專利名稱：旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，更特別地，涉及一種利用布雷格(Bragg)光柵傳感器檢測旋轉(zhuǎn)體，諸如飛輪、直升機(jī)的轉(zhuǎn)子等的缺陷和故障的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)體是機(jī)械設(shè)備，諸如飛輪蓄能系統(tǒng)的飛輪、直升機(jī)的轉(zhuǎn)子、渦輪機(jī)葉片等等的重要組件。因此，監(jiān)測這些旋轉(zhuǎn)體，檢測任何缺陷或者故障，從而防止不希望的事故發(fā)生是非常重要的。一種在操作過程中監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體的方法是直接在旋轉(zhuǎn)體上安裝類似應(yīng)變計(jì)的傳感器。然而，這種方法存在問題，在于其很難為這些傳感器提供動(dòng)力，以及很難從這些傳感器向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)體的控制部分傳送信號。
在這種方法中，安裝在支撐旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)用于向這些傳感器提供動(dòng)力并且向控制部分傳送信號。傳感器的電纜集中在滑環(huán)處并且連接在滑環(huán)上。然而，典型地導(dǎo)致的問題是滑環(huán)的轉(zhuǎn)子和定子之間的接觸必須是恒定的。另外，因?yàn)檫@種接觸也通常產(chǎn)生磨損和噪聲。另外，如果需要在多個(gè)點(diǎn)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體，諸如渦輪機(jī)，滑環(huán)的安裝和走線嚴(yán)重受到限制。
另一種監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體的方法是將信號處理單元和電池與傳感器一起安裝在旋轉(zhuǎn)體上。然而，電池必須定期更換，這可能造成麻煩。另外，由于其重量和尺寸的原因，將上述監(jiān)測器件安裝在高速旋轉(zhuǎn)體上是極其困難的。
另一方面，還有一種間接監(jiān)測方法，將傳感器安裝在互連的構(gòu)件上，其靠近旋轉(zhuǎn)體定位。例如，安裝在支撐旋轉(zhuǎn)體的軸承的殼體上的加速表和間隙傳感器，能夠監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體的振動(dòng)。然而，利用上述間接監(jiān)測方法，很難在早期階段表明振動(dòng)信號與旋轉(zhuǎn)體的缺陷或者故障指標(biāo)之間的聯(lián)系，并且很難進(jìn)一步檢測旋轉(zhuǎn)體的變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題并且提供一種監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體的裝置，其能夠在操作過程中精確地檢測旋轉(zhuǎn)體的缺陷或者故障并且其易于安裝。
與前述目的一致，并且根據(jù)如此處寬泛地實(shí)施的本發(fā)明，這里提供一種旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，其由相對于固定元件旋轉(zhuǎn)安裝的旋轉(zhuǎn)軸支撐。該監(jiān)測裝置包括用于發(fā)射光的寬帶光源，發(fā)射光；光傳輸器件，其連接在寬帶光源上并且固定在固定元件上；纖維布雷格光柵傳感器，其安裝在旋轉(zhuǎn)體上，纖維布雷格光柵經(jīng)由光傳輸器件接收來自寬帶光源的光并且反射其頻率相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)體變形的光；以及數(shù)據(jù)處理單元，其連接在光傳輸器件上，該數(shù)據(jù)傳輸單元經(jīng)由光傳輸單元接收從布雷格光柵反射的光并且基于該反射光計(jì)算旋轉(zhuǎn)體的變形。
纖維布雷格光柵傳感器沿著旋轉(zhuǎn)軸延伸并且其一個(gè)端部設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸的端部中心。另外，光傳輸器件是光學(xué)纖維，其一個(gè)端部設(shè)置成相對于纖維布雷格光柵傳感器的所述端部。


本發(fā)明的上述目的和特征從以下結(jié)合附圖給出的優(yōu)選實(shí)施例的說明中將變得更為明白。
