本發(fā)明涉及一種光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法及裝置

背景技術(shù)：

當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響光柵的條文周期或者纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵的中心波長產(chǎn)生變化。在實(shí)際試驗(yàn)中布拉格光纖光柵反射波長的變化量同時(shí)受到溫度和應(yīng)力的影響，而且這種影響不是相互獨(dú)立而是相互作用的，這樣就給實(shí)際試驗(yàn)中的測量帶來一定的困難。當(dāng)溫度和應(yīng)力同時(shí)變化時(shí)，一般解調(diào)軟件很難區(qū)分出溫度和應(yīng)力各自的變化情況，這一情況就稱為“交叉敏感”?，F(xiàn)有技術(shù)中很多實(shí)驗(yàn)都不能很好的解決該交叉敏感問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述“交叉敏感”的缺陷，提供一種當(dāng)溫度和應(yīng)力同時(shí)變化時(shí)，可區(qū)分出溫度和應(yīng)力各自變化的基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

提供一種基于光纖光柵的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

將中心波長各不相同的光纖光柵粘于大輪的一側(cè)，在大輪另一側(cè)對(duì)稱的位置粘貼同樣中心波長的光纖光柵，并依次標(biāo)號(hào)；

將光纖光柵通過旋轉(zhuǎn)連接器連接到解調(diào)儀上；

控制大輪變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的接觸點(diǎn)摩擦生熱，并傳遞給光纖光柵；

解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)焦饫w光柵中，光纖光柵的波長隨溫度的變化而變化，產(chǎn)生溫度信號(hào)；

解調(diào)儀將光纖光柵的溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將解調(diào)信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)；

工控機(jī)接收解調(diào)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行采集與分析，并根據(jù)采集和分析結(jié)果繪制各個(gè)光纖光柵的波長-時(shí)間變化圖。

本發(fā)明所述的方法中，大輪兩側(cè)分別均勻粘貼至少4個(gè)光纖光柵。

本發(fā)明所述的方法中，控制大輪在不同的轉(zhuǎn)速下持續(xù)預(yù)設(shè)時(shí)間，并記錄相應(yīng)的溫度信號(hào)。

本發(fā)明所述的方法中，光纖光柵均沿大輪直徑方向固定。

本發(fā)明還提供了一種基于光纖光柵的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量裝置，包括：

轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，包括大輪、小輪、齒輪箱、變頻電機(jī)和變頻器，大輪的一側(cè)粘貼有中心波長各不相同的光纖光柵，大輪另一側(cè)的對(duì)稱位置粘貼同樣中心波長的光纖光柵，每個(gè)光纖光柵均被依次標(biāo)號(hào)，該大輪在變頻電機(jī)的帶動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)；小輪，與大輪接觸，在大輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，小輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；

解調(diào)儀，通過旋轉(zhuǎn)連接器與光纖光柵連接；解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)焦饫w光柵中，光纖光柵的波長隨溫度的變化而變化，產(chǎn)生溫度信號(hào)；解調(diào)儀將光纖光柵的溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)；

工控機(jī)，與變頻器連接，用于控制大輪的變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的接觸點(diǎn)摩擦生熱，并傳遞給光纖光柵；該工控機(jī)還用于接收解調(diào)儀發(fā)送的解調(diào)信號(hào)，并進(jìn)行采集和分析，最后根據(jù)采集和分析結(jié)果繪制各個(gè)光纖光柵的波長-時(shí)間變化圖。

本發(fā)明所述的裝置中，所述旋轉(zhuǎn)連接器為非接觸式光纖連接器，其內(nèi)部設(shè)有光纖旋轉(zhuǎn)接頭，該光纖旋轉(zhuǎn)接頭的一端連接旋轉(zhuǎn)中的光纖光柵的光纖接頭，該光纖旋轉(zhuǎn)接頭的另一端不旋轉(zhuǎn)且通過焊接跳線連接到解調(diào)儀上。

