本發(fā)明涉及光纖光柵傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖光柵的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感技術(shù)是在光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，光纖光柵傳感系統(tǒng)基本原理是在一根光纖上串接了多個光柵(各具有不同的中心波長)，由寬帶光源發(fā)出的光波經(jīng)過分路器通過所有的光柵，反射光經(jīng)分路器的另外一個接口耦合進光纖光柵解調(diào)儀，通過光纖光柵解調(diào)儀來測量反射光的波長及其變化，就可以得到解調(diào)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析與處理，就可以得到對應(yīng)各個光纖光柵處環(huán)境的變化量，如溫度、應(yīng)力等。從原理上分析，光纖光柵傳感器不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點，同時克服了一些光纖傳感器的不足之處，能實現(xiàn)實時在線、絕對數(shù)字式測量、具有測量范圍廣、精度高、抗干擾能力強、無須調(diào)零、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，為實現(xiàn)振動傳感的高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰度、高精確度和高可信度提供了理想的技術(shù)手段，在各種領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

光纖光柵是光纖光柵傳感器的重要組成部分。作為一種新型光纖無源器件，光纖光柵在近年來發(fā)展極為迅速。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴展，光纖光柵已成為目前最具發(fā)展前途的光纖無源器件之一。光纖布拉格光柵(FBG)是目前在光纖傳感中用的最多的光柵，而交叉敏感問題是制約光纖光柵傳感器進一步發(fā)展的一個突出問題。在光纖光柵傳感實際應(yīng)用中，由于光柵布拉格波長對應(yīng)變和溫度都是敏感的，即光纖光柵傳感器存在著應(yīng)變、溫度交叉敏感問題，當光纖光柵用于傳感測量時，單個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，進而無法實現(xiàn)精確的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中單個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，從而無法實現(xiàn)精確測量的缺陷，提供一種可以 實現(xiàn)精確測量的基于光纖光柵的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量方法及裝置。

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滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量方法，包括以下步驟：

將中心波長各不相同的光纖光柵粘貼于大輪的一側(cè)，在大輪另一側(cè)的對稱的位置上同樣粘貼中心波長各不相同的光纖光柵，并依次標號；

調(diào)節(jié)大輪與小輪在滾動接觸點處產(chǎn)生一定的法向力，并使大輪與小輪之間產(chǎn)生一定的沖角，以使大輪在滾動接觸點處產(chǎn)生一定的橫向力；

控制大輪的轉(zhuǎn)速，當大輪旋轉(zhuǎn)時，大輪產(chǎn)生的應(yīng)變信號傳遞給光纖光柵，解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過光纖光柵旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)礁鱾€光纖光柵中，光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變信號；

解調(diào)儀將光纖光柵的應(yīng)變信號進行解調(diào)，并將解調(diào)信號發(fā)送給工控機，工控機對解調(diào)信號進行采集與分析，根據(jù)光纖光柵的波長漂移計算出大輪在滾動接觸點處的瞬態(tài)正壓力與摩擦力。

本發(fā)明所述的方法中，大輪兩側(cè)分別粘貼4個光纖光柵。

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滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量裝置，包括小輪裝配機構(gòu)、大輪裝配機構(gòu)、解調(diào)儀和工控機；

所述小輪裝配機構(gòu)包括支撐板以及固定在該支撐板上的小輪及小輪組件，支撐板上固定有轉(zhuǎn)向盤，小輪通過轉(zhuǎn)向盤以及設(shè)在小輪兩側(cè)的支架固定在支撐板上，在小輪組件的作用下小輪自由旋轉(zhuǎn)；該支撐板上還安裝有沖角調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)小輪滾動接觸點處的橫向力；

所述大輪裝配機構(gòu)包括大輪、變頻器、變頻電機和齒輪箱，大輪與小輪的中心平面在同一平面上，輪側(cè)相切；大輪的兩側(cè)對稱安裝有多個光纖光柵，該多個光纖光柵的尾纖均通過光纖旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器后再與解調(diào)儀連接；

