（机械工程专业论文）基于光纤bragg光栅传感的机床主轴温度测量研究.pdf

摘要 现代精加工中，热误差以占总误差4 0 - 7 0 的影响比例成为限制数控机床 精加工精度的重要因素。因此，控制机床热误差对于提高机床加工精度至关重 要。目前，误差补偿法是减小热误差最主要的方法，而进行热误差补偿，首先 必须检测得到机床温度场，但是传统的测温系统存在诸多不足。相比而言，光 纤b r a g g 光栅温度传感器不仅安全可靠、抗电磁干扰、耐腐蚀、而且体积小、结 构简单，测温时具备输出线性，还可实现准分布式式测量，从而成为机床测温 的另一选择。 裸光纤光栅一般无法直接应用于工程实际当中，对光纤b r a g g 光栅进行封装 设计是其走出实验室研究，走向实用化的关键。纵观光纤光栅测温应用的研究 可以发现，虽然光纤b r a g g 光栅运用到各种测试环境中的封装研究很多，但将光 纤b r a g g 光栅应用于物体表面温度测量的封装研究却很少有人开展。基于此，本 文通过理论分析与实验研究，改进了一种封装设计，将光纤b r a g g 光栅传感技术 应用到机床主轴表面的温度测量上来，并通过与另一套参考测温系统进行测温 对比，研究了改良后的封装结构实际测温效果。 本文首先介绍了当前对机床温度场实际测量研究的情况，以及将光纤b r a g g 光栅作为温度传感器的研究现状，继而确定了将光纤b r a g g 光栅应用于机床主轴 部件温度测量的思路；然后，对光纤光栅传感的基本原理进行了阐述，介绍了 光纤b r a g g 光栅的应变、温度传感模型及交叉敏感问题，着重分析了光纤b r a g g 光栅温度传感封装研究的意义、要求及主要方法；同时，研究了裸光纤光栅的 测温静态特性，借鉴并改进了一种盒式封装结构光纤b r a g g 光栅温度传感器，以 实验及仿真的方法研究了它的测温性能；接着，针对机床主轴设计并搭建了两 套测温系统，热电阻测温系统及光纤光栅测温系统，以热电阻测温系统作为参 照，分别以裸光纤光栅及盒式封装后的光纤光栅进行机床主轴温度测量对比研 究，发现盒式封装后的光纤b r a g g 光栅温度传感器具有良好的测温性能，实现了 光纤b r a g g 光栅应用于对象表面温度测量的目的；最后对论文的研究成果及存在 的问题进行了总结，并对未来研究工作进行了展望。 关键词：光纤b r a g g 光栅，封装，机床主轴，温度测量 a b s t r a c t n o w , i nf i n i s hm a c h i n i n g ，t h e r m a le r r o rc a l lc o n t r i b u t e4 0 一7 0 t ot h et o t a l e r r o ro faw o r k p i e c et h a ti tb e c o m e st h em a j o re f f e c tf a c t o rt ow o r k i n ga c c u r a c yo f c n cm a c h i n e e r r o rc o m p e n s a t i o ni st h em a i nm e t h o dt or e d u c et h et h e r m a le r r o r a n di m p r o v et h ea c c u r a c ya tp r e s e n t t oa c h i e v ec o m p e n s a t i o nw o r ko ft h e r m a le r r o r , t h ef w s ts t e pi st og e tt h et e m p e r a t u r ef i e l do fm a c h i n et o o l ，w h i l et h e r ea r es e v e r a l d e f i c i e n c i e si nt r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e ms y s t e m i nc o n t r a s t , f i b e rb r a g g g r a t i n g ( f b g ) t e m p e r a t u r es e n s o r 、 ，i 廿li t sv i r t u eb e c o m e sa na l t e r n a t i v et od e t e c tt h e m a c h i n et e m p e r a t u r e f b gi sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t