本發(fā)明所述的裝置中，該裝置包括8根光纖光柵，該8根光纖光柵焊接在一起，再通過一根跳線接入解調(diào)儀。

本發(fā)明所述的裝置中，光纖光柵采用密封膠封裝。

本發(fā)明所述的裝置中，所述密封膠為環(huán)氧樹脂AB膠。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法及裝置，在大輪兩端相同位置上對(duì)稱粘貼了FBG，所以實(shí)驗(yàn)過程中，在整數(shù)個(gè)周期內(nèi)，兩端的應(yīng)變?chǔ)う艦榱恪＿@樣就解決了交叉敏感問題，可以同時(shí)測得溫度和應(yīng)變。這種測量方法可以應(yīng)用于溫度發(fā)生變化的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,尤其見長于溫度發(fā)生瞬態(tài)變化的場合，例如可以測量滾動(dòng)接觸點(diǎn)的瞬態(tài)溫度并與其它非接觸點(diǎn)的溫度進(jìn)行對(duì)比。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1(a)為本發(fā)明實(shí)施例大輪一側(cè)光纖光柵分布圖；

圖1(b)為本發(fā)明實(shí)施例大輪另一側(cè)光纖光柵分布圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量裝置；

圖3(a)為本發(fā)明實(shí)施例FBG1的溫度敏感特性曲線；

圖3(b)為本發(fā)明實(shí)施例FBG2的溫度敏感特性曲線；

圖4(a)為在轉(zhuǎn)速為100r/min的3號(hào)光柵波長圖；

圖4(b)為在轉(zhuǎn)速為100r/min的4號(hào)光柵波長圖；

圖4(c)在轉(zhuǎn)速為100r/min的7號(hào)光柵波長圖；

圖4(d)在轉(zhuǎn)速為100r/min的8號(hào)光柵波長圖；

圖5(a)在轉(zhuǎn)速為200r/min的3號(hào)光柵波長圖；

圖5(b)在轉(zhuǎn)速為200r/min的4號(hào)光柵波長圖；

圖5(c)在轉(zhuǎn)速為200r/min的7號(hào)光柵波長圖；

圖5(d)在轉(zhuǎn)速為200r/min的8號(hào)光柵波長圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法流程圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例小輪裝配機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)驗(yàn)原理

光纖光柵傳感器是利用布拉格波長對(duì)溫度、應(yīng)變的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器。根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖光柵中傳輸時(shí)，將產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射，光纖布拉格光柵(FBG)的中心反射波長為：

λ_B＝2n_eff·Λ (1)

式中，n_eff為導(dǎo)模的有效折射率，Λ為光柵周期。

當(dāng)波長滿足布拉格條件式(1)時(shí)，入射光將被光纖光柵反射回原路。對(duì)其取微分得：

Δλ_B＝2n_eff·ΔΛ+2Δn_eff·Λ (2)

由式(1)可知，光纖光柵的中心反射波長λ_B隨n_eff和Λ的改變而改變，F(xiàn)BG對(duì)于應(yīng)變和溫度都是敏感的，應(yīng)變影響λ_B是由彈光效應(yīng)和光纖光柵周期Λ的變化引起的，溫度影響λ_B則是由熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起的。對(duì)光纖光柵的溫度—應(yīng)變傳感測量，Bragg波長λ_B是溫度T、應(yīng)變?chǔ)诺暮瘮?shù)，即

λ_B＝λ_B(ε,T) (3)

當(dāng)溫度發(fā)生變化(ΔT)時(shí)，由于熱膨脹效應(yīng)使光纖光柵伸長而改變其光柵周期，可以表示為：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Λ}}=\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T---\left(4\right)$

式中，α為材料的膨脹系數(shù)。對(duì)于摻鍺石英光纖，α取為5.5×10-⁷C^-1。

另一方面，由于熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生變化，可以表示為：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=-\frac{1}{n_{eff}}\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dV}\frac{dV}{dT}\mathrm{\Δ}T---\left(5\right)$

式中，V為光纖的歸一化頻率。溫度變化引起的光纖光柵波長漂移主要取決于光熱效應(yīng)，它

占熱漂移的95％左右，可以表示為：

$\mathrm{\ξ}=-\frac{1}{n_{eff}}\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dV}\frac{dV}{dT}---\left(6\right)$