解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)礁鱾€光纖光柵中，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的滾動接觸點產(chǎn)生作用于大輪上的法向力和橫向力，并傳遞給光纖光柵，光纖光柵產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)變力信號；解調(diào)儀將光纖光柵的瞬態(tài)應(yīng)變信號進行解調(diào)，并將解調(diào)信號發(fā)送給工控機；

工控機，與變頻器連接，用于控制大輪的變頻電機的轉(zhuǎn)速，該工控機還用于接收解調(diào) 儀發(fā)送的解調(diào)信號，并進行采集和分析，計算光纖光柵的瞬態(tài)法向力和瞬態(tài)橫向力，由此求出大輪在滾動接觸點的瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)。

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，大輪兩側(cè)分別粘貼4個光纖光柵，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的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量方法，在大輪兩側(cè)對稱位置上粘貼了多個波長不同的FBG，在整數(shù)個周期內(nèi)，兩端的應(yīng)變Δε為零。這樣就解決了交叉敏感問題，可以同時測得溫度和應(yīng)變。這種測量方法可以應(yīng)用于應(yīng)變發(fā)生變化的旋轉(zhuǎn)機械，尤其見長于應(yīng)變發(fā)生瞬態(tài)變化的場合，例如可以測量滾動物體不同時刻的法向應(yīng)變和橫向應(yīng)變并將它們進行對比。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1(a)為本發(fā)明實施例大輪一側(cè)光纖光柵分布圖；

圖1(b)為本發(fā)明實施例大輪另一側(cè)光纖光柵分布圖；

圖2是本發(fā)明實施例大輪受力圖；

圖3是本發(fā)明基于光纖光柵的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例大輪的側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明實施例大輪裝配機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例小輪裝配機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

1、實驗原理

光纖光柵傳感器是利用布拉格波長對溫度、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，當寬帶光在光纖光柵中傳輸時，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為導模的有效折射率，Λ為光柵周期。

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

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ε的函數(shù)，即

λ_B＝λ_B(ε,T) (3)

當溫度發(fā)生變化(ΔT)時，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：

式中，α為材料的膨脹系數(shù)。對于摻鍺石英光纖，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：

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：

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：

將上式(4)、(7)代入(2)式中，得到溫度對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

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

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：

對上式(9)兩端同時除以n_ff可得：

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：

則上式(10)可以轉(zhuǎn)化為：

將上式(8)、(12)代入(2)式中，得到應(yīng)變對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：

則光纖光柵中心反射波長的變化量Δλ_Β與溫度變化量ΔΤ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)，可以通過溫度標定實驗測得；K_ε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，可以通過應(yīng)變標定實驗測得。

當光纖光柵用于傳感測量時，由于應(yīng)變和溫度都會引起布拉格波長的變化，單個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算法的思想。

借鑒雙波長光纖光柵矩陣運算法，采用在大輪正反兩面對稱布置2個光纖光柵來實現(xiàn) 消除溫度帶來的影響。由于兩根光纖光柵處于一個相同溫度的環(huán)境下，他們隨溫度的變化是相同的，當溫度升高時他們的溫度同時升高，當溫度降低時他們的溫度同時降低，而當元件受力時，由于光纖光柵在正反兩面上，所以一個光纖光柵受拉，中心波長增大，另一個光纖光柵受壓，中心波長減小。故而他們的應(yīng)變測量值得到突顯。所以，采用這用方法十分可靠有效。

根據(jù)以上公式可知，粘貼在同一個溫度環(huán)境中的2個光纖光柵受溫度效應(yīng)影響相同，用于監(jiān)測應(yīng)變的光柵相波長漂移減去由溫度變化所引起的中心波長漂移就可以得到由被測物應(yīng)變所引起的波長漂移，從而獲得當前被測物的應(yīng)變值。通過此法來消除溫度對測量力的影響，以下方案也運用了此方法。

