本發(fā)明屬于滑動軸承技術領域，特別涉及一種能夠同時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：

滑動軸承(包括徑向和軸向)是核電機組、現(xiàn)代大型軋機、汽輪機、燃機以及水輪機等重大裝備中轉子的主要支承形式，工作過程中軸承利用流體動壓效應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，同時要承載數(shù)十噸甚至數(shù)百噸轉子系統(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。在影響轉子軸承系統(tǒng)摩擦學與轉子動力學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)?，F(xiàn)有的傳感器不能同時實現(xiàn)油膜厚度和溫度的檢測，要實現(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，現(xiàn)有的光纖傳感器在進行潤滑油膜厚度檢測時，工作過程中油液溫度的變化會導致油液折射率發(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。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，在實現(xiàn)潤滑油膜厚度檢測的同時，實現(xiàn)油液溫度的檢測并對油液厚度的檢測結果進行溫度補償，以解決上述技術問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

能夠同時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)光電轉換及濾波放大模塊連接采集處理和顯示模塊；轉換及濾波放大模塊的作用是將接收到的光進行光電轉換并對光電信號進行放大濾波；采集處理和顯示模塊的作用是作為上位機，對轉換及濾波放大模塊輸出信號進行采集、并對采集的信號進行處理，實現(xiàn)油膜厚度、溫度的檢測和顯示。

進一步的，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。

進一步的，以發(fā)射光纖tf的中心為圓點建立xy直角坐標系；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軸負半軸。

進一步的，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個確定的距離d0；接收光纖rf1-1和rf2-1位于內(nèi)側靠近發(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。

進一步的，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。

進一步的，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器進入發(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分別對應光纖傳感器位移輸出特性曲線上的兩個點，輸出特性方程的a1用式(3)表達；當油液溫度升高時，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系，因此在進行油膜厚度動態(tài)檢測時，利用特性曲線斜率a1的變化，實現(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)光電轉換后的電壓信號比值；t為油膜溫度；

首先通過式(3)計算a1，通過式(4)計算潤滑油膜溫度值；通過實驗標定，得到a1和a0隨溫度變化的對應關系，從而得到a0，再應用式(2)獲得油膜厚度，從而對光纖傳感器的輸出特性進行溫度補償，實現(xiàn)準確的油膜厚度檢測。

進一步的，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為光纖探頭距離轉子表面之間的距離，油膜厚度h為d減去w；

檢測時，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)光電轉換和濾波放大后，進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)光電轉換后的電壓信號u1-1、u1-2、u2-1、u2-2；在采集處理和顯示模塊中對所采集的電壓信號進行比值處理：m1為u1-2與u1-1的比值、m2為u2-2與u2-1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；

當油膜溫度發(fā)生變化時，同時檢測到m2與m1，利用式(3)得到a1，再利用式(4)實現(xiàn)潤滑油液溫度的檢測；

t＝t0+t1a1(4)。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明一種能夠同時檢測滑動軸承潤滑油膜厚度和溫度的光纖傳感器，避免了同時在軸瓦上安裝兩種傳感器分別得到油膜厚度和溫度，同時由于實現(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進行校正，實現(xiàn)油膜厚度檢測的溫度補償，避免了溫度變化時油膜厚度測量的不準確。

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。

具體實施方式

本發(fā)明技術方案是這樣實現(xiàn)的：

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種能夠同時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；以發(fā)射光纖tf的中心為圓點建立xy直角坐標系；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軸負半軸；這種排列方式可以增大接收光功率，同時可以起到補償作用。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。因為接收光纖rf1-1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分別對應光纖傳感器位移輸出特性曲線上的兩個點a點和b點，則輸出特性方程的a1可以用式(3)表達。當油液溫度升高時，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可通過對實驗標定數(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系，因此在進行油膜厚度動態(tài)檢測時，利用特性曲線斜率a1的變化，實現(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)光電轉換后的電壓信號比值；t為經(jīng)過補償后的油膜溫度。

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行溫度補償，實現(xiàn)更加準確的油膜厚度檢測。

結合滑動軸承油膜狀態(tài)檢測進行說明，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；光電轉換及濾波放大模塊3的作用是將接收到的光進行光電轉換并對光電信號進行放大濾波；采集處理和顯示模塊4的作用是作為上位機，對轉換及濾波放大模塊3輸出信號進行采集、并對采集的信號進行算法處理，實現(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為光纖探頭距離轉子表面之間的距離，則油膜厚度h為d減去w。

檢測時，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)光電轉換和濾波放大后，進入數(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)光電轉換后的電壓信號u1-1、u1-2、u2-1、u2-2。在上位機中可以對所采集的電壓信號進行比值處理，即m1為u1-2與u1-1的比值、m2為u2-2與u2-1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，當油膜溫度發(fā)生變化時，同時檢測到m2與m1，利用式(3)得到a1，再利用式(4)就可以實現(xiàn)潤滑油液溫度的檢測。