《直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103344432 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344432 A *CN103344432A* (21)申请号 201310219567.3 (22)申请日 2013.06.04 G01M 13/04(2006.01) G01N 29/14(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军陆军航空兵学院 地址 101123 北京市通州区台湖镇台湖大街 9 号 申请人 北京航空航天大学 (72)发明人 李宁 魏鹏 梅盛开 涂万里 杨而蒙 高煊 孔莉莎 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 杨学明 (54。
2、) 发明名称 直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法 (57) 摘要 本发明提供了直升机轴承故障的光纤光栅声 发射检测方法， 其目的在于检测直升机上滚动轴 承故障的早期状态， 增强直升机轴承故障的识别 能力， 延长其使用寿命， 所述检测方法包括 ： 传感 器安装、 信号传感和解调三部分 ； 其中， 传感器安 装包括光栅传感器 （已封装或未封装） 的贴装 ； 传 感采用单光纤光栅传感法 ； 解调部分包括光电转 换、 放大、 采集、 共振解调处理等。 本发明主要用于 原位在线检测直升机等旋转机械轴承的故障， 相 比于传统的检测手段 （目视、 振动、 磁粉等） ， 本发 明可有效检测到故障的早期状态。
3、， 准确判断故障 类别和严重程度， 对实现直升机的视情维修和延 寿具有重要意义。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103344432 A CN 103344432 A *CN103344432A* 1/1 页 2 1. 直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法， 将窄带光信号 （4） 与传感光纤布拉格 光栅 （3） 相连 ； 有故障的轴承 （1） 在工作中会产生声发射信号 （2） ， 经过材料传播到达传感 光纤布拉格光栅 （3） ，。
4、 反射出调制光信号 （5） ； 调制光信号 （5） 经光电转换为电信号 （6） ， 电 信号 （6） 经过放大、 采集 （7） 后， 再进行共振解调处理 （8） 得到故障频谱， 从而进行故障判 别 ； 其特征包括以下步骤 ： 其中窄带光信号 （4） 是由窄带可调谐激光器生成的， 其中心波长在传感光纤布拉格光 栅 （3） 反射谱的 3dB 点处， 使得传感光纤布拉格光栅 （3） 具有最高的灵敏度 （即工作点） ； 当有故障的轴承 （1） 工作时， 其故障点与其余部件的碰撞， 会向外发出瞬时尖峰脉冲， 即声 发射信号 （2） ， 该声发射信号 （2） 被耦合于轴承附近的传感光纤布拉格光栅 （3） 。
5、接收到， 引 起传感光纤布拉格光栅 （3） 的中心波长发生变化， 反射输出调制光信号 （5） ， 该调制光信号 （5） 被光电转换为电信号 （6） ， 经过放大、 采集 （7） 后， 再进行共振解调处理 （8） 。 2. 根据权利要求 1 所述的直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法， 其特征是 ： 所 述传感光纤布拉格光栅 （3） 耦合于轴承附近的材料的表面 ： 若传感光纤布拉格光栅 （3） 未 封装， 则用 502 胶水粘贴于材料的表面 ； 若传感光纤布拉格光栅 （3） 已封装， 则将封装后的 传感光纤布拉格光栅 （3） 使用凡士林耦合于材料的表面并通过强力胶带固定。 3. 根据权利要求 。
6、1 所述的直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法， 其特征是 ： 所 述传感光纤布拉格光栅 （3） 反射谱 3dB 带宽小于 0.3nm， 中心反射率大于 90%， 边模抑制比 小于 15dB。 权 利 要 求 书 CN 103344432 A 2 1/4 页 3 直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法 技术领域 0001 本发明属于声发射检测技术领域， 特别涉及直升机尾传动轴支撑轴承等轴承故障 的光纤光栅声发射检测方法。 背景技术 0002 直升机的尾传动轴主要是将主减速器的扭矩传递给尾桨， 它装在尾梁内， 是高速 旋转部件， 其中尾传动轴支撑轴承是关键部件。目前， 多采用目视、 手摸温度等。
