基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器

摘要

基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，涉及一种广义共振解调技术和光纤传感技术，针对列车轴承损伤的早期预警在线监测应用，需要分析列车轴承的实时温度、振动频率、加速度等关键参量。本发明通过轴承结构早期损伤产生的微冲击激励由质量块、顺变体和螺栓组成的机械结构产生共振，使顺变体内固化的光纤传感单元的峰值波长与系统共振幅度成正比，在共振频率处达到振幅最大值，从而对微小冲击信号实现共振放大检测，传感器内部集成轴承温度传感器，通过融合分析温度、振动和冲击共振信息，实现对列车轴承损伤的早期预警监测。本发明适用于各种轴承类机械结构损伤的在线预警监测。

权利要求

1.基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，包括光纤光栅(1)、质量块(3)、顺变体(4)、螺栓(5)、保护外壳(6)、安装底座(7)和光纤光栅温度传感器(8)；

所述保护外壳(6)为顶端封闭底端开口的腔体结构；所述安装底座(7)与保护外壳(6)的开口端通过螺纹进行连接；安装底座(7)的中心处设有竖直安装通孔；

所述质量块(3)和顺变体(4)同时设置在保护外壳(6)的腔体结构内部，并且质量块(3)位于顺变体(4)顶部；

所述螺栓(5)设有轴心通孔，并且螺栓(5)从上至下依次贯穿质量块(3)和顺变体(4)并延伸至安装底座(7)的安装通孔内；

所述光纤光栅温度传感器(8)竖直设置在安装底座(7)的安装通孔底部，通过将安装底座(7)设置在列车轴承探损处实现对列车轴承的探测早期损伤探测；

所述光纤光栅(1)的一端与光纤光栅温度传感器(8)的顶部相连，光纤光栅(1)的另一端经由安装通孔，依次穿过螺栓(5)的轴心通孔以及保护外壳(6)的顶端，延伸至保护外壳(6)外部与传导光纤相连。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，还包括光纤保护件(2)；

保护外壳(6)的顶端设置有具有内螺纹的穿线孔，所述光纤保护件(2)与保护外壳(6)通过螺纹连接于该穿线孔处，光纤光栅(1)从光纤保护件(2)的中心通孔伸出保护外壳(6)的外部。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，螺栓(5)的端部通过螺纹与安装底座(7)的安装通孔连接。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，安装底座(7)的底部设有外螺纹，通过外螺纹将安装底座(7)固定在列车轴承探损处。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，所述质量块(3)采用弹性体不锈钢制成；所述顺变体(4)采用聚乙烯制成；所述螺栓(5)采用弹性体合金钢制成。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器，其特征在于，光纤光栅(1)为FP腔式光纤光栅或相移光纤光栅，并且通过树脂胶粘贴或激光熔接封装固化，保证光纤光栅(1)与螺栓(5)协同共振。

说明书

基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种广义共振解调技术和光纤传感技术。

背景技术

[0002] 随着中国铁路快速发展，安全是铁路快速发展的前提，轴承损伤的早期监测是重中之重。轴承故障早期监测不同于实验室的固定机械检测，铁路的恶劣环境对传感器提出更高的要求。轴承早期故障损伤是呈微弱的周期性信号，一般的振动传感器很难监测到。

[0003] 布拉格光纤光栅(FBG)因其灵敏度高、质量轻、体积小、成本低、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性已愈来愈受到重视。利用布拉格光纤光栅对波长绝对编码的优良特性，可以实现对应变、应力、位移、温度等各种物理量的精确测量。因此，布拉格光纤光栅广泛应用于桥梁、建筑、高铁、大坝及航空航天等领域。

[0004] 近年来，国内外专家积极的投入到此课题的研究。电磁类轴承共振式振动检测传感器研究居多，由唐德尧在2012年12月20日申请的，专利号为：CN 103063384 A，发明名称为：一种改善低频特性的振动冲击复合传感器，公开了通过螺栓将传感器底座与机器高刚度连接耦合，通过柔性PCB低刚度对传感器内部谐振器组件和电缆进行连接，解决了传感器底座没有与机器刚性连接，和传感器内部由于电缆具有较高刚度所致的频率响应问题，但该传感器易受到电磁干扰。光纤光栅轴承检测应用方面也有很多，直接将光纤光栅与质量块相连接，通过振子的上下振动使光纤光栅产生应变，该传感器可以进行温度自补偿，具有较高的测量灵敏度和分辨率，但是光纤光栅保护措施欠佳，容易损坏。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对列车轴承损伤的早期预警在线监测应用，需要分析列车轴承的实时温度、振动频率、加速度等关键参量，提出了一种基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器。

