传感器示意图 与普通机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有一系列独特的优点i l 。1 4 1 ； ( 1 )抗电磁干扰能力强：一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光 纤中传输的光信号几乎不受电磁干扰的影响： ( 2 )电绝缘性好，安全可靠：光纤本身是由绝缘介质构成的，而且无需 电源驱动，因此适宜在易燃易爆的油、气、化工生产中使用； ( 3 ) 耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的 化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣的环境中使用； ( 4 )体积小，重量轻，几何形状可塑，对被测对象的干扰小，能够实现 高灵敏度，高准确度测量； ( 5 )传输损耗小：可实现远距离遥控监测： ( 6 )传输容量大：可实现多点分布式测量 ( 7 )测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。 目前。光纤传感器可以对位移、压力、温度、速度，振动、液位、角度等 近7 0 种物理量进行测量。应用光纤传感技术进行油膜厚度测量是于1 9 9 5 年国 际测量会议上首次被提出的。光纤传感器具有精度高、抗干扰能力强等诸多优 点，但存在的技术难点也很多，此方法目前尚未普及，未见到工程应用的先例。 1 9 9 6 年1 2 月美国密西根工学院的l a w r e n c e w e v e r s 教授及其研究生在实验 室条件下研制成功测量油膜厚度的光纤传感器，但未公布其测量范围及精度。 国内，西安光电研究所有应用光纤传感器检测油膜厚度的实例。啥电机与a b b 合作进行了用于三峡水电站的大型推力轴承的真机模拟试验。其油膜厚度用安 装于镜板的不同半径位置上的5 只光纤传感器测量，测量油膜厚度的光纤传感 5 武汉理工大学硕士学位论文 器由两组光导纤维探头组成，中心是一束发射光纤，外围是多根接收光纤，两 组光纤形成一个同心环。通过中心发射光纤把激光束发射到瓦面的巴氏合金层 上，这束光的一部分被反射回去，并被外层的接收光纤接收，接收的光信号强 度在特定情况下反映了光纤前端与反射面之间的间隙( 即为油膜厚度) 。该光纤 传感器的测量范围为o 1 0 0 0 1 j _ m 1 6 】。 总体上说光纤传感器法是一种较为先进的油膜厚度测试方法，它有许多其 他方法无可比拟的优势，但它所测试的油膜厚度主要是平面油膜和推力轴承油 膜，在缸套活塞环油膜厚度测试中的应用较少，因为在具体应用时会遇到各种 困难，如果把这些技术难点解决好，将是一种很有应用l ； 景的方法。 1 4 课题来源及本文的主要工作 1 4 1 课题来源 本文的研究内容受到湖北省自然科学基会项目( 2 0 0 6 a b a 3 1 5 ) 的资助。 1 4 2 本文的主要工作 本文主要内容是围绕缸套活塞环油膜厚度测试技术和反射式强度调制型光 纤位移传感器及其信号处理电路的研究，设计出一种用于柴油机试验平台上的 缸套活塞环油膜厚度传感器，并在信号处理电路中应用1 6 位低功耗m s p 4 3 0 单 片机，使其信号处理电路更加灵活自由、功耗更低、扩展性更好和性能更加优 良。主要工作如下： ( 1 ) 对缸套活塞环油膜厚度分布规律及油膜厚度测试技术进行较为全面 的分析与探讨。 ( 2 ) 根据课题实际的需求，深入研究反射式强度调制型光纤传感器的工作 原理，设计出柴油机缸套活塞环油膜厚度传感器的总体方案。 ( 3 ) 结合传感器的设计方案，设计了相应的信号处理电路，并对各电路模 块进行了详细的分析。 ( 4 ) 设计本传感器中的微处理器的选用及其外围接口电路，并编写微处理 器的相关驱动和管理程序。 ( 5 ) 对传感器做了初步的标定，并对传感器在试验平台上的应用做了分析。 6 武汉理f 大学硕士学位论文 第2 章油膜厚度传感器的设计 近年来，光纤传感技术作为一种新兴的应用技术，在许多领域显示出强大 的生命力。融合光学、物理学、化学、生物医学、精密机械、微电子和计算机 等学科为一体的光纤传感技术，经过3 0 多年的研究开发，己为众多的被测物理 量找到了相应的传感方法和设计原理。 