本實(shí)用新型屬于滑動軸承技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠同時(shí)檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器。

背景技術(shù)：

滑動軸承(包括徑向和軸向)是核電機(jī)組、現(xiàn)代大型軋機(jī)、汽輪機(jī)、燃機(jī)以及水輪機(jī)等重大裝備中轉(zhuǎn)子的主要支承形式，工作過程中軸承利用流體動壓效應(yīng)所形成的潤滑油膜不僅要保證微米級小間隙摩擦副的充分潤滑，同時(shí)要承載數(shù)十噸甚至數(shù)百噸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量以及抵御系統(tǒng)內(nèi)部自激勵力和外界干擾力的影響。在影響轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)與轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能的諸多物理量中，油膜厚度和溫度是其中主要的參數(shù)。現(xiàn)有的傳感器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)油膜厚度和溫度的檢測，要實(shí)現(xiàn)厚度和溫度的檢測需安裝不同的傳感器，從而為傳感器的安裝帶來不便。同時(shí)，現(xiàn)有的光纖傳感器在進(jìn)行潤滑油膜厚度檢測時(shí)，工作過程中油液溫度的變化會導(dǎo)致油液折射率發(fā)生變化，從而影響現(xiàn)有光纖傳感器油膜厚度檢測的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠同時(shí)檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，在實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度檢測的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)油液溫度的檢測并對油液厚度的檢測結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以解決上述技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

能夠同時(shí)檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，包括光纖探頭、光源、光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊和采集處理和顯示模塊；光纖探頭包括1根發(fā)射光纖TF，2組接收光纖：第1組接收光纖RF1和第2組接收光纖RF2；第1組接收光纖RF1的端面與第2組接收光纖RF2的端面之間具有距離差；光源用于向光纖探頭的發(fā)射光纖TF提供入射光；光纖探頭的輸出端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊連接采集處理和顯示模塊；轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊的作用是將接收到的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并對光電信號進(jìn)行放大濾波；采集處理和顯示模塊的作用是作為上位機(jī)，對轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊輸出信號進(jìn)行采集、并對采集的信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)油膜厚度、溫度的檢測和顯示。

進(jìn)一步的，發(fā)射光纖TF和接收光纖規(guī)格相同，都為多模光纖；第1組接收光纖RF1分為RF1-1和RF1-2，第2組接收光纖RF2分為RF2-1和RF2-2；接收光纖RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2都為兩根，排列方式為：發(fā)射光纖TF排布在中心，8根接收光纖成對稱十字排列在發(fā)射光纖TF旁側(cè)。

進(jìn)一步的，以發(fā)射光纖TF的中心為圓點(diǎn)建立XY直角坐標(biāo)系；一組接收光纖RF1-1、RF1-2位于X軸正半軸，一組接收光纖RF2-1、RF2-2位于X軸負(fù)半軸，另一組接收光纖RF2-1、RF2-2位于Y軸正半軸，另一組接收光纖RF1-1、RF1-2位于Y軸負(fù)半軸。

進(jìn)一步的，接收光纖RF1-1和RF1-2與發(fā)射光纖TF的軸間距不同，接收光纖RF2-1和RF2-2與發(fā)射光纖TF的軸間距也不同；第1組接收光纖RF1的端面與發(fā)射光纖TF端面齊平，第2組接收光纖RF2的端面與發(fā)射光纖TF端面有1個(gè)確定的距離d₀；接收光纖RF1-1和RF2-1位于內(nèi)側(cè)靠近發(fā)射光纖TF且與發(fā)射光纖TF間隔布置，接收光纖RF1-2和RF2-2位于外側(cè)。

進(jìn)一步的，接收光纖RF1-1、RF1-2緊貼布置在一起，接收光纖RF2-1、RF2-2緊貼布置在一起。

本實(shí)用新型中，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器進(jìn)入發(fā)射光纖TF，并通過發(fā)射光纖TF穿透油液照射到反射面，反射面反射的光再由第1組接收光纖RF1接收，第1組接收光纖RF1的光功率隨著油膜厚度d變化而變化；接收光纖RF1-1和RF1-2與發(fā)射光纖TF的軸間距不同，在相同油膜厚度情況下RF1-1和RF1-2接收光功率不同，接收光纖RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M被油膜厚度d調(diào)制；

線性化的光纖傳感器輸出特性方程見式(1)：

M＝a₀+a₁d (1)

油膜厚度d，見式(2)：

第2組接收光纖RF2接收到光，與第1組接收光纖RF1參數(shù)相同，由于距離d₀的原因，在相同油膜厚度的前提下，第2組接收光纖的比值為油膜厚度d+d₀時(shí)的值，第1組接收光纖的接收光功率之比M₁和第2組接收光纖的接收光功率之比M₂分別對應(yīng)光纖傳感器位移輸出特性曲線上的兩個(gè)點(diǎn)，輸出特性方程的a₁用式(3)表達(dá)；當(dāng)油液溫度升高時(shí)，油液折射率降低，增大了光纖最大入射角，比值特性曲線的斜率會增大，反之斜率會降低，利用式(4)進(jìn)行油膜溫度的檢測，其中t₀、t₁為溫度特性方程的系數(shù)；從式(3)可以看出，特性曲線斜率與待測油膜厚度沒有關(guān)系，因此在進(jìn)行油膜厚度動態(tài)檢測時(shí)，利用特性曲線斜率a₁的變化，實(shí)現(xiàn)油液溫度檢測；