y ，s m a l ls i z ea n ds i m p l es t r u c t u r e ； m o r e o v e r ，i ti sa n t i - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，t e m p e r a t u r e m c a s u r e m e m 、析t l ll i n c a r i t yo u t p u t , a n dc a nr e a l i z eq u a s i - d i s t r i b u t i o nm c a s u r e m e m b a r ef b gg e n e r a l l yc a nn o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt oa c t u a lp r o j e c t s e n c a p s u l a t i o n d e s i g ni st h ek e yf o rf b gt op r a c t i c a lu s er a t h e rt h a nl a b o r a t o r yr e s e a r c h i tc a nb e f o u n dt h r o u g h o u tt h es t u d yo ff b gt e m p e r a t u r es e n s o r , w h i l et h e r ea r cm a n y a p p l i c a t i o n st ok i n d so ft e s te n v i r o n m e n t 、析t l lp a c k a g i n gr e s e a r c h , f b gp a c k a g i n g s t u d yf o rs u r f a c et e m p e r a t u r em e a s u r e m e mi sl i t t l e c o n s e q u e n t l y ，晰mt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c h , t h ea u t h o rb o r r o w si d e af i o mo t h e r sd e s i g na n d i m p r o v e st h es t r u c t u r et h e na p p l i e sf b g t ot e m p e r a t u r em e 弱u r e m e n to fm a c h i n et o o l s p i n d l ea n ds t u d yt h ep r a c t i c ep e r f o r m a n c ec o m p a r e d 、析mar e f e r e n c et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e ms y s t e m f i r s t , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h es i t u a t i o na b o u ta c t u a lm e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ef i e l do fc n c m a c h i n ed o m e s t i ca n de x t e r n a l ，a sw e l la st h er e s e a r c ht h a t m a k i n gu s eo ff b g 嬲t e m p e r a t u r es e n s o r , a n dt h e nd e t e r m i n e st oa p p l yf b gt o t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to ft h em a c h i n et o o ls p i n d l e n e x t , t h et h e s i se x p l a i n st h e b a s i cp r i n c i p l eo ff i b e rg r a t i n gs e n s o r , d e s c r i b e sf b gs t r a i n , t e m p e r a t u r es