基于光纤光栅的振动状况和摩擦系数同时测量的方法技术

本发明专利技术提出一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的方法，测量所使用的装置包括振动激发机构、振动传感器、测力传感器和解调仪；振动激发机构包括圆盘及其旋转驱动机构，该圆盘上放置随圆盘转动做简谐振动的振子机构；振动传感器包括基座、弹性钢片和小质量块，基座固定在质量块上，弹性钢片一端固定在基座上，另一端固定小质量块，弹性钢片两侧各固定一个光纤光栅；测力传感器包括弹性活动边，弹性活动边的一端固定，另一端与弹簧的另一端相连，弹性活动边的两侧各固定一个光纤光栅；解调仪与所有光纤光栅的尾纤连接，将光纤光栅接入不同的通道，并对光纤光栅信号进行解调。

Simultaneous measurement of vibration and friction coefficient based on Fiber Bragg grating

The invention provides a method for simultaneous measurement of vibration and friction coefficients in self excited vibration of friction based on Fiber Bragg grating sensing technology. The devices used include vibration excitation mechanism, vibration sensor, force sensor and demodulator. The vibration excitation mechanism includes a disc and a rotating drive mechanism. The disc is placed on the disc. The vibration sensor consists of a vibrator mechanism with a simple harmonic vibration. The vibration sensor includes a base, an elastic steel piece and a small mass block. The base is fixed on a mass block, one end of the elastic steel sheet is fixed on the base, the other end is fixed with a small mass, and a fiber Bragg is fixed on both sides of the elastic steel sheet, and the force sensor includes the elastic active edge. One end of the elastic edge is fixed and the other end is connected to the other end of the spring. Each side of the elastic active edge is fixed by a fiber Bragg grating; the demodulator connects with all fiber Bragg gratings and connects the fiber Bragg gratings to different channels and demodulates the fiber Bragg grating signals.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤光栅的振动状况和摩擦系数同时测量的方法
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传感技术的摩擦自激振动中摩擦系数和振动状况同时测量的新方法。
技术介绍
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法，把入射光以相干场图形写入纤芯，致使纤芯的折射率产生周期性变化，让其产生周期性调制，进而在单模光纤的纤芯内部形成永久性的空间相位光栅。光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。光纤光栅传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对布拉格光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的，因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、铁路的监测。光纤光栅直接测量的物理量是温度和应变，光纤光栅传感器通过波长调制原理，由被测系统引起的位移或应变改变光栅的栅距，进而使波长发生变化，那么在本实验中，利用光纤光栅的应变原理，可通过检测这种变化来反映系统的振动信息或摩擦特性。而光纤光栅对温度与应变存在的交叉敏感效应是其传感测量的固有特性，当温度和应力同时变化时，存在“交叉敏感”效应。现有技术中很多实验都不能很好的解决该交叉敏感问题。且单个光纤光栅或单个光纤光栅传感器只能测量一个物理量，基于本试验台需要同时测量振动、摩擦系数两个参数，以前的测量方法在同一实验条件下测量物理量单一，无法达到同时测量的目的。
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应变与温度存在交叉敏感问题及无法同时测量振动状况和摩擦系数的问题，提供一种当温度和应力同时变化时，可区分出温度和应力各自变化的基于光纤光栅传感技术的摩擦自激振动中摩擦系数和振动状况同时测量的新方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的装置，包括振动激发机构、振动传感器、测力传感器和解调仪；所述振动激发机构包括圆盘及其旋转驱动机构，该圆盘上放置随圆盘转动做简谐振动的振子机构，该振子机构包括质量块、弹簧和导向机构，弹簧一端固定在质量块上，一端固定在测力传感器的弹性活动边上，弹簧和质量块均穿设在该导向机构上；振动传感器包括基座、弹性钢片和小质量块，基座固定在质量块上，弹性钢片一端固定在基座上，另一端固定小质量块，弹性钢片两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；测力传感器包括弹性活动边，弹性活动边为弹性钢板，弹性活动边的一端固定，另一端与弹簧的另一端相连，弹性活动边的两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；测力传感器还包括连接块，其用于固定弹性活动边并与其形成L型；解调仪与所有光纤光栅的尾纤连接，将光纤光栅接入不同的通道，并对光纤光栅信号进行解调。