7、原始检测方 法判断或基于振动的检测方法， 均不能有效发现故障 （尤其是早期故障） 。轴承故障 （裂纹、 磨损、 点蚀、 剥落、 松动等） 要经过一个慢扩展过程， 这个阶段不足以引起轴承明显振动， 而 声发射信号则比较明显， 因而声发射检测能早期预报轴承故障， 相比传统的振动信号检测 方法， 有其独特的优越性。 在航空器变速等鲁棒性较低的系统中， 轴承的早期微弱故障就会 导致灾难性的后果， 需要进行早期故障的有效检测判别或状态监测。 0003 由于是高速旋转部件， 当尾传动轴轴承产生故障时， 故障点与其他部件发生碰撞， 产生瞬时尖峰脉冲， 即声发射信号， 因此检测这种声发射信号即可判断尾传动轴轴。
8、承的故 障发生、 发展情况。 0004 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性， 在纤芯内产生沿纤芯轴向周期性变化的折射 率。当一束宽带光进入光纤布拉格光栅时， 只有满足其反射条件 （布拉格波长） 的很窄的光 才能被光纤布拉格光栅反射回去， 其余的光透射而出， 其作用实质上是在纤芯内形成一个 窄带的滤波器或反射镜。由于光纤布拉格光栅只对它感兴趣的波长进行发射， 经常被用于 传感， 在高速公路、 桥梁、 矿山、 地质勘探、 铁路、 石油 / 天然气管道的结构健康监测中得到 广泛应用。 0005 现有的光纤光栅声发射传感系统如中国专利 CN201110207340.8 “一种基于光纤布 拉格光栅的声发射信。
9、号传感系统” 、 CN201110238795.6“一种基于光纤布拉格光栅的声发射 信号功率型无损检测方法” 等都实现了声发射信号的准确检测， 扩大了光纤光栅在声发射 检测领域的应用。 发明内容 0006 本发明的目的在于， 克服已有的技术局限， 将光纤布拉格光栅引入声发射领域， 提 供了直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法， 该方法具有检测灵敏度高、 不受电磁干 扰、 适合日常维护时地面试车状态下原位在线检测等特点。 0007 本发明为了达到上述目的采用的技术方案为 ： 直升机轴承故障的光纤光栅声发射 检测方法， 将窄带光信号与传感光纤布拉格光栅相连 ； 有故障的轴承在工作中会产生声发 射。
10、信号， 经过材料传播到达传感光纤布拉格光栅， 反射出调制光信号 ； 调制光信号经光电转 换为电信号， 电信号经过放大、 采集后， 再进行共振解调处理 ； 0008 其中窄带光信号是由窄带可调谐激光器生成的， 其中心波长在传感光纤布拉格光 栅反射谱的 3dB 点处， 此时使得传感光纤布拉格光栅具有最高的灵敏度 （即工作点） ； 当有故 说 明 书 CN 103344432 A 3 2/4 页 4 障的轴承工作时， 其故障点与其余部件的碰撞， 会向外发出应力波， 即声发射信号， 该声发 射信号被耦合于轴承附近的传感光纤布拉格光栅接收到， 引起传感光纤布拉格光栅的中心 波长发生变化， 反射输出调制光。
11、信号， 该调制光信号被光电转换为电信号， 经过放大、 采集 后， 再进行共振解调处理。 0009 进一步的， 所述传感光纤布拉格光栅耦合于轴承附近的材料的表面 ： 若传感光纤 布拉格光栅未封装， 则用 502 胶水粘贴于材料的表面 ； 若传感光纤布拉格光栅已封装， 则将 封装后的传感光纤布拉格光栅使用凡士林耦合于材料的表面并通过强力胶带固定 ； 0010 进一步的， 所述传感光纤布拉格光栅反射谱 3dB 带宽小于 0.3nm， 中心反射率大于 90%， 边模抑制比小于 15dB。 0011 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0012 1、 传统的直升机轴承故障检测手段 （目视、 振动、 磁粉。
12、等） 故障诊断率不高， 难以发 现早期故障， 而本发明提供的光纤光栅声发射传感方法具有较高的检测精度， 可结合日常 维护时进行， 安装和操作简单， 能够检测出轴承的早期故障状态， 准确识别故障类型， 对其 视情维修和延寿具有重要意义。 0013 2、 与基于振动传感器以及压电式声发射传感器的检测方法相比， 谱底噪声小， 谱 线清晰、 干净， 更容易分辨故障频率和分析故障的严重程度。 附图说明 0014 图 1 是直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法 ； 0015 图中 ： 1、 有故障的轴承， 2、 声发射信号， 3、 传感光纤布拉格光栅， 4、 窄带光信号， 5、 调制光信号， 6、 电信。
