本發(fā)明涉及光纖光柵齒根彎曲應力檢測技術領域，具體涉及一種全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測裝置和方法。

背景技術：

在汽車、農(nóng)機、傳動、工業(yè)等領域，齒輪都有較為廣泛的應用，有傳動存在的地方都離不開各種齒輪組合。而齒根彎曲疲勞失效是影響齒輪性能的重要表現(xiàn)形式之一，所以精確并且實時地檢測齒輪齒根各處的彎曲應力是非常有意義的。超長保偏光纖光柵(長度大于10cm)具有靈活、插入損耗小等諸多優(yōu)良特性，保偏光纖光柵結構內(nèi)的應力施加區(qū)與包層之間的熱膨脹系數(shù)存在差別，使得光柵存在應力雙折射現(xiàn)象，由于雙折射現(xiàn)象的存在，光柵反射光譜存在兩種偏振態(tài)，這樣一根超長保偏光纖光柵可以等效成兩根普通超長光柵，兩根光柵所受到的應力和溫度的影響是相同，但響應特性不同，又因超長光纖光柵柵格周期短而柵區(qū)長度長，故可被分段成由多個短光柵排列而成。當入射光射入短光柵后，滿足其布拉格波長的光會發(fā)生反射，而當短光柵受到外界應力作用時，其柵距和折射率的變化會導致其中心波長漂移，所以所受應力的變化可以從其中心波長的變化上體現(xiàn)出來。因此通過對超長保偏光纖光柵對應的兩種偏振狀態(tài)的調(diào)制信號進行分段解調(diào)，并分別進行解耦處理以補償溫度的影響便可以得到其對應點應變，具有較高的空間分辨率和準確度。

目前，齒根彎曲應力的計算或檢測方法主要有有限元法、基于國標的齒輪強度計算方法和電測法等。如傳統(tǒng)的電阻應變計測試技術，在齒輪齒根處貼上一個金屬材質(zhì)的應變片，在外界壓力作用下，應變片的電阻發(fā)生變化，通過測量應變前后的電阻變化來求解該處應變，從而獲得其處彎曲應力大小，但此方法有一些缺陷，比如采用的應變片為金屬材料，金屬材料會受很多外界因素的影響，而且其只能測出齒輪齒根處的平均彎曲應力，不能分點測量；再如中國專利CN104101380A行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，是通過在中心齒輪齒根圓角處安裝光柵探頭，探頭上有多個布拉格光柵，通過解調(diào)應變前后各個光柵中心波長的漂移量來計算其應力，該法的缺陷主要是普通光柵本身長度大約在1cm左右，而齒輪寬度相對來說很有限，所以一個齒根上只能安裝幾個光柵，因此此法也只能測量少數(shù)幾個點的彎曲應力，具有局限性，另外該方法也只能測量齒寬方向上的彎曲應力，無法實現(xiàn)螺旋傘齒輪等彎曲面齒高方向上的彎曲應力測量；還有中國專利CN105404738A提出的一種用于指導齒輪應力檢測和齒根應力分析的方法，通過ANSYS采用動靜法以及3D建模軟件ProE對與單個行星齒輪嚙合的內(nèi)齒圈部分的齒輪進行分析，提取齒根應力及分布等信息，但此方法過程比較復雜，不能實現(xiàn)實時動態(tài)地測量，并且最終得到的是齒根等效應力的最大值，所以不太適合實際應用中檢測齒根彎曲應力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測裝置和方法，該裝置和方法采用超長保偏光纖光柵來檢測齒根處應變，對其兩種偏振態(tài)對應的調(diào)制信號進行分段處理，并進行解耦以補償溫度干擾，突破了一般光柵長度的限制，準確率高，且具有高空間分辨率，所采用的解調(diào)系統(tǒng)中的高速掃頻激光器保證了檢測的實時性，通過一系列修正校準及補償方法高精度地解調(diào)超長保偏光纖光柵各處兩種偏振態(tài)下光譜漂移，解耦處理后獲得其對應點的應力，從而實現(xiàn)了對齒輪齒根各處彎曲應力的全分布式實時動態(tài)檢測。

