Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении
Техническое решение относится к технике оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении, и может быть использовано как в процессе их эксплуатации, так и исследовании указанных характеристик при разработке. Рассматриваемые изделия, как правило, являются элементами различных двигателей, турбин, электрических машин, находящихся в контактном движении с другим изделием. Наиболее наглядным примером таких изделий является щеточно-коллекторный узел электрической машины, контролируемым изделием - его щетка, а измеряемыми параметрами - величина износа и температура щетки. Решаемая техническая задача заключается в повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, приходящегося на одно волокно, повышение точности измерений величины износа и температуры, упрощении конструкции устройства. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (фиг. 1) содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого размещен в изделии на глубине H равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя. Кроме того на отрезке длиной L измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель - как оптический циркулятор. Устройство может быть выполнено с использованием широкополосного источника непрерывного лазерного излучения, который имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, также лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур. Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной решетки Брэгга. Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки.
Техническое решение относится к технике оптических измерений одновременно нескольких параметров изделий, в частности к устройствам для измерения величины износа и температуры изделий при трении, и может быть использовано как в процессе их эксплуатации, так и исследовании указанных характеристик при разработке. Рассматриваемые изделия, как правило, являются элементами различных двигателей, турбин, электрических машин, находящихся в контактном движении с другим изделием. Наиболее наглядным примером таких изделий является щеточно-коллекторный узел электрической машины, контролируемым изделием - его щетка, а измеряемыми параметрами - величина износа и температура щетки.
Устройства для измерения величины износа и температуры изделий при трении выполняются, как правило, встроенными в контролируемое изделие, и, например, содержат расположенные в изделии два контрольных электрических проводника, изолированных от тела изделия, на определенной глубине и регистрирующую аппаратуру (см. А.с. 1809481 СССР, МПК5 H01R 39/58. Устройство для контроля износа щетки / Н.Н. Павлуцкий; опубл. 15.04.1993, Бюл. 
14). При этом контролируется пороговая величина износа изделия, определяемая глубиной расположения контрольных электрических проводников, при достижении которой трущимися изделиями разрушается изоляция проводников, проводники замыкаются элементами второго трущегося изделия и в систему регистрации поступает электрический сигнал о достижении порога износа.
Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа. Кроме того, в ряде применений, например, в электрических машинах, на контрольные электрические проводники может поступить высокое напряжение питания двигателей, что может привести к выходу из строя измерительной части устройства или потребовать применения специальных дополнительных мер по развязке измерительной части по напряжению.
Известно волоконно-оптическое устройство для контроля величины износа изделий (см. Пат. 4884434 США, 73/7, G01M 11/08. Датчик износа / Т. Сатаке, Е. Имада; опубл. 05.12.1989), которое содержит в качестве встроенных контрольных проводников несколько петель из отрезков волоконно-оптических световодов, расположенных на различной глубине изделия. Каждый отрезок подключен к источнику лазерного излучения и детектору. При достижении величины износа глубины залегания первой петли отрезок волоконно-оптического световода разрывается, что приводит к формированию на выходе детектора сигнала о соответствующей величине износа, и т.д.
Данное устройство позволяет избавиться от недостатков устройств, использующих электрические контрольные проводники и возможности поступления высоковольтных напряжений на измерительные схемы. Недостатком устройства является отсутствие контроля температуры, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения. Для измерения температуры необходима установка дополнительного датчика. Кроме того, обеспечивается лишь пороговая индикация величины износа, хотя и формируется несколько порогов измерения.
Прототипом технического решения является устройство (см. Пат. 8571813 США, 702/34, G01/N 3/56. Волоконно-оптическая сенсорная система для определения износа поверхностей / Джонстон Р.Т.; опубл. 29.10.2013), которое содержит последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого размещен в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, а на втором конце измерительного волоконно-оптического световода дополнительно сформирован участок из переизлучающего материала.
Прототип работает следующим образом. Переизлучающий материал возбуждается импульсным излучением источника лазерного излучения через светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод и переизлучает световую энергию на другой длине волны в результате, например, люминесценции. Таким материалом может быть фосфор. Для измерения величины износа и температуры изделия при трении используются характеристики переизлучающего материала. Детектор, отличающийся возможностью проведения как амплитудных, так и спектральных измерений с определением длин волн поступающего на него излучения, регистрирует через светоделитель и передающий волоконно-оптический световод излучение от переизлучающего материала и определяет величину износа по амплитудным характеристикам переизлучения, изменяющимся при стирании переизлучающего материала, и температуру - по спектральным характеристикам переизлучения, а именно, зависящей от температуры длине волны переизлучения.
