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專利名稱：光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在線車輛軸承故障檢測裝置。
背景技術(shù)：
隨著國家鐵路系統(tǒng)的智能化升級，火車的運行速度己經(jīng)得到多次提高，鐵路運輸安全受到前所未有的挑戰(zhàn)。在高密集、高載荷、高速度的鐵路運行過程中，車輛軸承的負荷加大，極易引起軸承疲勞、裂紋和壓痕等問題，甚至導(dǎo)致軸承斷裂，這樣就會給機車帶來很大的沖擊振動，甚至危及行車安全。因此，對車輛軸承運行狀態(tài)的在線檢測和對車輛軸承故障的及時預(yù)報，以便采取相應(yīng)的對策加以解決，確保行車安全具有重大的作用。近些年，鐵路用安裝壓電式加速度計提取額外沖擊振動信號，通過頻譜分析來診斷軸承故障，己經(jīng)取得了一定的進展。但是，由于列車車輪的運行環(huán)境惡劣，存在電機、整流裝置等車載設(shè)備產(chǎn)生的強烈電磁干擾和干線電網(wǎng)的工頻干擾，以及測量系統(tǒng)和各單元電路之間的公共接地阻抗產(chǎn)生的嚴重干擾等諸多不利因素，對列車軸承在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的準確性和可靠性受到一定的限制。Sky Eye Railway Sefvices公司研制的SkyEye故障檢測儀安裝在車輛、集裝箱車或機車上，能檢測超速碰撞、轉(zhuǎn)向架蛇行、上下震動或溫度或壓力變化這樣的狀態(tài)。其檢測數(shù)據(jù)通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)傳遞給數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)管理中心將數(shù)據(jù)進行處理。如果車輛配件或運載的貨物出現(xiàn)緊急事故征兆時，該系統(tǒng)還可將警報直接傳送給客戶或鐵路管理部門。但是這種方法不能在線測量，需要每臺車輛安裝一個，造價太高，不適合推廣。由此可見，用傳統(tǒng)傳感激光和CCD傳感器，一般精度不高，對一些小的故障無法診斷；利用振動傳感器可以對輪對和軸承的故障從損傷本質(zhì)產(chǎn)生的沖擊力、加速度探測出發(fā)，來判斷故障；這些方法都受到電機等車載設(shè)備和電網(wǎng)通信信號的干擾，使得有用信號被大量埋沒在噪聲中，也不是太理想。光纖光柵(nber Bragg grating)傳感器不受電磁干擾、體積小(對監(jiān)測物結(jié)構(gòu)幾乎無任何影響)，重量輕，壽命長(> 20年)，波長編碼，不受光強度波動影響，單根光纖可實現(xiàn)大量光纖光柵傳感器復(fù)用，易于組網(wǎng)，光纖可延深長度達100km。且一根光纖可同時對車輛的應(yīng)變、溫度等信息同時監(jiān)測。這些優(yōu)點便其成為鐵路安全監(jiān)測的最理想傳感材料。美國運輸研究委員2005年年度報告中將光纖傳感作為最有發(fā)展前途的安全監(jiān)測技術(shù)。美國伊利諾大學(xué)(UIUC)的S.L.Chuang等人受到美國鐵路協(xié)會以及國家科學(xué)院的交通研究委員會資助研制利用光纖時域反射測量和光纖微彎損耗對鐵軌損傷以及車輪故障進行24小時實時監(jiān)測，但是由于利用光纖強度進行監(jiān)測，光強度受到偏振、相位等很多物理量影響，使得此技術(shù)雖然實現(xiàn)了實時監(jiān)測，但精度不高，很難推廣。我國也特別重視光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，并對該領(lǐng)域做出了大力的扶持。香港理工大學(xué)譚華耀和加拿大MOI公司聯(lián)合開發(fā)了光纖光柵重量和速度測量系統(tǒng)，通過埋植在鐵軌上的光纖光柵傳感器測量的應(yīng)力和振動追溯至IJ車輛ID-身份識別，根據(jù)傳感器應(yīng)變和輪子間的距離計算車體的速度和重量。但是他們都沒有解決重載鐵軌的實時健康監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有車輛軸承故障測量裝置易受電機等車載設(shè)備和電網(wǎng)通訊信號的干擾，重載鐵軌的實時健康監(jiān)測精度低的問題，提供一種光纖在線車輛軸承故障檢測裝置。光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，它包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理系統(tǒng)、光電探測器、寬帶光源、波分復(fù)用器、耦合器、掃描干涉儀和信號發(fā)生器，傳感器的傳感信號的輸出端與波分復(fù)用器的傳感信號的輸入端連通，寬帶光源的輸出端與波分復(fù)用器的激光的輸入端連通，波分復(fù)用器的輸出端與耦合器的一個信號輸入端連通，耦合器的另一個信號輸入端與掃描干涉儀的信號輸出端連通，信號發(fā)生器的輸出端與掃描干涉儀的信號輸入端連通，耦合器的信號輸出端與光電探測器的信號輸入端連通，光電探測器的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端連通，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與信號處理系統(tǒng)的信號輸入端連通；傳感器由基底盒上蓋、基底盒、懸臂梁和光纖布拉格光柵組成，懸臂梁為等腰三角形板，光纖布拉格光柵固接在懸臂梁的上表面的中線上，基底盒的內(nèi)腔體中設(shè)有階臺，懸臂梁下表面的底端部固接在所述階臺的上表面，基底盒上蓋與基底盒固接為封閉的箱體，基底盒的側(cè)壁開有通透的孔洞，光纖通過所述孔洞連接在光纖布拉格光柵的傳感信號的輸出端，傳感器固接在軸箱蓋的外表面上。