CN115014763B - 用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，包括可调激光器、光纤、光环形器、光栅、光探测器及数据采集系统；刻写在光纤上的所述光栅固定在主轴表面；可调激光器的输出波长通过以下方法确定：首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；然后利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个，在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

Description

用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法

技术领域

本发明涉及机械测量领域，尤其涉及一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法。

背景技术

减小误差一直是高精度机床追求的目标。主轴受力变形是机床误差的主要来源。为了减小变形，机床主轴的设计刚度往往极高，因而产生的应变极小。由于灵敏度不足，用现有的应变片和光纤光栅传感系统很难测到应变信号，无法用于主轴故障监测。现有机床主轴故障方法，往往只能采用加速度振动传感器、声发射传感器等间接方式测量振动信号，作为故障判定条件。

加速度传感器采集主轴振动信号，用于反应主轴故障目前已经形成较为完善的理论体系，但是加速度信号受干扰因素较多，往往混有非监测部位的振动信息(如设备其他部位振动也会通过机体传递到传感器)，所以在使用加速度信号作为故障诊断依据时，都要对信号进行繁琐的信号处理与智能识别工作，才能在众多频率信号中准确找到与待诊断部件故障特征频率一致的信号分量，才能实现正确的实时故障信号监测。

应变型故障监测系统，具有“贴哪测哪”的特点——应变传感器只反映粘贴部位的应变变化，因而受其他振源影响较小。相比振动传感器，信号干扰因素少得多，是设备故障诊断的新发展方向，目前国际上已有学者开始探索研究，解决了一些低刚度机械结构的故障诊断问题。但是对于机床主轴这样的高刚度结构，还未见突破。如何大幅提高故障诊断系统中应变传感测量的灵敏度，扩大测量频率带宽是困扰该领域的一个技术难题。

发明内容

本发明主要目的在于：提供一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法，能够每次测量均处于最大灵敏度状态。

本发明所采用的技术方案是：一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，包括可调激光器、光纤、光环形器、光栅、光探测器及数据采集系统；其中，刻写在光纤上的所述光栅固定在主轴表面；

可调激光器发出的激光，通过光纤经过光环形器后到达位于主轴的外表面的光栅检测主轴应变带来的波长变化，反射回光经光环行器后从光探测器转换为电信号，由数据采集系统采集；

所述可调激光器的输出波长通过以下方法确定：

首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；然后利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个，在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

按上述方案，所述光纤的末端设有用于消除反射回光干涉的光纤隔离器。

按上述方案，所述的光纤隔离器末端的光纤端面采用斜端面处理。

按上述方案，所述的数据采集系统包括数据采集卡和计算机，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据，并计算最佳工作波长后调节所述可调激光器。

一种所述用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统的优化方法，本优化方法包括以下步骤：

S1、逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；

S2、利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个；

S3、在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；

S4、将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明提出了一套基于多高斯函数的最佳工作点求解方法，确保了该系统能够每次测量均处于最大灵敏度状态，由于灵敏度高，尤其适用于刚度较高的机床主轴、轮船主轴等的应变检测。

2、使用光纤隔离器，能够有效衰减透过光栅的其他波长光波，阻止这些光波通过光环形器返回探测器，最终起到减小光波干涉影响，对系统的稳定性具有显著提升效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是本发明一实施例的解调方法流程图。

图3是本发明一实施例在实施故障监测时的实验测量结果(时域)。

图4是本发明一实施例在实施故障监测时的实验测量结果(频域)。

图中：1-可调激光器，2-光环形器，3-光隔离器，4-光栅，5-主轴，6-光探测器，7-固定基座，8-数据采集卡，9-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，包括可调激光器1、光纤、光环形器2、光栅4、光探测器6及数据采集系统。其中，刻写在光纤上的所述光栅4固定在主轴5表面。可调激光器1发出的激光，通过光纤经过光环形器2后到达位于主轴5的外表面的光栅4检测主轴应变带来的波长变化，反射回光经光环行器2后从光探测器6转换为电信号，由数据采集系统采集。

进一步的，所述光纤的末端设有用于消除反射回光干涉的光纤隔离器3。光纤隔离器3末端的光纤端面采用斜端面处理。所述的光纤隔离器3能够有效衰减透过光栅的其他波长光波，阻止这些光波通过光环形器2返回探测器，最终起到减小光波干涉影响，对系统的稳定性具有显著提升效果。

具体的，可调激光器1输出光端口连接光环形器2的1号端口，光环行器2的2号端口连接光纤光栅4一端，光纤光栅4另一端连接光纤隔离器3，光纤隔离器3末端光纤端面采用斜端面处理，光环行器的3端口连接光探测器、光探测器6的电信号端口连接数据采集系统。其中，主轴固定在固定基座7上。

