摘 要

自1978年光纤光栅诞生以来，在这短短的四十年时间里，其发展的速度远超人们的想象，其体现的优越性能也是传统的电类元件所不可比拟的。光纤光栅凭借其体积小、精度高、耐腐蚀、抗干扰能力强、可复用以及可组成传感网络进行分布式测量等优良特性，对传统的电类传感器行业产生了极大的冲击。现如今，在通信领域和传感领域无所不见其身影，光纤宽带连接上网已经走进家家户户，光纤传感器也正在各个研究领域中逐渐展现出其强大的特性。

轴承是旋转机械的核心机构，滑动轴承更是在各种大型机械设备中扮演着重要的角色，而轴瓦是滑动轴承的核心零件，那么对滑动轴承轴瓦的健康状况监测就变得尤为重要。轴瓦温度过高是造成大型旋转设备停车的主要原因之一，轴瓦温度是轴瓦的健康状况监测的一个重要指标。而往往大型轴承的瓦温分布并不均匀，对于传统的电类传感器来讲，实行多点测量难度大、成本高。这时，光纤光栅传感器的优越特性便体现出来了。

本篇论文将重点介绍一种基于光纤光栅传感器的支撑滑动轴承轴瓦温度多点测量系统。

关键词：光纤光栅；轴瓦；传感网络

Abstract

Since the birth of FBG in 1978, in this short 40 years, its development speed has exceeded people's imagination, and its superior performance is also unmatched by traditional electrical components. Because of its small size, high precision, corrosion resistance, strong anti-interference ability, reusable and can be composed of sensor networks for distributed measurement and other excellent characteristics, the fiber grating has a great impact on the traditional electrical sensor industry. Nowadays, in the field of communications and sensing, there is nowhere to be seen. Fiber-optic broadband internet access has entered every household, and fiber-optic sensors are gradually demonstrating their strong features in various research fields.

Bearings are the core mechanism of rotating machinery. Sliding bearings play an important role in various large-scale mechanical equipment. Bearing pads are the core components of sliding bearings. Therefore, it is very important to monitor the health of sliding bearing bearings. The high bearing temperature is one of the main reasons for the large-scale rotating equipment to stop. The bearing temperature is an important indicator of the health monitoring of the bearing bush. However, the distribution of the tile temperature of large-sized bearings is not uniform. For traditional electric sensors, it is difficult and costly to perform multi-point measurement. At this time, the superior characteristics of the FBG sensor are reflected.

This paper will focus on a kind of sliding bearing bush temperature multi-point measurement system which is based on FBG sensors.