綜上所述，最終的方案示意圖如圖1(a)和圖1(b)所示：

光纖光柵以這種徑向的粘貼法也可以極大的降低溫度對波長的影響從而突出應(yīng)變對波長的影響，因為試驗需要測得輪軌接觸點的應(yīng)變，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也是為了提高測量的精度。

2、實驗方案

在本實驗中，需要測量兩個力，分別是法向力(即正壓力)和橫向力(即摩擦力)，在此先簡述兩個力的產(chǎn)生原理，并標出他們的作用方向，如圖2所示。

法向力(即正壓力)：模擬火車在軌道上行駛時，列車因自身的重力壓緊輪軌，故而法向力是指向大輪圓心施加的。用小輪模擬軌道，于是法向力可以通過小輪施加預(yù)緊力壓緊大輪來實現(xiàn)，將大輪上的法向力設(shè)置為1000N。

橫向力(即摩擦力)：模擬在列車在轉(zhuǎn)彎的時候，因為摩擦因數(shù)的存在，于是列車受到一個摩擦力，我們把這個力稱為橫向力，方向是垂直于大輪表面。橫向力是在不斷變化，但是劉老師指出數(shù)值不超過250N，我們可以通過改變兩輪的沖角來產(chǎn)生橫向力，將大輪上的橫向力設(shè)置為200N。

整體實驗臺的結(jié)構(gòu)模型圖如3所示，基于光纖光柵的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量裝置，包括小輪裝配機構(gòu)100、大輪裝配機構(gòu)200、解調(diào)儀和工控機；

所述小輪裝配機構(gòu)包括支撐板以及固定在該支撐板上的小輪及小輪組件，支撐板上固定有轉(zhuǎn)向盤，小輪通過轉(zhuǎn)向盤以及設(shè)在小輪兩側(cè)的支架固定在支撐板上，在小輪組件的作用下小輪自由旋轉(zhuǎn)；該支撐板上還安裝有沖角調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)小輪滾動接觸點處的橫向 力；

如圖6所示，本發(fā)明的一個實施例中，小輪裝配機構(gòu)主要包括小輪21、脹緊套22、小輪轉(zhuǎn)軸23、軸承24、支架25、轉(zhuǎn)向盤26、前支撐板27、大齒輪28、蝸輪29、小齒輪30、蝸桿31、大齒輪軸、小齒輪軸、后支撐板32、螺栓、螺母等。其中，小輪主要用來模擬火車輪軌，而脹緊套由于對中精度好，安裝、拆卸便利，故利用高強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，進而實現(xiàn)小輪和小輪轉(zhuǎn)軸的連接，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，故角接觸球軸承的內(nèi)圈與小輪轉(zhuǎn)軸，外圈與支架均采用過渡配合連接，由于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；將大、小齒輪軸安裝到前支撐板上，再將轉(zhuǎn)向盤和蝸輪從前支撐板前表面分別安裝到大、小齒輪軸上并用螺母擰緊，并將大、小齒輪從前支撐板后表面分別安裝到大、小齒輪軸上(此時大、小齒輪相互嚙合并可以傳遞轉(zhuǎn)矩)并用螺母擰緊，將蝸桿安裝在前支撐板蝸輪下方處使蝸桿與蝸輪嚙合以傳遞轉(zhuǎn)矩，最后將前、后支撐板用螺栓和螺母連接并緊固在實驗臺上，并在前、后支撐板之間安裝施力螺栓和施力螺母。當使用工具旋轉(zhuǎn)蝸桿時，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，蝸輪通過小齒輪軸帶動小齒輪旋轉(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，大齒輪通過大齒輪軸帶動轉(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比為1:360，故當蝸桿旋轉(zhuǎn)一圈(即360°)時，傳動到小輪時小輪旋轉(zhuǎn)1°并使小輪與大輪之間形成1°沖角。

如圖5所示，大輪裝配機構(gòu)包括大輪、變頻器、變頻電機和齒輪箱，大輪與小輪的中心平面在同一平面上，輪側(cè)相切；大輪的兩側(cè)對稱安裝有多個光纖光柵，該多個光纖光柵的尾纖均通過光纖旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器后再與解調(diào)儀連接；