T＝t₀+t₁a₁ (4)

其中M₂為RF2-1、RF2-2接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號比值；M₁為RF1-1、RF1-2接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號比值；T為油膜溫度；

首先通過式(3)計(jì)算a1，通過式(4)計(jì)算潤滑油膜溫度值；通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，得到a₁和a₀隨溫度變化的對應(yīng)關(guān)系，從而得到a₀，再應(yīng)用式(2)獲得油膜厚度，從而對光纖傳感器的輸出特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的油膜厚度檢測。

本實(shí)用新型中，光纖探頭安裝在滑動軸承的軸瓦上，光纖探頭與軸瓦內(nèi)表面之間的距離w為傳感器初始安裝距，d為光纖探頭距離轉(zhuǎn)子表面之間的距離，油膜厚度h為d減去w；

檢測時(shí)，光源的光耦合到發(fā)射光纖TF中，從TF發(fā)出的光透過油膜射到軸頸表面，經(jīng)軸頸表面反射，第1組接收光纖和第2組接收光纖都接收到反射光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和濾波放大后，進(jìn)入采集處理和顯示模塊；采集到的數(shù)據(jù)分別為接收光纖RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號U_1-1、U_1-2、U_2-1、U_2-2；在采集處理和顯示模塊中對所采集的電壓信號進(jìn)行比值處理：M₁為U_1-2與U_1-1的比值、M₂為U_2-2與U_2-1的比值，光纖傳感器的M₁隨距離d的變化而變化，測出的距離d減去w則為油膜厚度h；

當(dāng)油膜溫度發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)檢測到M₂與M₁，利用式(3)得到a₁，再利用式(4)實(shí)現(xiàn)潤滑油液溫度的檢測；

T＝t₀+t₁a₁ (4)。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果：本實(shí)用新型一種能夠同時(shí)檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，避免了同時(shí)在軸瓦上安裝兩種傳感器分別得到油膜厚度和溫度，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了溫度檢測，可以對線性化的光纖傳感器輸出特性方程中a₁和a₀進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)油膜厚度檢測的溫度補(bǔ)償，避免了溫度變化時(shí)油膜厚度測量的不準(zhǔn)確。

附圖說明

圖1為光纖傳感器測量原理；

圖2a為光纖排列方式示意圖；圖2b為圖2a的俯視圖；

圖3為光纖傳感器輸出特性曲線；

圖4為油膜厚度測量原理圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

請參閱圖1所示，本實(shí)用新型一種能夠同時(shí)檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，包括光纖探頭1、光源2、光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊3和采集處理和顯示模塊4；光源2是波長650nm半導(dǎo)體激光器，采集處理和顯示模塊4由DSP及其外圍電路組成。光纖探頭1的輸出端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊3連接采集處理和顯示模塊4。

光纖探頭1的光纖排列方式見圖2a和圖2b所示，包括1根發(fā)射光纖TF，2組接收光纖：第1組接收光纖RF1和第2組接收光纖RF2。

發(fā)射光纖和接收光纖規(guī)格相同，都為多模光纖。第1組接收光纖RF1分為RF1-1和RF1-2，第2組接收光纖RF2分為RF2-1和RF2-2；接收光纖RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2都為兩根，共8根排列方式如圖2所示：發(fā)射光纖TF排布在中心，8根接收光纖成對稱十字排列在發(fā)射光纖TF旁側(cè)；以發(fā)射光纖TF的中心為圓點(diǎn)建立XY直角坐標(biāo)系；一組接收光纖RF1-1、RF1-2位于X軸正半軸，一組接收光纖RF2-1、RF2-2位于X軸負(fù)半軸，一組接收光纖RF2-1、RF2-2位于Y軸正半軸，一組接收光纖RF1-1、RF1-2位于Y軸負(fù)半軸；這種排列方式可以增大接收光功率，同時(shí)可以起到補(bǔ)償作用。此外，接收光纖RF1-1和RF1-2與發(fā)射光纖TF的軸間距不同、接收光纖RF2-1和RF2-2與發(fā)射光纖TF的軸間距也不同。第1組接收光纖RF1的端面與發(fā)射光纖TF端面齊平，第2組接收光纖RF2的端面與發(fā)射光纖TF端面有1個(gè)確定的距離d₀。為了不影響第2組接收光纖RF2-1對光接收，發(fā)射光纖TF與接收光纖RF1-1和RF2-1不能緊密排列，而是如圖2所示接收光纖RF1-1、RF2-1與發(fā)射光纖TF有一定距離，其軸間距為l。