接上述技术方案，光纤光栅采用环氧树脂AB密封胶封装。本专利技术还提供了一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的方法，该方法基于上述装置，具体包括以下步骤：将弹性钢片上的两个光纤光栅尾纤依次接入解调仪的1号和2号通道中；将测力传感器弹性钢板上的两个光纤光栅尾纤依次接入解调仪的3号和4号通道中；通过旋转驱动机构为圆盘设定一恒定转速，使圆盘旋转起来，质量块在圆盘上产生摩擦自激振动；质量块在来回振动过程中，将振动状况传递给振动传感器，同时将受到来回伸缩的弹簧的弹力传递给测力传感器，弹性钢片和弹性活动边随即都产生应变，应变信号同时传递给光纤光栅使其伸长或收缩从而引起波长变化；通过解调仪采集信号，根据解调后的光纤光栅波长变化量同时得到振动状况和弹力大小，而摩擦系数利用公式通过振动和弹簧力计算而得，即完成了振动和摩擦系数的同时测量；解调仪采集摩擦自激振动过程中一段时间内的光纤光栅信号，根据保存的数据分析光纤光栅波长随时间的变化量，根据解调后的光纤光栅波长变化量得到振动状况和弹力大小，通过振动和弹力计算摩擦系数。接上述技术方案，还包括以下步骤：通过旋转驱动机构设定一定梯度的转速，从小到大逐步增加转速，通过解调仪采集不同转速时振动传感器和测力传感器上的光纤光栅信号，完成不同转速时摩擦自激振动的振动状况和摩擦系数的同时测量。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术提出了一种基于光纤光栅传感技术的摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的新方法，在弹性钢片和弹性活动边的两面对称粘贴了光纤布拉格光栅FBG，所以实验过程中，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。并且在同一实验条件下，两个传感器元件同时产生应变并传递给光纤光栅，基于光纤光栅传感技术可同时测得振动和摩擦系数两方面状况，这样就解决了测量物理量单一的问题。这种测量方法可以应用于应变发生变化的机械，尤其见长于应变发生瞬态变化的场合，并且可以实现振动状况和摩擦系数的同时测量，例如可以同时测量振动物体在摩擦自激振动过程中任一时刻的振动状况和摩擦系数。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为本专利技术实施例摩擦自激振动实验台总体装置图图2为本专利技术实施例圆盘上各零件相对位置图；图3为本专利技术实施例振动传感器结构示意图；图4为本专利技术实施例测力传感器结构示意图；，图5为本专利技术实施例弹力标定实验装置图；图6为本专利技术实施例弹簧弹力-应变标定曲线图(弹簧原长为16.5cm)。图中：1、调整脚；2、底板；3支撑架(包括4、座板，5、竖板，6、肋板，7、上横板，8、下横板)；9、铝型材桁架(包括10、矩形框架，11、立架，12、上横架，13、下横架)；14、伺服电机；15、减速器；16、梅花联轴器；17、阶梯轴；18、圆锥滚子轴承；19、圆盘；20、质量块；21、弹簧；22、光滑导杆；23、L型件；24、加速度传感器(包括25、基座，26、弹性钢片，27、小质量块)；28、测力传感器(包括29、连接块，30、弹性钢板)；31、1号光纤光栅；32、2号光纤光栅；33、3号光纤光栅；34、4号光纤光栅；35、螺栓；36、螺母；37、方形垫片；38、压片；39、测力计；40、高度尺。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。如图1所示，本专利技术实施例的基于光纤光栅传感技术的摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的新装置，包括：振动激发机构，该装置主要包括圆盘、质量块、弹簧、导向机构、电机、减速机、底板及型材等组件，选用伺服电机作为驱动电机，为了进一步获得稳定的转速，选择减速比20：1的减速器配合电机一同使用，通过电机带动圆盘转动，弹簧一端固定在质量块上，一端固定在L型件的活动边上。当圆盘以恒速旋转时，起初质量块在圆盘上仅受摩擦力作用，沿着旋转方向振动，质量块运动之后不仅受摩擦力还受弹簧的弹力作用，两者的合力产生加速度，当质量块运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的装置，其特征在于，包括振动激发机构、振动传感器、测力传感器和解调仪；振动激发机构包括圆盘及其旋转驱动机构，该圆盘上放置随圆盘转动做简谐振动的振子机构，该振子机构包括质量块、弹簧和导向机构，弹簧的一端固定在质量块上，弹簧和质量块均穿设在该导向机构上；振动传感器包括基座、弹性钢片和小质量块，基座固定在质量块上，弹性钢片一端固定在基座上，另一端固定小质量块，弹性钢片两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；测力传感器包括弹性活动边，弹性活动边为弹性钢板；弹性活动边的一端固定，另一端与弹簧的另一端相连，弹性活动边的两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；该测力传感器还包括连接块，其用于固定弹性活动边并与其形成L型；解调仪与所有光纤光栅的尾纤连接，将光纤光栅接入不同的通道，并对光纤光栅信号进行解调。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的装置，其特征在于，包括振动激发机构、振动传感器、测力传感器和解调仪；振动激发机构包括圆盘及其旋转驱动机构，该圆盘上放置随圆盘转动做简谐振动的振子机构，该振子机构包括质量块、弹簧和导向机构，弹簧的一端固定在质量块上，弹簧和质量块均穿设在该导向机构上；振动传感器包括基座、弹性钢片和小质量块，基座固定在质量块上，弹性钢片一端固定在基座上，另一端固定小质量块，弹性钢片两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；测力传感器包括弹性活动边，弹性活动边为弹性钢板；弹性活动边的一端固定，另一端与弹簧的另一端相连，弹性活动边的两侧各固定一个光纤光栅，两个光纤光栅沿竖直中心线方向对称布置；该测力传感器还包括连接块，其用于固定弹性活动边并与其形成L型；解调仪与所有光纤光栅的尾纤连接，将光纤光栅接入不同的通道，并对光纤光栅信号进行解调。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光纤光栅采用环氧树脂AB密封胶封装。3.一种基于光纤光栅传感技术在摩擦自激振动中振动状况和摩擦系数同时测量的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1的装置，具体...

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