解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)礁鱾€光纖光柵中，隨著大輪的旋轉(zhuǎn)，大輪與小輪的滾動接觸點產(chǎn)生作用于大輪上的法向力和橫向力，并傳遞給光纖光柵，光纖光柵產(chǎn) 生瞬態(tài)應(yīng)變力信號；解調(diào)儀將光纖光柵的瞬態(tài)應(yīng)變信號進行解調(diào)，并將解調(diào)信號發(fā)送給工控機；

工控機，與變頻器連接，用于控制大輪的變頻電機的轉(zhuǎn)速，該工控機還用于接收解調(diào)儀發(fā)送的解調(diào)信號，并進行采集和分析，計算光纖光柵的瞬態(tài)法向力和瞬態(tài)橫向力，由此求出大輪在滾動接觸點的瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)。

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。

由于大輪在滾動接觸點的法向力和橫向力都直接作用于大輪上，所以可以設(shè)計在大輪上直接粘貼光纖光柵，如圖1(a)、圖1(b)以及圖4所示，通過檢測光纖光柵的瞬態(tài)應(yīng)變來測量出瞬態(tài)法向力和瞬態(tài)橫向力，由此即可求出大輪在滾動接觸點的瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)。

1)法向力測量：當小輪整體與大輪裝配完成后，通過旋緊螺栓使小輪對大輪施加一個大小為1000N的力，即為法向力。當大輪受到法向力時，大輪由于受壓會產(chǎn)生壓應(yīng)變，故在大輪一邊粘貼4個光纖布拉格光柵，但要求兩兩對稱，當其中1個受壓時另3個處于自然狀態(tài)，進行對比。因為大輪受壓的狀態(tài)只在大輪與小輪的接觸點，故而只有1個光柵狀態(tài)改變，將其對面的光柵作為對比，進行測量解出法向力的值。

2)橫向力測量：當小輪整體與大輪裝配完成后，旋緊螺栓使大輪上產(chǎn)生1000N的法向力，然后將蝸桿轉(zhuǎn)動一定角度使大輪與小輪之間形成一定的沖角，此時，他們之間不僅會產(chǎn)生法向力，同時還會有一個橫向蠕變，產(chǎn)生橫向蠕變力，即為橫向力。當大輪受到橫向力時，大輪的一面會受拉而產(chǎn)生拉應(yīng)變，另一面會受壓而產(chǎn)生壓應(yīng)變，故在大輪正反兩面對稱粘貼4組光纖布拉格光柵，但要求兩兩對稱并均勻分布，其中正面上的某個光纖光柵受拉產(chǎn)生拉應(yīng)變，而反面上與之對稱的另一個光纖光柵受壓產(chǎn)生壓應(yīng)變，進行對比。因為大輪受橫向力的狀態(tài)只在大輪與小輪的接觸點處，故而只有一組光纖光柵的狀態(tài)發(fā)生改變，將該組對稱的兩個光纖光柵相互對比，進行測量求出法向力的值。

基于上述裝置，本發(fā)明基于光纖光柵的滾動接觸點瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)的測量方法，具體包括以下步驟：

S1、將中心波長各不相同的光纖光柵粘貼于大輪的一側(cè)，在大輪另一側(cè)的對稱的位置 上同樣粘貼中心波長各不相同的光纖光柵，并依次標號；

S2、調(diào)節(jié)大輪與小輪在滾動接觸點處產(chǎn)生一定的法向力，并使大輪與小輪之間產(chǎn)生一定的沖角，以使大輪在滾動接觸點處產(chǎn)生一定的橫向力；

S3、控制大輪的轉(zhuǎn)速，當大輪旋轉(zhuǎn)時，大輪產(chǎn)生的應(yīng)變信號傳遞給光纖光柵，解調(diào)儀內(nèi)置的光源通過光纖光柵旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)礁鱾€光纖光柵中，光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變信號；