Прототип в отличие от описанных выше аналогов позволяет одновременно измерять как величину износа, так и температуру изделия, которая имеет большое значение для оценки процесса и условий трения, и соответственно к оценке качества работы изделия в целом.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, определяемая, в том числе, необходимостью использования химически активного переизлучающего материала, его установки в изделие и обеспечения надежного контакта с волоконно-оптическим световодом. Использование переизлучающего материала, позволяет постоянно контролировать величину износа, однако, используется относительно небольшая толщина переизлучающего материала, что приводит к необходимости использования нескольких волокон, расположенных в изделии на различных глубинах, для обеспечения заданного диапазона измерений величины износа. Сам метод измерения величины износа громоздок и сложен при реализации. Следует отметить относительно невысокую точность и измерения температуры при использовании метода люминесценции.
Решаемая техническая задача заключается в повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, приходящегося на одно волокно, повышение точности измерений величины износа и температуры, упрощении конструкции устройства.
Решаемая техническая задача в устройстве для измерения величины износа и температуры изделия при трении, содержащем последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, достигается тем, что на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор.
Источник непрерывного лазерного излучения может быть выполнен широкополосным и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, также лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.
Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной решетки Брэгга.
Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства с изделием.
На фиг. 2 представлен алгоритм работы контроллера определения величины износа и температуры изделия при трении.
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (фиг. 1) содержит последовательно соединенные источник 1 лазерного излучения, оптический циркулятор 2, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод 3, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод 4, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода 4 соединен со вторым выходом оптического циркулятора 2. Кроме того на отрезке длиной L измерительного волоконно-оптического световода 3 в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик 7 величины износа и температуры изделия 8 при трении, размещенный в изделии 8 на глубине H равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности, источник 1 лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения.
Устройство может быть выполнено с использованием широкополосного источника 1 непрерывного лазерного излучения и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7, также лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.
Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга.
Устройство может быть выполнено с использованием внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки.
Рассмотрим работу устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении.
Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник лазерного излучения 1, детектор 5 и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 к источникам питания, осуществляют запись программы обработки сигнала согласно алгоритму приведенному на фиг. 2 в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6. В изделии 8 располагают часть измерительного волоконно-оптического световода 3, второй конец которого размещен в изделии 8 на глубине H равной или меньшей расстояния R до трущейся поверхности изделия 8 и какого-либо другого изделия (на фиг. 1 не показано). При этом на отрезке длиной L измерительного волоконно-оптического световода 3 в области его второго конца (расстояние от края оптического датчика до края измерительного оптического световода должна быть не менее требуемой разрешающей способности измерения величины износа изделия при трении) сформирован внутриволоконный оптический датчик 7 величины износа и температуры изделия при трении. Внутриволоконный оптический датчик 7 может быть построен на основе внутриволоконной решетки Брэгга, а так же - на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки. Расстояние H-L=P величина постоянная и определяет разницу между глубиной установки внутриволоконного оптического датчика и его длиной. Величина P может быть равно 0, а R=H, что и будет принято для упрощения пояснения работы устройства.
Тогда величина износа изделия при трении будет определяться как:
т.е. для измерения величины износа изделия при трении осуществляют измерение длины внутриволоконного оптического датчика 7.
Для измерения температуры изделия при трении производят измерение центральной резонансной длины волны 
i рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7, которая при калиброванном значении температуры TC после установки в изделие равна для решетки Брэгга:
а для длиннопериодной решетки:
где n - эффективный показатель преломления основной моды сердцевины решетки Брэгга; 
n - разность эффективных показателей преломления сердцевины и оболочки длиннопериодной решетки; 
BG и LPG - соответственно период решетки Брэгга и длиннопериодной решетки (См. Васильев, С.А. Волоконные решетки показателя преломления и их применения / С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, 12. - С. 1085-1103).
При изменении температуры изменяется центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика, которая является функцией температуры изделия, а ее изменение описывается следующим выражением для внутриволоконной решетки Брэгга, встроенной в изделии:
где T - изменение температуры; 
- коэффициент теплового расширения кварцевого стекла.
