基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置的制作方法

1.本发明涉及光纤检测技术领域，尤其涉及一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置。


背景技术：

2.目前，在物体位置变化的测量工具中，光子多普勒测速系统以其结构小巧，紧凑，不需要额外器件解决跳纹问题，测量速度的范围大，系统稳定等优点得到广泛应用，光子多普勒测速系统技术的原理是利用探测器的平方检测特性把参考光和信号光的差拍干涉信号检测出来，并用示波器记录；通过分析干涉信号来获得物体的运动速度随时间的变化，从而可进一步得到物体位置的变化信息；高速铁路轴承对制造工艺有着极高要求，是高速铁路目前仍未国产化的极少数设备之一；列车在高速运行过程中，在有载荷情况下轴承将出现偏心现象，偏心引起的振动会对高铁轴承造成损伤，列车运行不稳定，不但提高运营成本，也会影响高铁的安全运行。
3.现有技术中，轴承偏心的主要测量方法是通过反射式光纤位移传感器测量两个垂直方向上的位移，来计算偏心距。
4.但现有技术中，通过反射式光纤位移传感器进行测量只适用于静态测量，对于承担了一定载荷的高速运行的列车轴承，这种方法测量精度较低，不能满足测量需要，且确定偏心距需要两个垂直方向上的测量值。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，旨在解决现有技术中的反射式光纤位移传感器进行测量只适用于静态测量，对于承担了一定载荷的高速运行的列车轴承，这种方法测量精度较低，不能满足测量需要的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，包括激光器、光环行器、自聚焦透镜探头、交直流光电探测器、示波器和微调架，所述自聚焦透镜探头通过光纤与所述光环行器的二端口连接，所述激光器通过光纤与所述光环行器的一端口连接，所述交直流光电探测器通过光纤与所述光环行器的三端口连接，所述示波器通过同轴电缆与所述交直流光电探测器连接，所述自聚焦透镜探头安装于所述微调架上。
7.其中，调节所述微调架，使得所述自聚焦透镜探头接收来自于轴径反射的光功率达到最大。
8.其中，所述微调架采用手动微调架或电动微调架中的任意一种。
9.其中，所述基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置还包括光纤放大器，所述光纤放大器设置于所述激光器和所述光环行器之间，所述光纤放大器的输入端通过光纤与所述激光器连接，所述光纤放大器的输出端通过光纤连接到所述光环行器的一
端口，以提高所述自聚焦透镜探头的输出功率和检测灵敏度。
10.其中，所述自聚焦透镜探头输出光的光腰在高速运转时轴颈边缘反射点附近。
11.本发明的一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置的有益效果为：本发明通过对轴承轴颈各点的位移进行连续测量，实现了轴承偏心在载荷作用下，即动态测量时，使测量结果更符合实际情况，并且提高了测量精度，通过本发明的测量装置可以达到降低测量系统的成本，同时还可以使得测量系统更加简单稳定。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本发明的轴承外圈中心、轴颈中心、被测点和自聚焦透镜探头几何关系的结构示意图。
14.图2是本发明的轴承外圈中心、轴颈中心、被测点和自聚焦透镜探头在同一直线上的结构示意图。
15.图3是本发明的基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置的结构示意图。
16.1-激光器、2-光环行器、3-自聚焦透镜探头、4-交直流光电探测器、5-示波器、6-微调架、7-光纤放大器。
具体实施方式