e n s i n g m o d e la n dc r o s ss e n s i t i v ep r o b l e m ，a n a l y z e st h es i g n i f i c a n c eo fe n c a p s u l a t i o n , t h e r e q u i r e m e n t sa n dm e t h o d s a tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e so nt h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so fb a r ef b g ，t h r o u g hi m p r o v e m e n t , an e ws e n s o r 晰t l lc a s s e t t e p a c k a g es t r u c t u r ei sd e s i g n e d , t h e ns t u d yi t sp e r f o r m a n c eu s i n ge x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o nm e t h o d a f t e rt h a t ，t h ea u t h o r d e s i g n s t w os e t so ft e m p e r a t u r e m e 姗e m e ms y s t e m - r e s i s t a n c e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e ma n d 也ef b g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ef o r m e ri sar e f e r e n c es y s t e m ，b yt h ec o m p a r i n g e x p e r i m e n ts t u d yo fs p i n d l eu t i l i z i n gb a r ef b ga n dt h ec a s s e t t ep a c k a g es t r u c t u r e f b gf i n d st h a tt h ec a s s e t t ep a c k a g es t r u c t u r ef b gh a sg o o dp e r f o r m a n c ef o rs p i n d l e t e m p e r a t u r em e a s u 】孵m e n _ t r e a l i z e s t h e p u r p o s eo fa p p l y i n gf b gt o s u r f a c e t e m p e r a t u r em e 跚e m e m f i n a l l y ，a c h i e v e m e n t sa n dp r o b l e m so ft h i sp a p e ra r e s u m m a r i z e x ta n dt h ef u t u r er e s e a r c h e sa r ea l s op u tf o r w a r d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，e n c a p s u l a t i o n ，m a c h i n et o o l s p i n d l e ， t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在相当程度上，一个国家的工业生产能力和科学技术水平决定了它的制造 工业特别是机床工业的技术水平，透过机床工业的现代化水平和规模，便可了 解一个国家的工业发达程度。机床工业发展至今，加工精度的提高永远是设计 者们不懈的追求，几乎每2 5 年便提高一个数量级。自上世纪后期起，现代机械 制造技术对精密与超精密加工的精度要求越来越高，对反应国家制造实力的数 控加工设备加工精度要求的大致分类见表1 1 【l 】。 表1 1 现代机床加工精度分类 机床类型精度等级尺寸位置精度( 岬)尺寸轮廓精度( 岬) 通用 8 2 53 - 1 0 普通型高速 1 0 3 05 1 5 提高精度 3 81 3 精密级精密 0 3 30 1 l 超精密级超级精密 o o l 30 0 3 o 1 为保证和提高机床加工精度，必须控制好各种误差源。