一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置及其装配方法和与被测量轴承的方法

技术领域

本发明涉及温度检测领域，具体地说是一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置，用于测量海上工作平台升降系统齿轮箱单元的轴承温度。

背景技术

海工自升式平台用于海上作业，其结构比较复杂，而且体积非常庞大。该平台经常遭受着海风、海流和潮汐等力的作用，海上腐蚀现象比较严重，材料容易受到破坏，因而其运行工况远非陆地结构工况所能比拟。因此，海工升降平台的设备需要具有较高的可靠性。

海工自升式平台升降系统齿轮箱单元是自升式海洋平台中一种必不可少的连接和传递动力的主要单元，起着至关重要的作用：如若齿轮箱单元出现故障，引发的平台工作组停工时间较长，造成的巨大的经济损失，且齿轮箱自身的维护成本较高，因此对海洋升降平台起升系统齿轮箱单元的监测研究存在着非常重要的意义，而轴承温度的检测是对海洋升降平台齿轮箱单元检测系统中极为重要的一环。

进一步，轴承是海工平台齿轮箱单元中关键的零部件之一，其性能直接影响着旋转机械的性能与寿命。在轴承测试中，轴承温度测试是轴承测试的主要内容之一。轴承温度变化梯度对于研究轴承润滑、承载等性能及寿命有着重要的意义。海工齿轮箱单元轴承的温升及温度分布状态直接影响着整个工作平台的工作性能和使用寿命。轴承转速的不断提高,则会导致轴承摩擦生热急剧增加,如果热量得不到及时有效地散发,轴承内部的温度将会异常升高。温度过高则会导致轴承内部零件表面灼伤甚至相互胶合、咬死而早期报废,后果十分严重。特别是摩擦生热的急剧增加将导致轴承工作温度异常升高,并且海工平台齿轮箱单元高速轴轴承的温度分布是整个齿轮箱单元中转速最高的轴承，也是最需要进行温度检测的轴承,只有掌握了在不同工况下轴承系统内部的温度分布及其影响,才能对其进行合理的润滑与冷却。目前轴承温度测试中多数采用热电偶、红外温度传感器或者热成像技术等，仅针对静止的轴承套圈测试有效。热电偶技术不能用于轴承旋转时的测试，红外和热成像技术不能实现旋转轴承套圈多点测试。

目前，还没有专门针对旋转轴承多点测试的光纤光栅轴承温度传感装置，特别是适用于海上工作平台的光纤光栅轴承温度测量的传感装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置，适用海工升降平台。该装置克服了现有技术的不足，该装置结构简单、安装牢靠、便于装卸，具有测量精度高，抗电磁干扰能力强，抗干扰能力强等优点。本发明的另一目的是提供了测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法，本发明的另一目的是提供了测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置与被测量轴承的方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置。该装置具有光纤保护外壳、金属基座、毛细管和温度测量光纤，光纤保护外壳上设有多个凹槽，金属基座上设置有基座通孔；温度测量光纤上刻有多个温度测量栅区；温度测量栅区封装在所述毛细管中；所述毛细管封装在所述金属基座中；金属基座置于光纤保护外壳的部分凹槽内。

优选的是，当温度发生变化时，温度测量栅区的中心波长变化满足：

其中，ξ为光纤光栅的热光常熟，n为光栅光芯的有效折射率，α为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为温度的变化量。

优选的是，测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置还包括有保护套管，相邻两个温度测量栅区之间的温度测量光纤为非温度测量栅区，至少部分非温度测量栅区封装于保护套管内，所述部分非温度测量栅区为未封装于毛细管内的部分温度测量光纤；进一步，多个温度测量栅区直接刻在一条长的温度测量光纤上，而不是通过单独的栅区熔接的方式进行串联，这样可以极大的降低光纤在工作时的损耗；从而实现分布式多点测量；且所有的温度测量栅区的材料和尺寸都基本相同。

优选的是，光纤保护外壳的凹槽分为方形凹槽和弧形凹槽，方形凹槽和弧形凹槽连通，金属基座置于方形凹槽内，护套管置于弧形凹槽内；进一步，方形凹槽和弧形凹槽分别为多个，且依次间隔设置于光纤保护外壳上。

优选的是，光纤保护外壳上还设置有光纤导出通道，光纤导出通道用于导出温度测量光纤。

优选的是，光纤导出通道的横截面呈弧形，用以减少温度测量光纤在导出时的弯曲程度，使光纤传感器光损尽可能的降到最低。

优选的是，温度测量栅区的长度应为10±1mm，且温度测量栅区无涂覆层，以减少光栅区域应变的非均匀分布而导致的光纤光栅低温啁啾现象，温度测量栅区被封装与毛细管的中心区域，毛细管中充满导热剂，以保证传热过程的均匀和稳定。毛细管以外的光纤用保护套管进行封装，毛细铜管和保护套管之间采用环氧树脂胶进行封装连接。