17.请参阅图1至图3，本发明提供了一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，包括激光器1、光环行器2、自聚焦透镜探头3、交直流光电探测器4、示波器5和微调架6，所述自聚焦透镜探头3通过光纤与所述光环行器2的二端口连接，所述激光器1通过光纤与所述光环行器2的一端口连接，所述交直流光电探测器4通过光纤与所述光纤环行器2的三端口连接，所述示波器5通过同轴电缆与所述交直流光电探测器4连接，所述自聚焦透镜探头3安装于所述微调架6上。
18.进一步地，调节所述微调架6，使得所述自聚焦透镜探头3接收的来自于轴颈反射的光功率达到最大。
19.进一步地，所述微调架6可采用手动微调架6或电动微调架6中的任意一种。
20.进一步地，所述基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置还包括光纤放大器7，所述光纤放大器7设置于所述激光器1和所述光纤环行器2之间，所述光纤放大器7的输入端通过光纤与所述激光器1连接，所述光纤放大器7的输出端通过光纤连接所述光环行器2的一端口，以提高所述自聚焦透镜探头3的输出功率和检测灵敏度。
21.进一步地，所述自聚焦透镜探头3输出光的光腰在高速运转时轴颈边缘反射点附近。
22.在本实施方式中，通过测量载荷下高速运转时轴颈边缘反射点沿所述自聚焦透镜探头3方向的速度，获得所述自聚焦透镜探头3与轴颈边缘之间最近和最远的光程，以此计
算出轴承的偏心距；
23.当高铁轴承在运行时，轴承座不动，轴颈旋转，设轴承外圈的中心为o，轴颈的中心为o
′
，则轴承的偏心为oo
′
，轴颈转动时，o
′
点绕o点旋转，o
′
的轨迹是最内层的小圆，如图1所示，图1中的p点被所述自聚焦透镜探头3发出的光照射，为被测点，处于轴承轴颈的边缘上；
24.先把所述自聚焦透镜探头3固定在所述微调架6上，调整所述微调架6使所述自聚焦透镜探头3发出的光沿水平方向，一边转动轴颈，一边调整所述自聚焦透镜探头3，同时观察所述交直流光电探测器4探测到的光强，当光强达到最大时，所述自聚焦透镜探头3即与o点对准；
25.被测点速度、位移和偏心距之间的关系，如图1所示，设所述自聚焦透镜探头3与o点的连线为x轴，oo
′
＝a，则p点的坐标x满足：
[0026][0027]
式中，r0是轴颈的半径，φ为oo
′
与x轴的夹角，φ＝2πnt+φ0，n为轴承的转速，φ0为初始时的φ值，由式(1)可以得出p点相对于探头的速度为：
[0028][0029]
式中，是x方向上的单位矢量，由式(1)和式(2)可得式(3)：
[0030][0031]
由于偏心很小，即a《《x，因此式(3)可近似写为：
[0032]
v≈-2πansin(2πnt+φ0)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
由此得到初始时刻到任意时刻t，x方向上的位移为：
[0034][0035]
由上式可以得出，当2πnt+φ0等于0或2π的整数倍时，p点离探头最近，相应的位移
△
x1＝a(1-cosφ0)，当2πnt+φ0等于π的奇数倍时，p点离探头最远，相应的位移
△
x2＝-a(1+cosφ0)，若已知
△
x1和
△
x2，偏心距可以采用a＝(
△
x1‑△
x2)/2计算。
[0036]
所述激光器1发出的光经所述光纤放大器7放大后进入至所述光环行器2的一端口，再通过所述光环行器2的二端口进入至所述自聚焦透镜探头3之中，所述自聚焦透镜探头3端面的反射光为参考光，所述自聚焦透镜探头3端面的透射光照射在轴颈边缘上被反射后的光为信号光，当边缘上的反射点沿所述自聚焦透镜探头3方向运动时，会使信号光产生多普勒频移，频移的大小与反射点的运动速度有关，设参考光的振幅为e
10
，信号光的振幅为e
20
，则参考光和信号光的电场可分别为：
[0037][0038][0039]
当参考光和信号光都由所述光环行器2的二端口返回后，再通过所述光环行器2的三端口进入至所述交直流光电探测器4之中，利用所述交直流光电探测器4的平方检测特
性，参考光和信号光的差拍干涉信号的输出端电压为：
[0040][0041]
式(8)中，r为所述交直流光电探测器4的电压灵敏度，i1和i2分别为参考光和信号光的光强，测量过程中i1不变，而i2随反射点位置的变化而变化，