本發(fā)明通過貼置在機車軸箱蓋上的光纖光柵振動傳感器，拾取車輛通過傳感路段過程中鋼軌產(chǎn)生的振動信號，根據(jù)這些振動信號分析車輛的輪對軸承異常，實現(xiàn)了在線車輛的軸承的疲勞、裂紋、斷裂和壓痕等軸承的損傷情況進行高精度檢測并實時預(yù)警。具體指標為:傳感器應(yīng)變分辨率高于4 μ ε，振動傳感器動態(tài)范圍大于100dB，5Hz 2.5kHz平坦的響應(yīng)，交叉串?dāng)_小于0.5%，傳感器的外徑小于IOmm;監(jiān)測精度比現(xiàn)有裝置提高50%以上。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明中傳感器的剖視圖，圖3為懸臂梁的俯視圖，圖4為傳感器設(shè)置位置的示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，它包括傳感器1、A/D轉(zhuǎn)換器4、信號處理系統(tǒng)5、光電探測器
6、寬帶光源7、波分復(fù)用器8、耦合器9、掃描干涉儀10和信號發(fā)生器12，傳感器I的傳感信號的輸出端與波分復(fù)用器8的傳感信號的輸入端連通，寬帶光源7的輸出端與波分復(fù)用器8的激光的輸入端連通，波分復(fù)用器8的輸出端與耦合器9的一個信號輸入端連通，耦合器9的另一個信號輸入端與掃描干涉儀10的信號輸出端連通，信號發(fā)生器12的輸出端與掃描干涉儀10的信號輸入端連通，耦合器9的信號輸出端與光電探測器6的信號輸入端連通，光電探測器6的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端連通,A/D轉(zhuǎn)換器4的輸出端與信號處理系統(tǒng)5的信號輸入端連通；傳感器I由基底盒上蓋1-1、基底盒1-2、懸臂梁2和光纖布拉格光柵3組成，懸臂梁2為等腰三角形板，光纖布拉格光柵3固接在懸臂梁2的上表面的中線上，基底盒1-2的內(nèi)腔體中設(shè)有階臺，懸臂梁2下表面的底端部固接在所述階臺的上表面，基底盒上蓋1-1與基底盒1-2固接為封閉的箱體，基底盒1-2的側(cè)壁開有通透的孔洞，光纖通過所述孔洞連接在光纖布拉格光柵3的傳感信號的輸出端，傳感器I固接在軸箱蓋的外表面上。懸臂梁2為等腰三角形，光纖布拉格光柵3粘貼在等腰三角形懸臂梁2的中線上，以保證其在非中線位置上的受力均勻，懸臂梁2安裝于基底盒1-2的內(nèi)腔體中，然后進行封裝，構(gòu)成軸承故障檢測應(yīng)變傳感器的新型封裝結(jié)構(gòu)，基底盒上蓋1-1封閉基底盒1-2的上端口，構(gòu)成軸承故障檢測應(yīng)變傳感器的新型封裝結(jié)構(gòu)。對車輛軸承故障產(chǎn)生的振動特征頻譜數(shù)據(jù)建模，通過光纖光柵傳感器I提取軸承的振動信號，然后對檢測頻譜數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)在線預(yù)測軸承傷病并及時發(fā)出預(yù)警信號。
具體實施方式
二:結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，基底盒1-2的底表面為弧面?；缀?-2的底表面與車輛軸承的軸箱蓋外表面的弧形對應(yīng)，使傳感器I緊密布放在軸箱蓋上。
具體實施方式
三:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，它還包括相位解調(diào)器11，相位解調(diào)器11串接在信號發(fā)生器12與掃描干涉儀10之間的光路中。
具體實施方式
四:結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，傳感器I的外徑小于10_。
具體實施方式
五:結(jié)合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，光纖布拉格光柵3應(yīng)變分辨率高于 4 μ ε。
具體實施方式
六:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，信號處理系統(tǒng)5采用DSP信號處理系統(tǒng)。
具體實施方式
七:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
