基于光纤传感技术的轴向力测力环装置的制作方法

本技术涉及测力环制备领域，特别涉及一种基于光纤传感技术的轴向力测力环装置。

背景技术：

1、燃气轮机的转子轴向力主要由位于压气机前端的滚珠轴承来承担，轴向力过大或过小都会影响滚珠轴承的寿命，为了保障发动机的安全，在每个发动机出厂前都需要对其进行轴向力测试。测力环是一种很好的弹性敏感元件，可以将外界施加的力转换为应变进行线性输出，相当于一个力传感器，目前主要用于桥梁锚索应力和发动机转子轴向力的测量；光纤光栅作为光纤无源器件之一，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点，在监测应力、应变以及温度等领域具有广泛的应用。

2、现有的轴向力测力环还存在以下问题：一、测力环产生的应变是由轴向力以及温度变化引起的热胀冷缩共同导致的，现有轴向力测力环没有考虑由温度变化引起的热胀冷缩导致的测力环应变，这样导致测量结果误差偏大；二、现有的轴向力测力环大部分采用应变片来测量测力环产生的形变，而应变片电路在工作时极易受电磁干扰的影响而产生数据波动的现象；三、现有的测量方法需要将应变片通过焊接工艺固定于测力环表面进行测量，一旦装置发生损坏则需更换应变片，测力环表面残余焊点即使经过打磨处理后重新焊接也会对测量精度产生一定程度的影响，且维修成本巨大，实用效率很差。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，解决了现有的轴向力测力环所存在的上述问题。本实用新型的轴向力测力环装置结构简单、低成本、易于维修，能够在150℃的高温条件下不受电磁干扰影响，能够准确测量轴向力。

2、本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

3、基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，包括测力环、应变传感器和温度补偿传感器，所述测力环的正面具有9个高凸台a～i(1、3、5、7、9、11、13、15、17)，反面具有9个低凸台a～i(2、4、6、8、10、12、14、16、18)，正反两面各9个凸台沿轴线上下交替均匀分布，选择其中一个高凸台设置防转销钉孔(19)，并配以防转销钉将测力环固定于燃气轮机的轴承与轴承座之间的位置；所述应变传感器为固定在测力环上的光纤光栅应变计，该光纤光栅应变计通过紫外线硬化树脂聚合物粘贴于测力环表面；所述温度补偿传感器为一端固定在测力环上的光纤光栅温度计，该光纤光栅温度计通过紫外线硬化树脂聚合物单端悬浮粘贴于测力环表面。

4、所述的光纤光栅应变计固定于高凸台c(5)和低凸台c(6)中间位置的上腹板表面，固定方式选用紫外线硬化树脂聚合物进行均匀厚度的涂抹粘贴。

5、所述的光纤光栅温度计固定于高凸台g(13)和低凸台g(14)的中间位置的上腹板表面，粘贴材料选用紫外线硬化树脂聚合物，只粘贴光纤光栅温度计的一侧，尾纤一侧悬浮于测力环上腹板表面，以确保光纤光栅温度计测量温度的同时不受应变的影响。

6、所述的测力环的制备材料显高强度合金渗碳钢。

7、所述的测力环外直径280mm、内直径250mm、腹板高6mm。

8、所述的高凸台的高度为2mm、低凸台的高度为0.24mm，轴向挠度范围为0～0.24mm。

9、在进行轴向力测量时，将本实用新型的测力环21安装于燃气轮机转子轴承座20与轴承22之间的预留位置，发动机转子所产生的轴向力会作用在本实用新型测力环的高凸台a～i(1、3、5、7、9、11、13、15、17)上，由于轴向力对测力环的作用会导致测力环腹板产生一定程度的轴向应变，同时，本实用新型温度会随着发动机工作时间的增加从室温逐渐上升至150℃，温度变化引起的热胀冷缩也会导致测力环腹板表面产生一定程度的轴向应变，通过固定在测力环表面的应变传感器即可测得由测力环腹板轴向应变引起的应变传感器中心波长的变化；通过固定在测力环表面的温度补偿传感器可以测得由测力环温度变化引起的温度补偿传感器中心波长的变化。温度补偿传感器中心波长变化量乘以温补光栅温度膨胀系数即为测力环温度的变化量，测力环温度的变化量乘以应变光栅温度膨胀系数即为由温差引起的应力传感器中心波长变化量，应变传感器中心波长变化量减去由温差引起的应变传感器中心波长的变化量即为由轴向力引起的应变传感器中心波长的变化量，最后轴向力引起的应变传感器中心波长的变化量乘以相应的应力系数即可得到燃气轮机转子轴向力的值。