S4、解調(diào)儀將光纖光柵的應(yīng)變信號進行解調(diào)，并將解調(diào)信號發(fā)送給工控機，工控機對解調(diào)信號進行采集與分析，根據(jù)光纖光柵的波長漂移計算出大輪在滾動接觸點處的瞬態(tài)正壓力與摩擦力。

3、實驗內(nèi)容

光纖布拉格光柵的靈敏度系數(shù)測定，如果光纖光柵的靈敏度系數(shù)影響不大或者可以通過公式變形消除公式中相同的(應(yīng)變或者溫度)靈敏度系數(shù)，即可不標定靈敏度，在本實驗中為消除溫度和應(yīng)變耦合問題，所以靈敏度系數(shù)必須重新標定。

本實驗采用光纖布拉格光柵傳感器進行應(yīng)變測量。通過實驗方案可知，在本實驗中，需要先制作一種光纖光柵傳感器進行應(yīng)變標定實驗，以測量光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)。然后，再制作另一種光纖光柵傳感器進行試驗臺接觸點應(yīng)變測量實驗，以測量輪軌試驗臺上大輪在接觸點處的應(yīng)變，所以需要分別進行兩組實驗。

3.1、應(yīng)變標定實驗

為了得到應(yīng)變靈敏度系數(shù)，決定采用控制變量法，先使溫度一定即公式后面的數(shù)值是一定的，然后改變公式后面的應(yīng)變，同時測量出中心波長飄移的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計利用公式算出光纖布拉格光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

為獲得光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)變測量精度，采用測力計完成應(yīng)變系數(shù)標定以及校核實驗，研究在不同載荷下，中心波長飄移，即在貼有光纖光柵的元件上不斷施加力，待其數(shù)值穩(wěn)定后解調(diào)儀測量得出中心波長，測力計讀出力的大小。

3.2、法向力(正壓力)的相關(guān)測量

實驗臺裝配完成后，把大輪和小輪的整體安裝完成，然后在大輪與小輪之間加裝測力計。在小輪的后方是螺栓施力裝置，通過旋轉(zhuǎn)螺栓使大輪與小輪之間產(chǎn)生法向力，并不斷旋緊螺栓使法向力逐漸增大直至達到1000N(由大輪與小輪之間的測力計來確定)，同時記錄下此時光纖光柵的波長數(shù)據(jù)。

具體過程：

1)將中心波長各不相同的8根光纖光柵從1～8依次標號，并按順序首尾相連焊接在一起，其中，8號光纖光柵的另一端與跳線相連并焊接在一起。然后使用粘膠將光纖光柵粘貼在大輪兩側(cè)與標號對應(yīng)的位置上。使用八根光纖光柵可以防止試驗誤差，以及消除溫度耦合的影響，粘貼好光纖光柵后的大輪如圖1(a)和圖1(b)所示；

2)旋松地腳螺母并抽出底腳螺栓，將支撐小輪的裝配體向后移動一格，使大輪與小輪之間的間隙略大于測力計的長度，調(diào)整裝配體的位置，使大輪與小輪對齊，插入底腳螺栓并旋緊地腳螺母，將支撐小輪的裝配體固定在試驗臺上；

3)將測力計放置在大輪與小輪之間，然后旋緊螺栓使大輪與小輪夾緊測力計(測力計兩端沒有安裝拉環(huán))。再將測力計與顯示器連接起來并將顯示器接通電源。最后調(diào)整顯示器的小數(shù)點位置，儀表顯示單位，以及測量的量程(可以按照說明書上的操作流程進行)。調(diào)整合適后按原點確認。此時，顯示器上就會顯示出受到的壓力(即大輪與小輪之間的法向力)；