式中，ξ為熱光系數(shù)。硅纖中ξ＝6.67×10^-6C^-1。則(5)可以簡化為：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=\mathrm{\ξ}\mathrm{\Δ}T---\left(7\right)$

將上式(4)、(7)代入(2)式中，得到溫度對(duì)光纖光柵波長漂移的影響為：

Δλ_B(T)＝2n_effΛ·αΔT+2n_effΛ·ξΔT＝λ_B(α+ξ)ΔT

當(dāng)外界應(yīng)變作用于光纖光柵上時(shí)，一方面使光纖光柵被機(jī)械性的拉長而導(dǎo)致周期Λ產(chǎn)生變化，可以表示為：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Λ}}=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

另一方面，彈光效應(yīng)使光纖光柵折射率發(fā)生變化，可以表示為：

${\mathrm{\Δn}}_{eff}=\frac{n_{eff}^3\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]}{2}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(9\right)$

對(duì)上式(9)兩端同時(shí)除以n_eff可得：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=\frac{n_{eff}^2\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]}{2}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(10\right)$

式中，P_1j(j＝1，2)為pockel系數(shù)，ν是泊松比，定義有效彈光系數(shù)Pe：

$Pe=\frac{n_{eff}^2\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]}{2}---\left(11\right)$

則上式(10)可以轉(zhuǎn)化為：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=-Pe\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(12\right)$

將上式(8)、(12)代入(2)式中，得到應(yīng)變對(duì)光纖光柵波長漂移的影響為：

Δλ_B(ε)＝2n_effΛ·Δε-2n_effΛ·PeΔε＝λ_B(1-Pe)Δε

由于光纖光柵的中心反射波長λ_B是n_eff和Λ的函數(shù)，λ_B隨n_eff和Λ的改變而改變，故FBG對(duì)于應(yīng)變和溫度都是敏感的，所以光纖光柵中心反射波長的漂移是由溫度和應(yīng)變共同影響的，則可以表示為：

Δλ_B＝λ_B(α+ξ)ΔT+λ_B(1-Pe)Δε

已知溫度靈敏度系數(shù)K_T和應(yīng)變靈敏度系數(shù)K_ε可以分別表示為：

$K_T=\left(\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_B}{\∂T}\right)={\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})$

$K_{\mathrm{\ϵ}}=\left(\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_B}{\∂T}\right)={\mathrm{\λ}}_B(1-Pe)$

則光纖光柵中心反射波長的變化量Δλ_Β與溫度變化量ΔT和應(yīng)變變化量Δε的關(guān)系可表示為：

Δλ_B＝K_TΔT+K_εΔε

式中，K_T為溫度靈敏度系數(shù)，可以通過溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測得；K_ε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

當(dāng)光纖光柵用于傳感測量時(shí)，由于應(yīng)變和溫度都會(huì)引起布拉格波長的變化，單個(gè)光纖布拉格光柵本身無法分辨出應(yīng)變和溫度分別引起的布拉格波長的改變，從而無法實(shí)現(xiàn)精確的測量。解決這一問題大都基于雙波長光纖光柵矩陣運(yùn)算法的思想。

由于在大輪兩端相同位置上對(duì)稱粘貼了FBG，所以實(shí)驗(yàn)過程中，在整數(shù)個(gè)周期內(nèi)，兩端的應(yīng)變?chǔ)う艦榱?。這樣就解決了交叉敏感問題，可以同時(shí)測得溫度和應(yīng)變。

綜上，最終的方案示意圖如圖1所示：光纖光柵以這種橫向的粘貼法(即光纖光柵沿大輪的直徑方向粘貼)也可以極大的降低應(yīng)變對(duì)波長的影響從而突出溫度對(duì)波長的影響，因?yàn)樵囼?yàn)要測得輪軌接觸點(diǎn)的溫度，所以光纖光柵應(yīng)該盡可能的粘貼于靠近輪子的地方來提高測量精度，而輪子的一面貼上四個(gè)也是為了提高測量的精度。當(dāng)然為了測量更精確，根據(jù)大輪的直徑可以在一側(cè)貼6個(gè)、8個(gè)等等。