圖1示意性地示出了飛輪，其上安裝有旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，該裝置根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成；圖2至5示出了將纖維布雷格光柵傳感器安裝在飛輪的旋轉(zhuǎn)軸上的各種變型；圖6示意性地示出了直升機(jī)，其中安裝有旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，該裝置根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成；圖7是局部截面圖，示出了纖維布雷格光柵傳感器的安裝機(jī)構(gòu)和圖6所示的轉(zhuǎn)子。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1示意性地示出了飛輪蓄能系統(tǒng)的飛輪，其上安裝有旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，該裝置根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成。
如圖所示，旋轉(zhuǎn)軸12耦合至圓柱飛輪10的兩個(gè)端部的中心部分。旋轉(zhuǎn)軸12與飛輪10一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由軸承28支撐。為了在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測飛輪10，在飛輪10上以螺線形繞制有纖維布雷格光柵(FBG)傳感器20。
已知的是，F(xiàn)BG傳感器20具有光學(xué)纖維22和多個(gè)布雷格光柵24，它們形成在光學(xué)纖維22上。當(dāng)光線穿過FBG傳感器20，每個(gè)布雷格光柵24反射滿足其自身布雷格條件的頻率的光，但是允許其他頻率穿過。通常，滿足布雷格條件的頻率稱為布雷格頻率。如果FBG傳感器20的環(huán)境溫度變化并且向FBG傳感器20施加拉伸或者壓縮力，則光學(xué)纖維22的反射系數(shù)或者長度改變。這樣，布雷格頻率也發(fā)生改變。有報(bào)道說，光學(xué)纖維的1％的拉伸導(dǎo)致布雷格頻率的波長變化12nm，光學(xué)纖維22的1％的壓縮導(dǎo)致布雷格頻率的波長變化32nm，并且100℃的溫度變化導(dǎo)致布雷格頻率的波長變化1.1nm。因此，環(huán)境溫度、拉伸、壓縮或者彎曲能通過測量從FBG傳感器20的布雷格光柵24反射的光的頻率來檢測。
FBG傳感器20的光學(xué)纖維22(以下，稱為第一光學(xué)纖維)利用環(huán)氧樹脂(以螺線形)附著在飛輪10的圓周上。光學(xué)纖維22配合地插入通孔14，該通孔在中心位置貫穿旋轉(zhuǎn)軸12而形成。光學(xué)纖維22的一個(gè)端部設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸12的端部中心。傳統(tǒng)上，光學(xué)纖維22非常細(xì)和非常輕而不會(huì)影響飛輪10和旋轉(zhuǎn)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，在將FBG傳感器20安裝在飛輪10上以后會(huì)實(shí)施平衡過程。另一方面，F(xiàn)BG傳感器20可以在制造飛輪10的時(shí)候放置在飛輪10的內(nèi)部。
固定地安裝成相對于旋轉(zhuǎn)軸12并且在飛輪蓄能系統(tǒng)中設(shè)置成離開該旋轉(zhuǎn)軸的元件30設(shè)置有光傳輸器件(即，第二光學(xué)纖維32)。第二光學(xué)纖維32的端部與第一光學(xué)纖維22的端部對準(zhǔn)。第二光學(xué)纖維32從飛輪蓄能系統(tǒng)向外延伸，并且與計(jì)算飛輪10的變形的數(shù)據(jù)處理單元40連接。將第二光學(xué)纖維32安裝到系統(tǒng)中的固定元件30上并且離開第一光學(xué)纖維22的原因是因?yàn)榈谝还鈱W(xué)纖維與飛輪10和旋轉(zhuǎn)軸12一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，其不能直接連接在數(shù)據(jù)處理單元40上。還有，第一和第二光學(xué)纖維22和32的布置是可行的，因?yàn)榈湫偷墓鈱W(xué)纖維的特征是，其能夠向隔開設(shè)置的其他光學(xué)纖維發(fā)送光，也能接收來自隔開設(shè)置的其他光學(xué)纖維的光。