本实施例中，所述的可调激光器1为窄线宽可调激光器，优选线宽40Mhz。光探测器6为高速光探测器。所述的数据采集系统包括数据采集卡8和计算机9，所述光探测器6的输出端通过数据采集卡8与计算机9连接，计算机9用于监测反射回光的反射光谱分布数据，并计算最佳工作波长后调节所述可调激光器1。

面向主轴故障监测的光纤光栅测量系统，通常采用的解调方案是光纤光栅窄边坡强度反射解调方案。根据光纤光栅理论，光纤光栅的反射谱型可以用下式表示：

其中，变量λ为反射光谱波长，参数n_eff为光栅的有效折射率(石英光纤一般取1.45左右)，λ_D为光栅设计波长(常取1550nm左右)，是折射率在一个光栅周期内的空间变化量(一般为1×10^-4左右)，L光栅长度(一般5-20mm)，ν折射率变化的条纹可见度(一般取1)。由于光栅反射谱带宽极窄(一般小于1nm)，波长λ只是在设计波长λ_D附近上百皮米范围内变化，因而可以认为上式中多项式/>随λ几乎不变，可以用/>代替。令

光纤光栅的反射谱函数R可以简化成

反射谱函数代表的函数曲线呈钟型形状。钟型函数的上升沿(或下降沿)可以用作窄边坡强度反射解调方案中的反射率曲线。曲线斜率决定了系统测量的灵敏度。斜率越大，灵敏度越大。由于该钟型曲线各点处的斜率均不相同，如果将激光器的波长定在随意定在某个位置，将不能获得最大测量灵敏度。理论上，测量系统最大灵敏度位置在反射谱函数二阶导函数的为零处，但是由于光纤光栅在使用时受温度影响，中心会发生漂移，通过理论计算的最大灵敏度点往往偏离实际最大点较远，造成系统灵敏度严重下降。

因此本发明针对传统窄边坡强度反射解调实践中出现的灵敏度下降问题，提出了一种用于主轴故障监测的高灵敏光纤光栅测量系统优化方法，如图2所示，具有以下步骤：

S1、在现场固定好光纤光栅之后，首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；

S2、利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个；

S3、在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；

S4、将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

该方法能够在现场根据光栅实际反射谱作出系统最佳参数计算，能够有效克服温度，安装等因素导致的灵敏度下降问题，还可以解决光栅刻写和应力啁啾带来的灵敏度偏差问题。从而极大提高了应变传感器的测量灵敏度，更有利于主轴故障监测。

按照图1原理搭建一种主轴故障监测系统实施故障监测的实验装置结构，并进行试验，得到的实验测量结果如图3和图4所示。结果可以清晰看到主轴转频(50Hz)、主轴装配误差引起的主轴转频倍频信号(99.8Hz，149.8Hz)、主轴轴承外圈故障特征频率(388.2Hz)，还有主轴轴承外圈故障特征频率的倍频信号(776.6Hz、1163.8Hz、1552Hz、1940.6Hz)。

主轴刚度与他的弹性模量和横截面积有关。由于我们应用场景不一样，机床主轴，轮船主轴等地方往往都是弹性模量要么很大，要么是横截面积很大，因此其主轴的刚度较大。本发明系统的动态测量带宽可以轻松突破MHz级，远远大于一般光纤光栅解调系统(kHz级)，这对于机床主轴这样的高刚度结构故障诊断具有决定性的优势。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，其特征在于，包括可调激光器、光纤、光环形器、光栅、光探测器及数据采集系统；其中，刻写在光纤上的所述光栅固定在主轴表面；本光纤光栅测量系统仅包括1个光源，即为所述可调激光器，且所述可调激光器为窄线宽可调激光器；所述的主轴为机床主轴或轮船主轴；

可调激光器发出的激光，通过光纤经过光环形器后到达位于主轴的外表面的光栅检测主轴应变带来的波长变化，反射回光经光环行器后从光探测器转换为电信号，由数据采集系统采集；

所述可调激光器的输出波长通过以下方法确定：

首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；然后利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项组合高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个，在每个零点处计算多项组合高斯函数拟合结果一阶导的值，其中最大的多项组合高斯函数拟合结果一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅测量系统，其特征在于，所述光纤的末端设有用于消除反射回光干涉的光纤隔离器。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅测量系统，其特征在于，所述的光纤隔离器末端的光纤端面采用斜端面处理。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅测量系统，其特征在于，所述的数据采集系统包括数据采集卡和计算机，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据，并计算最佳工作波长后调节所述可调激光器。

5.一种权利要求1至4中任意一项所述用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统的优化方法，其特征在于，本优化方法包括以下步骤：

S1、逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；

S2、利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项组合高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个；

S3、在每个零点处计算多项组合高斯函数拟合结果一阶导的值，其中最大的多项组合高斯函数拟合结果一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；

S4、将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。