基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法，包括以下步骤：将中心波长各不相同的光纤光栅对称粘贴于大轮的两侧，并依次标号；调节大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，并使大轮与小轮之间产生一定的冲角，以使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；控制大轮的转速，当大轮旋转时，大轮产生的应变信号传递给光纤光栅，解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出大轮在滚动接触点处的瞬态正压力与摩擦力。

Measurement method of transient lateral friction coefficient of rolling contact point based on Fiber Bragg grating

The invention discloses a method for measuring fiber grating rolling contact point based on the transient lateral friction coefficient, which comprises the following steps: fiber grating pasted center wavelength different from the wheels on both sides, and in turn the label; adjust the large wheel and the small wheel in the rolling contact points have the normal force, and between the large wheel and the small wheel has a certain angle, so that the wheel lateral force generated in the rolling contact point; the control wheel speed, when the wheel rotates, the transfer wheel to produce strain signal of fiber grating, light source demodulation instrument built by fiber grating transmission to each optical fiber rotary connector grating, fiber grating strain signal demodulation; fiber grating strain signal demodulation, and demodulating the signals sent to the computer, computer acquisition and demodulation of signals The transient positive pressure and friction at the rolling contact point of the large wheel are calculated according to the wavelength shift of the fiber grating.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法
本专利技术涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法及装置。
技术介绍
光纤光栅传感技术是在光纤传感技术的基础上发展起来的，光纤光栅传感系统基本原理是在一根光纤上串接了多个光栅(各具有不同的中心波长)，由宽带光源发出的光波经过分路器通过所有的光栅，反射光经分路器的另外一个接口耦合进光纤光栅解调仪，通过光纤光栅解调仪来测量反射光的波长及其变化，就可以得到解调数据，再经过数据的分析与处理，就可以得到对应各个光纤光栅处环境的变化量，如温度、应力等。从原理上分析，光纤光栅传感器不仅具有一般光纤传感器的优点，同时克服了一些光纤传感器的不足之处，能实现实时在线、绝对数字式测量、具有测量范围广、精度高、抗干扰能力强、无须调零、长期稳定性好等优点，为实现振动传感的高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰度、高精确度和高可信度提供了理想的技术手段，在各种领域中都具有广泛的应用前景。光纤光栅是光纤光栅传感器的重要组成部分。作为一种新型光纤无源器件，光纤光栅在近年来发展极为迅速。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用领域的日益扩展，光纤光栅已成为目前最具发展前途的光纤无源器件之一。光纤布拉格光栅(FBG)是目前在光纤传感中用的最多的光栅，而交叉敏感问题是制约光纤光栅传感器进一步发展的一个突出问题。在光纤光栅传感实际应用中，由于光栅布拉格波长对应变和温度都是敏感的，即光纤光栅传感器存在着应变、温度交叉敏感问题，当光纤光栅用于传感测量时，单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，进而无法实现精确的测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，从而无法实现精确测量的缺陷，提供一种可以实现精确测量的基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法及装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法，包括以下步骤：将中心波长各不相同的光纤光栅粘贴于大轮的一侧，在大轮另一侧的对称的位置上同样粘贴中心波长各不相同的光纤光栅，并依次标号；调节大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，并使大轮与小轮之间产生一定的冲角，以使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；控制大轮的转速，当大轮旋转时，大轮产生的应变信号传递给光纤光栅，解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出大轮在滚动接触点处的瞬态正压力与摩擦力。本专利技术所述的方法中，大轮两侧分别粘贴4个光纤光栅。本专利技术所述的方法中，光纤光栅均沿大轮直径方向固定。