[0006] 本发明所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器包括光纤光栅、质量块、顺变体、螺栓、保护外壳、安装底座和光纤光栅温度传感器；

[0007] 所述保护外壳为顶端封闭底端开口的腔体结构；

[0008] 所述安装底座与保护外壳的开口端通过螺纹进行连接；安装底座的中心处设有竖直安装通孔；

[0009] 所述质量块和顺变体同时设置在保护外壳的腔体结构内部，并且质量块位于顺变体顶部；

[0010] 所述螺栓设有轴心通孔，并且螺栓从上至下依次贯穿质量块和顺变体并延伸至安装底座的安装通孔内；

[0011] 所述光纤光栅温度传感器竖直设置在安装底座的安装通孔底部，通过将安装底座设置在列车轴承探损处实现对列车轴承的早期损伤探测；

[0012] 所述光纤光栅的一端与光纤光栅温度传感器的顶部相连，光纤光栅的另一端经由安装通孔，依次穿过螺栓的轴心通孔以及保护外壳的顶端，延伸至保护外壳外部与传导光纤相连。

[0013] 本发明的工作原理为：通过质量块、顺变体和螺栓构成共振系统，该共振系统受到轴承转动的振动时，共振系统会产生固有振动，使得螺栓中的光纤光栅受到力的作用，这样光纤光栅就会产生应变；当该基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器安装在轴承的上部，当轴承零部件的发生故障导致微小冲击时，轴承产生高频固有振动等于共振系统的固有频率，共振系统产生共振，通过共振解调技术可以读出光纤光栅的波长改变量，从而早期检测出轴承是否受损。

[0014] 本发明的有益效果是通过质量块、顺变体和螺栓构成共振系统将微小的轴承故障和系统固有频率产生共振，这样相当于间接的将光纤光栅的应变量放大；解决了轴承早期故障损伤的微弱周期性信号不容易被监测到的问题；同时，固化于螺栓中的光纤光栅进行压缩或伸长时，可以改变其应变量，但不用担心光纤光栅的损坏问题；具有结构简单和探测灵敏度高的优点。

附图说明

[0015] 图1为具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器的剖面结构示意图；

[0016] 图2为具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器安装在轴承上的结构示意图；

[0017] 图3为具体实施方式一中基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器的工作原理流程图；

[0018] 图4为具体实施方式一中基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器的工作原理等效图；

[0019] 图5为具体实施方式一中基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器的频谱图；

[0020] 图6为具体实施方式六中现有的光纤光栅的工作原理示意图；

[0021] 图7为具体实施方式六中FP腔式光纤光栅的工作原理示意图；

[0022] 图8为具体实施方式六中相移光纤光栅的工作原理示意图。

具体实施方式

[0023] 具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器包括光纤光栅1、质量块3、顺变体4、螺栓5、保护外壳6、安装底座7和光纤光栅温度传感器8；

[0024] 所述保护外壳6为顶端封闭底端开口的腔体结构；

[0025] 所述安装底座7与保护外壳6的开口端通过螺纹进行连接；安装底座7的中心处设有竖直安装通孔；

[0026] 所述质量块3和顺变体4同时设置在保护外壳6的腔体结构内部，并且质量块3位于顺变体4顶部；

[0027] 所述螺栓5设有轴心通孔，并且螺栓5从上至下依次贯穿质量块3和顺变体4并延伸至安装底座7的安装通孔内；质量块3、顺变体4和螺栓5构成共振系统；

[0028] 所述光纤光栅温度传感器8竖直设置在安装底座7的安装通孔底部，通过将安装底座7设置在列车轴承探损处实现对列车轴承的早期损伤探测；

[0029] 所述光纤光栅1的一端与光纤光栅温度传感器8的顶部相连，光纤光栅1的另一端经由安装通孔，依次穿过螺栓5的轴心通孔以及保护外壳6的顶端，延伸至保护外壳6外部与传导光纤相连。

