1.能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器,其特征在于,包括光纤探头(1)、光源(2)、光电转换及滤波放大模块(3)和采集处理和显示模块(4);
光纤探头(1)包括1根发射光纤TF,2组接收光纤:第1组接收光纤RF1和第2组接收光纤RF2;第1组接收光纤RF1的端面与第2组接收光纤RF2的端面之间具有距离差;
光源(2)用于向光纤探头(1)的发射光纤TF提供入射光;
光纤探头(1)的输出端经光电转换及滤波放大模块(3)连接采集处理和显示模块(4);
转换及滤波放大模块(3)的作用是将接收到的光进行光电转换并对光电信号进行放大滤波;采集处理和显示模块(4)的作用是作为上位机,对转换及滤波放大模块(3)输出信号进行采集、并对采集的信号进行处理,实现油膜厚度、温度的检测和显示;
发射光纤TF和接收光纤规格相同,都为多模光纤;第1组接收光纤RF1分为RF1‑1和RF1‑
2,第2组接收光纤RF2分为RF2‑1和RF2‑2;接收光纤RF1‑1、RF1‑2、RF2‑1、RF2‑2都为两根,排列方式为:发射光纤TF排布在中心,8根接收光纤成对称十字排列在发射光纤TF旁侧;
接收光纤RF1‑1和RF1‑2与发射光纤TF的轴间距不同,接收光纤RF2‑1和RF2‑2与发射光纤TF的轴间距也不同;第1组接收光纤RF1的端面与发射光纤TF端面齐平,第2组接收光纤RF2的端面与发射光纤TF端面有1个确定的距离d0;接收光纤RF1‑1和RF2‑1位于内侧靠近发射光纤TF且与发射光纤TF间隔布置,接收光纤RF1‑2和RF2‑2位于外侧;
光源(2)发出的光经耦合器进入发射光纤TF,并通过发射光纤TF穿透油液照射到反射面,反射面反射的光再由第1组接收光纤RF1接收,第1组接收光纤RF1的光功率随着油膜厚度d变化而变化;接收光纤RF1‑1和RF1‑2与发射光纤TF的轴间距不同,在相同油膜厚度情况下RF1‑1和RF1‑2接收光功率不同,接收光纤RF1‑2和RF1‑1的接收光功率之比M被油膜厚度d调制;
光纤传感器输出特性方程见式(1):
M=a0+a1d(1)
油膜厚度d,见式(2):
第2组接收光纤RF2接收到光,与第1组接收光纤RF1参数相同,由于距离d0的原因,在相同油膜厚度的前提下,第2组接收光纤的比值为油膜厚度d+d0时的值,第1组接收光纤的接收光功率之比M1和第2组接收光纤的接收光功率之比M2分别对应光纤传感器位移输出特性曲线上的两个点,输出特性方程的a1用式(3)表达;当油液温度升高时,油液折射率降低,增大了光纤最大入射角,比值特性曲线的斜率会增大,反之斜率会降低,利用式(4)进行油膜温度的检测,其中t0、t1为温度特性方程的系数;从式(3)可以看出,特性曲线斜率与待测油膜厚度没有关系,因此在进行油膜厚度动态检测时,利用特性曲线斜率a1的变化,实现油液温度检测;
T=t0+t1a1(4)
其中M2为RF2‑2、RF2‑1接收到的光经光电转换后的电压信号比值;M1为RF1‑2、RF1‑1接收到的光经光电转换后的电压信号比值;T为油膜温度;
首先通过式(3)计算a1,通过式(4)计算润滑油膜温度值;通过实验标定,得到a1和a0随温度变化的对应关系,从而得到a0,再应用式(2)获得油膜厚度,从而对光纤传感器的输出特性进行温度补偿,实现准确的油膜厚度检测;
或者,光纤探头(1)安装在滑动轴承的轴瓦上,光纤探头(1)与轴瓦内表面之间的距离w为传感器初始安装距,d为光纤探头距离转子表面之间的距离,油膜厚度h为d减去w;检测时,光源(2)的光耦合到发射光纤TF中,从TF发出的光透过油膜射到轴颈表面,经轴颈表面反射,第1组接收光纤和第2组接收光纤都接收到反射光,经光电转换和滤波放大后,进入采集处理和显示模块;采集到的数据分别为接收光纤RF1‑1、RF1‑2、RF2‑1、RF2‑2接收到的光经光电转换后的电压信号U1‑1、U1‑2、U2‑1、U2‑2;在采集处理和显示模块中对所采集的电压信号进行比值处理:M1为U1‑2与U1‑1的比值、M2为U2‑2与U2‑1的比值,光纤传感器的M1随距离d的变化而变化,测出的距离d减去w则为油膜厚度h;当油膜温度发生变化时,同时检测到M2与M1,利用式(3)得到a1,再利用式(4)实现润滑油液温度的检测;
T=t0+t1a1(4)。
2.根据权利要求1所述的能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器,其特征在于,以发射光纤TF的中心为圆点建立XY直角坐标系;一组接收光纤RF1‑1、RF1‑2位于X轴正半轴,一组接收光纤RF2‑1、RF2‑2位于X轴负半轴,另一组接收光纤RF2‑1、RF2‑2位于Y轴正半轴,另一组接收光纤RF1‑1、RF1‑2位于Y轴负半轴。
3.根据权利要求1所述的能够同时检测滑动轴承润滑油膜厚度和温度的光纤传感器,其特征在于,接收光纤RF1‑1、RF1‑2紧贴布置在一起,接收光纤RF2‑1、RF2‑2紧贴布置在一起。