一所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的進一步限定，掃描干涉儀10采用非平衡干涉儀。本發(fā)明具體應(yīng)用過程為:檢測裝置分為數(shù)據(jù)采集和分析處理兩大部分:數(shù)據(jù)采集部分由光纖光柵應(yīng)變傳感部分、信號解調(diào)部分、高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機處理系統(tǒng)組成；光纖光柵傳感部分提取的傳感信號，經(jīng)過解調(diào)部分將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過高速數(shù)據(jù)采集卡把數(shù)據(jù)采集到計算機，通過計算機軟件完成振動信號和應(yīng)變信號的運算過程，通過小波變換和遺傳算法等數(shù)學(xué)手段來判定車輛軸承故障。數(shù)據(jù)采集部分由寬帶光源(ASE) 7、波分復(fù)用器8、光纖布拉格應(yīng)變光柵3、掃描干涉儀10、信號發(fā)生器12、光電探測器6、A/D轉(zhuǎn)換器4、DSP處理系統(tǒng)5等組成；檢測所用的光纖布拉格光柵3位于等腰三角形懸臂梁2的中線位置上，將含有光纖布拉格光柵的懸臂梁2安置在基底盒1-2的內(nèi)腔體中，基底盒上蓋1-1封閉基底盒1-2的上端口 ；將傳感器I放置于機車軸箱蓋上，使得基底盒圓弧底面能夠很好的和機車軸箱蓋的圓形邊緣結(jié)合在一起。寬帶光源7提供寬帶光，通過光纖進入光纖布拉格光柵3，通過光纖光柵傳感器發(fā)射回來的光信號依次通過波分復(fù)用器8、耦合器9進入非平衡干涉儀10，將傳感的波長編碼的傳感信號轉(zhuǎn)換為相位信號，然后進入光電探測器6將干涉儀出來的光強信號轉(zhuǎn)換為含有相位信息的電信號，接著進入A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將所述具有傳感相位信息的數(shù)字信號送入DSP處理系統(tǒng)5，解調(diào)出軸承的原始振動信號。本發(fā)明采用非平衡干涉相位載波解調(diào)技術(shù)，將檢測到的光纖光柵應(yīng)變和振動波長信號轉(zhuǎn)化為可識別的電子信號。從探頭光源返回的具有傳感信號的光信號，通過非平衡干涉儀10，將高功率波長信號轉(zhuǎn)化成相位信息，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器4數(shù)字化后，由DSP處理系統(tǒng)5進行數(shù)字化解調(diào)，將載波信號和噪聲信號通過算法濾掉，還原出原始的振動信號。非平衡干涉相位載波解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)主要包括兩個部分，光路中相位載波解調(diào)信號的產(chǎn)生和信號解調(diào)系統(tǒng)。如圖1所示，在干涉儀一條臂上加上一個壓電陶瓷(PZT)做相位解調(diào)器11，通過信號發(fā)生器12對壓電陶瓷加調(diào)制信號實現(xiàn)干涉儀相位的大幅度調(diào)制。這種方法檢測靈敏度較高，以便于組陣，可實現(xiàn)全光纖化，通過該結(jié)構(gòu)，可以把波長編碼的傳感信號轉(zhuǎn)換成相位編碼的傳感電信號。非平衡干涉相位載波解調(diào)技術(shù)的電路部分是把干涉儀的電信號用相關(guān)檢測和微分一交叉相乘方式分離光纖干涉儀的交流傳感信號和低頻隨機相位漂移，在通過高通濾波器得到穩(wěn)定的傳感信號輸出。在實際信號處理過程中，使用數(shù)字信號處理系統(tǒng)通過軟件修改解調(diào)系統(tǒng)，具有很大的靈活性，例如本振信號的相差、頻差、微分器的飽和、交叉相乘的增益波動、以及溫度漂移所造成的低頻信號積分溢出等問題都可以通過數(shù)字信號處理技術(shù)的算法來實現(xiàn)，它代替了模擬電路的不穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，而且減小了電路的體積和功耗。另外通過DSP算法計算，可以把壓電陶瓷的非線性影響降低到最小。在設(shè)計算法實現(xiàn)過程中，考慮到系統(tǒng)的采樣率，根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇合適的信號解調(diào)速率，實時處理探頭的傳感信息。另外我們還要考慮運算的復(fù)雜性，這種技術(shù)要進行多次的相乘、濾波、微分、積分等運算，使得運算的復(fù)雜度提高，選擇合適的芯片既要保證運算的精度，又要保證信號的檢測速度。通過非平衡邁克爾遜干涉儀將波長編碼的傳感信號轉(zhuǎn)換為相位信息，同時由于非平衡干涉儀會受到環(huán)境噪聲等影響，使得解調(diào)系統(tǒng)的最佳工作點漂移，引入壓電陶瓷作為相位載波信號，使得系統(tǒng)的靈敏度達到最佳水平，真實還原出原始軸承的振動信號。經(jīng)過數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)5之后的數(shù)據(jù)即為軸承的實時狀態(tài)，然后通過實時顯示裝置將該信息和軸承故障數(shù)擁庫中存在的各種軸承故障信息提供給工作人員參考，如果有故障出現(xiàn)及時生成報表、并通過預(yù)警裝置發(fā)送到調(diào)度中心或者其他有關(guān)部門。