一般地说，影响数 控机床加工精度的主要误差源有： 1 ) 机床零部件和结构的几何误差； 2 ) 机床热变形误差： 3 ) 切削力引起的误差； 4 ) 其它误差源，如机床轴系的伺服误差，数控插补算法误差等等。 在上述机床的各种误差源中，热误差及几何误差为最主要的误差，但随着 制造技术的提高，几何误差得到了有效的控制和补偿，热误差继而成为机床的 最大误差源。高速精密加工机床由热变形引起的加工误差能占到总加工误差的 4 0 7 0 2 3 】，而且机床越精密，影响越大。 各机床部件中，主轴部件热变形是热误差的主要部分。在主轴轴承发热及 主轴箱内润滑影响下，产生的非均匀温度场致使主轴轴线抬升和倾斜，严重地 影响着机床的加工精度【l 。因此控制热误差对提高机床的加工精度至关重要。 实践证明，解决、减小热误差影响的最经济、最有效的方法是热误差热补 武汉理工大学硕士学位论文 偿法，热误差补偿法是通过建立热误差数学模型，将误差反馈到控制系统对机 床进行补偿，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度。热误差补偿过程中，温 度检测是实施热误差补偿的先决条件。因此，研究机床，特别是其主轴部件温 度场成为现代加工技术发展必须研究的重要问题。 现今对机床温度场的研究基本是通过大量试验直接测得，温度测量一般采 用如热电阻、热电偶、热敏电阻、红外热像仪等传统温度传感器。但是传统温。 度传感器构成的测温系统有诸多不足：热电偶精度较低、损耗大；热电阻抗干 扰能力差；热敏电阻线性度差、可靠性低；辐射式温度计精度低，抗干扰能力 差。而且传统的电类传感器一般以模拟信号输出，需要后续信号处理与a d 转 换电路的配合，再加上热误差补偿中大量布置测点时，需要大量的传感器和布 线，造成温度测量系统繁冗，并可能影响机床的正常工作。因此热误差补偿时， 期望建立一种更加简易、精度更高、更加稳定可靠、能适应机床工作环境的温 度测量系统。作为新型温度传感器之一的光纤光栅具备许多传统温度传感器无 法比拟的优势，因而可成为机床温度测量的一项研究尝试。 光纤光栅除了具有普通光纤传感器灵敏度高、体积小、质量轻、易弯曲、 不产生电磁干扰、不受电磁干扰、抗腐蚀性好等优点外，还有一些明显优于光 纤传感器的地方，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制，这决定了它的 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响， 还避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，而且 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤b r a g g 光栅进行准分布 式测量。因此我们迫切希望能够能发挥光纤光栅测温优势，满足各种测试需求。 机床测温系统有改进的需求，而光纤b r a g g 光栅也被证明是理想的测温元 件，由此本课题提出基于光纤b r a g g 光栅传感的机床温度测量的思路，期望将 近年来发展最为迅速、最具代表性的光纤无源器件之一的光纤b r a g g 光栅运用 到机械设备的温度测量中来。 1 2 机床温度场分布研究 机床温度场可以通过理论计算和实验方法来确定。理论计算是指通过数学 物理方法首先建立热传导方程式，然后再确定初始条件和边界条件，最后求解 这个定解得到温度场，求解采用解析法或数值分析法( 有限单元法、有限差分 法) ；实验方法通过使用如热电偶、热电阻、红外热像仪温度传感器直接测量得 2 武汉理工大学硕士学位论文 到机床温度场分布【j 。 理论方法能从本质出发解决问题，但由于机床传热过程复杂，边界条件难 以准确把握，从而限制了理论分析的精确度；实验法虽然能得到真实的温度， 但由于实际条件限制( 如温度传感器数量) ，不可能得到机床完整的温度场，另 外实验法的成本也比理论计算的成本高得多。不过，这两种方式具有很强的互 补性，因此，都得到了较为广泛的应用1 9 1 l 】。 国内外针对机床温度的监测研究都是基于工业实际应用，为热变形研究和 热误差补偿做前期准备工作，通过对机床温度分布的研究全面了解机床热特性， 从而实施补偿，因此温度测量是研究机床热变形的一个重要部分。有关测量仪 器，研究者们已经使用了热电偶、铂电阻温度计和热敏电阻，数字温度传感器 配合微处理器等等来测量机床不同部位的温度变化，最常用的是将热电偶和热 电阻打孔安装或粘连于机床部件表面，定期监测温度数据1 1 2 。1 3 1 。 