4)將跳線的尾纖插入解調(diào)儀的連接端口，再將解調(diào)儀與電腦通過網(wǎng)線連接，然后打開總電源并開啟顯示器電源，啟動計算機傳感測試軟件。在計算機傳感軟件的菜單下點擊連接，接通解調(diào)儀與計算機信號傳輸，顯示連接成功后，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)。點擊開始測量，軟件就會顯示解調(diào)儀所得到的數(shù)據(jù)，同時具有記錄保存功能(每秒鐘可保存4000個數(shù)據(jù))，即可完成數(shù)據(jù)的采集和保存；

5)旋緊螺栓施力裝置中的螺栓，使大輪與小輪之間的法向力逐漸增加，當顯示器上為1000N時(即大輪與小輪之間的法向力為1000N)，停止旋緊螺栓，同時記錄下此時光纖光柵的波長數(shù)據(jù)。

3.3、橫向力(摩擦力)的相關(guān)測量

根據(jù)上述實驗的實驗裝置，先將測力計從大輪與小輪之間取下來，再將支撐小輪的裝配體從實驗臺上整體拆下來，然后通過測力計在大輪的滾動接觸點處施加200N的橫向力，同時記錄下此時光纖光柵的波長數(shù)據(jù)。

具體過程：

1)旋松螺栓施力裝置的螺栓，將測力計從大輪與小輪之間取下來；

2)旋松地腳螺母并抽出底腳螺栓，將支撐小輪的裝配體從實驗臺上整體拆下來；

3)旋上并擰緊測力計兩端的拉環(huán)，將測力計一端的拉環(huán)與大輪上的滾動接觸點處(即當大 輪與小輪接觸時，兩輪接觸點在大輪上的位置)通過細繩(細繩能承受200N以上的拉力)連接起來，再將測力計另一端的拉環(huán)上也連接一根細繩，最后在細繩的自由端施加一定的拉力；

4)將測力計與顯示器連接起來并將顯示器接通電源。最后調(diào)整顯示器的小數(shù)點位置，儀表顯示單位，以及測量的量程(可以按照說明書上的操作流程進行)。調(diào)整合適后按原點確認，，此時，顯示器上就會顯示出受到的壓力(即大輪與小輪之間的法向力)；

5)將跳線的尾纖插入解調(diào)儀的連接端口，再將解調(diào)儀與電腦通過網(wǎng)線連接，然后打開總電源并開啟顯示器電源，啟動計算機傳感測試軟件。在計算機傳感軟件的菜單下點擊連接，接通解調(diào)儀與計算機信號傳輸，顯示連接成功后，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)。點擊開始測量，軟件就會顯示解調(diào)儀所得到的數(shù)據(jù)，同時具有記錄保存功能(每秒鐘可保存4000個數(shù)據(jù))，即可完成數(shù)據(jù)的采集和保存；

6)不斷增大細繩自由端的拉力，使大輪所受到的橫向力逐漸增加，當顯示器上為200N時(即大輪與小輪之間的橫向力為200N)，立即停止增大細繩自由端的拉力并保持該拉力不變，同時記錄下此時光纖光柵的波長數(shù)據(jù)。

3.4、滾動接觸點瞬態(tài)法向力(正壓力)和橫向力(摩擦力)的測量

根據(jù)上述實驗的實驗裝置，將支撐小輪的裝配體安裝在實驗臺上。通過螺栓施力裝置使大輪與小輪之間產(chǎn)生1000N的法向力，通過旋轉(zhuǎn)蝸桿使大輪與小輪之間形成一定沖角而產(chǎn)生200N的橫向力，將跳線穿過非接觸式的光纖連接器連接到解調(diào)儀上，控制大輪變頻電機以某一合適的轉(zhuǎn)速作恒速旋轉(zhuǎn)，例如100r/min，用解調(diào)儀把光纖光柵的應(yīng)變信號采集并保存起來，對所得數(shù)據(jù)進行處理并計算出滾動接觸點瞬態(tài)法向力(正壓力)和橫向力(摩擦力)，再由公式即可得到瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)。

