CN110174184A - 一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法 - Google Patents

一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法 Download PDF

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俞强
李全超
刘伟
黄国兵
王磊
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    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

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Abstract

本发明设计了一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，光纤光栅温度传感器安装在轴瓦上，测量信号通过光纤传递到光纤光栅解调仪，将光信号处理后转变为电信号，电信号传递到计算机中，计算机处理后获得测点处温度值。利用光纤光栅传感器体积小、灵敏度高、安装部位距离轴瓦表面近的特点，可以实时、全面测量轴瓦表面温度，为监测轴瓦温度、保证设备安全可靠运行提供了一种有效的监测方法。测量装置及方法适用于机械传动***滑动轴承运行情况的监测，特别适合船舶轴系。

Description

一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法
技术领域
本发明属于传动设备温度测量技术领域，尤其涉及一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法。
背景技术
滑动轴承是一种在机电设备、传动***中得到广泛应用的部件，其能否正常、可靠工作直接关系到整个设备、***能否工作。推力轴承(又称止推轴承)、支撑轴承(又称中间轴承)是滑动轴承的两种典型结构类型，推力轴承用于承受传动轴传递的推力或拉力，中间轴承用于承受传动轴及安装在其上部件的重力。推力轴承中推力轴上的推力环与安装在壳体上的推力轴瓦是一对摩擦副，中间轴承中的轴段与安装在壳体上支撑轴瓦是一对摩擦副，这两对摩擦副一般采用滑油冷却与润滑。设备工作时，滑油在摩擦副之间形成一层润滑油膜，保证摩擦副正常工作。如果某种原因造成油膜温度升高或无法形成润滑油膜，会造成轴瓦温度剧烈上升,当其温度高于轴瓦材料以承受的温度时，就会出现轴瓦烧损、设备停机故障。
以往人们常常在轴瓦背面安装热敏型传感器测量轴瓦温度来检测轴瓦表面温度是否正常。这种方式存在以下缺点：1)传感器尺寸较大，一般安装4至6只传感器，对轴瓦温度进行局部测量，不能检测整个轴瓦的温度情况，存在“盲区”。2)由于传感器尺寸较大，在轴瓦表面开孔而破坏油膜，因此传感器一般通过在瓦背上开孔将传感器安装在轴瓦中,这些传感器的探头一般在轴瓦表面下2毫米左右,且不能与轴瓦直接接触，通过测量轴瓦与传感器之间的油温间接获得轴瓦表面温度，测量结果不十分准确。3)热敏性传感器灵敏度较低，不能准确实时获得油膜温度的变化。因此，为保证轴承安全可靠运行，同时为新型轴瓦材料研究提供帮助，需要采用一种新型的测量方法获得轴瓦实时温度场。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，利用光纤光栅传感器体积小、灵敏度高、安装部位距离轴瓦表面近的特点，可以实时、全面测量轴瓦表面温度，为监测轴瓦温度、保证设备安全可靠运行提供了一种有效的监测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，光纤光栅温度传感器安装在轴瓦上，测量信号通过光纤传递到光纤光栅解调仪；步骤二，将光信号处理后转变为电信号；步骤三，电信号传递到计算机中，计算机处理后并适当修正后获得测点处温度值。
按上述技术方案，所述步骤一中，光纤光栅温度传感器在安装在轴瓦上前，将光纤光栅温度传感器装入一根直径0.5mm～1.5mm的铜管中，并在铜管中充满导热膏。
按上述技术方案，所述步骤一中，在轴瓦表面开设(根据测点布置需要)宽1mm～2mm、深1mm～2mm的沟槽(考虑轴瓦在使用中存在1mm左右的磨损量)，将装有光纤光栅温度传感器的铜管放入沟槽中；最后在沟槽表面补浇ZSnSb11Cu6材料。并对轴瓦表面修磨，保证其表面质量。
按上述技术方案，所述步骤三中，光纤光栅温度传感器利用温度对光栅中心波长的影响，通过测量光栅的波长变化量获得测量温度变化，将其与初始值比较即可获得该处的温度，光栅的波长变化量ΔλB2可表示为：
ΔλB2＝KT·λB·ΔT
式中：ΔλB2-光纤光栅温度传感器中心波长的变化；
KT-光纤光栅中心波长随温度的变化系数,为一个常数；
λB-自由空间内入射光波的后向反射布拉格光波长；
ΔT-环境温度变化量；
利用光纤光栅解调仪获取温度传感器反馈回的中心波长变化，经过计算后，得到该处温度的变化值。
按上述技术方案，所述步骤一中，在直径0.1mm的光纤上每间隔10mm布置一个光纤光栅温度传感器。因此，一个轴瓦上可以布置上百个温度传感器，通过对测量数据的处理后获得轴瓦温度场。