2 1 基本理论 2 1 1 光反射和折射定律 光线在两种介质构成的分界面上会发生反射，如镜子，平静的水面等。反 射定律的内容为：反射光线和入射光线与法线位于同一平面内，分列于法线两 侧，入射角等于反射角7 】。 光在真空中传播速度为c ( 3 x 1 0 8 m s ) ，在其他透明介质中的速度都比c 小。 将光在介质传播速度v 与真空光速c 的比值称为该介质的折射率n ，即： n = v ( 2 - 1 ) j 按照以往的实验得出的结果1 1 - - 4 3 ，1 3 r 璃1 5 。 光在两种透明介质组成的界面上，一部分光发生反射，服从反射定律；另 一部分光折射进入第二种介质，服从折射定律。光线a b 入射到折射率为m 和订： 的两种介质的分界面上，光线a b 发生了如下的变化：其中_ 部分在n 与h ：的 交界面发生了反射变成，另一部分折射进介质啦( n _ n 为分界面的法线方 向) ，变成了光线b c ，如图2 1 所示呻l 。 a 式n b 入c 地 图2 - 1 光线的反射与折射 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 全反射定律( s h e ii 定律) 由几何光学知道，当光线由光密介质射入光疏介质且入射角大于临界角的 时候会发生全反射现象，如图2 2 所示9 l ： 图2 - 2 光的全反射 在图2 - 2 ( a ) 中，当p 仉且包= 9 0 。时，此时的只就是临界角眭： s i n o , = 生：疗。 ( 2 3 ) 兀 为了更透彻地分析光能量在光纤器件中的传输过程，运用电磁学理论将其 原理简要分析如下： 假设入射光和反射光的振幅矢量( 电场强度振幅矢量) 分别为e 。和巧。 1 2 ，= 三挚表示界面对光的振幅反射系数。由菲涅耳公式得： m _2寻ero-2面,co丽se,-,coso, ，2 玺扣焉糕嚣 利用式2 - 3 可得到： 8 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 武汉理工大学硕十学位论文 铲竺生蛀掣( 2 - 6 )，i 一t c o s 0 , + ( n ：- ：s i n 2 只) j 嘞：生堂立正皇蝉( 2 - 7 ) 栉：c o s 0 , + ( 玎：- s i n 2p ) 2 l 当日o o 时，s i n 2 只7 1 ：，可知( 珂：一s i n 2 只) 2 只能为0 或纯虚数。也就是： ，上= ，巧= 1 ( 2 - 8 ) 因为，= ，1 2 代表了光的强度反射系数，所以全反射光强等于入射光强， 即入射光的能量全部返回到原有的媒介。这样可以得出一个结论：发生全反射 时，光的能量也将全部反射。 2 1 3 纤维光学理论 2 1 3 1 光纤的结构与种类【2 3 i 光纤是光导纤维的简称，通常是圆柱形的。光 纤的基本结构是由两层圆柱状媒质构成，内层为纤 芯，外层为包层。纤芯的折射率比包层的折射率稍 大，这样光就被束缚在光纤里面传播。实际的光纤 在包层外还有一层保护层，其用途是保护光纤免受 包层 环境污染和机械损伤。图2 3 是单根光纤结构示意图。图2 3 光纤结构简图 按照传输的模式数量可将光纤分为单模光纤和多模光纤。它们的主要差别 是纤芯的尺寸和纤芯一包层的折射率差值。多模光纤的芯径大( 5 0 5 0 0 u m ) ， 纤芯包层折射率差大( a = ( 啊一n 2 ) 啊= o o l o 0 2 ) ；单模光纤的芯径小 ( 2 - 1 2 u r n ) 。纤芯包层折射率差小( = ( 拜1 一i 1 2 ) 确= 0 0 0 0 5 0 。0 1 ) 。 通常根据纤芯的折射率分布，又可以把光纤分为阶跃式( 或称均匀折射率 光纤) 和渐变式( 或称梯度光纤) 两种类型。 2 1 3 2 光纤中光线的传播理论 本课题中选用的是阶跃型光纤，又称为均匀折射率光纤，它的折射率沿径 9 武汉理工大学硕十学位论文 向是呈阶跃状分柿的。由于光纤的端面尺寸比光波波长大的多，所以可以利用 光线的概念来处理。 阶跃型光纤的导光特性是基于光线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线 限制在纤芯中传输。