13、号， 7、 放大、 采集， 8、 共振解调处理 ； 0016 图 2 是单光纤光栅声发射传感原理 ； LD 为窄线宽光源， FBG 为光纤布拉格光栅 ； 0017 图 3 是滚动轴承内部结构示意图及各部分故障特征频率理论公式 ； 0018 图 4 是共振解调算法示意图 ； 0019 图5、 6是检测到外圈故障的轴承的共振解调频谱图 ； 图5(a)600r/min转速下压电 陶瓷声发射传感器检测到的滚动轴承外圈故障信号 ； 图 5(b)600r/min 转速下光纤光栅声 发射传感器检测到的滚动轴承外圈故障信号。图 6(a)1200r/min 转速下压电陶瓷声发射传 感器检测到的滚动轴承外圈故障信。
14、号 ； 图 6(b)1200r/min 转速下光纤光栅声发射传感器检 测到的滚动轴承外圈故障信号。 具体实施方式 0020 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述， 以便更好地理解本发明。需要 特别提醒注意的是， 在以下的描述中， 当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发 明的主要内容时， 这些描述在这里将被忽略。 0021 如图 1 所示， 本发明所述的直升机轴承故障的光纤光栅声发射检测方法包括 ： 传 感器安装、 信号传感和解调三部分 ； 其中， 传感器安装包括光栅传感器 （已封装或未封装） 的 贴装 ； 传感采用单光纤光栅传感法 ； 解调部分包括光电转换、 放大、 采集、 共振解。
15、调处理等。 具体实施如下 ： 窄带光信号 4 是由窄带可调谐激光器生成的， 其中心波长在传感光纤布拉 格光栅 3 反射谱的 3dB 点处， 此时使得传感光纤布拉格光栅 3 具有最高的灵敏度 （即工作 说 明 书 CN 103344432 A 4 3/4 页 5 点） ； 当有故障的轴承 1 工作时， 其故障点与其余部件的碰撞， 会向外发出瞬时尖峰脉冲， 即 声发射信号 2， 该声发射信号 2 被耦合于轴承附近的传感光纤布拉格光栅 3 接收到， 引起传 感光纤布拉格光栅 3 的中心波长发生变化， 反射输出调制光信号 5， 该调制光信号 5 被光电 转换为电信号 6， 经过放大、 采集 7 后， 。
16、再进行共振解调处理 8。 0022 传感光纤布拉格光栅3， 是反射谱3dB带宽小于0.3nm的光栅， 反射率在90%以上。 由窄带可调谐激光器生成的窄带光信号 4， 其中心波长在传感光纤布拉格光栅 3 反射谱的 3dB 点处， 此时使得传感光纤布拉格光栅 3 具有最高的灵敏度 （即工作点） 。如图 2 所示， 窄 带光信号的中心波长调制在传感光纤布拉格光栅3反射谱3dB点处， 光谱固定不动， 而传感 光纤布拉格光栅 3 的反射谱会随着外界的作用 （应变、 应力、 温度等） 发生左右漂移， 进而引 起二者的卷积 （即图 2 中重叠部分） 发生变化， 使得传感光纤布拉格光栅 3 的反射光信号 5 。
17、随之发生变化， 经过光电转换后表现为电信号6发生变化， 通过对电信号6进行解调即可知 道引起传感光纤布拉格光栅 3 反射谱变化的外界作用信息。 0023 当有故障的轴承 1 工作时， 其故障点与其余部件的碰撞， 会向外发出瞬时尖峰脉 冲， 即声发射信号 2， 声发射信号 2 属于应力波， 被耦合于轴承附近材料表面的传感光纤布 拉格光栅3接收到， 改变了传感光纤布拉格光栅3的栅区周期长度， 同时由于弹光效应引起 栅区折射率变化， 导致传感光纤布拉格光栅 3 的中心发射波长发生变化， 反射谱发生左右 漂移， 输出调制光信号 5。 0024 调制光信号 5 经光电转换为电信号 6。调制光信号 5 经。
18、过数次反射、 光纤接口、 光 路损耗等， 信号极其微弱， 且具有较宽频带， 故此处需用频带宽、 信噪比高、 转换速度快的光 电探测器。 0025 对电信号6进行放大、 采集7时， 应选用频带宽、 信噪比高的放大器及高速采集卡。 0026 将电信号 6 放大、 采集到计算机中后， 进行共振解调处理 8。由于有故障的轴承运 行时， 故障点与其余部件的碰撞发出的声发射信号 2 属于瞬时脉冲信号， 它具有信号频谱 宽、 低频信号含量丰富等特点， 这也使得声发射信号 2 常常被低频干扰信号淹没， 不能得到 有效分析。共振解调算法则从声发射信号 2 的高频信号含量出发 ： 由于声发射信号 2 具有 较宽的。