△
f＝f
2-f1为信号光的频移，为信号光与参考光的初始相位差；由于其中k0＝2π/λ是真空中的波数，λ为真空中的波长，l是轴承边缘上反射点与探头之间的距离，π为信号光被反射点反射时产生的半波损失，因此
[0042]
所述交直流光电探测器4的输出电压v(t)最后被所述示波器5显示并记录下来，通过观察、分析v(t)的波形和相应的数据，可实现所述自聚焦透镜探头3的对准和轴颈边缘运动速度的测量；
[0043]
在对所述自聚焦透镜探头3对准时，反射点静止，信号光的频移，故从式(8)得到：
[0044][0045]
调节上式(9)中的l，让cos(2k0l)＝-1，式(9)可写为：
[0046][0047]
通过式(10)说明所述交直流光电探测器4输出的是一个直流电压，其大小随信号光光强i2的增大而增大，以所述交直流光电探测器4输出电压达到最大值作为所述自聚焦透镜探头3对准条件的理论依据；
[0048]
在进行测速时，式(8)余弦函数中的积分定义为条纹数，通常用m表示，条纹数实际上是输出电压的交流部分周期性余弦变化的数目，根据得因此求出一小段时间
△
t内条纹数的变化
△
m即可得到此时的频移
△
f，根据多普勒效应，得轴颈反射点，即图1中的p点在x方向上运动速度为：
[0049][0050]
因此测量出条纹随时间的变化，可以得到速度，计算又可以得到不同时刻p点的位移，包括p点离探头最近和最远时的位移
△
x1和
△
x2。
[0051]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，其特征在于，包括激光器、光环行器、自聚焦透镜探头、交直流光电探测器、示波器和微调架，所述自聚焦透镜探头通过光纤与所述光环行器的二端口连接，所述激光器通过光纤与所述光环行器的一端口连接，所述交直流光电探测器通过光纤与所述光环行器的三端口连接，所述示波器通过同轴电缆与所述交直流光电探测器连接，所述自聚焦透镜探头安装于所述微调架上。2.如权利要求1所述的基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，其特征在于，调节所述微调架，使得所述自聚焦透镜探头接收的来自于轴颈反射的光功率达到最大。3.如权利要求1所述的基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，其特征在于，所述微调架采用手动微调架或电动微调架中的任意一种。4.如权利要求1所述的基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，其特征在于，所述基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置还包括光纤放大器，所述光纤放大器设置于所述激光器和所述光环行器之间，所述光纤放大器的输入端通过光纤与所述激光器连接，所述光纤放大器的输出端通过光纤连接到所述光环行器的一端口，以提高所述自聚焦透镜探头的输出功率和检测灵敏度。5.如权利要求1所述的基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，其特征在于，所述自聚焦透镜探头输出光的光腰在高速运转时轴颈边缘反射点附近。

技术总结
本发明涉及光纤检测技术领域，具体公开了一种基于光子多普勒测速原理的载荷下轴承偏心距测量装置，包括激光器、光环行器、自聚焦透镜探头、交直流光电探测器、示波器和微调架，自聚焦透镜探头通过光纤与光环行器的二端口连接，激光器通过光纤与光环行器的一端口连接，交直流光电探测器通过光纤与光环行器的三端口连接，示波器通过同轴电缆与交直流光电探测器连接，自聚焦透镜探头安装于微调架上。本发明可以对轴承轴颈各点的位移进行连续测量，实现了轴承偏心在旋转载荷作用下，即动态测量时，使测量结果更符合实际情况，并且提高了测量精度。量精度。量精度。


技术研发人员：吴重庆 王健 柳嘉
受保护的技术使用者：南京恒高光电研究院有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/22