本专利技术还提供了一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量装置，包括小轮装配机构、大轮装配机构、解调仪和工控机；所述小轮装配机构包括支撑板以及固定在该支撑板上的小轮及小轮组件，支撑板上固定有转向盘，小轮通过转向盘以及设在小轮两侧的支架固定在支撑板上，在小轮组件的作用下小轮自由旋转；该支撑板上还安装有冲角调节器，用于调节小轮滚动接触点处的横向力；所述大轮装配机构包括大轮、变频器、变频电机和齿轮箱，大轮与小轮的中心平面在同一平面上，轮侧相切；大轮的两侧对称安装有多个光纤光栅，该多个光纤光栅的尾纤均通过光纤旋转联轴器后再与解调仪连接；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到各个光纤光栅中，随着大轮的旋转，大轮与小轮的滚动接触点产生作用于大轮上的法向力和横向力，并传递给光纤光栅，光纤光栅产生瞬态应变力信号；解调仪将光纤光栅的瞬态应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，计算光纤光栅的瞬态法向力和瞬态横向力，由此求出大轮在滚动接触点的瞬态横向摩擦系数。本专利技术所述的装置中，所述旋转连接器为非接触式光纤连接器，其内部设有光纤旋转接头，该光纤旋转接头的一端连接旋转中的光纤光栅的光纤接头，该光纤旋转接头的另一端不旋转且通过焊接跳线连接到解调仪上。本专利技术所述的装置中，大轮两侧分别粘贴4个光纤光栅，8根光纤光栅焊接在一起，再通过一根跳线接入解调仪。本专利技术所述的装置中，光纤光栅采用密封胶封装。本专利技术所述的装置中，所述密封胶为环氧树脂AB胶。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术提供了一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法，在大轮两侧对称位置上粘贴了多个波长不同的FBG，在整数个周期内，两端的应变Δε为零。这样就解决了交叉敏感问题，可以同时测得温度和应变。这种测量方法可以应用于应变发生变化的旋转机械，尤其见长于应变发生瞬态变化的场合，例如可以测量滚动物体不同时刻的法向应变和横向应变并将它们进行对比。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1(a)为本专利技术实施例大轮一侧光纤光栅分布图；图1(b)为本专利技术实施例大轮另一侧光纤光栅分布图；图2是本专利技术实施例大轮受力图；图3是本专利技术基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量装置的局部结构示意图；图4为本专利技术实施例大轮的侧视图；图5为本专利技术实施例大轮装配机构结构示意图；图6为本专利技术实施例小轮装配机构结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。1、实验原理光纤光栅传感器是利用布拉格波长对温度、应变的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：λB＝2neff·Λ(1)式中，neff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回原路。对其取微分得：ΔλB＝2neff·ΔΛ+2Δneff·Λ(2)由式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长λB随neff和Λ的改变而改变，FBG对于应变和温度都是敏感的，应变影响λB是由弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化引起的，温度影响λB则是由热光效应和热膨胀效应引起的。对光纤光栅的温度—应变传感测量，Bragg波长λB是温度T、应变ε的函数，即λB＝λB(ε,T)(3)当温度发生变化(ΔT)时，由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，可以表示为：式中，α为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，α取为5.5×10-7C-1。另一方面，由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示为：式中，V为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于光热效应，它占热漂移的95％左右，可以表示为：式中，ξ为热光系数。硅纤中ξ＝6.67×10-6C-1。则(5)可以简化为：将上式(4)、(7)代入(2)式中，得到温度对光纤光栅波长漂移的影响为：ΔλB(T)＝2neffΛ·αΔT+2neffΛ·ξΔT＝λB(α+ξ)ΔT当外界应变作用于光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将中心波长各不相同的光纤光栅粘贴于大轮的一侧，在大轮另一侧的对称的位置上同样粘贴中心波长各不相同的光纤光栅，并依次标号；调节大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，并使大轮与小轮之间产生一定的冲角，以使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，控制大轮的转速，当大轮旋转时，大轮产生的应变信号传递给光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出大轮在滚动接触点处的瞬态正压力与摩擦力。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将中心波长各不相同的光纤光栅粘贴于大轮的一侧，在大轮另一侧的对称的位置上同样粘贴中心波长各不相同的光纤光栅，并依次标号；调节大轮与小轮在滚动接触点处产生一定的法向力，并使大轮与小轮之间产生一定的冲角，以使大轮在滚动接触点处产生一定的横向力；解调仪内置的光源通过光纤光栅旋转连接器传输到各个光纤光栅中，控制大轮的转速，当大轮旋转时，大轮产生的应变信号传递给光纤光栅，光纤光栅产生应变信号；解调仪将光纤光栅的应变信号进行解调，并将解调信号发送给工控机，工控机对解调信号进行采集与分析，根据光纤光栅的波长漂移计算出大轮在滚动接触点处的瞬态正压力与摩擦力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大轮两侧分别粘贴4个光纤光栅。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤光栅均沿大轮直径方向固定。4.一种基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量装置，其特征在于，包括小轮装配机构、大轮装配机构、解调仪和工控机；所述小轮装配机构包括支撑板以及固定在该支撑板上的小轮及小轮组件，支撑板上固定有转向盘，小轮通过转向盘以及设在小轮两侧的支架固定在支撑板上，在小轮组件的作用下小轮自由旋转；该支撑板上还安装有冲角调节器，用于调节小...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓刚，谭跃刚，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42