19、频谱， 因此它能够引起轴承本身的高频共振， 通过一个带通滤波器将低频干扰信号 和超高频干扰信号滤除， 得到经共振放大的高频信号， 其中亦含有轴承的故障信息。再对 放大后的高频信号进行解调 ： 使用希尔伯特变换 （包络检波） 提取出高频信号的波形， 再经 过低通滤波滤除高频干扰信号， 得到包含轴承故障信息的低频信号， 经 FFT 变换后， 得到声 发射信号 2 的频谱， 通过轴承故障的理论公式或经验公式 （图 3） 得到的故障频率即可得知 轴承的故障类型。由于实际上解调的是高频共振信号， 因此在轴承故障早期信号强度较小 时， 也能由于信号的共振 （信号的共振起着放大作用） ， 检测到清晰的故障信。
20、号， 真正实现了 直升机轴承故障的早期检测和类型识别。图 4 是共振解调算法示意图。图 5、 6 是应用本方 法对实际故障轴承 （外圈点蚀故障） 检测时的情况 ： 在轴转速分别为 600r/min 和 1200r/min 时， 采用压电陶瓷声发射传感器与光纤光栅声发射传感器采集的滚动轴承故障时域数据利 用共振解调算法之后， 得到的频域数据。 0027 通过对比发现 ： 光纤光栅声发射和压电陶瓷声发射检测方法所采集到的信号均能 有效地反映出轴承外圈故障频率及其倍频。 压电陶瓷声发射传感器采集到的信号在分析故 障频率的边频时， 受到谱底噪声的干扰较为严重 ； 而光纤光栅声发射传感器采集到信号谱 说。
21、 明 书 CN 103344432 A 5 4/4 页 6 底较为干净， 有利于分析出故障频率及其倍频， 同时能较好地分辨出故障频率的边频成分， 这样将有助于分析故障的严重程度， 边频越多， 且边频的幅值占主频幅值的比例越高， 则故 障越严重。 因此， 光纤光栅声发射检测方法效果更好。 一般来说， 转速越高(600r/min)， 故 障频率越明显 ； 直升机轴承的工作转速普遍较高， 本方法有很强的针对性。 0028 图 5、 6 中光栅传感器采集到信号谱底较为干净， 是因为传感器本质上没有压电传 感器固有的振荡特征。压电陶瓷声发射传感器采集的声发射信号是声发射源的声发射信 号与压电陶瓷传感器自。
22、身的声发射波振荡信号的叠加 （加上电磁干扰等信号） ， 因此基础噪 声较多， 故障频率的谱线在背景谱底中不易分辨。而采用光纤光栅声发射检测器则不存在 这样的问题， 因为光纤光栅传感器本身并不存在一个声发射波在传感器内部往复振荡的问 题。 这是进行轴承故障信号采集时采用光纤光栅传感器比压电陶瓷传感器根本原理上的优 势。同时， 本方法具有不受电磁干扰影响的特点。光纤光栅声发射传感器较轻， 在安装和固 定上， 也具有独特的优势 ； 如需封装可以根据被测轴承 （座） 尺寸和形状对传感器基底材料 （有机玻璃） 进行适应性加工， 通过增大耦合面积提高耦合效率。 0029 在实施直升机轴承故障检测时， 可结。
23、合日常维护工作， 在地面试车时转速稳定状 态下进行， 适用于尾传动轴支撑轴承、 旋翼支撑轴承、 尾桨操纵盘轴承、 发动机、 发电机等直 升机滚动轴承以及其他旋转机械中轴承的故障检测。 0030 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述， 以便于本技术领的技术人 员理解本发明， 但应该清楚， 本发明不限于具体实施方式的范围， 对本技术领域的普通技术 人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内， 这些变 化是显而易见的， 一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 说 明 书 CN 103344432 A 6 1/5 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103344432 A 7 2/5 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103344432 A 8 3/5 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103344432 A 9 4/5 页 10 图 5(a) 图 5(b) 说 明 书 附 图 CN 103344432 A 10 5/5 页 11 图 6(a) 图 6(b) 说 明 书 附 图 CN 103344432 A 11 。