光纤中的光线分为两种，即子午光线和斜射光线。 在光导纤维中，如果某条光线的传播路径始终在同一平面内，则称此光线 为子午光线。包含子午光线的平面叫做子午面。根据光的反射定律可知，予午 光线的入射光线、反射光线和法线均在子午面内。由于这种光线是不断地在柱 体的界面上反射，所以子午面必定包含壁面在各个入射点上的法线，也就是说， 子午面宓垂直于壁面在各个入射点处的切面。对于常用的圆柱形光纤来说，子 午面就是包含圆柱体轴线的平面。如图2 - 4 所示。 毪b ： 图2 - 4 予午光线在直圆柱光导纤维中的传播 在a 点应用折射定理，有以下关系成立： i os i n 岛= j ，s i n o , = 聆ic o s 妒, ( 2 9 ) 当在b 点发生全反射的时候，需满足：s i n 妒, s i n # 。( 虎为临界角) ，而 s i n 。= r t _ l = 捍。，所以代入上式可德到：s i n # , 兰：。进而有： 强n t c o s 谚：( 1 - s i l l 2 谚) j 1 ( 1 - 乓) j i ( 2 - l o ) 胛1 上式代入式2 - 9 之后整理得： 。i n 岛 盯，( 1 - 善) ；( 拧卜疗番 ( 2 - 1 1 ) 玎 最后得到； 1 l s i n e o 二( 甩? 一行? ) 2 ( 2 - 1 2 ) 仃0 上边的不等式决定了在光纤中能产生全反射的子午光线的端面入射角的取 l 值范围。下面就可以定义极限角六，取s i n e , 。：q ? 一痒乃i ，假设光纤放置于 空气当中，故取n o = l 。进而有： 1 0 武汉理下大学硕+ 学位论文 s i n 以= ( 九? 一砰) 2 ( 2 1 3 ) 可见吼只与光纤的折射率有关，而光纤的尺寸对它没有任何影响。通过适 当的选择、一可以满足：o m 9 0 。 通常定义s i n 以为光纤的数值孔径，用 w 来表示的话，有下式成立： n a = 0 一胛? ) j ( 2 1 4 ) 数值孔径反映了光纤的集光本领，即数值孔径越大，光纤对子午线的集光本 领越强。 光纤中不在子午面内的光线都是斜射光线，它跟光纤的轴线既不平行也不相 交，其光路轨迹是空间螺旋折线。同样可以利用光的反射定律求出其全反射的 条件，在这里就不详述了。 2 1 4 自聚焦透镜光学特性 1 9 6 8 年，1 3 本北野一郎等人首先采用离子交换工艺制成了变折射率透镜， 即自聚焦透镜( g r a d i e n ti n d e xr o dl e n s ，g r i n0 1 s e l f o cl e n s ) 。由于其体积小、 端面平、易加工、易对准、易与光纤对中耦合和连接、耦合效率高、光学成像 象差小等优点而被广泛用于光纤传感系统中。 自聚焦透镜的材料折射率沿径向梯度变化，自棒轴至外圆是逐渐减小的， 并且是轴对称的，因而一般将其折射率分布表示为1 2 4 】： 刀2 ( ，) = 7 1 2 ( 0 ) ( i 9 2 r 2 ) ( 2 1 5 ) 式中为棒轴上的折射率，g 为表示折射率变化快慢的特征参数。 自聚焦透镜的数值孔径为： n a ( r ) = 竹2 ( ，) 一7 1 2 ( 口) ( 2 1 6 ) 式中a 为自聚焦透镜的半径。由式2 1 6 可知，自聚焦透镜的数值孔径自中 心至边缘不是常值，中心轴上最大，边缘点处为零。 变折射率透镜中折射率分布也可从光线方程或扩散方程得到，结果是 2 5 1 ： 2 ( ，) = 1 2 ( o ) b h 2 ( g r ) 2 + h 4 ( s r ) 4 + 阮( g r ) 6 + j ( 2 - 1 7 ) 式中，n ( o ) 和n ( r ) 分别为轴中心和离轴r 处的折射率；h 2 、h 、h 6 分别为 折射率分布的二阶、四阶和六阶系数。如果令h 2 = l 、h 。= i 4 、h 6 = 0 ，式2 - 1 7 变成： 武汉理1 ：大学硕十学位论文 吣胁 7 1r 2 即抛物线分布，也就是自聚焦透镜的折射率分布。 折射率变化有关的常数，即聚焦常数。 在圆柱坐标系中，光线方程式为【2 6 l ： 旦i 玎立i - v 疗 d s l d s 对于子午光线来说，光线方程的径向分量为： di 毋id n 忑j 片面| - 石 在近轴近似下，方程写成： 窘刊r ( 2 1 8 ) 式2 1 8 中，彳为与梯度 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 叫咄：恐，之箸i l 2 z ， 此方程即光线的轨迹方程。 