數(shù)據(jù)處理單元40包括寬帶光源(未示出)，其在寬頻范圍內(nèi)發(fā)射光，該光源與第二光學(xué)纖維連接；光接收器件(未示出)，用于接收來自FBG傳感器20的光并且將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號；光耦(未示出)，其連接在第二光學(xué)纖維32上，來自寬帶光源的光線穿過第二光學(xué)纖維32并且穿過從FGB傳感器20反射向光接收器件的光；以及分析部分(未示出)，用于從光接收器件接收信號并且分析該信號，以便計(jì)算飛輪10的變形。由于數(shù)據(jù)處理單元40的結(jié)構(gòu)和變形檢測過程對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，其解釋內(nèi)容省略。
另一方面，因旋轉(zhuǎn)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)可能使第一和第二光學(xué)纖維22和32的兩個(gè)相對端不對準(zhǔn)，由此導(dǎo)致信號傳輸中斷。為了防止這種情況，在第一和第二纖維22和32的兩個(gè)相對端上安裝了校準(zhǔn)和聚焦器件26。校準(zhǔn)和聚焦器件26可以實(shí)施為梯度指數(shù)(gradient-index)(GRIN)棒形透鏡或者C透鏡。由于這些透鏡對于光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，其說明省略。
以下，將說明根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置的操作效果。
從數(shù)據(jù)處理單元40內(nèi)的寬帶光源發(fā)射出的光穿過第二光學(xué)纖維32并且經(jīng)由安裝在固定元件30上的校準(zhǔn)和聚焦器件26平行傳輸，然后，該平行光從固定元件30朝向旋轉(zhuǎn)軸12前進(jìn)，越過它們之間的間隙。該平行光經(jīng)由安裝在旋轉(zhuǎn)軸12上的校準(zhǔn)和聚焦器件26聚焦在FBG傳感器20的第一光學(xué)纖維22的端部并且穿過第一光學(xué)纖維22。
滿足上述布雷格條件的頻率的光被布雷格光柵24反射。然而，其他頻率的光穿過布雷格光柵24。如果飛輪10變形，則布雷格光柵24也會(huì)變形。這導(dǎo)致可以被布雷格光柵反射的光的頻率相應(yīng)于布雷格光柵24的變形而發(fā)生變化。從布雷格光柵24反射的光穿過第一光學(xué)纖維22并且經(jīng)由安裝在旋轉(zhuǎn)軸12上的校準(zhǔn)和聚焦器件26平行傳輸。該平行光朝向固定元件30傳輸，越過旋轉(zhuǎn)軸12和固定元件30之間的間隙。該平行光經(jīng)由安裝在固定元件30上的校準(zhǔn)和聚焦器件26聚焦在第二光學(xué)纖維32上，并且通過第二光學(xué)纖維32傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元40內(nèi)的光接收器件。該光接收器件將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號并且將該信號傳輸?shù)椒治霾糠帧７治霾糠只谠撔盘栍?jì)算飛輪10的變形。
圖2至5圖示了FBG傳感器20安裝在飛輪10的旋轉(zhuǎn)軸12的各種改動(dòng)。
在上述的實(shí)施例中(參照圖1)，第一光學(xué)纖維22插入沿中心軸形成在旋轉(zhuǎn)軸的中心部分的通孔14內(nèi)。然而，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸12相對較長時(shí)，很難軸向貫穿旋轉(zhuǎn)軸12在其中心部分形成通孔14，以便第一光學(xué)纖維22配合插入。在這種情況下，如圖2所示，沿軸向在旋轉(zhuǎn)軸12的外表面上從與飛輪10結(jié)合的點(diǎn)到靠近旋轉(zhuǎn)軸12的端部的點(diǎn)形成狹槽12a。另外，形成導(dǎo)向孔12b，與狹槽12a的端部連通并且向著安裝在旋轉(zhuǎn)軸12的端部的校準(zhǔn)和聚焦器件26延伸。因此，黏附在飛輪10上的FBG傳感器20的第一光學(xué)纖維22沿著旋轉(zhuǎn)軸12延伸，同時(shí)束縛或者配合在狹槽12a內(nèi)。然后，其插入導(dǎo)向孔12b內(nèi)。狹槽12a防止第一光學(xué)纖維22和軸承28發(fā)生干涉，這樣確保了軸12的光滑轉(zhuǎn)動(dòng)。
如圖3所示，如果旋轉(zhuǎn)軸12不被任何軸承支撐，僅形成導(dǎo)向孔12b，其從靠近旋轉(zhuǎn)軸12的端部的圓周點(diǎn)向校準(zhǔn)和聚焦器件26延伸，而不形成狹槽12a(見圖2)。因此，黏附在飛輪10上的FBG傳感器20的第一光學(xué)纖維22沿著旋轉(zhuǎn)軸12延伸，同時(shí)束縛在旋轉(zhuǎn)軸12的外表面上。然后其插入導(dǎo)向孔12b。