測量工作原理

光源2發(fā)出的光經(jīng)耦合器進(jìn)入發(fā)射光纖TF，并通過發(fā)射光纖TF穿透油液照射到反射面，反射面反射的光再由第1組接收光纖RF1接收，第1組接收光纖RF1的光功率會隨著油膜厚度d變化而變化。因?yàn)榻邮展饫wRF1-1和RF1-2與發(fā)射光纖TF的軸間距不同，因此在相同油膜厚度情況下RF1-1和RF1-2接收光功率不同，這樣接收光纖RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M就會被油膜厚度d調(diào)制，其特性曲線如圖3所示。

通過這種比值處理，可以消除光功率波動、反射率變化等因素對光纖傳感器輸出特性的影響。在油液溫度確定的情況下，取線性測量區(qū)間為d₀₁-d₀₂，則經(jīng)過擬合、線性化的光纖傳感器輸出特性方程見式(1)。

M＝a₀+a₁d (1)

從式(1)可知，檢測出接收光纖RF1-2和RF1-1的接收光功率之比M后，就可以得到油膜厚度d，見式(2)。

第2組接收光纖RF2也會接收到光，與第1組接收光纖RF1參數(shù)相同，由于距離d₀的原因，在相同油膜厚度的前提下，第2組接收光纖的比值為油膜厚度d+d₀時(shí)的值，則第1組接收光纖的接收光功率之比M₁和第2組接收光纖的接收光功率之比M₂分別對應(yīng)光纖傳感器位移輸出特性曲線上的兩個(gè)點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)，則輸出特性方程的a₁可以用式(3)表達(dá)。當(dāng)油液溫度升高時(shí)，油液折射率會降低，增大了光纖最大入射角，因此比值特性曲線的斜率會增大，反之斜率會降低，因此可以利用式(4)進(jìn)行油膜溫度的檢測，其中t₀、t₁為溫度特性方程的系數(shù)，系數(shù)t₀、t₁可通過對實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)線性化后得到。從式(3)可以看出，特性曲線斜率與待測油膜厚度沒有關(guān)系，因此在進(jìn)行油膜厚度動態(tài)檢測時(shí)，利用特性曲線斜率a₁的變化，實(shí)現(xiàn)油液溫度檢測。

T＝t₀+t₁a₁ (4)

其中M₂為RF2-2、RF2-1接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號比值；M₁為RF1-2、RF1-1接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號比值；T為經(jīng)過補(bǔ)償后的油膜溫度。

檢測到潤滑油膜溫度值后，則在此溫度下光纖傳感器輸出特性方程對應(yīng)的a₁和a₀就可以確定，從而可以對光纖傳感器的輸出特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的油膜厚度檢測。

結(jié)合滑動軸承油膜狀態(tài)檢測進(jìn)行說明，檢測原理如圖4所示：

檢測部分包含光纖探頭1、光源2、光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊3和采集處理和顯示模塊4。檢測對象為軸頸5和軸瓦6之間的油膜。光纖探頭1的作用是拾取被油膜厚度和油溫調(diào)制的光信號，光纖排列方式見圖2a和圖2b所示；光源2的作用是給發(fā)射光纖TF提供入射光；光電轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊3的作用是將接收到的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并對光電信號進(jìn)行放大濾波；采集處理和顯示模塊4的作用是作為上位機(jī)，對轉(zhuǎn)換及濾波放大模塊3輸出信號進(jìn)行采集、并對采集的信號進(jìn)行算法處理，實(shí)現(xiàn)油膜厚度、溫度的檢測和顯示。

如圖4所示，在軸瓦上安裝光纖傳感器的光纖探頭1，光纖探頭1與軸瓦內(nèi)表面之間的距離w為傳感器初始安裝距，d為光纖探頭距離轉(zhuǎn)子表面之間的距離，則油膜厚度h為d減去w。

檢測時(shí)，光源的光耦合到發(fā)射光纖TF中，從TF發(fā)出的光透過油膜射到軸頸表面，經(jīng)軸頸表面反射，第1組接收光纖和第2組接收光纖都接收到反射光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和濾波放大后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)分別為接收光纖RF1-1、RF1-2、RF2-1、RF2-2接收到的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號U_1-1、U_1-2、U_2-1、U_2-2。在上位機(jī)中可以對所采集的電壓信號進(jìn)行比值處理，即M₁為U_1-2與U_1-1的比值、M₂為U_2-2與U_2-1的比值，光纖傳感器的M₁隨距離d的變化而變化，測出的距離d減去w則為油膜厚度h。

根據(jù)前述，當(dāng)油膜溫度發(fā)生變化時(shí)，同時(shí)檢測到M₂與M₁，利用式(3)得到a₁，再利用式(4)就可以實(shí)現(xiàn)潤滑油液溫度的檢測。