具體地，如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量裝置包括：

轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，包括大輪、小輪、齒輪箱、變頻電機(jī)和變頻器，大輪的一側(cè)粘貼有中心波長各不相同的光纖光柵，大輪另一側(cè)的對(duì)稱位置粘貼同樣中心波長的光纖光柵，每個(gè)光纖光柵均被依次標(biāo)號(hào)，該大輪在變頻電機(jī)的帶動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)；小輪，與大輪接觸，在大輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，小輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；

解調(diào)儀，通過旋轉(zhuǎn)連接器與光纖光柵連接；解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)焦饫w光柵中，光纖光柵的波長隨溫度的變化而變化，產(chǎn)生溫度信號(hào)；解調(diào)儀將光纖光柵的溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)；

工控機(jī)，與變頻器連接，用于控制大輪的變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的接觸點(diǎn)摩擦生熱，并傳遞給光纖光柵；該工控機(jī)還用于接收解調(diào)儀發(fā)送的解調(diào)信號(hào)，并進(jìn)行采集和分析，最后根據(jù)采集和分析結(jié)果繪制各個(gè)光纖光柵的波長-時(shí)間變化圖。

旋轉(zhuǎn)連接器為非接觸式光纖連接器，其內(nèi)部設(shè)有光纖旋轉(zhuǎn)接頭，該光纖旋轉(zhuǎn)接頭的一端連接旋轉(zhuǎn)中的光纖光柵的光纖接頭，該光纖旋轉(zhuǎn)接頭的另一端不旋轉(zhuǎn)且通過焊接跳線連接到解調(diào)儀上。

如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有8根光纖光柵，該8根光纖光柵焊接在一起，再通過一根跳線接入解調(diào)儀。

本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中，如圖7所示，通過小輪裝配機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小輪和沖角調(diào)節(jié)器與大輪的配合。小輪裝配機(jī)構(gòu)包括小輪1、脹緊套2、角接觸球軸承3、小輪轉(zhuǎn)軸4、支架5、轉(zhuǎn)向盤6、大齒輪7、小齒輪8、蝸輪9、蝸桿10、小齒輪軸11、大齒輪軸12、螺栓13、螺母14等。其中，小輪主要用來模擬火車輪軌，由于脹緊套對(duì)中精度好，安裝、拆卸便利，故利用高強(qiáng)度的拉力螺栓的作用，在脹緊套的內(nèi)環(huán)和小輪轉(zhuǎn)軸之間、脹緊套的外環(huán)和小輪輪轂之間產(chǎn)生抱緊力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小輪和小輪轉(zhuǎn)軸的連接；角接觸球軸承的內(nèi)圈與小輪轉(zhuǎn)軸，外圈與支架均采用過渡配合連接，故角接觸球軸承用于支撐小輪轉(zhuǎn)軸和小輪，降低旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦系數(shù)并保證其回轉(zhuǎn)精度，小輪利用脹緊套安裝在小輪轉(zhuǎn)軸上，故小輪轉(zhuǎn)軸用于承受小輪在轉(zhuǎn)動(dòng)工作中的彎矩和轉(zhuǎn)矩，支架利用小輪轉(zhuǎn)軸來支撐小輪，用螺栓將支架底面連接并緊固在轉(zhuǎn)向盤上，使小輪、支架、轉(zhuǎn)向盤成為一個(gè)整體，故可以通過改變轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)整小輪與大輪間的沖角；將轉(zhuǎn)向盤和大齒輪安裝到大齒輪軸兩端，然后在兩端旋上并擰緊螺母，將二者固定在大齒輪軸上，使轉(zhuǎn)向盤和大齒輪通過大齒輪軸連接起來；將蝸輪和小齒輪安裝到小齒輪軸兩端，然后在兩端旋上并擰緊螺母，將二者固定在小齒輪軸上，使蝸輪和小齒輪通過小齒輪軸連接起來，并且要使小齒輪與大齒輪嚙合以傳遞轉(zhuǎn)矩，最后在蝸輪下方安裝蝸桿并使蝸桿與蝸輪嚙合以傳遞轉(zhuǎn)矩，當(dāng)使用工具旋轉(zhuǎn)蝸桿時(shí)，由于蝸桿與蝸輪嚙合使得蝸輪旋轉(zhuǎn)，并且蝸桿與蝸輪按1:60傳動(dòng)，蝸輪通過小齒輪軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，由于小齒輪與大齒輪嚙合使得大齒輪旋轉(zhuǎn)，并且小齒輪與大齒輪按1:6傳動(dòng)，大齒輪通過大齒輪軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)，由于小輪通過脹緊套、小輪轉(zhuǎn)軸、軸承和支架固定在轉(zhuǎn)向盤上，使小輪和轉(zhuǎn)向盤形成一個(gè)整體，故小輪隨著轉(zhuǎn)向盤一起旋轉(zhuǎn)，使小輪與大輪之間形成一定沖角，又由于轉(zhuǎn)矩在傳遞過程中總的傳動(dòng)比為1:360，故當(dāng)蝸桿旋轉(zhuǎn)一圈(即360°)時(shí)，傳動(dòng)到小輪時(shí)小輪旋轉(zhuǎn)1°并使小輪與大輪之間形成1°沖角。