Соотношение (3) дает типичный сдвиг BG в зависимости от температуры ~0,01 нм/°C. (См. там же).
Для внутриволоконной длиннопериодной решетки определяется сдвиг LPG
Соотношение (4) дает типичный сдвиг LPG в зависимости от температуры ~0,1 нм/°C. (См. там же).
Таким образом, измерение температуры будет определяться зависимостью:
или, выраженное через температуру из уравнений (2)-(5) и из условий:
где 
- измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7; TM - измеряемая температура изделия, i - BG или LPG, в зависимости от типа решетки на которой выполнен внутриволоконный оптический датчик 7.
Для измерения температуры источник 1 лазерного излучения генерирует непрерывное излучение. Данное излучение через оптический циркулятор 2, поступает на измерительный волоконно-оптический световод 3 и через него во внутриволоконный оптический датчик 7.
Рефлектометрический отклик внутриволоконного оптического датчика 7 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход оптического циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям , заложенным калибровочным значениям i, TC, i/T и в соответствии с (7) определяется температуры изделия при трении. Полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).
Для измерения величины износа изделия при трении используется та же процедура, что и для измерения температуры до момента обработки информации о рефлектометрическом отклике внутриволоконного оптического датчика 7 в детекторе 5.
Внутриволоконный оптический датчик 7 формирует рефлектометрический отклик с амплитудой Ai на центральной резонансной длине волны , которая является функцией от его длины L.
Для внутриволоконного оптического датчика 7, выполненного на основе внутриволоконной решетки Брэгга, эта функция может быть описана следующим выражением:
где кBG - коэффициент связи внутриволоконной решетки Брэгга, который для однородных внутриволоконных решеток Брэгга постоянен (См. там же).
Для внутриволоконного оптического датчика 7, выполненного на основе внутриволоконной длиннопериодной решетки, эта функция может быть описана следующим выражением:
где кLPG - коэффициент связи внутриволоконной длиннопериодной решетки, который для однородных внутриволоконных длиннопериодных решеток постоянен (См. там же).
Из приведенных выражений видно, что при изменении L, которое в нашем случае будет вызвано износом изделия и соответствующим уменьшением длины внутриволоконного оптического датчика 7, будет происходить изменение амплитуды его рефлектометрического отклика: в случае использования внутриволоконной решетки Брэгга в соответствии с выражением (8), в случае использования внутриволоконной длиннопериодной решетки в соответствии с выражением (9).
Определим зависимости Li(Ai) для внутриволоконного оптического датчика 7:
- при использовании внутриволоконной решетки Брэгга
- при использовании длиннопериодной решетки
Таким образом, рефлектометрический отклик внутриволоконного оптического датчика 7 через измерительный волоконно-оптический световод 3, первый и второй выход оптического циркулятора 2, передающий волоконно-оптический световод 4 поступает на детектор 5, в котором регистрируется Ai - измеренная центральная резонансная длина волны рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика 7. Полученная информация поступает в контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6, в котором по полученным значениям A i, заложенным значениям кi, R, в соответствии с (10) для случая использования решетки Брэгга (i=BG) и в соответствии с (11) для случая использования длиннопериодной решетки (i=LPG) из (1) определяется величина износа R изделия при трении, полученное значение поступает на устройство отображения информации (на фиг. 1 устройство отображения информации не показано).
Преимущества использования внутриволоконного оптического датчика 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга и внутриволоконной длиннопериодной решетки заключаются в уникальном преобразовании измеряемой температуры в смещение длин волн, отраженного от них излучения, и в возможности простого изготовления. При этом сам внутриволоконный оптический датчик 7 является неотделимой частью измерительного волоконно-оптического световода 3, что еще больше упрощает конструкцию устройства по сравнению с прототипом. Кроме того, как было показано выше, решетки способны одновременно измерять и величину износа. При типовых значениях длин внутриволоконных решеток Брэгга 5-30 мм и внутриволоконных длиннопериодных решеток 20-60 мм только одно волокно требуется для измерения величины износа изделия при трении на указанную величину.