如果無法在旋轉(zhuǎn)軸12上形成狹槽12a或者導(dǎo)向孔12b，則在其中心部分裝配校準(zhǔn)和聚焦器件26的附加的容納構(gòu)件16可以耦合在旋轉(zhuǎn)軸12的端部(如圖4所示)。黏附在飛輪10上的FBG傳感器20的第一光學(xué)纖維22沿著旋轉(zhuǎn)軸12延伸，同時(shí)束縛在旋轉(zhuǎn)軸12的外表面上。然后其受到引導(dǎo)進(jìn)入該容納構(gòu)件16，朝向校準(zhǔn)和聚焦器件16。
另一方面，如果旋轉(zhuǎn)軸12太長并且由軸承支撐，則第一光學(xué)纖維22應(yīng)當(dāng)軸向穿過旋轉(zhuǎn)軸12。但是，很難甚至不可能在旋轉(zhuǎn)軸12內(nèi)部軸向形成狹窄路徑(其中配合插入光學(xué)纖維)，其物理特性是非常硬的和剛性的。為了解決這個(gè)問題，設(shè)置了支撐桿18(如圖5所示)。支撐桿18由柔軟的材料制成，諸如塑料，從而有利于在其中軸向形成光學(xué)纖維路徑19。支撐桿18在其端部裝配有校準(zhǔn)和聚焦器件26。另外，插入孔13(其中配合地插入支撐桿18)在旋轉(zhuǎn)軸12的中心位置軸向貫穿該軸。結(jié)果是，通過從旋轉(zhuǎn)軸12的插入孔13分離支撐桿或者向其中插入支撐桿18可以容易地實(shí)現(xiàn)第一光學(xué)纖維22的安裝與維護(hù)。
不是必須要在支撐桿18的中心部分形成光學(xué)纖維路徑19?？纱娴?，可以在支撐桿18的外表面上軸向形成狹槽，其中束縛或者配合第一光學(xué)纖維22。在這種情況下，附加的容納構(gòu)件16(見圖4)應(yīng)耦合在旋轉(zhuǎn)軸12的端部。
圖6示意性地示出了直升機(jī)，其中本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置安裝在轉(zhuǎn)子葉片上。圖7是局部剖視圖，示出了FBG傳感器的安裝結(jié)構(gòu)和圖6所示的轉(zhuǎn)子。
如圖所示，直升機(jī)50通常包括主體52；轉(zhuǎn)子54，其通過旋轉(zhuǎn)軸56連接在主體52上；尾桁58；以及尾舵59。轉(zhuǎn)子54典型地是三或者四葉片55。
FBG傳感器60的光學(xué)纖維62黏附在所有葉片55的表面上并且軸向穿過旋轉(zhuǎn)軸56。插入孔57軸向貫通旋轉(zhuǎn)軸56在其中心部分形成(其中配合插入光學(xué)纖維62)，使得光學(xué)纖維62的一個(gè)端部設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸56的端部中心。在制造葉片55的時(shí)候，F(xiàn)BG傳感器60可以放置在葉片55的內(nèi)部。如參照圖2至5所述，光學(xué)纖維62的安裝結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)軸56可以做多種改動(dòng)。
固定地相對于旋轉(zhuǎn)軸56安裝并且在直升機(jī)的主體52內(nèi)與該旋轉(zhuǎn)軸56隔開設(shè)置的元件70設(shè)置有另一個(gè)光學(xué)纖維72。光學(xué)纖維72的端部與FBG傳感器60的光學(xué)纖維62的端部對準(zhǔn)。光學(xué)纖維72與用于計(jì)算葉片55的變形的數(shù)據(jù)處理單元(未示出)連接。
為了檢測每個(gè)葉片55的缺陷或者故障，布雷格光柵62獨(dú)立地形成在各個(gè)葉片55的光學(xué)纖維62處，使得在一個(gè)葉片55處的布雷格光柵64反射的光的頻率區(qū)別于從其他葉片55處的布雷格光柵64反射的光的頻率。
校準(zhǔn)和聚焦器件66安裝在旋轉(zhuǎn)軸56和固定元件70的兩個(gè)相對端。校準(zhǔn)和聚焦器件66可以實(shí)施為GRIN棒狀透鏡或者C透鏡。
由于本實(shí)施例的操作和效果與先前的實(shí)施例(飛輪蓄能系統(tǒng))相同，其解釋省略。
工業(yè)實(shí)用性如上詳細(xì)所述，根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置配置成通過向旋轉(zhuǎn)體上黏附FBG傳感器，并且通過進(jìn)一步向任何固定的元件安裝另一個(gè)光學(xué)纖維向FBG傳感器傳輸光或者從該傳感器接收光，從而在操作過程中精確地監(jiān)測旋轉(zhuǎn)體的缺陷和故障。
另外，由于FBG傳感器是非常細(xì)并且非常輕的，不會(huì)影響旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝過程簡單而且操作可靠性得到了提高。