根據(jù)上述實(shí)施例的裝置，基于光纖光柵傳感技術(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的溫度測量方法，如圖6所示，包括以下步驟：

S1、將中心波長各不相同的光纖光柵(如圖1所示，大輪正、反面上的8根光纖光柵按其標(biāo)號(hào)順序從1～8依次首尾相連并焊接在一起，即各個(gè)光纖光柵按標(biāo)號(hào)順序串接起來，以便于將8根光纖光柵的波長進(jìn)行比較，從而解決交叉敏感問題，并同時(shí)測量溫度和應(yīng)變。另外，在8號(hào)光纖光柵的另一端與光纖跳線相連)粘于大輪的一側(cè)，在大輪另一側(cè)對(duì)稱的位置粘貼同樣中心波長的光纖光柵，并依次標(biāo)號(hào)；

S2、將光纖光柵通過旋轉(zhuǎn)連接器連接到解調(diào)儀上；

S3、控制大輪變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的接觸點(diǎn)摩擦生熱，并傳遞給光纖光柵；

S4、解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)焦饫w光柵中，光纖光柵的波長隨溫度的變化而變化，產(chǎn)生溫度信號(hào)；

S5、解調(diào)儀將光纖光柵的溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將解調(diào)信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)；

S6、工控機(jī)接收解調(diào)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行采集與分析，并根據(jù)采集和分析結(jié)果繪制各個(gè)光纖光柵的波長-時(shí)間變化圖。

具體實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用布拉格光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度測量。通過方案分析可知，在本在實(shí)驗(yàn)中，我們需要先制作一種光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以測量光纖光柵傳感器的溫度靈敏系數(shù)。然后，再制作另一種光纖光柵傳感器進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)接觸點(diǎn)溫度測量實(shí)驗(yàn)，以測量輪軌試驗(yàn)臺(tái)上大輪在接觸點(diǎn)處的溫度，所以我們需要分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)。

光纖光柵溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

光纖光柵的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)進(jìn)行測量，同時(shí)采用裸光柵和封裝后的光柵進(jìn)行對(duì)比分析，得出光纖光柵的溫度特性。將解調(diào)儀所連接的FBG溫度傳感器放入溫控箱中,利用溫控箱測量其在不同溫度下的敏感特性，并通過光譜儀觀察FBG中心波長的變化。

將實(shí)驗(yàn)裝置布置好以后，打開電腦上的組態(tài)王(工控機(jī)上的控制軟件，用來控制變頻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài))，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，設(shè)置溫控箱的溫度在40°至140°之間可調(diào)，每次溫度變化值為20°，再打開電腦上的解調(diào)軟件，點(diǎn)擊連接，接通解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)(即工控機(jī))信號(hào)傳輸，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)，最后點(diǎn)擊開始數(shù)據(jù)的采集，然后將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。由于溫控箱內(nèi)溫度不均勻，因此每20分鐘紀(jì)錄一次FBG中心波長值，當(dāng)溫度增加到140°后，再依次遞減至40°，多次測量并紀(jì)錄FBG中心波長值，如表1和表2所示。