本發(fā)明在車輛行進的過程中進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)軸承故障信息，判斷軸承的損傷情況，防止發(fā)生重大事故。本發(fā)明適用于對在線車輛軸承故障的檢測，用本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對在線車輛的軸承的疲勞、裂紋、斷裂和壓痕等軸承的損傷情況進行高精度檢測并實時預(yù)警。本發(fā)明應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)實現(xiàn)了對動車的測量且開發(fā)出適合鐵路應(yīng)用的高靈敏度、低噪聲、小體積、低成本、具有實用意義的車輛軸承故障檢測裝置，它還具有抗電磁干擾能力強、耐腐蝕等優(yōu)點。為列車安全運行提供技術(shù)保障。
權(quán)利要求
1.光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，它包括傳感器(1)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)、信號處理系統(tǒng)(5)、光電探測器￠)、寬帶光源(7)、波分復(fù)用器(8)、耦合器(9)、掃描干涉儀(10)和信號發(fā)生器(12)，傳感器(I)的傳感信號的輸出端與波分復(fù)用器(8)的傳感信號的輸入端連通，寬帶光源(7)的輸出端與波分復(fù)用器(8)的激光的輸入端連通，波分復(fù)用器(8)的輸出端與耦合器(9)的一個信號輸入端連通，耦合器(9)的另一個信號輸入端與掃描干涉儀(10)的信號輸出端連通，信號發(fā)生器(12)的輸出端與掃描干涉儀(10)的信號輸入端連通，耦合器(9)的信號輸出端與光電探測器(6)的信號輸入端連通，光電探測器(6)的信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(4)的輸入端連通，A/D轉(zhuǎn)換器(4)的輸出端與信號處理系統(tǒng)(5)的信號輸入端連通；傳感器(I)由基底盒上蓋(1-1)、基底盒(1-2)、懸臂梁(2)和光纖布拉格光柵(3)組成，懸臂梁(2)為等腰三角形板，光纖布拉格光柵(3)固接在懸臂梁(2)的上表面的中線上，基底盒(1-2)的內(nèi)腔體中設(shè)有階臺，懸臂梁(2)下表面的底端部固接在所述階臺的上表面，基底盒上蓋(1-1)與基底盒(1-2)固接為封閉的箱體，基底盒(1-2)的側(cè)壁開有通透的孔洞，光纖通過所述孔洞連接在光纖布拉格光柵(3)的傳感信號的輸出端，傳感器(I)固接在軸箱蓋的外表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，基底盒(1-2)的底表面為弧面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，它還包括相位解調(diào)器(11)，相位解調(diào)器(11)串接在信號發(fā)生器(12)與掃描干涉儀(10)之間的光路中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，傳感器(I)的外徑小于10mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，光纖布拉格光柵⑶應(yīng)變分辨率高于4 μ ε。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(5)采用DSP信號處理系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，掃描干涉儀(10)采用非平衡干涉儀。
全文摘要
光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，涉及在線車輛軸承故障檢測裝置，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有車輛軸承故障測量裝置易受電機等車載設(shè)備和電網(wǎng)通信信號的干擾，重載鐵軌的實時健康監(jiān)測精度低的問題，本發(fā)明包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理系統(tǒng)、光電探測器、寬帶光源、波分復(fù)用器、耦合器、掃描干涉儀和信號發(fā)生器，傳感器的輸出端與波分復(fù)用器的輸入端連通，寬帶光源與波分復(fù)用器激光的輸入端連通，波分復(fù)用器與耦合器的一個信號端連通，耦合器與掃描干涉儀連通，信號發(fā)生器與掃描干涉儀連通，耦合器的信號輸出端與光電探測器連通，光電探測器與A/D轉(zhuǎn)換器連通，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與信號處理系統(tǒng)連通。本發(fā)明用于在線車輛軸承故障的檢測。
文檔編號G01N21/89GK103175849SQ20131013373
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者劉盛春, 陳雪峰, 張金濤, 張云龍, 李坤 申請人:黑龍江大學(xué)