Key Words：Fiber Bragg Grating (FBG)；bush；sensor network

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 滑动轴承工况监测研究状况 1

1.2.2 光纤光栅的温度测量研究现状 3

1.3 论文主要研究内容 4

第2章 光纤光栅的传感原理 6

2.1 引言 6

2.2 光栅传感基本理论 6

2.3光纤Bragg光栅温度传感理论 7

2.4 分布式光纤光栅传感理论 9

第3章 支撑滑动轴承轴瓦温度多点测量系统的设计 10

3.1 设计任务与要求 10

3.2 支撑滑动轴承轴瓦温度多点测量系统方案设计 10

3.3 支撑滑动轴承轴瓦结构及工况的分析 12

3.3.1 支撑滑动轴承轴瓦的结构 12

3.3.2 支撑滑动轴承的工况分析 12

3.4 光纤光栅传感器的布置方案 12

3.4.1 轴向开槽的传感器布置方案 13

3.4.2 周向开槽的传感器布置方案 13

3.4.3 传感器布置方案的选择 14

3.5 光纤光栅传感器的封装材料 16

3.6 光纤光栅传感器网络的设计 16

第4章光纤光栅温度传感器的制作与标定 17

4.1光纤光栅温度传感器的制作 17

4.2 传感器的温度标定 18

4.3 数据处理 20

4.4 光纤光栅温度传感器的特性 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

所有机械设备在运行中，相互之间接触的并且作相对运动的表面都有摩擦。摩擦是一种不可逆的过程。摩擦可以使传递的能量产生损耗、接触面和工作环境温度升高、甚至会使机构因为过热而停止工作。轴瓦是滑动轴承的重要组成部分，广泛应用于水利水电，汽车船舶等重要领域，轴瓦是滑动轴承与轴颈接触的部位，起支承轴的作用。滑动轴承在工作过程中，由于轴颈和轴承之间的接触会产生摩擦，导致表面发热、磨损甚至胶合。所以为了防止轴瓦的温度过高，必须设计一个轴瓦温度的实时监控系统。据统计，约有四分之一的旋转机械设备故障是由于轴承发生故障造成的，所以轴承的健康监测对机械设备的正常工作存在非常重要的作用。支撑滑动轴承健康监测主要是对轴瓦的振动状况和温度状况的监测。由于在对轴瓦的振动状况研究中的振动信号难以准确获得，而在轴瓦温度状况的研究中，测量信号单一且容易获取，因此对温度状况监测的研究成为了研究轴瓦健康状况监测系统的主要方向。

在对滑动轴承温度场的测量中，传统的轴瓦温度状况监测中普遍采用电类传感器，如热电偶，热敏电阻等，这些传统的传感器组成的测量系统存在诸多不足：例如抗干扰能力差、布线复杂、耐腐蚀性差、分辨率低，不利于分布式温度场测量，无法满足轴瓦温度场的多点测量要求。在轴瓦温度场的测量中，需要多点布置传感器用于分布式温度场的测量，这就要求传感器的体积要小，精度要高，而且不能影响设备的正常运行，采用光纤光栅传感器正好可以满足轴瓦温度场测量的要求。

光纤传感技术是近几年来科学家们逐渐摸索发明的一种新型传感技术。以传感技术为核心的机械设备健康状况监测领域逐渐成为机械健康监测学科的一个重要研究方向。与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性强、抗干扰能力强等优点，在各类光纤传感器中，光纤光栅传感器具有应用范围广，精度高，等优良的特性，成为代替电类传感元件中最具发展潜力的传感元件。在传感器研究领域中，光纤光栅传感器因其优越的性质逐步成为机械健康监测研究领域中的重要传感元件。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滑动轴承工况监测研究状况

滑动轴承轴瓦温度超标是造成轴承运转故障的重要原因之一。瓦温过高会导致润滑油膜的破裂，这使摩擦副之间的混合摩擦变为干摩擦，从而极大地加剧磨损。另外，温度也会影响动压润滑状态下的油膜承载力，所以对于滑动轴承的瓦温监测是解决轴承运转故障的重要研究方向之一。对于滑动轴承温度场的研究一开始是建立在理论分析上。随着国内外学者对于滑动轴承温度场研究的不断深入，在滑动轴承的模拟仿真上，形成了有限元法、差分法、数据库法等诸多研究方法，近年来采用有限元法进行理论分析的方法逐渐被广泛运用。

潘依森^[1]采用最小势能理论以及模拟油膜动态平衡状态下的位移所能满足的微分方程将液态滑动轴承的轴瓦温度分布为等价泛函数求极值的问题来处理。用剖分插值法将整个区域离散化,建立计算关系式。对液体动压滑动轴承温度场的状态提供了精确的计算方法。

金永福^[2]针对滑动轴承工作中的真实工况，建立了滑动轴承的动态温度场模型和动态压力分布模型，并通过实验模拟得到了滑动轴承在动态下的温度场和压力分布。 分析了滑动轴承工作特性与温度场和压力分布之间的关系，为探索滑动轴承工作状态的温度场和压力分布提供理论支持，为滑动轴承的设计和故障诊断提供理论依据，并对滑动轴承工况建立了仿真模型。仿真结果表明：外部温度沿轴承套中心线快速上升。滑动轴承内流体动压力的大小与转子开始时的方位一致。当压力峰值出现后，排量持续增加。但是，流体动压力趋于下降。同时，流体动压力在动态下呈非对称分布。滑动轴承磨损后期动态流体动压力急剧下降，这种情况会使滑动轴承油膜破坏，从而加速了滑动轴承的磨损。