表1FBG1中心波長隨溫度變化測量數(shù)據(jù)

表2FBG2中心波長隨溫度變化測量數(shù)據(jù)

根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)，取6次測量中FBG1和FBG2(FBG1和FBG2是指同一根光纖光柵在兩次測量中的波長變化)中心波長隨溫度變化的平均值，對(duì)數(shù)據(jù)做線性回歸分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度40-140℃范圍內(nèi)，F(xiàn)BG1溫度靈敏度為13.2055pm/℃，線性擬合度R²為0.99615；FBG2溫度靈敏度為18.38525pm/℃，線性擬合度R²為0.99888。如圖3(a)和圖3(b)所示分別為FBG1和FBG2的溫度敏感特性曲線。

根據(jù)處理出來的數(shù)據(jù)可以得到，封裝后的光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)更高，證明采用環(huán)氧樹脂AB膠封裝后可以增加光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)，而且封裝后的光纖光柵的線性擬合度更接近于1，證明封裝后的光纖光柵線性度更好，更加接近于真實(shí)的情況。因此本發(fā)明的實(shí)施例中光纖光柵采用密封膠封裝，具體可采用環(huán)氧樹脂AB膠。

為測量FBG對(duì)溫度上升和下降過程測量的重復(fù)性，取表中溫度遞增和遞減過程三次來回測量數(shù)據(jù)，分析兩支FBG對(duì)溫度測量可重復(fù)性特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，遞增和遞減過程中同一溫度值下，F(xiàn)BG1反射中心波長最大偏差為189.6pm，平均偏差為113.55pm；FBG2反射中心波長最大偏差為218.9pm，平均偏差為166.2pm，可以看出FBG2對(duì)溫度遞增和遞減過程測量的重復(fù)性偏差較大。

綜合上述分析，基于本試驗(yàn)臺(tái)輪軌接觸點(diǎn)溫度測量實(shí)驗(yàn)，首先溫度的變化是由于接觸點(diǎn)摩擦生熱引起的，其次只需要在連續(xù)的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣而不需要一連幾天的多次進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因此雖然FBG2的重復(fù)性偏差較大，但其溫度靈敏度系數(shù)更高，所以覺得在進(jìn)行本試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候采用封裝以后的光纖光柵對(duì)接觸點(diǎn)進(jìn)行溫度的測量。

輪軌試驗(yàn)臺(tái)接觸點(diǎn)溫度測量

在本實(shí)驗(yàn)中，由于試驗(yàn)臺(tái)大輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在大輪上封裝后的光纖光柵不能直接連接到解調(diào)儀上，因?yàn)橹苯舆B接的話大輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)光纖跳線的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致接線頭無法固定。為解決這種問題，可以把光纖連接線塞入聯(lián)軸器里，從右側(cè)拉出并進(jìn)行焊接。

光纖連接處是一種非接觸式的光纖連接器，其內(nèi)部是一根光纖旋轉(zhuǎn)接頭，它的一端連接旋轉(zhuǎn)中的光纖接頭，另一端的光纖接頭是不旋轉(zhuǎn)的，因此我們可以從不旋轉(zhuǎn)的這端焊接跳線連接到解調(diào)儀上，這樣一來就解決了上述問題。