為解決上述技術問題，本發(fā)明公開的一種全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測裝置，它包括掃頻激光器、光分路器C1、光分路器C2、耦合器C3、耦合器C4、保偏光耦合器C5、耦合器C6、檢偏器A1、檢偏器A2、光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3、光電探測器D4、光環(huán)行器、光纖旋轉(zhuǎn)連接器、延時光纖、波長校準具、隔離器、處理器、沿齒輪齒根軸向貼在齒輪齒根上的保偏光纖光柵，其中，所述掃頻激光器的掃頻信號輸出端連接光分路器C1的輸入端，光分路器C1的第一輸出端連接光分路器C2的輸入端，光分路器C1的第二輸出端通過隔離器連接耦合器C3的輸入端，光分路器C2的第一輸出端連接耦合器C4的輸入端，光分路器C2的第二輸出端連接波長校準具的輸入端，耦合器C4的第一輸出端連接耦合器C6的輸入端，耦合器C4的第二輸出端通過延時光纖連接耦合器C6的輸入端，耦合器C6的輸出端連接光電探測器D1的輸入端，波長校準具的輸出端連接光電探測器D2的輸入端，耦合器C3的第一輸出端連接保偏光耦合器C5的輸入端，耦合器C3的第二輸出端連接光環(huán)行器的第一接口，光環(huán)行器的第二接口連接光纖旋轉(zhuǎn)連接器的固定端接線口，光纖旋轉(zhuǎn)連接器的旋轉(zhuǎn)端接線口連接保偏光纖光柵的一端，光環(huán)行器的第三接口連接保偏光耦合器C5的輸入端，保偏光耦合器C5的第一輸出端通過檢偏器A1連接光電探測器D3的輸入端，保偏光耦合器C5的第二輸出端通過檢偏器A2連接光電探測器D4的輸入端，光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4的信號輸出端均連接處理器的信號輸入端。

一種利用上述裝置的全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：將被測齒輪置于靜止狀態(tài)；

步驟2：掃頻激光器發(fā)出掃頻激光，該掃頻激光進入光分路器C1；

步驟3：光分路器C1的第一輸出端輸出修正通道掃頻激光信號，光分路器C1的第二輸出端輸出測量通道掃頻激光信號；

步驟4：步驟3中的修正通道掃頻激光信號進入光分路器C2分成兩束掃頻激光；步驟3中測量通道掃頻激光信號經(jīng)過隔離器(9)后進入耦合器C3被分成兩束掃頻激光；

步驟5：光分路器C2的第一輸出端輸出的掃頻激光進入耦合器C4，耦合器C4的第一輸出端輸出的掃頻激光直接進入耦合器C6的輸入端，耦合器C4的第二輸出端輸出的掃頻激光經(jīng)過延時光纖7后進入耦合器C6的輸入端，并與耦合器C4的第一輸出端輸出的掃頻激光在耦合器C6內(nèi)產(chǎn)生光拍現(xiàn)象，光電探測器D1采集耦合器C6輸出的拍頻信號并轉(zhuǎn)化為對應的電信號；

光分路器C2的第二輸出端輸出的掃頻激光通過波長校準具進行濾波，光電探測器D2采集波長校準具輸出的光信號并轉(zhuǎn)化為對應的電信號；

耦合器C3的第一輸出端輸出的掃頻激光直接進入偏光耦合器C5；耦合器C3的第二輸出端輸出的掃頻激光進入貼于齒輪齒根上的保偏光纖光柵，保偏光纖光柵反射出兩種偏振態(tài)的激光信號，上述兩種偏振態(tài)的激光信號進入保偏光耦合器C5，耦合器C3的第一輸出端輸出的掃頻激光和上述兩種偏振態(tài)的激光信號在保偏光耦合器C5內(nèi)產(chǎn)生光拍，偏光耦合器C5輸出的拍頻信號通過檢偏器A1和檢偏器A2分離出兩種偏振態(tài)的拍頻光分別進入光電探測器D3和光電探測器D4，光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4分別將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，傳輸給處理器；

步驟6：在處理器中用光電探測器D1得到的電信號對光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4得到的電信號進行插值重采樣，來補償掃頻激光器的非線性效應；在處理器中用光電探測器D2得到的電信號對掃頻激光器的掃頻速度進行修正；在處理器中對光電探測器D2和光電探測器D3得到的電信號分別進行分段解調(diào)處理，得到保偏光纖光柵上各解調(diào)分段在兩種偏振態(tài)下的波長；處理器對得到的兩種偏振態(tài)下的波長進行解耦，消除溫度對檢測結果的影響，得到上述兩種偏振態(tài)下保偏光纖光柵上各分段解調(diào)段的初始波長λ_i，初始波長λ_i為被測齒輪靜止時保偏光纖光柵上各分段解調(diào)段的波長；

步驟7：在被測齒輪轉(zhuǎn)動時，依據(jù)步驟2～6的步驟得到上述兩種偏振態(tài)下被測齒輪運動時保偏光纖光柵上各分段解調(diào)段的波長，并求出兩種偏振態(tài)下被測齒輪靜止與運動狀態(tài)的各分段解調(diào)段波長差Δλ，該分段解調(diào)段波長差Δλ只受到應變影響；