优选的是，毛细管为毛细铜管。

优选的是，毛细铜管的内径为8至1.5mm，优选内径为1.2mm。毛细管过小不易于光纤的套入；过大会降低其点胶后的密封性和稳固性，其长度应大于光纤栅区部分的长度，保证将栅区完全封入其中；温度测量栅区被封装在毛细铜管中时，保持松弛状态，避免毛细铜管受热产生形变，导致温度测量栅区受到应变的影响。

优选的是，轴承为海上工作平台升降系统齿轮箱单元的轴承。

进一步，保护套管具有耐腐蚀性，优选采用收缩比为2:1的辐照交联特种含氟聚合物PVDF制成，具有优异的耐化学腐蚀和耐溶剂性能，绝缘性好，保证了光纤的密封性，隔绝了液体，防止带腐蚀性的液体直接接触而腐蚀了光纤。

根据本发明的另一方面，提供了一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法。具体在于：将温度测量栅区封装进毛细管后，将毛细管置于金属基座的基座通孔中；在毛细管和基座通孔之间的缝隙填充导热剂；待导热剂填充完成后，为了防止导热剂的泄露，在基座通孔处加上密封端盖，基座通孔和密封端盖采用环氧树脂胶连接。

进一步，在将毛细管封装进金属基座后，将金属基座放置于光纤保护外壳的方形凹槽中、保护套管置于弧形凹槽中；温度测量光纤最后从光纤保护外壳的光纤导出通道导出后，再与解调仪或其他解调设备连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置与被测量轴承的方法，将光纤保护外壳通过光纤旋转连接器或螺栓安装至被测轴承外环的内圈上或内环的外圈上。

进一步，当光纤保护外壳与被测量轴承之间采用螺栓连接时，光纤保护外壳上开有两个M4.0和三个M3.0的螺栓孔，在被测轴承相应的位置开同样尺寸的螺栓孔，在对光纤保护外壳进行开孔时注意M3的螺栓孔开孔位置应避开弧形凹槽。该光纤光栅分布式装置并不是采用胶结的方式与轴承连接，而是采用光纤保护外壳来固定金属基座。保护外壳与被测量轴承将采用螺栓连接，使整套装置更为稳定，使用寿命更长，并具有便于拆卸的特点。该安装方案克服了海工升降平台重载轴承在工作时润滑油转动飞溅对传感器的影响，使测量结果更为准确。

与现有技术相比，本发明公开的测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置至少具有以下有益效果：

1.传统的光纤光栅轴承传感器都是在轴瓦上进行开槽处理预埋传感器或在轴承座上直接粘贴，一方面操作难度较为复杂，可行性低，且无法进行拆卸更换，另一方面距离轴承太远，测量所得的数据存在很大的偏差。而本发明的传感装置无需对进行预埋操作处理，只需在轴承外环内圈上开设凹槽和固定螺栓孔，即可稳定方便的安装整套设备，并且该温度测量装置直接布置在轴承外环上，相比于传统的轴承温度传感器，结果更为精确。

2.本发明的传感装置对应力的隔绝比较彻底，温度测量栅区在毛细管中保持松弛的状态，以防止毛细管受热产生应变对温度测量栅区产生影响。进一步，毛细管封装在金属基座中时，并没有与金属基座直接接触，中间填充了导热剂，使热量传递更为均匀。

综上所述，本发明的传感装置具有测量精度高、结构简单、长期稳定性好、便于拆卸、耐腐蚀性好、抗电磁干扰、易于实现分布式测量且能应用于海工平台齿轮箱轴承的特点。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为被测实例海工平台齿轮箱高速轴轴承开槽示意图；

图2为本发明的光纤保护外壳整体示意图；

图3为本发明的光纤保护外壳局部剖视图；

图4为本发明的金属基座；

图5为本发明的密封端盖；

图6为本发明的温度测量光纤栅区的封装示意图；

图7为本发明的毛细铜管的封装示意图；

图8为本发明的金属基座与密封端盖的安装示意图；

图9为整套装置在轴承上的安装示意图，

图10为轴承在海工平台齿轮箱单元上的安装示意图。

图中：光纤保护外壳1，金属基座2，光纤导出通道3，螺栓固定孔4，方形凹槽5，弧形凹槽6，基座通孔7，毛细铜管8，温度测量栅区9，保护套管10，导热剂11，环氧树脂胶12，密封端盖13，温度测量光纤14，解调仪15，计算机16，轴承G

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，如一下实施例中，毛细管具体采用了毛细铜管8。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1-10所示，本发明的一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置及其装配方法和与被测量轴承的方法，结合以下实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，该被测轴承为6411E深沟球轴承G，也是海工升降平台齿轮箱单元平行齿轮箱高速轴轴承类型。该被测轴承内环与高速齿轮轴相连，轴承内环随高速齿轮轴转动，轴承外环与齿轮箱箱体相连，轴承外环静止。

如图1-8所示，该装置具有光纤保护外壳1、金属基座2、毛细铜管8和温度测量光纤14，光纤保护外壳1上设有多个凹槽，金属基座2上设置有基座通孔7；温度测量光纤14上刻有多个温度测量栅区9；温度测量栅区9封装在毛细铜管8中；所述毛细铜管8封装在所述金属基座2中；金属基座2置于光纤保护外壳1的部分凹槽内。