在机床热误差补偿研究中比较有影响力的机构都对机床温度场进行了分 析，国外的美国密歇根大学、新加坡国立大学、韩国浦项科技大学、波兰弗罗 茨瓦夫大学等和国内的上海交通大学、天津大学、浙江大学、清华大学、台湾 大叶大学等都对机床温度场分布做过充分研究。 最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士，之后各国便对机 床温度场展开了广泛研究。7 0 年代，研究人员对机床热变形计算和机床优化设 计时使用f e m 得到机床温度场【1 4 1 。j j e d r z e j e w s k i 1 5 1 和m h a r i a 1 6 】也使用有限 元方法计算了机床温度场分布。 1 9 9 3 年，j s c h e n 和j x y u a n 等人【1 7 】进行热误差建模前，在一卧式加工 中心上使用了1 7 个热电偶监测机床温度场，热电偶主要安装于主轴轴承、滚珠 丝杆轴承及螺母等热源处。分别监测了机床未工作、低速、高速运行6 小时三 种工况下的温度场，发现主轴轴承处温度最高超过7 0 。 1 9 9 5 年美国密歇根大学的c h l 0 和j y u a n 等人i l8 】在对一四坐标双轴立式 加工中心进行实时热误差补偿研究中，使用了8 0 个热电偶对机床实施温度测 量，热电偶主要布置在滚珠丝杠系统、主轴系统、刀架和立柱四大部位处。在 机床空切试验过程中，主轴轴承和z 轴滚珠丝杠温度达到5 1 7 ，温度最高， 主轴箱为4 6 1 ，立柱温升5 5 8 3 ，其他部位最大温升为2 7 。 1 9 9 7 年，韩国浦项大学s k k i m 等人【l9 】在有限元法中选择双线性元素建 立了机床滚珠丝杠进给系统的温度场，并使用了7 个热电偶和红外辐射热电偶 进行实测对照。对照结果表明，使用有限元法得到温升趋势及热稳定时的温度 3 武汉理工大学硕士学位论文 场分布与实测结构比较吻合。 2 0 0 0 年，新加坡国立大学的r r a m e s h 和m a m a n n a n 等人【2 0 j 回顾了前 十年各学者在机床热误差测量及补偿上的研究。一般都是利用机床热关键点的 温度及各温度状态下的热误差建立热误差数学模型，通过模型进行热误差补偿。 2 0 0 2 年，日本的s u s u m uo h i s h i 等人【2 l 】使用钻孔安装及表面粘贴方式在一 气体静压径向轴承支撑的主轴单元上布置了9 4 个经精确标定的热电偶，见图 1 1 。在2 0 恒温室，主轴分别以1 5 0 0 0 r p m 和2 0 0 0 0 r p m 运行3 0 0 m i n 后都基本 达到热平衡。两次实验，空气膜、出气、轴承衬套和主轴箱温升较为明显，温 升1 3 1 5 和2 0 2 4 。密歇根大学h o n g g 阱】对一卧式加工中心进行热 误差建模研究时，在主轴电机及轴承，三轴方向滚珠丝杠轴承及螺母等处布置 了1 1 个温度传感器。在模拟实际切削条件4 5 0 分钟期间，主轴电机温升最高约 2 0 ，y 、z 轴滚珠丝杠和螺母温升5 1 0 。其他部位温升1 - 4 。 图1 1 气体静压主轴温度测试图 2 0 0 3 年，新加坡国立大学的r r a m e s h 等人l 2 3 】研究了三轴立式加工中心各 种工况下的热特性。作者将3 2 个t 型热电偶粘贴在机床滚珠丝杠轴承及螺母、 主轴端部、轴向进给电机、导轨等热关键点上。在不同的轴向进给速度、主轴 转速、工作台负重等操作条件下进行了五次实验，发现电机轴承支撑处及丝杠 螺母处温升较大。空铣削时温升2 - 7 c 不等，在面铣加工时最高温升有1 1 9 。 2 0 0 5 年，波兰弗罗茨瓦夫大学j j e d r z e j e w s k i 等人 2 4 】用有限元法( f e m ) 和有限差分法( f d m ) 对高精高速加工中心主轴箱进行了建模，并根据此模型 从热、刚度和疲劳特性等方面对主轴箱的结构进行了评估设计。 2 0 0 6 年，荷兰爱因霍芬科技大学e l m d e l b r e s s i n e 等人【2 5 】在研究多轴机床 的热力学特性时也认识到温度传感器位置及数量的难以确定，因此也在机床上 大量布置温度传感器。 2 0 1 0 年，美国m i c r o l u t i o n 公司e c r e i g h t o n 等人 2 6 1 将使用a n s y s 仿真得 4 武汉理工大学硕士学位论文 到的一装有e m 3 0 6 0 电机的n s kn r 4 0 5 1 0 0 高速微铣削主轴的温度场分布规律 与实验测温进行了对比，发现两者较为吻合。作者在主轴及电机上热源附近布 置了6 个精度为1 的t 刑热电偶，见图1 - 2 ，虽高漏升约为5 c 。 