滑动轴承油膜厚度光纤检测传感器设计与实验研究

摘要

随着测量技术的不断发展，用于大型旋转机械滑动轴承油膜厚度的检测技术也得到了迅速发展。针对润滑油膜厚度的微位移测量，既要保证一定的安装距离,又要满足较大的灵敏度和合适的测量范围，且出射光纤输出的微弱光照信号处理后稳定、准确。本文针对一种基于大芯径多模光纤的反射式光强调制型光纤位移传感器（ Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Displacement Sensor，简写为RIM-FODS），对传感器的探头结构和参数进行了设计优化，并对光纤出射反射端微弱信号的检测处理电路进行了设计和实验研究，具体完成了以下研究工作： 首先介绍了光纤位移传感器对大型旋转机械润滑轴承油膜厚度测量的研究意义和发展现状，并对润滑油膜的测量方法做了简要概述。 接着对滑动轴承最小油膜厚度的理论计算进行了论述，并以单点测量为例进行了实际测量分析。着重对RIM-FODS进行了分析研究，包括检测原理、探头结构及其光场分布,完成了准高斯分布光场条件下的光强调制函数建模，对影响参数进行了仿真分析并总结了对调制函数曲线的影响特性，为光纤探头结构的优化和设计参数的选择奠定了理论基础，最终确立了具体方案。 然后对系统的关键组成部件（光纤、光源）进行了选取并完成了RIM-FODS微弱信号处理电路的设计、仿真和测试。信号处理检测电路包括光电转换电路、陷波电路、滤波设计电路、比值处理电路四个主要模块，完成了电路部分的软件仿真和PCB设计制作，对制作完成的PCB进行了调理测试并搭建实验光学平台，利用RIM-FODS系统完成了润滑油膜厚度测量的性能标定实验。 最后的仿真和实验结果表明：建立的RIM-FODS测量模型合理，设计完成的信号检测处理电路可以理想的实现微弱光强信号的测量功能，背景光滤除效果明显，并且设计的信号检测电路性能良好、稳定且可用性强，能够精确地将小信号进行放大，输出信号稳定，噪声低，失调小。在油膜厚度静态标定实验中，线性量程在1200μm~2700μm的灵敏度可以达到6.0mV/μm,满足检测要求，证明了信号采集系统效果良好。

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2.1.1 圆轴承最小油膜厚度理论值计算

2.1.2 测量原理理论分析

2.1.3 油膜厚度检测的目的和要求

2.2.1反射式光纤位移传感器工作原理

2.2.2 传感器探头结构与光场分析

2.2.3反射式光纤位移传感器光强调制函数建模

2.3.1 主要特征参数介绍

2.3.2反射式光纤位移传感器特征参数对传输特性的影响分析

2.3.3特性参数对光强调制特性的影响规律

2.3.4光纤传感器参数确定

3.2.1光纤选取

3.2.2光源选取

3.3.1供电电源

3.3.2主要芯片介绍

3.3.3过压保护设计

3.3.4光探测电路设计

3.3.5陷波电路设计

3.3.6滤波电路设计

3.3.7除法电路设计

3.3.8组合电路分析

4.1.1 除法电路模拟测试

4.1.2系统电路模拟测试

4.2.1实验系统构成

4.2.2电源纹波测试

4.2.3 系统电路动态实验测试

4.2.4 信号探测背景光滤除效果测试