此實(shí)驗(yàn)為測量輪軌接觸點(diǎn)的溫度變化，因?yàn)槠錅囟鹊淖兓怯捎谵D(zhuǎn)動(dòng)過程中接觸點(diǎn)摩擦產(chǎn)生熱量，因此升溫過程較慢，故本次實(shí)驗(yàn)需要采用控制變量法進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并將其對(duì)比分析。打開電腦上的組態(tài)王，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，設(shè)置大輪分別以100r/min、200r/min、300r/min的轉(zhuǎn)速作恒速旋轉(zhuǎn)，再打開電腦上的解調(diào)軟件，點(diǎn)擊連接，接通解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)，分別在100r/min、200r/min、300r/min的轉(zhuǎn)速下點(diǎn)擊開始完成數(shù)據(jù)的采集，然后將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。在實(shí)驗(yàn)中，每隔五分鐘紀(jì)錄一次光纖光柵的波長值，相同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為20分鐘，分別得到各組的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，由于八根光纖焊接在一起，同時(shí)由一根跳線接入解調(diào)儀，光纖走線途中穿過了部分實(shí)驗(yàn)臺(tái)器件的內(nèi)部，又通過一個(gè)非接觸式的光纖連接器進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，所以光的損耗較大，解調(diào)到軟件上面后八個(gè)波峰只有六個(gè)波峰的峰值達(dá)到了閾值，因此軟件上面只顯示了六個(gè)光柵的波長值。

使光柵峰值達(dá)到閾值的方法為增加增益，該軟件增益最大只能調(diào)到79，實(shí)驗(yàn)中增益調(diào)到79后其波峰峰值還是達(dá)不到閾值，解決其問題的方法為減少光柵焊接的損耗以及增加軟件增益的范圍，由于實(shí)驗(yàn)條件和資源有限，因此實(shí)驗(yàn)中就只能取其六個(gè)光柵的波長數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

為了便于比較數(shù)據(jù)，在封裝每根光柵后都為了注明了標(biāo)號(hào)，其示意圖如圖1所示。

之前提到過解決交叉敏感問題的方案選擇為兩端對(duì)稱貼光柵，顯示的六組數(shù)據(jù)中序號(hào)3和序號(hào)7相對(duì)稱，序號(hào)4和序號(hào)8相對(duì)稱。因此取所得數(shù)據(jù)中序號(hào)為3,4,7,8的光柵波長值。由于解調(diào)軟件采樣速度為4000Hz，因此求出每組數(shù)據(jù)的平均值，其結(jié)果如表3，表4所示。

表3 200r/min的平均波長

表4 100r/min的平均波長

根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其波長與時(shí)間的線性關(guān)系圖如圖4(a)-4(d)以及如圖5(a)-5(d)所示。

上述圖是波長與時(shí)間的關(guān)系圖，實(shí)線代表實(shí)際波長，虛線代表波長變化趨勢，從所得各光柵線性圖可以看出，有部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)有誤差所以部分線性圖中的波長并不是按照線性關(guān)系上升，但其波長趨勢圖都為上升的趨勢。由之前做過的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得出封裝后的光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)大約為18.38525pm/℃，因?yàn)檗D(zhuǎn)速為100r/min時(shí)序號(hào)3，序號(hào)7和序號(hào)8的光柵線性趨勢較好，轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，序號(hào)3和序號(hào)7的光柵線性趨勢較好。因此選其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)算求得各轉(zhuǎn)速持續(xù)20分鐘后光柵波長的變化量，由溫度靈敏度系數(shù)求出其溫度變化值，結(jié)果如表5所示。

表5波長與溫度變化值

從表中數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)速為100r/min的時(shí)候，三個(gè)光柵的波長變化量都較為穩(wěn)定，其平均波長變化為4.38pm,平均溫度上升為0.238℃；轉(zhuǎn)速為200r/min的時(shí)候，兩根光柵的波長變化量差異較大，其原因是由于轉(zhuǎn)速增加會(huì)導(dǎo)致大輪的振動(dòng)變大，振動(dòng)引起應(yīng)變的變化也影響著光柵的波長變化。但其兩根光柵的波長變化量都比轉(zhuǎn)速在100r/min時(shí)要大，平均波長變化為19.274pm，平均溫度變化為1.048℃?？梢钥闯?，在相同時(shí)間內(nèi)，大輪的轉(zhuǎn)速越高，其接觸點(diǎn)溫度的上升也就越快。

綜合以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論，輪軌試驗(yàn)臺(tái)接觸點(diǎn)的溫度在大輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，相同轉(zhuǎn)速下會(huì)隨著時(shí)間的增加而上升；不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速越高溫度上升的越快。

當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。