[发明专利]用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法

说明书

本发明公开了一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，包括可调激光器、光纤、光环形器、光栅、光探测器及数据采集系统；刻写在光纤上的所述光栅固定在主轴表面；可调激光器的输出波长通过以下方法确定：首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；然后利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个，在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

技术领域

本发明涉及机械测量领域，尤其涉及一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法。

背景技术

减小误差一直是高精度机床追求的目标。主轴受力变形是机床误差的主要来源。为了减小变形，机床主轴的设计刚度往往极高，因而产生的应变极小。由于灵敏度不足，用现有的应变片和光纤光栅传感系统很难测到应变信号，无法用于主轴故障监测。现有机床主轴故障方法，往往只能采用加速度振动传感器、声发射传感器等间接方式测量振动信号，作为故障判定条件。

加速度传感器采集主轴振动信号，用于反应主轴故障目前已经形成较为完善的理论体系，但是加速度信号受干扰因素较多，往往混有非监测部位的振动信息(如设备其他部位振动也会通过机体传递到传感器)，所以在使用加速度信号作为故障诊断依据时，都要对信号进行繁琐的信号处理与智能识别工作，才能在众多频率信号中准确找到与待诊断部件故障特征频率一致的信号分量，才能实现正确的实时故障信号监测。

应变型故障监测系统，具有“贴哪测哪”的特点——应变传感器只反映粘贴部位的应变变化，因而受其他振源影响较小。相比振动传感器，信号干扰因素少得多，是设备故障诊断的新发展方向，目前国际上已有学者开始探索研究，解决了一些低刚度机械结构的故障诊断问题。但是对于机床主轴这样的高刚度结构，还未见突破。如何大幅提高故障诊断系统中应变传感测量的灵敏度，扩大测量频率带宽是困扰该领域的一个技术难题。

发明内容

本发明主要目的在于：提供一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法，能够每次测量均处于最大灵敏度状态。

本发明所采用的技术方案是：一种用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统，包括可调激光器、光纤、光环形器、光栅、光探测器及数据采集系统；其中，刻写在光纤上的所述光栅固定在主轴表面；

可调激光器发出的激光，通过光纤经过光环形器后到达位于主轴的外表面的光栅检测主轴应变带来的波长变化，反射回光经光环行器后从光探测器转换为电信号，由数据采集系统采集；

所述可调激光器的输出波长通过以下方法确定：

首先逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；然后利用多项组合高斯函数对逐点扫描的反射光谱分布数据进行拟合；再对多项高斯函数拟合结果的二阶导函数求零点；所得零点至少有1个，在每个零点处计算多项高斯拟合函数一阶导的值，其中最大的多项高斯拟合函数一阶导的值对应的波长即为最佳工作波长；将可调激光器的输出波长调至最佳工作波长，主轴故障监测系统即可获得超高灵敏度。

按上述方案，所述光纤的末端设有用于消除反射回光干涉的光纤隔离器。

按上述方案，所述的光纤隔离器末端的光纤端面采用斜端面处理。

按上述方案，所述的数据采集系统包括数据采集卡和计算机，所述光探测器的输出端通过数据采集卡与计算机连接，计算机用于监测反射回光的反射光谱分布数据，并计算最佳工作波长后调节所述可调激光器。

一种所述用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统的优化方法，本优化方法包括以下步骤：

S1、逐点扫描并记录反射回光的反射光谱分布数据；