其中，1 和， 分别代表入射点和出射点的位置坐标； 和出射光线在和吒的斜率；z 为透镜棒的长度坐标。 光线在自聚焦透镜内传播具有两个重要特性： ( 1 ) 当平行光线入射时，即，l = 0 由式2 2 2 可得： 一 ，2 = ，lc o s ( 4 , 4 2 ) 和分别为入射光线 ( 2 2 3 ) 光纤传输的轨迹是余弦曲线，如图2 - 5 所示，周期( 节距) 为p = 2 刀j ； 叫一再_ 胡 倍2 。， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 当一束发散光在透镜端面中心处入射时，即，l = o ，代入式2 - 2 4 得= o ， 即出射光线斜率为o ，是平行光，即自聚焦透镜的准直作用。 当一束平行光垂直入射到透镜入射端时，即，l = o ，代入式2 2 4 得屹= o ， 即平行光束会聚于透镜出射端面，即自聚焦透镜的聚焦作用。 2 2 反射式强度调制型光纤位移传感器的基本原理 传统的反射式强度调制型光纤位移传感器如图2 6 所示： z 光垤光纤卜啼 图2 6反射式强度调制型光纤位移传感器原理图 其中，光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，亦可称为光源光纤和接 收光纤。光纤采用y 型结构，即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉 为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。和光纤探头 相对的反射体表面是一个反射面。当光源发出的光经光源光纤照射到位移反射 体上后，被反射回的光又经接收光纤输出，被光探测器件接收。其输出光强决 定于反射体距光纤探头的距离，当这一距离改变时则输出光强作相应的变化， 通过对光强的检测便可得到位移量。 图2 7 反射式强度调制型光纤传感器的光祸合原理图 1 3 固 圆 武汉理工大学硕+ 学位论文 r i m f o s 的光耦合原理如图2 7 所示，实际的纤端光场既不是纯粹的高斯光 束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，而是更接近于两者的混合。在综合上 述两种近似情况后，给出一个既与实际相符，又具有通用性的纤端光场场强分 布： m ) = 磊k o 历i o e x p 【- r 2i r 2 ( z ) 】( 2 - 2 5 ) 式中，k 表示光波在光纤中的损耗，j 。为光源耦合到光纤中的光强，r ( z ) 为光场分布的等效半径，定义为： r ( ：) = a o + k t a n e ：3 7 2 ( 2 - 2 6 ) 其中，口。为纤芯半径，晓为光纤的最大入射角，k 为光场的耦合系数，表 征光源的性质和祸合条件对光场分布的影响。对于反射式光纤传感器，接收光 纤所接收到的光强，等价于将发射光纤置于反射体镜像处时其直接接收到的光 强乘以反射体的反射系数r 。所以，由图2 8 可知，接收光纤接收到的光强为： i ( r ，z ) = r 肛巾( ，z ) c x p ( - e 仉r , ) d s = r j f j f k 咒r o k ：( i 力i o e x p ( 一军碍，) 。e x p - ，2 r 2 ( z ) k z 。z7 式中，r 表示反射面的反射率，墨表示接收光纤的光功率损耗系数， e x p ( 一r l ，) 代表由于接收光纤弯曲所附加的损耗，s 为接收光纤纤芯端面， r ( z ) 的表达式见2 2 6 。 由于此积分比较复杂，不便于直接求积，所以作一定的近似处理以适当简 化。由于单根光纤端面纤芯尺寸较小，所以用接收端面中心点处的光强作为光 纤中各光纤面上的平均光强。在图2 8 所建立的坐标系中，接收光纤中心点处的 坐标为( 2 z ，d ) ，d 为两光纤轴心的间距，将上述坐标值分别代入式2 2 7 ， 可得： i t = r 丽k o k i 西s j i o c x p ( - 莩仉) c x p - d 2 r 2 ( 2 z ) 】 ( 2 - 2 8 ) 由式2 2 8 可见，当光纤传感探头的结构参数d 、a 。