步驟8：處理器根據(jù)如下公式計算保偏光纖光柵各分段解調(diào)段所受應變ε_i；

Δλ＝(1-P)λ_iε_i

其中，P是保偏光纖光柵的有效光彈系數(shù)，ε_i為保偏光纖光柵各分段解調(diào)段所受應變，計算時，Δλ和λ_i任意選擇同一個偏振態(tài)下的值即可；

然后，通過保偏光纖光柵各分段解調(diào)段所受應變依據(jù)胡可定律得到對應的實時齒根分布式彎曲應力值。

本發(fā)明在齒輪齒根處貼上一根長度與齒輪齒根寬度一致的超長保偏光纖光柵(長度大于10cm)。與普通超長光纖光柵相比，超長保偏光纖光柵內(nèi)存在應力雙折射現(xiàn)象，其反射波存在兩種不同的偏振態(tài)，所以其可等效成兩根處于相同環(huán)境下的但響應特性不同的超長光纖光柵；與普通光纖光柵相比，超長光纖光柵柵區(qū)長度長，反射帶寬寬，普通光纖光柵柵區(qū)長度一般只有幾毫米；與長周期光纖光柵相比，超長光纖光柵柵格周期短，是反射型光柵，而長周期光纖光柵柵格周期一般為幾百微米，屬于透射型光柵。正是由于超長保偏光纖光柵存在雙折射現(xiàn)象，其反射光存在兩種偏振狀態(tài)，因此其可以等效成兩根處于同等環(huán)境下但響應特性不同的超長光纖光柵，而超長光纖光柵柵區(qū)距離很長，且柵格周期短，因此其又可以等效成多個短光柵排列而成，

每個短光柵都會反射特定波長的光波。由于等效成的每個短光柵長度很小，當受到外部應力時，可認為每個短光柵上應變分布是均勻的。在本發(fā)明中，可以實現(xiàn)等效的短光柵長度為1mm，這意味著檢測裝置的空間分辨率可以達到1mm。

設t_i為光在超長光纖光柵上被等效成的第i個FBG反射所產(chǎn)生的時延，則每個等效的FBG反射的光都會與保偏控制器發(fā)出的光在保偏耦合器處產(chǎn)生光拍，并且每個等效的FBG所產(chǎn)生的對應的光拍都有獨特的頻率γ_vt_i，其中γ_v為高速掃頻激光器的掃頻速率。

測量模塊的兩個光電探測器探測到的分別是超長保偏光纖光柵等效成的兩根普通超長光纖光柵上所有等效成的短FBG與保偏控制器發(fā)出的光產(chǎn)生的拍頻信號在時域上的疊加，可以通過對其進行FFT變換使它們在頻域上分離開來，然后利用合適寬度的矩形窗口濾波器分段選取相應的每個等效的FBG對應的頻域信號進行IFFT變換以獲得該等效的FBG在時域上的信號，用希爾伯特變換獲取其包絡并用高斯擬合尋求每個等效的FBG獲得時域峰值的時間點。校準模塊和參考模塊的作用分別是校準輸出波長和補償系統(tǒng)非線性效應。這樣，解調(diào)系統(tǒng)可以分別求出齒根彎曲前后超長保偏光纖光柵各處兩種偏振態(tài)的反射波長漂移量，由于光纖光柵波長漂移是溫度與應變產(chǎn)生影響的疊加，而兩種偏振態(tài)下的光柵所受的溫度和應變的影響是一樣的，因此對兩種偏振態(tài)下的波長漂移量進行解耦再處理可以消除溫度的影響，獲得只受應變影響的波長漂移。再結合應力傳感模型和胡克定律可以準確地算出對應點處齒根彎曲應力。

本發(fā)明的解調(diào)系統(tǒng)中所使用的高速掃頻激光器可以在短時間內(nèi)在指定波段內(nèi)多次掃描，使系統(tǒng)可以實時動態(tài)監(jiān)測到齒輪齒根處彎曲應力変化。

本發(fā)明的有益效果：

采用保偏光纖光柵對齒根處的彎曲應力進行傳感，通過對高速掃頻激光器的非線性掃頻進行補償以及對其掃頻速率進行修正，并對齒輪齒根處超長保偏光纖光柵在兩種偏振態(tài)下任意點所等效的FBG在應變前后的波長漂移進行解耦后可以補償溫度對檢測結果的影響，結合應力傳感模型和胡克定律，可以實時動態(tài)檢測到齒輪齒根處各個點的彎曲應力，準確率高，具有較高的空間分辨率，且結構簡單，不易受溫度、電磁等外界因素干擾。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中采用的超長保偏光纖光柵示意圖；