图1 2 主轴温度测量热电偶位置分布图 2 0 1 1 年，英国的n a e e msm i a n 等人1 2 7 使用a b a q u s 建立了一小型立式铣床 有限元模型，热分析的边界条件由红外热像仪实时测量计算确定，最后将主要 内部热源如轴承、电机、带传动对机床热变形的影响仿真分析结果与实测值对 比，吻合度非常良好。 7 0 年代末，我国也有不少高校及研究单位对机床热误差展开了研究，温度 场分析也随之得到发展。 19 9 0 年，上海磨床研究所徐金发【2 8 l 使用s l l3 4 集成温度传感器代替热电偶 开发了一套新颖的测温精度约为o 5 的机床热变形测温仪器。在对m g l 4 3 2 a 万能外圆磨6 h 温度测量中，每1 5 分钟记录一次温度值，实验发现，砂轮架前 后轴承处温升约为7 c ，砂轮架电动机温升约为1 7 6 。 1 9 9 6 年，天津大学李书和及张奕群等人【2 9 】对一台立式数控镗铣床进行了热 补偿补偿。依据理论分析和初步实验在机床上布置了1 2 个热敏电阻。在室温为 约2 0 ，无恒温条件车间里，对主轴不同转速空转4 h 的温度进行了测量，发 现室温温升约1 ，主轴前后轴承温升最明显，最高温升4 5 。 1 9 9 8 年，上海交通大学杨建国【3 0 l 对生产实际中的1 0 0 多台车削中心进行热 误差实时补偿并取得很好的效果。温度测量上，首先对单台机床进行空切削试 验，使用1 6 个热电阻布置在热源附近，温度信号经适当预处理后送入计算机。 2 0 0 3 年台湾大叶大学的c h e n g h s i e nw h 等人【3 1 1 对数控加工中心的进给系 统温升及热变形进行了分析。在三种不同进给速度和预载的条件下，每1 0 分钟 记录一次8 个布置在进给系统上的热电偶测量温度值，实测温升3 1 2 0 6 c 。 实验结果证明了其通过有限元法计算温升的可靠性。 2 0 0 6 年浙江大学钱华芳【3 2 】开发了一套嵌入式新型数字温度测试系统并运 目 武汉理工大学硕士学位论文 用到一台c k 6 1 4 0 c g 数控机床的温度监测上。实验在室温1 6 5 c 1 8 5 。c 时使用 1 1 个精度为0 5 c 的d s l 8 8 2 0 数字温度传感器监测主轴以9 0 0 r p m 空转4 5 小 时及停机2 小时内的温度变化。 2 0 0 7 年，西南交通大学鲁远栋【3 3 】搭建了一套数控机床在线温度采集系统。 作者使用p t l 0 0 0 温度传感器将温度信号转换为微电信号，再通过变送器转换成 模拟电信号给p c i 2 0 0 6 数据采集卡，采集卡将模拟信号( 电流或电压) 转换成计 算机可接受的数字量信号后，再输入到计算机主机中进行处理。台湾中原大学 y u a nk a n g 3 4 】等人使用n ip c i6 0 2 4 e 采集卡采集安装在磨床上的2 8 个a d 5 9 0 温度传感器信号，采样间隔为l m i n ，最后通过l a b v i e w 分析处理采集的温度数 据。当主轴以3 6 0 0 r p m 空转，x 、z 轴进给速度恒为1 0 0 0 m m m i n 连续运行8 h 后，机床温升2 5 。 2 0 0 8 年兰州理工大学黎新齐1 3 5 】采用有限单元法使用a n s y s1 1 0 研究主轴 系统的温度场及其热特性，同时设计了一套1 6 路热电阻p t l 0 0 0 温度检测系统。 2 0 0 9 年南京航空航天大学徐金忠【3 6 】设计并开发了一个机床温度多通道实 时采集系统。系统以硬件以热电阻p t l 0 0 ，p c i 总线数据采集卡( d a q ) 为核 心，软件开发以虚拟仪器( m v i e w ) 为平台，在一台h g - 4 1 0 数控机床上进 行了采集试验。机床电主轴以4 0 0 0 r m i n 运行一段时间后变换转速，而且中间 有一次停机。在近6 小时的监测中，发现最高温升1 8 。 2 0 1 0 年清华大学c h u a n gc h e n 等人【37 j 在一立式加工中心上进行了温度实时 检测，测温系统由3 2 个主要粘贴在主轴部件表面上的a 级铂电阻，分辨率为 o 1 的巡检仪和数据采集系统组成，见图1 3 。主轴以6 0 0 0 r m i n 空转至热平衡 后停机并继续测量3 h ，每6 s 存储一次温度值。最高温升约为1 4 6 c ，在机床 主轴箱靠近后轴承处。 图1 3 温度传感器在加工中心位置布置图 6 武汉理工大学硕士学位论文 总之，国内外为对机床加工进行热误差补偿进行了大量的研究工作。在实 际测量中，为得到更加精确的温度场，研究者往往是根据经验在热源附近如主 轴部件上布置大量的温度传感器，传感器比较集中地分布在主轴前后轴承处。 