在不背離其精神和實(shí)質(zhì)的條件下本發(fā)明可以以其他的具體形式實(shí)施。所描述的實(shí)施例在所有的方面考慮都應(yīng)當(dāng)是說明性的，而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由附帶的權(quán)利要求指出，而不是由前述說明指出。所有的變化，只要其進(jìn)入權(quán)利要求等同的意義和范圍之內(nèi)，就應(yīng)當(dāng)包括在它們的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)體監(jiān)測裝置，由相對于固定元件旋轉(zhuǎn)安裝的旋轉(zhuǎn)軸支撐，所述裝置包括用于發(fā)射光的寬帶光源；光傳輸器件，其連接在寬帶光源上并且安裝在固定元件上；纖維布雷格光柵傳感器，其安裝在旋轉(zhuǎn)體上，該纖維布雷格光柵傳感器經(jīng)由光傳輸器件從寬帶光源接收光并且反射其頻率相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)體的變形的光；和數(shù)據(jù)處理單元，其連接在光傳輸器件上，該數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)由光傳輸器件接收從纖維布雷格光柵傳感器反射的光并且基于該反射的光計(jì)算旋轉(zhuǎn)體的變形。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其中，纖維布雷格光柵傳感器沿著旋轉(zhuǎn)軸延伸，并且纖維布雷格光柵傳感器的一個(gè)端部設(shè)置在該旋轉(zhuǎn)軸的端部中心；和光傳輸器件是光學(xué)纖維，其一個(gè)端部設(shè)置成相對于纖維布雷格光柵傳感器的端部。
3.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其中，插入孔貫通旋轉(zhuǎn)軸而形成在其中心部分，該孔中插入所述纖維布雷格光柵傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其中，在旋轉(zhuǎn)軸的外表面上沿軸向形成狹槽，在該狹槽中配合有所述纖維布雷格光柵傳感器；和導(dǎo)向孔形成在旋轉(zhuǎn)軸上，該導(dǎo)向孔與所述狹槽的端部連通并且朝著旋轉(zhuǎn)軸的端部中心延伸，該孔中插入所述纖維布雷格光柵傳感器。
5.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其中，在旋轉(zhuǎn)軸上形成導(dǎo)向孔，該導(dǎo)向孔與靠近旋轉(zhuǎn)軸的端部的圓周點(diǎn)連通，并且朝旋轉(zhuǎn)軸的端部中心延伸，該孔中插入所述纖維布雷格光柵傳感器。
6.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其中，該監(jiān)測裝置進(jìn)一步包括支撐桿，該支撐桿沿軸向形成有路徑，所述纖維布雷格光柵傳感器通過該路徑；和插入孔，所述支撐桿插入該插入孔中，該插入孔沿軸向貫通旋轉(zhuǎn)軸在其中心部分形成。
7.如權(quán)利要求2所述的監(jiān)測裝置，其中，該監(jiān)測裝置進(jìn)一步包括容納構(gòu)件，其耦合到旋轉(zhuǎn)軸的端部，該容納部件引導(dǎo)所述纖維布雷格光柵傳感器進(jìn)入其中，使得該布雷格光柵傳感器的端部定位在旋轉(zhuǎn)軸的中心。
8.如權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的監(jiān)測裝置，其中，該監(jiān)測裝置進(jìn)一步包括校準(zhǔn)和聚焦器件，其設(shè)置在所述纖維布雷格光柵傳感器和所述光學(xué)纖維的兩個(gè)相對端部。
全文摘要
一種纖維布雷格光柵(FBG)傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)體上，后者由相對于固定元件旋轉(zhuǎn)安裝的旋轉(zhuǎn)軸支撐。FBG傳感器沿著旋轉(zhuǎn)軸延伸，其一個(gè)端部設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸的端部中心。光學(xué)纖維安裝在固定元件上，其一個(gè)端部設(shè)置成相對于FBG傳感器的端部。從寬帶光源發(fā)射的光穿過光學(xué)纖維并且越過光選纖維和FBG傳感器之間的間隙傳輸?shù)紽BG傳感器。FBG傳感器反射其頻率相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)體的變形的光。數(shù)據(jù)處理單元接收反射的光并且基于該光計(jì)算旋轉(zhuǎn)體的變形。
文檔編號G01D5/26GK1973179SQ200480043394
公開日2007年5月30日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者黃堯夏, 李相培, 李鐘旻 申請人:韓國科學(xué)技術(shù)研究院