圖2為本發(fā)明中超長保偏光纖光柵粘貼示意圖；

圖3為本發(fā)明的裝置結構圖。

其中，1—掃頻激光器、2—處理器、3—光環(huán)行器、4—光纖旋轉(zhuǎn)連接器、5—齒輪齒根、6—保偏光纖光柵、7—延時光纖、8—波長校準具、9—隔離器。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

本發(fā)明的一種全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測裝置，如圖1～3所示，它包括掃頻激光器1、光分路器C1、光分路器C2、耦合器C3、耦合器C4、保偏光耦合器C5、耦合器C6、檢偏器A1、檢偏器A2、光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3、光電探測器D4、光環(huán)行器3、光纖旋轉(zhuǎn)連接器4、延時光纖7、波長校準具8、隔離器9、處理器2、沿齒輪齒根5軸向貼在齒輪齒根5上的保偏光纖光柵6，其中，所述掃頻激光器1的掃頻信號輸出端連接光分路器C1的輸入端，光分路器C1的第一輸出端連接光分路器C2的輸入端，光分路器C1的第二輸出端通過隔離器9連接耦合器C3的輸入端，光分路器C2的第一輸出端連接耦合器C4的輸入端，光分路器C2的第二輸出端連接波長校準具8的輸入端，耦合器C4的第一輸出端連接耦合器C6的輸入端，耦合器C4的第二輸出端通過延時光纖7連接耦合器C6的輸入端，耦合器C6的輸出端連接光電探測器D1的輸入端，波長校準具8的輸出端連接光電探測器D2的輸入端，耦合器C3的第一輸出端連接保偏光耦合器C5的輸入端，耦合器C3的第二輸出端連接光環(huán)行器3的第一接口，光環(huán)行器3的第二接口連接光纖旋轉(zhuǎn)連接器4的固定端接線口，光纖旋轉(zhuǎn)連接器4的旋轉(zhuǎn)端接線口連接保偏光纖光柵6的一端，光環(huán)行器3的第三接口連接保偏光耦合器C5的輸入端，保偏光耦合器C5的第一輸出端通過檢偏器A1連接光電探測器D3的輸入端，保偏光耦合器C5的第二輸出端通過檢偏器A2連接光電探測器D4的輸入端，光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4的信號輸出端均連接處理器2的信號輸入端。

上述技術方案中，所述光分路器C1的第一輸出端與第二輸出端的分束比為1:99，光分路器C2的第一輸出端與第二輸出端的分束比為1:1。

上述技術方案中，所述保偏光纖光柵6的長度等于齒輪齒根5的軸向長度。

上述技術方案中，所述掃頻激光器1輸出的掃頻激光的頻率為40～60kHZ，優(yōu)選為50kHZ。頻率為40～60kHZ的高速掃頻激光器保證了檢測的實時性，高速掃頻激光器掃描發(fā)出一定波段內(nèi)波長呈周期性線性變化的光。

如圖1所示為超長保偏光纖光柵示意圖。超長保偏光纖光柵的柵格周期短，而柵區(qū)長度比較長，又因為其內(nèi)部存在雙折射現(xiàn)象，所以在實際分析中，超長保偏光纖光柵可以等效成兩根處于相同環(huán)境下的超長光纖光柵，而每根超長光纖光柵又可以等效成多個短光柵排列而成，當其被粘貼在齒輪齒根處時，等效成的兩根超長光纖光柵不同位置分別對應著不同的等效成的短光柵，這些等效成的短光柵感應到的應變就是其對應位置齒根所受的彎曲應力產(chǎn)生的，這樣全分布式的測量保證了檢測系統(tǒng)的高空間分辨率，通過此方法可以使系統(tǒng)的空間分辨率小于1mm。

如圖2所示為超長保偏光纖光柵的粘貼示意圖。超長保偏光纖光柵沿齒寬粘貼于齒輪齒根處，所測得的應力可以轉(zhuǎn)換成齒根對應點的彎曲應力。

一種利用上述裝置的全分布式齒根彎曲應力動態(tài)檢測方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：將被測齒輪置于靜止狀態(tài)；

