專利名稱：光纖在線車輛軸承故障檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及在線車輛軸承故障檢測裝置。
背景技術：
隨著國家鐵路系統的智能化升級，火車的運行速度己經得到多次提高，鐵路運輸安全受到前所未有的挑戰。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的在線檢測和對車輛軸承故障的及時預報，以便采取相應的對策加以解決，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，己經取得了一定的進展。但是，由于列車車輪的運行環境惡劣，存在電機、整流裝置等車載設備產生的強烈電磁干擾和干線電網的工頻干擾，以及測量系統和各單元電路之間的公共接地阻抗產生的嚴重干擾等諸多不利因素，對列車軸承在線狀態監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、轉向架蛇行、上下震動或溫度或壓力變化這樣的狀態。其檢測數據通過全球衛星定位系統(GPS)傳遞給數據管理中心，數據管理中心將數據進行處理。如果車輛配件或運載的貨物出現緊急事故征兆時，該系統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產生的沖擊力、加速度探測出發，來判斷故障；這些方法都受到電機等車載設備和電網通信信號的干擾，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(對監測物結構幾乎無任何影響)，重量輕，壽命長(> 20年)，波長編碼，不受光強度波動影響，單根光纖可實現大量光纖光柵傳感器復用，易于組網，光纖可延深長度達100km。且一根光纖可同時對車輛的應變、溫度等信息同時監測。這些優點便其成為鐵路安全監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展前途的安全監測技術。美國伊利諾大學(UIUC)的S.L.Chuang等人受到美國鐵路協會以及國家科學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小時實時監測，但是由于利用光纖強度進行監測，光強度受到偏振、相位等很多物理量影響，使得此技術雖然實現了實時監測，但精度不高，很難推廣。我國也特別重視光纖傳感技術的發展，并對該領域做出了大力的扶持。香港理工大學譚華耀和加拿大MOI公司聯合開發了光纖光柵重量和速度測量系統，通過埋植在鐵軌上的光纖光柵傳感器測量的應力和振動追溯至IJ車輛ID-身份識別，根據傳感器應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測。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有車輛軸承故障測量裝置易受電機等車載設備和電網通訊信號的干擾，重載鐵軌的實時健康監測精度低的問題，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轉換器、信號處理系統、光電探測器、寬帶光源、波分復用器、耦合器、掃描干涉儀和信號發生器，傳感器的傳感信號的輸出端與波分復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用器的激光的輸入端連通，波分復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轉換器的輸入端連通，A/D轉換器的輸出端與信號處理系統的信號輸入端連通；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，基底盒的內腔體中設有階臺，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生的振動信號，根據這些振動信號分析車輛的輪對軸承異常，實現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警。具體指標為:傳感器應變分辨率高于4 μ ε，振動傳感器動態范圍大于100dB，5Hz 2.5kHz平坦的響應，交叉串擾小于0.5%，傳感器的外徑小于IOmm;監測精度比現有裝置提高50%以上。
圖1為本發明的系統結構示意圖，圖2為本發明中傳感器的剖視圖，圖3為懸臂梁的俯視圖，圖4為傳感器設置位置的示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結合圖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轉換器4、信號處理系統5、光電探測器
6、寬帶光源7、波分復用器8、耦合器9、掃描干涉儀10和信號發生器12，傳感器I的傳感信號的輸出端與波分復用器8的傳感信號的輸入端連通，寬帶光源7的輸出端與波分復用器8的激光的輸入端連通，波分復用器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轉換器4的輸入端連通,A/D轉換器4的輸出端與信號處理系統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的內腔體中設有階臺，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的內腔體中，然后進行封裝，構成軸承故障檢測應變傳感器的新型封裝結構，基底盒上蓋1-1封閉基底盒1-2的上端口，構成軸承故障檢測應變傳感器的新型封裝結構。對車輛軸承故障產生的振動特征頻譜數據建模，通過光纖光柵傳感器I提取軸承的振動信號，然后對檢測頻譜數據分析，實現在線預測軸承傷病并及時發出預警信號。
具體實施方式
二:結合圖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。基底盒1-2的底表面與車輛軸承的軸箱蓋外表面的弧形對應，使傳感器I緊密布放在軸箱蓋上。
具體實施方式
三:結合圖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，它還包括相位解調器11，相位解調器11串接在信號發生器12與掃描干涉儀10之間的光路中。
具體實施方式
四:結合圖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應變分辨率高于 4 μ ε。
具體實施方式
六:結合圖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5采用DSP信號處理系統。
具體實施方式