袁斌等^[3]通过自制试验台布置温度传感器和压力传感器获得实验室条件下EMP径向滑动轴承真实的温度场和压力数据，温度场分布示意图及其传感器布置如图1.1所示、压力分布示意图及其传感器布置如图1.2所示，再通过计算机MATLAB建模将所得数据绘制成图形，得到一个可观的温度场和压力分布模型，并通过时移来分析温度场和压力分布随载荷变化的变化趋势。

图1.1 油膜温度场分布及传感器布置

图1.2 流体动压力场分布及传感器布置

Harris^[4]利用流体扫描板式局部传热系数公式计算轴承对润滑油的传热系数和壳体壁与润滑油之间的传热。 但是，Harris认为润滑油处于层流状态，并且在高速旋转时不考虑轴承。 元件内润滑剂的湍流，并没有提及传热系数公式适用的传热表面。

1.2.2 光纤光栅的温度测量研究现状

FBG技术是在1978年引入的。当用紫外激光束照射光纤时，照射区域的核心的折射率将发生周期性的改变，这个折射率变化区域被称为光纤光栅。

图1.3 光纤光栅

1978年，K. 0. Hill等人最早开始对光纤Bragg光栅的特性进行研究。利用两束激光在掺锗石英光纤中产生干涉形成驻波，干涉驻波强度的周期性分布使得光敏光纤产生折射率的周期性分布，从而形成光栅^[5]。

1993年，K. O. Hill^[6]等人在G. Meltz^[7]等人研究的基础上提出了通过相位掩模板法刻制光纤光栅的方法，利用强激光通过相位掩模板发生的衍射光发生干涉而形成干涉条纹刻入光纤Bragg光栅^[8]。

2001年，余有龙等^[9]根据传感元件反射信号时序分布的差异进行分割，构成时分、空分复合复用传感网络，并且使用程控电子开关，对来自不同光栅的信号进行选择性通导，最后使用非平衡迈克尔逊干涉仪对传感信号进行解调，成功地实现了时分、空分复合复用传感。

2006年，陈建军等^[10]使用光纤光栅压力传感机构和汾丘里管设计了一种基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器，并在理论上计算出光栅输出波长的漂移量与流速之间的关系式。这种流速传感器的测量范围可达到5 1.0～14 8. 2 mm / s，是那个时期得到的最好数据。

刘春桐等^[11]提出一种光纤光栅的铝合金箔片封装工艺, 如图1-4所示。分别进行悬臂梁加载实验和水浴加热实验来研究光纤光栅封装以后的应变和温度传感特性。实验结果显示，铝合金箔包装的光纤光栅传感器的应变灵敏度比裸光纤光栅提高了1.2倍，达到1.407 pm/ με，温度灵敏度比裸光栅的提高了3.02倍，达到29pm/ ℃，传感器输出的波长与应力和温度都具有很好的重复性，且呈现出很完美的线性关系。

图1-4 铝合金封装的光纤光栅结构示意图

综上所述，光纤光栅目前已经在应力应变、温度、流速、结构检测等传感领域快速发展，充分体现了其相较于传统传感器的优越性，具有诱人的发展前景和广阔的应用前景，在进程上，光纤光栅的制造还处于未完全成熟的阶段，造价成本相对较高，制造工艺还有待进一步的改善；在应用上，因其尚处于年幼，未知因素较多，研发时间较长，尚未形成一套完整的研发体制，所以光纤光栅传感器还未能普遍应用，仍存在大量的发展空间。

1.3 论文主要研究内容

光纤光栅的发明为传感器领域的发展提供了一种全新的思路，凭借其与生俱来的优势迅速掀起了一场对于电类传感器的革命。运用光纤光栅传感器监测大型滑动轴瓦的温度是一种全新的测量系统，与传统意义上的热电偶传感器测温不同，这种新的测量系统极大地简化了测量电路的设计，增强了测量系统的抗干扰能力和稳定性，提高了测量系统的精度，并且以其独有的特性进行对大型轴瓦的分布式测量，这是传统上的电类传感器所无法做到的。本次课题是设计一个基于光纤Bragg光栅传感器的测量大型支撑滑动轴承轴瓦温度的测量系统，根据设计要求，主要研究内容如下：

