基于光纤光栅传感分布式轴承温度测量技术

摘要：轴承广泛运用于航空、航天、车辆、轮船等重要领域,是旋转机械中广泛运用的基础零件之一,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。探讨表明机械设备中大约有30%的故障是由轴承的损坏造成的,由此轴承状态监测对企业机械设备正常运转具有极其重要的作用。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。由于振动状态探讨中轴承的振动信号难以准确获取,而温度状态探讨中,热源明确,信号单一并易获取,由此许多对轴承振动状态监测探讨的学者后来也转向对轴承温度状态监测的探讨。传统的轴承温度状态监测中采取传统的温度传感器,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。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,能利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,避开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,采取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。本论文正是在这种背景下提出将光纤光栅传感技术运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。通过论述浅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ANSYS有限元温度场仿真浅析对该传感器结构进行优化；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)成良好的线性联系；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：轴承论文光纤光栅(FBG)论文光分路器论文温度传感器论文

摘要4-5

Abstract5-7

目录7-9

第1章 绪论9-20

1.1 探讨背景与作用9-10

1.2 国内外探讨近况10-18

1.2.1 轴承状态监测及温度测量技术进展近况10-14

1.2.2 光纤光栅传感器及其温度测量探讨近况14-18

1.3 论文探讨内容及安排18-20

第2章 光纤光栅传感原理20-26

2.1 光纤光栅传感基础与原理20-22

2.2 光纤光栅分布式传感论述22-23

2.3 光纤光栅传感测温原理23-25

2.4 本章小结25-26

第3章 熔融拉锥型光纤耦合器及分光实验26-41

3.1 熔融拉锥型光纤耦合器工作原理26-28

3.2 光纤分路器分光实验与浅析28-34

3.2.1 光纤分路器分光实验29-30

3.2.2 分光实验中各器件光功率损耗测量30-34

3.3 光纤中光功率损耗34-40

3.4 本章小结40-41

第4章 光纤光栅轴承温度传感器设计与性能评估41-68

4.1 光纤光栅传感器封装41-43

4.1.1 光纤光栅封装不足提出41-42

4.1.2 光纤光栅轴承温度传感器增敏封装原理42-43

4.2 光纤光栅轴承温度传感器结构设计43-50

4.2.1 U型铝合金片衬底的设计44-46

4.2.2 螺纹套的设计46-48

4.2.3 芯轴的设计48-50

4.3 光纤光栅轴承温度传感器有限元浅析50-54

4.4 光纤光栅轴承温度传感器的封装54-55

4.5 光纤光栅轴承温度传感器标定实验55-61

4.5.1 实验原理55-56

4.5.2 标定实验56-61

4.6 光纤光栅轴承温度传感器性能评定61-67

4.6.1 灵敏度61-64

4.6.2 敏感度64-66

4.6.3 稳定性和重复性66-67

4.7 本章小结67-68

第5章 基于光纤光栅传感分布式轴承温度测量系统设计与实验68-73

5.1 基于光纤光栅轴承温度传感器的分布式轴承测温系统68-70

5.2 基于光纤光栅轴承温度传感器的分布式轴承测温实验系统70-72

5.3 本章小结72-73

第6章 总结与展望73-75

6.1 总结73-74

6.2 展望74-75