[0030] 在本实施方式中，共振系统受到轴承转动的振动时，螺栓5中的光纤光栅1受到力的作用，这样光纤光栅1就会产生应变；如图2所示：传感器安装在轴承上端，当轴承转动振动时，由于零部件的故障导致的微小冲击，共振系统产生共振能高度灵敏地诊断机器传动装置中承载部件的故障，通过高速扫描激光波长解调技术可以读出光纤的波长改变量，从而检测出轴承是否受损；具体的工作原理流程如图3所示，轴承故障冲击引起微冲击，导致共振系统广义共振，光栅光纤1产生共振应变，同时，光栅光纤1接收光纤光栅温度传感器8的温度传感信号，经过动态信号采集后经过频谱分析，得出故障诊断。

[0031] 如图4所示，本实施方式所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器的工作原理等效图，当轴承故障冲击发生时，激励频率等于系统的固有频率时，发生共振，振幅将有效增大。运动方程为:

[0032] (M1+M2)a+Kx＝0

[0033] 其中，M1代表质量块3的质量，M2代表顺变体4的质量；K代表顺变体4的弹簧刚度，a为质量块3与顺变体4运动加速度；x为质量块3和顺变体4的振动位移；

[0034] 固有频率为：

[0035]

[0036] n为系统的阻尼；

[0037] 按照上述工作原理等效图，搭建起测试平台，模拟轴承运行过程中微小的故障冲击，基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器内置的顺变体4广义共振谐振系统的谐振组件的谐振质量M1＝3g，用ANSYS软件仿真传感器共振系统，谐振器组件的谐振质量的固有谐振频率为18.8kHz，螺栓5的原长为20mm，振动变化了9.17×10-4mm，则应变为45.8×10-6，一个微应变为10-6，为45.8个微应变，则在高频处于18.8kHz处，微小的高频冲击信号会引起系统共振，得到如图4所述的频谱图。

[0038] 在本实施方式中，基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器结构基于光纤光栅传感和广义共振原理设计的，利用了光纤光栅1受到外界的作用时，其中心波长发生漂移，解调波长进行传感；其中，外界的作用包括：应力、压力、温度等；列车轴承故障冲击具有周期性和高频性，应用广义共振原理，能检测在宽频带里由于零部件的故障导致的微小冲击信号，能及时发现并诊断早期故障；该基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器不限于列车轴承，还包括发电机、转动机械的早期损伤监测预警。

[0039] 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器进一步限定，在本实施方式中，还包括光纤保护件2；

[0040] 保护外壳6的顶端设置有具有内螺纹的穿线孔，所述光纤保护件2与保护外壳6通过螺纹连接于该穿线孔处，光纤光栅1从光纤保护件2的中心通孔伸出保护外壳6的外部。

[0041] 在本实施方式中，光纤保护件2用于将光纤光栅1的伸出部分进行固定，防止光纤光栅1损坏。

[0042] 具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器进一步限定，在本实施方式中，螺栓5的端部通过螺纹与安装底座7的安装通孔连接。

[0043] 在本实施方式中，通过螺纹连接，连接方式简单、可靠。

[0044] 具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器进一步限定，在本实施方式中，安装底座7的底部设有外螺纹，通过外螺纹将安装底座7固定在列车轴承探损处。

[0045] 在本实施方式中，通过安装底座7的底部的外螺纹对其进行固定安装，安装方便，固定效果好。

[0046] 具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器进一步限定，在本实施方式中，所述质量块3采用弹性体不锈钢制成；所述顺变体4采用聚乙烯制成；所述螺栓5采用弹性体合金钢制成。

[0047] 具体实施方式六：结合图6至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的共振式列车轴承损伤探测传感器进一步限定，在本实施方式中，光纤光栅1为FP腔式光纤光栅或相移光纤光栅，并且通过树脂胶粘贴或激光熔接封装固化，保证光纤光栅1位于螺栓5协同共振变形。

[0048] 在本实施方式中，轴承在损伤的初期，微损伤所产生的冲击振动信号是非常微弱的，通过现有的光纤光栅探测到微弱的冲击振动信号，光纤光栅结构如图6所示；为了获取损伤的演化过程极微信息，进而对光纤光栅1进行微纳加工成细径结构后能够提高灵敏度，选择基于光纤光栅的FP腔干涉结构或相移光栅结构对冲击响应共振信号进行探测；其工作原理为：如图7和8所示，当微弱的周期冲击信号引起传感器的共振时，振幅的变化对FP干涉仪结构或相移结构的相位产生影响，对干涉结构和相移光纤光栅的透射光谱产生明显的调制，其中相移光纤光栅的相移为π；通过固定波长的窄线宽激光器或可调谐激光器即可解调出共振幅值的变化信号，该方案具有结构简单、易于解调、探测灵敏度高的优点。