步驟2：掃頻激光器1發(fā)出掃頻激光，該掃頻激光進入光分路器C1；

步驟3：光分路器C1的第一輸出端輸出修正通道掃頻激光信號，光分路器C1的第二輸出端輸出測量通道掃頻激光信號；

步驟4：步驟3中的修正通道掃頻激光信號進入光分路器C2分成兩束掃頻激光；步驟3中測量通道掃頻激光信號經(jīng)過隔離器9后進入耦合器C3被分成兩束掃頻激光；

步驟5：光分路器C2的第一輸出端輸出的掃頻激光進入耦合器C4，耦合器C4的第一輸出端輸出的掃頻激光直接進入耦合器C6的輸入端，耦合器C4的第二輸出端輸出的掃頻激光經(jīng)過延時光纖7后進入耦合器C6的輸入端，并與耦合器C4的第一輸出端輸出的掃頻激光在耦合器C6內(nèi)產(chǎn)生光拍現(xiàn)象，光電探測器D1采集耦合器C6輸出的拍頻信號并轉(zhuǎn)化為對應的電信號；

光分路器C2的第二輸出端輸出的掃頻激光通過波長校準具8進行濾波，光電探測器D2采集波長校準具8輸出的光信號并轉(zhuǎn)化為對應的電信號；

耦合器C3的第一輸出端輸出的掃頻激光直接進入偏光耦合器C5；耦合器C3的第二輸出端輸出的掃頻激光進入貼于齒輪齒根5上的保偏光纖光柵6，保偏光纖光柵6反射出兩種偏振態(tài)的激光信號，上述兩種偏振態(tài)的激光信號進入保偏光耦合器C5，耦合器C3的第一輸出端輸出的掃頻激光和上述兩種偏振態(tài)的激光信號在保偏光耦合器C5內(nèi)產(chǎn)生光拍，偏光耦合器C5輸出的拍頻信號通過檢偏器A1和檢偏器A2分離出兩種偏振態(tài)的拍頻光分別進入光電探測器D3和光電探測器D4，光電探測器D1、光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4分別將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，傳輸給處理器2；

步驟6：在處理器2中用光電探測器D1得到的電信號對光電探測器D2、光電探測器D3和光電探測器D4得到的電信號進行插值重采樣，來補償掃頻激光器1的非線性效應；在處理器2中用光電探測器D2得到的電信號對掃頻激光器1的掃頻速度進行修正；在處理器2中對光電探測器D2和光電探測器D3得到的電信號分別進行分段解調(diào)處理，得到保偏光纖光柵6上各解調(diào)分段在兩種偏振態(tài)下的波長；處理器2對得到的兩種偏振態(tài)下的波長進行解耦，消除溫度對檢測結果的影響，得到上述兩種偏振態(tài)下保偏光纖光柵6上各分段解調(diào)段的初始波長λ_i，初始波長λ_i為被測齒輪靜止時保偏光纖光柵6上各分段解調(diào)段的波長；

步驟7：在被測齒輪轉(zhuǎn)動時，依據(jù)步驟2～6的步驟得到上述兩種偏振態(tài)下被測齒輪運動時保偏光纖光柵6上各分段解調(diào)段的波長，并求出兩種偏振態(tài)下被測齒輪靜止與運動狀態(tài)的各分段解調(diào)段波長差Δλ，該分段解調(diào)段波長差Δλ只受到應變影響；

步驟8：處理器2根據(jù)如下公式計算保偏光纖光柵6各分段解調(diào)段所受應變ε_i；

Δλ＝(1-P)λ_iε_i

其中，P是保偏光纖光柵6的有效光彈系數(shù)，ε_i為保偏光纖光柵6各分段解調(diào)段所受應變，計算時，Δλ和λ_i任意選擇同一個偏振態(tài)下的值即可；

然后，通過保偏光纖光柵6各分段解調(diào)段所受應變依據(jù)胡可定律得到對應的實時齒根分布式彎曲應力值。

上述技術方案中，所述分段解調(diào)段的長度為1mm。

上述技術方案的步驟3中，光分路器C1的第一輸出端與第二輸出端的分束比為1:99。

上述技術方案的步驟4中，修正通道掃頻激光信號進入光分路器C2按1:1的分束比分成兩束掃頻激光。

本發(fā)明可以較為精準并且實時動態(tài)地檢測出齒根處超長保偏光纖光柵中等效成的兩根超長光纖光柵各處在發(fā)生應變前后的中心波長漂移，解耦后可實現(xiàn)溫度補償，再結合光柵的應力傳感模型以及材料力學中的胡克定律，可以準確地獲得齒根各點處的彎曲應力值，具有較高的空間分辨率，解調(diào)系統(tǒng)中采用的高速掃頻激光器，保證了檢測的實時性，系統(tǒng)結構簡單，不易受溫度、電磁等外界因素干擾。

本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。