在本實驗中，由于試驗臺大輪需要轉(zhuǎn)動，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，因為直接連接的話大輪的轉(zhuǎn)動會帶動光纖跳線的轉(zhuǎn)動，從而導致接線頭無法固定。為解決這種問題，把光纖連接線塞入聯(lián)軸器里，從右側(cè)拉出并進行焊接。

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。

具體過程：

1)將支撐小輪的裝配體放置在原來位置上，然后裝上地腳螺栓并擰緊地腳螺母，把支撐小輪的裝配體固定在試驗臺上；

2)把跳線穿過非接觸式的光纖連接器，再把跳線的尾纖插入解調(diào)儀的連接端口，將解調(diào)儀與電腦通過網(wǎng)線連接，然后打開總電源并開啟顯示器電源，啟動計算機傳感測試軟件。在計算機傳感軟件的菜單下點擊連接，接通解調(diào)儀與計算機信號傳輸，顯示連接成功后，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)。點擊開始測量，軟件就會顯示解調(diào)儀所得到的數(shù)據(jù)，同時具有記錄保存功能(每秒鐘可保存4000個數(shù)據(jù))，即可完成數(shù)據(jù)的采集和保存；

3)不斷旋緊螺栓施力裝置中的螺栓，使小輪對大輪施加的預(yù)緊力逐漸增加，在旋緊過程中，當解調(diào)儀中光纖光柵的波長數(shù)據(jù)與3.2實驗中的波長數(shù)據(jù)一致時，停止旋緊螺栓，說明此時大輪與小輪之間的法向力達到1000N；

4)朝著一個方向(順時針方向或逆時針方向)不斷旋轉(zhuǎn)蝸桿，使得大輪與小輪之間沖角不斷增大，從而導致大輪與小輪之間橫向力逐漸增加，在旋轉(zhuǎn)過程中，當解調(diào)儀中光纖光柵的波長數(shù)據(jù)與3.3實驗中的波長數(shù)據(jù)一致時，停止旋轉(zhuǎn)蝸桿，說明此時大輪與小輪之間的橫向力達到200N。關(guān)閉計算機傳感測試軟件；

5)將控制電機的電箱打開，總開關(guān)打到on，將合閘/分閘開關(guān)順時針扭轉(zhuǎn)(即把開關(guān)旋到合閘上)，打開電腦上的“組態(tài)王”軟件(組態(tài)王是工控機上用來控制變頻電機運行狀態(tài)的軟件，通過在該軟件上直接設(shè)置變頻電機的運轉(zhuǎn)方式，如方波、三角波、正弦波、恒速，運行速度，波長和幅值來控制變頻電機按照方案中的狀態(tài)運行)，點擊“運行”，打開該控制軟件的參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置大輪以恒速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為100r/min，幅值和周期都設(shè)定為0，點擊“參數(shù)確認”，按下電箱的綠色啟動按鈕，電機轉(zhuǎn)動并通過齒輪箱帶動大輪以100r/min的轉(zhuǎn)速恒速旋轉(zhuǎn)；

6)當大輪恒速轉(zhuǎn)動后，啟動計算機傳感測試軟件。在計算機傳感軟件的菜單下點擊“連接”，接通解調(diào)儀與計算機信號傳輸，顯示連接成功后，依次設(shè)置采樣頻率(為4KHz)、通道和增益(最大為79)。點擊開始測量，軟件就會顯示解調(diào)儀所得到的光纖光柵波長的數(shù)據(jù)，同時具有記錄保存功能(每秒鐘可保存4000個數(shù)據(jù))，即完成了實驗數(shù)據(jù)的采集和保存。

根據(jù)以上滾動接觸點瞬態(tài)法向力(正壓力)與橫向力(摩擦力)的測量實驗，將所得到光纖 光柵的波長數(shù)據(jù)進行分析、處理，根據(jù)光纖光柵的波長漂移計算出大輪在滾動接觸點處的瞬態(tài)正壓力與摩擦力。由于摩擦系數(shù)是摩擦力和正壓力的比值，則可通過公式計算出大輪在滾動接觸點的瞬態(tài)橫向摩擦系數(shù)。

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