本发明产生的有益效果是：利用光纤光栅传感器体积小、灵敏度高、安装部位距离轴瓦表面近的特点，可以实时、全面测量轴瓦表面温度，为监测轴瓦温度、保证设备安全可靠运行提供了一种有效的监测方法。测量装置及方法适用于机械传动***滑动轴承运行情况的监测，特别适合船舶轴系。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中推力轴承测量轴瓦表面温度场原理图示意图；
图2是本发明实施例中支撑轴承测量轴瓦表面温度场原理图示意图；
图3是本发明实施例中光纤光栅温度传感器镶嵌轴瓦表面示意图；
图4是本发明实施例中推力轴瓦光纤光栅温度传感器布置示意图；
图5是本发明实施例中支撑轴瓦光纤光栅温度传感器布置示意图。
图中，1—光纤光栅温度传感器，2—纤光栅解调仪，3—计算机，4—光纤，5—网线，6-导热膏，7-轴瓦，8-铜管，9-轴瓦合金，轴-10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中提供一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，光纤光栅温度传感器1安装在轴瓦7上，测量信号通过光纤4传递到光纤光栅解调仪2；步骤二，光纤光栅解调仪2将光信号处理后转变为电信号；步骤三，电信号通过网线5传递到计算机3中，计算机3处理后获得测点处温度值。光纤光栅温度传感器1在安装在轴瓦7上前，将光纤光栅温度传感器装入一根直径0.5mm～1.5mm的铜管8中，并在铜管8中充满HY880型导热硅脂6。在轴瓦7表面开设(根据测点布置需要)宽1mm～2mm、深1mm～2mm的沟槽(考虑轴瓦在使用中存在1mm左右的磨损量)，将装有光纤光栅温度传感器1的铜管8放入沟槽中；最后在沟槽内补浇上轴瓦合金(ZSnSb11Cu6)9，补浇轴瓦合金(ZSnSb11Cu6)9时应控制温度不超过300℃。补浇后对轴瓦表面7修磨，保证其表面质量粗照度不大于0.1mm。需要注意的是,为保证测量信号质量,光纤光纤光栅温度传感器1在轴瓦7上布置时应尽可能不要弯曲,如果不可避免时其弯曲半径应不小于10mm。
如附图1、附图2所示，测量装置由光纤光栅温度传感器1、光纤光栅解调仪2、计算机3和光纤4、网线5等组成。其中,光纤光栅温度传感器1按照附图3的方式镶嵌在轴瓦7表面，根据轴瓦7具体尺寸和测量要求,按每个光纤光栅温度传感器1间距不小10mm的要求,布置在轴瓦7表面下1mm～2mm处,并将轴瓦表面7上开槽嵌入传感器的部位重新填上ZSnSb11Cu6材料9，保证轴瓦表面光滑，附图4和附图5给出了单块推力轴瓦和支撑轴瓦两种典型轴瓦表面温度传感器的布置方案。轴10旋转时与轴瓦7摩擦产生热量，使轴瓦表面7温度升高，温度升高改变了温度传感器1内部的光栅间距，使其中心波长发生变化，从光纤光栅解调仪2发出的一束宽带光入射道光纤光栅温度传感器1中，光栅中心波长变化造成某特定波长的光被反射回光纤光栅解调仪2，光纤光栅解调仪对反射光波频率分析获得光栅中心波长，从而得到其对应的温度值，该温度值以电信号的形式通过网线传递到计算机3中，计算机对轴瓦上每个测点温度值与测点布置位置相结合，获得实时轴瓦表面温度场。
由于光纤光栅温度传感器1镶嵌在轴瓦7表面下，因此其测量温度与轴瓦表面实际温度存在一定的时间差,两者略有差异，需要对其测量温度进行适当修正。其修正方法为：1)在设备运行加速或推力增加的升温阶段，轴瓦7表面实际温度为测量温度增加10℃～15℃；2)在设备运行减速或推力下降的降温阶段，轴瓦7表面实际温度为测量温度减小7℃～12℃；如果设备运行工况不改变稳定运行，则温度不必进行修正。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，光纤光栅温度传感器安装在轴瓦上，测量信号通过光纤传递到光纤光栅解调仪；步骤二，将光信号处理后转变为电信号；步骤三，电信号传递到计算机中，计算机处理后获得测点处温度值。
2.根据权利要求1所述的采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，其特征在于，所述步骤一中，光纤光栅温度传感器在安装在轴瓦上前，将光纤光栅温度传感器装入一根直径0.5mm～1.5mm的铜管中，并在铜管中充满导热膏。
3.根据权利要求1或2所述的采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，其特征在于，所述步骤一中，在轴瓦表面开设宽1mm～2mm、深1mm～2mm的沟槽，将装有光纤光栅温度传感器的铜管放入沟槽中；最后在沟槽表面补浇上与原轴瓦相同的材料。
4.根据权利要求3所述的采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，其特征在于，所述步骤三中，光纤光栅温度传感器利用温度对光栅中心波长的影响，通过测量光栅的波长变化量获得测量温度变化，将其与初始值比较即可获得该处的温度，光栅的波长变化量ΔλB2可表示为：
ΔλB2＝KT·λB·ΔT
式中：ΔλB2-光纤光栅温度传感器中心波长的变化；
KT-光纤光栅中心波长随温度的变化系数,为一个常数；
λB-自由空间内入射光波的后向反射布拉格光波长；
ΔT-环境温度变化量；
利用光纤光栅解调仪获取温度传感器反馈回的中心波长变化，经过计算后，得到该处温度的变化值。
5.根据权利要求1所述的采用光纤光栅技术测量轴瓦温度场的方法，其特征在于，所述步骤一中，在直径0.1mm的光纤上每间隔10mm布置一个光纤光栅温度传感器。
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