如图2所示，光纤保护外壳1的凹槽分为方形凹槽5和弧形凹槽6，方形凹槽5和弧形凹槽6连通，金属基座2置于方形凹槽5内，护套管置于弧形凹槽6内；进一步，方形凹槽5和弧形凹槽6分别为多个，且依次间隔设置于光纤保护外壳1上。

如图3所示，光纤保护外壳1上还设置有光纤导出通道3，光纤导出通道3用于导出温度测量光纤14，光纤导出通道3的横截面呈弧形，用以减少温度测量光纤14在导出时的弯曲程度，使光纤传感器光损尽可能的降到最低。

优选的是，当温度发生变化时，温度测量栅区9的中心波长变化满足：

其中，ξ为光纤光栅的热光常熟，n为光栅光芯的有效折射率，α为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为温度的变化量。

如图6所示，测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置还包括有保护套管10，相邻两个温度测量栅区9之间的温度测量光纤14为非温度测量栅区9，至少部分非温度测量栅区9封装于保护套管10内，所述部分非温度测量栅区9为未封装于毛细铜管8内的部分温度测量光纤14；进一步，多个温度测量栅区9直接刻在一条长的温度测量光纤14上，而不是通过单独的栅区熔接的方式进行串联，这样可以极大的降低光纤在工作时的损耗；从而实现分布式多点测量；且所有的温度测量栅区9的材料和尺寸都基本相同。

如图6所示，温度测量栅区9的长度应为10±1mm，且温度测量栅区9无涂覆层，以减少光栅区域应变的非均匀分布而导致的光纤光栅低温啁啾现象，温度测量栅区9被封装与毛细铜管8的中心区域，毛细铜管8中充满导热剂11，以保证传热过程的均匀和稳定。毛细铜管8以外的光纤用保护套管10进行封装，毛细铜管8和保护套管10之间采用环氧树脂胶12进行封装连接。毛细铜管8的内径为8至1.5mm，优选内径为1.2mm。毛细铜管8过小不易于光纤的套入；过大会降低其点胶后的密封性和稳固性，其长度应大于光纤栅区部分的长度，保证将栅区完全封入其中；温度测量栅区9被封装在毛细铜管8中时，保持松弛状态，避免毛细铜管8受热产生形变，导致温度测量栅区9受到应变的影响，解决了在测量轴承温度过程中温度应变交叉敏感的问题。

如图6所示，保护套管10具有耐腐蚀性，优选采用收缩比为2:1的辐照交联特种含氟聚合物PVDF制成，具有优异的耐化学腐蚀和耐溶剂性能，绝缘性好，保证了光纤的密封性，隔绝了液体，防止带腐蚀性的液体直接接触而腐蚀了光纤。

如图7和8所示，根据本发明的另一方面，提供了一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置的装配方法。具体在于：将温度测量栅区9封装进毛细铜管8后，将毛细铜管8置于金属基座2的基座通孔7中；在毛细铜管8和基座通孔7之间的缝隙填充导热剂11；待导热剂11填充完成后，为了防止导热剂11的泄露，在基座通孔7处加上密封端盖13，基座通孔7和密封端盖13采用环氧树脂胶12连接，在将毛细铜管8封装进金属基座2后，将金属基座2放置于光纤保护外壳1的方形凹槽5中、保护套管10置于弧形凹槽6中；温度测量光纤14最后从光纤保护外壳1的光纤导出通道3导出后，再与解调仪15或其他解调设备连接，再与计算机16连接。

如图9和10所示，根据本发明的另一方面，提供了一种测量轴承温度的光纤光栅分布式传感装置与被测量轴承的方法，将光纤保护外壳1通过光纤旋转连接器或螺栓安装至被测轴承外环的内圈上或内环的外圈上，当光纤保护外壳1与被测量轴承之间采用螺栓连接时，光纤保护外壳1上开有两个M4.0和三个M3.0的螺栓孔，在被测轴承相应的位置开同样尺寸的螺栓孔，在对光纤保护外壳1进行开孔时注意M3的螺栓孔开孔位置应避开弧形凹槽6。该光纤光栅分布式装置并不是采用胶结的方式与轴承连接，而是采用光纤保护外壳1来固定金属基座2。保护外壳与被测量轴承将采用螺栓连接，使整套装置更为稳定，使用寿命更长，并具有便于拆卸的特点。该安装方案克服了海工升降平台重载轴承在工作时润滑油转动飞溅对传感器的影响，使测量结果更为准确。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，被测轴承的外环若处于转动的情况下，可在光纤跳线导出口3导出的跳线后接上适用于测量旋转物体温度的光纤旋转连接器，即可完成对轴承转动外环的温度测量。

实施例3；

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，若被测轴承外环内圈因空间、材质等条件的限制，无法成果安装此光纤光栅分布式装置，可在实例一的结构基础上进行适当的修改，将该装置安装至被测轴承内环外圈上，工作原理与实例一相同。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。