、见一定时，光纤输出 特性与光纤端面到反射体之间的距离z 有关，从而实现了对位移的测量。 为了改善传感器的位移特性，许多学者分别提出了多种结构不同的传感器， 3 0 多年的研究使得r i m f o s 的结构呈现多样化。其中在研究比较多的传感器结 构主要有图2 - 8 所示的几种类型i ”1 。 1 4 武汉理工人学硕十学位论文 o i a l 坼龙外辟 oo 佛】曾刚矩 - ：光 oo c c i d ；曹自h 盛 i 毙玎 c d ) 箍帆眦r )t c 书鲥型l mn 1 4 轴l 型( l - r 1 ) g ) 阿辅i i 魍t c l d ， 幢i 础疆l 删“) c i l 越啦啦( i ) 0 i 釉随机捌( c 收k 牛瓣醵报餐( i l r ) 裳j 苦光 f o 接收危 f io 按收光纤2 图2 8r i m f o s 传感器探头结构示意图 这些r i m f o s 的典型强度调制特性曲线如图2 - 9 所示m - 3 1 ： m i o 0 8 o 6 o 4 o 2 o2 0 04 0 06 0 08 0 0 d i s t a n c c 啦m ) 图2 - 9r i m f o s 传感器典型强度调制特性曲线 从图2 - 9 中可以看出，大多数传感器特性是双值函数，前坡线性范围小而灵 敏度高，后坡的线性范围大而灵敏度低。前坡和后坡的存在给传感器的应用带 来较大困难。另外，通常该类光纤传感器中使用的是光纤束，因而传感器探头 尺寸较大；同时光纤束内部光纤排列结构不同，响应特性也不同，影响了传感 器的可重复性。 1 5 武汉理一j = 大学硕士学位论文 2 3 油膜厚度传感器的硬件设计 反射式强度调制型光纤位移传感器( r i m f o s ) 属于非功能型光纤传感器， 光纤本身只起传输光信号的作用，它具有结构简单、性能稳定可靠、造价低廉、 设计灵活、能在恶劣环境下工作等优点，非常适合本课题的需求，因此本课题 中将结合已有的研究成果，设计一种测量缸套活塞环油膜厚度的传感器。 2 3 1 传感器探头结构设计 2 3 1 1 测试对象分析 本课题的测试对象为柴油机缸套活塞环摩擦副之间的润滑油油膜厚度，测 试区域是整个缸套内壁，从上止点到下止点之问的油膜厚度。测试区域缸套内 壁的温度分布规律是1 3 2 】：上止点温度最高( 通常约为2 0 0 ，最高不会超过2 2 0 ) ，缸套内壁轴向越向下部温度越低。活塞在上止点位置时，对应于活塞火力 岸和环岸的区域，温度变化比较陡，因为该区域受燃气影响大，燃气经活塞至 缸壁传给冷却水的热量，大部分由此传出。现代高性能中速柴油机的最大燃烧 爆发压力为1 6 2 1 m p a 。因此在传感器设计和安装固定时必需考虑如何抵抗高 温、高压、油污等不利因素的干扰。 缸套与活塞环之间的位移量就可以准确的反映油膜厚度，因此只需设计一 种专用的反射式光纤位移传感器测出缸套内壁与活塞环之间的位移，就可以得 到它们之间的油膜厚度。具体的测试方法是在缸套的测试点加工一个小孔，把 反射式光纤位移传感器探头固定其中，并使得探头端面与缸套内壁平齐，把活 塞环表面的一段作为被测物的反射面，这样就构成了利用光纤位移传感器测量 位移的结构。 在测试中需要重点考虑三个问题。第一，由于活塞环是一个环形，它的表 面并非平面，而是具有一定曲率的曲面，即测试的反射面是一个曲面，所以为 了符合反射式光纤位移传感器测位移的基本要求，需要在设计传感器时应尽量 减小探头的直径和测试光斑的直径，测试光斑的直径与活塞环的直径相比小的 多的时候，就可以把被测的活塞环曲面简化为平面来处理；第二，在缸套活塞 环之间有一层润滑油，测量光线经过这层油膜后势必会有衰减，因此在减小传 感器探头尺寸的同时，还有保证有足够强的光功率反射回到传感器中。第三， 1 6 武汉理下大学硕士学位论文 在这种缸套内高温、高压、重油污的恶劣环境中，如何固定安装传感器探头， 保证其稳定工作。 此外在本课题中，在不影响结论正确性的前提下，为简化处理，作如下假 设： a ) 活塞环表面为光滑镜面，不考虑其表面粗糙度的影响； ”润滑油是均匀的，这样光线通过其中的衰减仅与其厚度有关； c ) 不