1 3 光纤b r a g g 光栅温度传感器的发展与应用 国内外学者研究表明，光纤b r a g g 光栅中心波长直接受温度、应变等因素 影响并有着良好的线性响应，是十分理想的感温元件。如今，通过适当的封装 设计，光纤b r a g g 光栅温度传感器已被逐步应用到各种实际应用领域中。 裸光纤光栅一般不能直接用于工程实际的传感测量中，必须对其进行适当 的增敏与封装。一方面提高其传感测量灵敏度，另一方面对光纤光栅起保护作 用。通常情况下，光纤光栅传感器的增敏与封装是同时进行，相辅相成的。对 于光纤b r a g g 光栅温度传感器，主要采用将光纤b r a g g 光栅嵌入热膨胀系数较 大的基底材料中或粘贴于其表面，利用基底的带动作用来提高温敏性。因此进 行合理的封装设计是光纤b r a g g 光栅温度传感器应用于工程实际的关键。 1 9 7 8 年k o h i l l 等人首次在掺锗石英光纤中发现了光纤的光敏效应并采 用驻波写入法制成第一只光纤光栅。1 9 8 9 年gm e l t z 等人发明掺锗光纤光栅紫 外侧面写入技术形成光纤b r a g g 光栅，可以实现批量生产，这为光纤光栅的应 用奠定了基础，至此光纤b r a g g 光栅开始逐步走入实用化p 引。 y u n - j i a n gr a o 3 s 】从光纤b r a g g 光栅的传感原理、性质；廉价批量制作方法； 各种解调技术；多路复用技术；未来发展方向五个方面全面系统地概述了光纤 b r a g g 光栅传感技术。ef e r d i n a n d 和s m a g n e 等人【3 9 】介绍了b r a g g 光栅传感器 在欧洲的应用状况。yj r a o l 4 0 1 和姜德生【4 lj 也对光纤光栅传感器的应用开发情 况进行了综述。光纤光栅传感技术主要应用在在民用工程结构、航空航天工业、 船舶航运工业、石油化工业、电力工业、核工业和医学等领域。 1 9 9 5 年，l n o u ea 等人 4 2 j 首先将光纤光栅粘接在铝片上，经封装过的光纤 光栅温度敏感性约为裸光纤光栅的3 倍。 2 0 0 1 年，日本学者t o r um i z u n a m i 等人【4 3 训l 以t e f l o n 材料作基底，用环氧 树脂将8 m m 长的光纤光栅分别粘贴在单层及双层t e f l o n 基底上。从0 k - 3 0 0 k 的温度范围内对光纤光栅进行温敏实验，取得了较好的增敏效果，且发现双面 夹板式结构比单面基底结构灵敏度稍高。在7 7 k 时，双面夹板式结构的温度敏 感性为相应温度铝基片的2 倍，p m m a 的1 5 倍。 7 武汉理工大学硕士学位论文 19 9 7 年，y u n - j i a n gr a o 、d a v i dj w e b b 等a t 4 s i 为医学应用设计了一套分辨 率及精度达0 i c 、0 2 c 的光纤b r a g g 光栅准分布式温度测量系统。作者将 光纤上等间距出写入的不同中心波长的光栅封装在直径为0 s m m 的尼龙套中。 光纤端部使用折射率匹配凝胶固定，尼龙管两端用粘合剂密封固定，然后在光 纤光栅的位置处开口以感知温度，传感器结构如图1 - 4 所示。 图l _ 4f b g 温度传感器示意图 2 0 0 0 年，日本n o r i t o m oh h 巧锄a 等人m 将一段大数值孔径u 型光纤与f b g 连接后封装在类似热电偶结构的不锈钢管前端制成了安装简便的温度传感器。 u 型弯曲光纤和f b g 间用陶瓷玻璃连接，连接好的f b g 固定在掺氮化硼的陶 瓷玻璃棒上，外观如图1 5 所示。实验表明该封装好的传感器总损耗0 9 d b ，u 犁光纤弯曲损耗0 0 5d b ，温度敏感度为1 0 3 0 m ，温度为2 5 0 时性能稳定。 r ：、h ，il i 1 、 1r 、；7r 】。j ( 一 图1 5 嵌入热电偶结构的f b g 温度传感器封装结构图 2 0 1 0 年，d i a n av i e g a s 等人t 4 7 设计了一种新颖的u 型的微型f b g 温度传感 器。选用的f b g 中心波长为1 5 5 0 n m ，长为1 0 m m ，采用熔融拉锥的方法将长 l l m m ，直径2 0 1 a m 的光纤拉成熔锥形，将其固定在二氧化硅衬底上，制成总长 2 0 m m 的温度传感器。研究表明，其熔融锥插入损耗小于0 5 d b ，总损耗小于 l d b ，且对应变不敏感。 1 9 9 7 年，中国科学院西安光学精密机械研究所陈少武、陈尧生【铝】率先在国 内提出光纤光栅温敏式封装概念，他们指出将光纤光栅和其他材料胶粘或包封 在一起可提高光纤光栅的温度灵敏度，但仅是对光纤光栅热敏力敏效应进行了 理论研究和探讨而没有进行实验研究。 