1. 分析支撑滑动轴承的结构、工况和轴瓦温度分布情况，设计一种合理的光纤光栅布线方式和封装工艺；
2. 研究光纤光栅的解调方法，设计整体测量电路；
3. 研究分析测量系统的性能，包括可靠性、分辨率、灵敏度及稳定性；

（4）将得到的数据进行分析，并根据分析结果完善测量电路。

第2章 光纤光栅的传感原理

2.1 引言

传统意义上的电类传感器已经有了上百年的发展历史，人类对于其技术的应用已经基本达到了炉火纯青的地步，与此同时传统的电类传感器在现今社会的诸多缺点也已经逐渐暴露出来，例如抗干扰能力差、布线复杂、耐腐蚀性差、分辨率低等，亟待开发一种新型的适应新时代的传感器来弥补电类传感器的缺点，在这种时代背景下，光纤光栅传感器应运而生。

2.2 光栅传感基本理论

光纤是光导纤维的简称。它是一种工作在光波波段的介质导体，被广泛运用于通信领域和数据传输^[12]。光纤是由纤芯、包层、涂覆层、增强纤维和保护套组成的，未加增强纤维和保护套的光纤称为裸光纤，其基本结构如图2.1所示。其中纤芯和包层通常由石英组成，他们是光纤的主要结构，直径为125um，主要功能是传输光波。纤芯和包层在使用材料上有些差异，主要是因为光纤在制造的过程中添加了一些其他微量元素来改变纤芯和包层的折射率性能，如硼或锗，因此得到了将光波束缚在光纤内的能力，光纤石英芯的折射率约为1.5，包层的折射率约为1.48，较纤芯略小。空气的折射率为1.0。

图2.1 光纤光栅的基本结构

光纤的工作原理是基于光的全反射定律，因为包层折射率小于纤芯折射率，但满足数值孔径要求的光波传递到光纤表面时，由菲涅尔折射定律易知，当入射角时，入射光将不会发生折射，而是在纤芯界面发生全反射并沿着光纤轴向传播。因此通过全反射定律，光纤能将任意波长的光波束缚在光纤内，并使光波沿着光纤轴向向前传递。光纤Bragg光栅是光纤光栅中较早研究出来的一种，他是通过改变光纤纤芯区域的折射率来形成小的周期性调制而产生的。将光纤置于周期性变化的紫外光下，即可使纤芯中的折射率发生变化^[13]。由于折射率的光纤光栅周期性扰动仅影响光谱的非常窄的部分，所以如果宽带光透过光栅，那么入射光便会以相应的波长反射回来，并且不会影响其它的透射光，因此光纤光栅就具有光波选择的能力。这种调谐波长反射现象的解释最先是威廉·Bragg爵士提出的，因此称这类光栅为Bragg光栅，称其反射条件为Bragg条件。结合麦克斯韦方程式，将菲涅尔定理和光的全反射理论运用进来，可以计算出Bragg光栅反射波长的公式为

（2.1）

式中，是纤芯区域的折射率。是光纤周期，通过改变两束相干紫外光的相对角度可以改变光纤周期。Bragg光栅可以用这种方法制作。到目前为止，已经掌握的Bragg光栅写入技术有相位掩模技术、振幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术等。应用最广泛的是相位掩模技术。

从式（2.1）中易知道，Bragg光栅反射波长的变化是取决于光栅折射率和光栅周期，所有的让这两个变量产生变化的因素都会使Bragg光栅的反射波长产生改变。在导致光纤Bragg光栅波长偏移的一切外部因素中，温度和应变是影响最明显的两个。

图2.2 光纤Bragg光栅的反射、透射特性光谱图

2.3光纤Bragg光栅温度传感理论

对式（2.1）取微分，可计算出Bragg光栅波长偏移量的表达式

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