[發明專利]一種利用光纖光柵檢測軸系齒輪齒根應變的方法

有效

• 申請號: 202010175832.2
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111307057B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 郭倩;周阿維;張周強
• 申請（專利權）人: 西安工程大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G02B6/02
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 曾慶喜

1.一種利用光纖光柵檢測軸系齒輪齒根應變的方法，其特征在于，

步驟1：將基片式光纖布拉格光柵傳感器安裝在齒根處，沿齒輪軸向水平布置；

所述基片式光纖布拉格光柵的制備過程具體步驟如下：

第一步：利用纖芯摻雜與纖芯表面特種涂料的涂裝技術，通過調控溫度為20±1℃，真空度為1×10³Pa，濕度為60％，壓力為12MPa，制得含鍺量為4mol％的光纖；

第二步：利用相位掩膜技術，采用石英相位掩膜版，及KrF準分子激光器，建立243nm波長紫外干涉曝光系統，其單個脈沖能量密度為100mJ/cm²，脈寬20ns，頻率50HZ；

第三步：進行照射實驗，光纖照射時間為50-60s，制成周期為535nm光纖布拉格光柵，其布拉格光柵位于光纖中部，光柵分布長度5mm，光柵柵距d＝1050nm；

第四步：利用光纖光柵化學表面修飾技術，借助低溫等離子體沉積工藝，在光纖光柵表面誘導生長一層耐高溫致密陶瓷功能層，所述功能層厚度為2nm；

第五步：對第四步獲得的光纖光柵采用退火工藝，其中退火溫度為130±1℃，退火時間為12h，并封裝獲得用于齒輪齒根多維應變檢測用的基片式光纖布拉格光柵，所述基片式光纖布拉格光柵中心波長為1550nm；

步驟2：將基片式光纖布拉格光柵傳感器的光纖一端從齒根處引出，并粘貼在齒輪軸表面隨齒輪軸轉動，將粘貼有光纖的齒輪軸與固定在齒輪旋轉中心的光纖旋轉連接器一端連接，光纖從光纖旋轉連接器中心引出，光纖旋轉連接器另一端連至解調系統；

其中，在連接過程中，必須保證光纖旋轉連接器軸心與齒輪軸中心重合；

步驟3：使用光源照射基片式光纖布拉格光柵傳感器，光纖布拉格光柵傳感器將獲得的光強信息輸入檢測系統檢測出齒圈的齒根多維參數，并根據所述多維參數計算齒根應變，檢測方法具體如下：

所述檢測系統包括依次連接的信號調理模塊、數據采集模塊、單片機和上位機，所述信號調理模塊與解調系統連接；

所述解調系統負責從光纖布拉格光柵透射光中精確解調出諧振峰的波長和光強信息；

光源發出的光進入光纖布拉格光柵后不同波長光的光強被解調系統調制，其透射光經光電轉換，光強信息轉變為電壓信息，然后，信號調理模塊對電壓信號進行濾波、放大，數據采集模塊將調理后的電信號送入單片機進行波長、光強解調運算，得到透射光譜的中各諧振峰的波長信息和各波長下的光強信息，在驅動電壓的每個掃描周期下，得到相對應的另一組波長信息和各波長下光強信息，最后，將上述信息送入上位機，通過波長偏移和光強變化計算出內齒圈的齒根多維參數，根據所述多維參數，計算齒根的應變；

所述齒根應變的模型可表示為：

Δλ_B＝(1-ρ_e)ε_zλ_B (1)

ε_z為光纖光柵軸向應變，為光纖光柵的應變靈敏度，該參數由光纖光柵的光常數p_e決定，p_e定義如下：

式中：p₁₁,p₁₂為光張量的分量；v為光纖光柵的泊松比；n_eff為光纖光柵的有效折射率；Δλ_B是中心波長偏移量、λ_B是光纖光柵中心波長；

所述解調系統從光纖布拉格光柵透射光中精確解調出諧振峰的波長和光強信息的具體步驟如下：

首先，根據透射光譜形態，設計數字濾波算法，提高透射光譜的穩定性；其次，根據采樣點的變化趨勢研究峰值初步定位方法；然后，利用峰值附近的采樣點信息，精確計算各諧振峰對應的時間與光強信息；最后，利用光梳狀濾波器對諧振峰出現的時間與其波長的對應關系進行實時校正。

2.根據權利要求1所述的一種利用光纖光柵檢測軸系齒輪齒根應變的方法，其特征在于，所述光纖旋轉連接器通過轉動光電轉換接頭實現引出，且在光纖光柵敏感區采用“分布式纏繞布置”，實現任意方向應力應變測量。

3.根據權利要求1所述的一種利用光纖光柵檢測軸系齒輪齒根應變的方法，其特征在于，所述光纖由纖芯和包層組成，所述纖芯直徑9um，包層直徑125um，纖芯折射率1.482，折射率擾動2.5×10^-4。

4.根據權利要求1所述的一種利用光纖光柵檢測軸系齒輪齒根應變的方法，其特征在于，步驟1所述光纖布拉格光柵使用496膠水粘貼。