10、本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过测力环结构将燃气轮机转子产生的轴向力转换为测力环腹板的应变进行输出，设置在测力环表面的光纤光栅应变计和光纤光栅温度计将测力环腹板的应变以及测力环温度转化为光纤光栅中心波长的变化量输出到外部的解调仪，整个装置将所需测量的物理信号转化为不受电磁干扰的光信号进行输出，解决了目前该领域所受到的电磁干扰问题。测力环两侧高凸台和低凸台高度不同，当相邻高低凸台相对形变达到0.24mm时，低凸台一侧腹板紧贴轴承表面，测力环会停止对轴向力的测量，实现对燃气轮机轴承形变的控制，保证燃气轮机运行时的安全。当利用光纤光栅传感器对应变和温度的传感特性，在光纤光栅应变计的基础上增加了光纤光栅温度计作为温度补偿，剔除了测力环腹板应变中由温度变化引起热胀冷缩导致测力环腹板产生的应变，减小了由温度引起的测量误差，提高了装置的测量精度。光纤光栅传感器采用紫外线硬化树脂聚合物进行粘贴，相比传统的将应变片直接焊接在测力环表面的工艺，制作方法简单，成本更低，且在装置发生故障时只需更换光纤光栅传感器并再次用紫外线硬化树脂聚合物粘贴即可；而传统的应变片拆除后的残留焊点可能会影响测量精度，需要对测力环表面残留的焊点进行打磨甚至更换测力环，相比之下本实用新型维修方法更加简单，维修成本更低。实用性强。

技术特征：

1.一种基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：包括测力环、应变传感器和温度补偿传感器，所述测力环的正面具有9个高凸台a~i（1、3、5、7、9、11、13、15、17），反面具有9个低凸台a~i（2、4、6、8、10、12、14、16、18），正反两面各9个凸台沿轴线上下交替均匀分布，在高凸台a（1）处设置防转销钉孔（19），并配以防转销钉将测力环固定于燃气轮机的轴承与轴承座之间；所述应变传感器为固定在测力环上的光纤光栅应变计，该光纤光栅应变计通过紫外线硬化树脂聚合物粘贴于测力环表面；所述温度补偿传感器为一端固定在测力环上的光纤光栅温度计，该光纤光栅温度计通过紫外线硬化树脂聚合物粘贴于测力环表面。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：所述的光纤光栅应变计固定于高凸台c（5）和低凸台c（6）中间位置的上腹板表面，固定方式选用紫外线硬化树脂聚合物进行均匀厚度的涂抹粘贴。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：所述的光纤光栅温度计固定于高凸台g（13）和低凸台g（14）的中间位置的上腹板表面，粘贴材料选用紫外线硬化树脂聚合物，只粘贴光纤光栅温度计的一侧，尾纤一侧悬浮于测力环上腹板表面，以确保光纤光栅温度计测量温度的同时不受应变的影响。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：所述的测力环的制备材料显高强度合金渗碳钢。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：所述的测力环外直径280mm、内直径250mm、腹板高6mm。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，其特征在于：所述的高凸台的高度为2mm、低凸台的高度为0.24mm，轴向挠度范围为0~0.24mm。

技术总结
本技术涉及一种基于光纤传感技术的轴向力测力环装置，属于测力环制备方法领域。包括测力环、应变传感器和温度补偿传感器，测力环的正反两面各9个凸台沿轴线上下交替均匀分布，其中一个高凸台处采用防转销钉孔结构将测力环固定于燃气轮机的轴承与轴承座之间；应变传感器为固定在测力环上的光纤光栅应变计，通过紫外线硬化树脂聚合物粘贴于测力环表面；温度补偿传感器为一端固定在测力环上的光纤光栅温度计，通过紫外线硬化树脂聚合物粘贴于测力环表面。优点在于：整个装置将所需测量的物理信号转化为不受电磁干扰的光信号进行输出，解决了目前该领域受到的电磁干扰问题；减小了由温度引起的测量误差，提高了测量精度；制作方法简单，成本低。

技术研发人员：张立超,仲志成,刘言明,张春明
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇三研究所
技术研发日：20230324
技术公布日：2024/1/12