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении может быть реализовано с использованием различных типов измерительных волоконно-оптических световодов 3 и передающих волоконно-оптических световодов 4, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач: диапазона измеряемых температур, физико-химических свойств изнашиваемого материала и т.д. Это могут быть кварцевые, германиевые, полимерные, сапфировые и др. волоконно-оптические световоды. Во всех указанных волоконно-оптических световодах могут быть сформированы внутриволоконные оптические датчики 7 на основе решеток Брэгга или длиннопериодных решеток.
Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм:
- источника 1 лазерного излучения для получения непрерывного широкополосного излучения SLD-1550-3 - лазерный диод фирмы «Super-lum»;
- оптический циркулятор 2 - циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;
- измерительный волоконно-оптический световод 3 и передающий волоконно-оптический световод 4 - волоконно-оптический световод SMF-28 фирмы «Corning»;
- внутриволоконный оптический датчик 7 на основе внутриволоконной решетки Брэгга или длиннопериодной решетки, записанных на волокне SMF-28 в НЦВО «Фотоника» (Москва), НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), Инверсия-Файбер (Новосибирск), Инверсия-Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSense;
- детектор 5 - LSIPD-175-FA волоконно-оптические InGaAs PIN фотоприемники (приемные модули) фирмы IFP;
- контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении 6 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.
При реализации устройства для измерения величины износа и температуры изделия при трении все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.
По сравнению с устройством по прототипу, для измерения величины износа и температуры изделия при трении с помощью оптических датчиков, включая датчики с переизлучающим материалом, в том числе выполненные на едином кристалле или в интегральном исполнении, у которых существует зависимость рефлектометрического отклика по амплитуде от величины износа и по длине волны их спектральной характеристики от температуры, предложенное устройство внутриволоконного оптического датчика не требует:
во-первых, значительного количества измерительных волоконно-оптических световодов для перекрытия всего диапазона измеряемых величин износа и позволяет непрерывно измерять износ в пределах 5-30 мм для решеток Брэгга и 20-60 мм для длиннопериодных решеток, при этом одновременно проводить измерение температуры;
во-вторых, применения химически активных переизлучающих материалов, например, фосфора, что позволяет избежать сложностей стыковки указанного материала с оптической частью прибора и самой его эксплуатации, а также позволяет изготавливать цельный измерительный волоконно-оптический световод с встроенным в него без механических соединений внутриволоконным оптическим датчиком.
Указанное выше, позволяет судить о существенном упрощении конструкции устройства в целом.
Испытания опытного устройства измерения величины износа и температуры изделия при трении, выполненных на внутриволоконных решетках Брэгга, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), откалиброванных на оптических анализаторах спектра EXFO там же, показали, что использование устройства на одном измерительном волоконно-оптическом световоде для измерения величины износа позволило измерить износ в диапазоне до 25 мм с разрешающей способностью в 100 мкм и температуру изделия при трении в диапазоне до 180°C при погрешности измерения температуры 0,1°C. При этом погрешность измерения величины износа и температуры определялась в основном погрешностью АЦП контроллера определения величины износа и температуры и значительно превышает погрешности измерения прототипа.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи - повышении диапазона непрерывного измерения величины износа, приходящегося на одно волокно, повышение точности измерений величины износа и температуры, упрощении конструкции устройства.
1. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении, содержащее последовательно соединенные источник лазерного излучения, светоделитель, и, как минимум, один измерительный волоконно-оптический световод, второй конец которого предназначен для размещения в изделии на глубине, равной или меньшей расстояния до трущейся поверхности, а также последовательно соединенные, как минимум, один передающий волоконно-оптический световод, детектор и контроллер определения величины износа и температуры изделия при трении, причем первый конец передающего волоконно-оптического световода соединен со вторым выходом светоделителя, отличающееся тем, что на отрезке измерительного волоконно-оптического световода в области его второго конца сформирован внутриволоконный оптический датчик величины износа и температуры изделия при трении, источник лазерного излучения выполнен как источник непрерывного лазерного излучения, а светоделитель как оптический циркулятор.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник непрерывного лазерного излучения выполнен широкополосным и имеет спектральный диапазон излучения, ширина которого перекрывает ширину спектрального рефлектометрического отклика внутриволоконного оптического датчика, лежащего в этом спектральном диапазоне, во всем диапазоне измеряемых температур.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная решетка Брэгга.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутриволоконный оптический датчик выполнен как внутриволоконная длиннопериодная решетка.