七:結合圖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。本發明具體應用過程為:檢測裝置分為數據采集和分析處理兩大部分:數據采集部分由光纖光柵應變傳感部分、信號解調部分、高速數據采集卡和計算機處理系統組成；光纖光柵傳感部分提取的傳感信號，經過解調部分將光信號轉換成電信號，通過高速數據采集卡把數據采集到計算機，通過計算機軟件完成振動信號和應變信號的運算過程，通過小波變換和遺傳算法等數學手段來判定車輛軸承故障。數據采集部分由寬帶光源(ASE) 7、波分復用器8、光纖布拉格應變光柵3、掃描干涉儀10、信號發生器12、光電探測器6、A/D轉換器4、DSP處理系統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射回來的光信號依次通過波分復用器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換為含有相位信息的電信號，接著進入A/D轉換器4轉換為數字信號，將所述具有傳感相位信息的數字信號送入DSP處理系統5，解調出軸承的原始振動信號。本發明采用非平衡干涉相位載波解調技術，將檢測到的光纖光柵應變和振動波長信號轉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化成相位信息，在經過A/D轉換器4數字化后，由DSP處理系統5進行數字化解調，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關鍵技術主要包括兩個部分，光路中相位載波解調信號的產生和信號解調系統。如圖1所示，在干涉儀一條臂上加上一個壓電陶瓷(PZT)做相位解調器11，通過信號發生器12對壓電陶瓷加調制信號實現干涉儀相位的大幅度調制。這種方法檢測靈敏度較高，以便于組陣，可實現全光纖化，通過該結構，可以把波長編碼的傳感信號轉換成相位編碼的傳感電信號。非平衡干涉相位載波解調技術的電路部分是把干涉儀的電信號用相關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定的傳感信號輸出。在實際信號處理過程中，使用數字信號處理系統通過軟件修改解調系統，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字信號處理技術的算法來實現，它代替了模擬電路的不穩定性，使得系統的穩定性大大提高，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。在設計算法實現過程中，考慮到系統的采樣率，根據系統的要求選擇合適的信號解調速率，實時處理探頭的傳感信息。另外我們還要考慮運算的復雜性，這種技術要進行多次的相乘、濾波、微分、積分等運算，使得運算的復雜度提高，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換為相位信息，同時由于非平衡干涉儀會受到環境噪聲等影響，使得解調系統的最佳工作點漂移，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。經過數據信號處理系統5之后的數據即為軸承的實時狀態，然后通過實時顯示裝置將該信息和軸承故障數擁庫中存在的各種軸承故障信息提供給工作人員參考，如果有故障出現及時生成報表、并通過預警裝置發送到調度中心或者其他有關部門。本發明在車輛行進的過程中進行在線監測，及時發現軸承故障信息，判斷軸承的損傷情況，防止發生重大事故。本發明適用于對在線車輛軸承故障的檢測，用本發明的裝置能夠實現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警。本發明應用光纖光柵傳感技術實現了對動車的測量且開發出適合鐵路應用的高靈敏度、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、耐腐蝕等優點。為列車安全運行提供技術保障。
權利要求
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轉換器(4)、信號處理系統(5)、光電探測器￠)、寬帶光源(7)、波分復用器(8)、耦合器(9)、掃描干涉儀(10)和信號發生器(12)，傳感器(I)的傳感信號的輸出端與波分復用器(8)的傳感信號的輸入端連通，寬帶光源(7)的輸出端與波分復用器(8)的激光的輸入端連通，波分復用器(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轉換器(4)的輸入端連通，A/D轉換器(4)的輸出端與信號處理系統(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)的內腔體中設有階臺，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.根據權利要求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.根據權利要求1所述光纖在線車輛軸承故障檢測裝置，其特征在于，它還包括相位解調器(11)，相位解調器(11)串接在信號發生器(12)與掃描干涉儀(10)之間的光路中。
4.根據權利要求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.根據權利要求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應變分辨率高于4 μ ε。
6.根據權利要求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(5)采用DSP信號處理系統。
7.根據權利要求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，本發明為了解決現有車輛軸承故障測量裝置易受電機等車載設備和電網通信信號的干擾，重載鐵軌的實時健康監測精度低的問題，本發明包括傳感器、A/D轉換器、信號處理系統、光電探測器、寬帶光源、波分復用器、耦合器、掃描干涉儀和信號發生器，傳感器的輸出端與波分復用器的輸入端連通，寬帶光源與波分復用器激光的輸入端連通，波分復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轉換器連通，A/D轉換器的輸出端與信號處理系統連通。本發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 優先權日2013年4月17日
發明者劉盛春, 陳雪峰, 張金濤, 張云龍, 李坤 申請人:黑龍江大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