2 0 0 1 年，南开大学现代光学研究所张伟刚等人1 4 9 1 将光纤光栅预埋入混合有 囤 武汉理工大学硕士学位论文 机聚合物中进行封装处理，温敏试验结果表明，当温度变化在2 0 ( 2 8 0 ( 2 常温区， 光纤光栅封装元件温度灵敏度为0 1 1 3 n m c ，并且具有较好的线性温度敏感性， 结构如图卜6 所示。 兀 g 聚合物 图l - 6 聚合物光纤光栅封装元件结构示意图 2 0 0 2 年哈尔滨工业大学周智等人【5 0 】将光纤光栅封装于内径为o 8 m m 的毛 细钢管中。封装时，首先使光纤平直置于钢管中轴线且光栅处于中间位置，然 后注入环氧树脂以充满钢管。最后得到了2 5 倍于裸光纤光栅的温度灵敏度系 数，其封装结构见图1 7 。 o o t i c l if i h e rf b g 图1 7 光纤光栅毛细钢管封装示意图 2 0 0 5 年，詹亚歌等人【5 l 】基于板式结构提出铝槽封装结构，即用环氧树脂将 光纤光栅封装在铝板中轴线上刻出的细槽中，左边两个螺孔用于将铝板固定在 被测物体上，右边两个螺孔兼起将保护作用的铝盖片固定在铝板上及铝板固定 在被测物上作用，结构如图1 8 。实验表明温敏封装效果很好。 f i h e r 图1 8 光纤光栅铝槽封装示意图 2 0 0 5 年，南京航空航天大学周国鹏p 2 j 改进了一种金属盒式应变不敏感的温 敏封装结构。光纤光栅沿中心轴线粘贴在增敏铜片上，而增敏铜片又固定在斜 对角端部开纵槽的中部挖空的小铝片上，光纤“s 形悬空弯曲后从铝片端部纵 槽引出基底，结构见图1 - 9 。实验表面该结构具有很好地提高了温度灵敏度，达 2 4 5 9 p i i l ，而且能消除应变干扰。 9 武汉理工大学硕士学位论文 t ”s 0 潮纂 j 舞黪i 。+ 茹 。”7 、。o 婶。，i 7 ，| 一衫 图1 - 9 改良后金属盒式封装结构 2 0 0 6 年吉林大学刘越【5 3 】、2 0 0 9 年武汉理工大学的孙振华【s q 都采用了钢管 的封装结构。刘越将光纤光栅置于长4 0 m m ，截面直径2 m m 的金属管的中心轴 线处，通过在高温下使套在钢管外的p e t 塑料管热缩，将光纤光栅与金属管固 定在一起；孙振华在对光纤布拉格光栅进行封装时先对光栅施以的轴向预张力， 在封装方式上，不是将封装材料填充到钢管内，而是将光栅两端的光纤用环氧 树脂粘合在不锈钢管套管中。封装示意图如图1 1 0 、1 1 1 所示。实验都证明了 封装后的良好温敏性。 图1 1 0 金属管的温敏封装元件图1 1 1 光纤光栅封装示意图 针对不同的测试环境和需求，研究者们对光纤b r a g g 光栅的封装进行了各 种探索，也取得了不错的效果。但是综合来看，对光纤b r a g g 光栅应用于被测 对象的表面温度测量进行的研究探索却很少，结合机床主轴温度场测量的意义， 便促成了本课题的研究。 1 4 论文主要研究内容 本文的主要研究内容安排如下： 第1 章：详细介绍了为控制温度对机床加工精度的影响，国内外利用理论 法和实验法对机床温度场的研究情况，并对各国学者针对各自测试要求设计不 同的光纤b r a g g 光栅温度传感器的研究现状进行了总结。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章：阐述了光纤光栅传感的基本原理，分析了光纤b r a g g 光栅的应变、 温度传感模型及交叉敏感问题并进一步介绍光纤b r a g g 光栅温度传感封装研究 的意义、要求及主要方法，为课题研究提供理论基础。 第3 章：通过实验对裸光纤光栅的测温静态特性进行了描述并利用测量不 锈钢板的温度实验研究了光纤b r a g g 光栅的交叉敏感问题，借鉴了一种盒式封 装结构，得到适宜于表面温度测量的改进后光纤b r a g g 光栅温度传感器，然后 通过实验及有限元的方法研究了它的测温性能及原理。 第4 章：针对机床主轴设计并搭建了热电阻测温系统及光纤光栅测温系统， 其中热电阻测温系统作为对比测温系统，然后分别以裸光纤光栅及盒式封装后 的光纤光栅作为传感器进行机床主轴温度测量对比研究，发现盒式封装后的光 纤b r a g g 光栅温度传感器很好地减弱了应变的干扰，具有良好的测温准确性， 实现了光纤b r a g g 光栅应用于对象表面温度测量的目的。 第5 章：总结了论文研究成果及存在的问题并对未来研究工作进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感原理 2 1 光纤b r a g g 光栅传感基本原理 常见的光纤光栅是利用光纤材料( 多为纤芯掺鳍光纤) 的光致折射率变化 特性，通过采用紫外激光曝光的方法对纤芯折射率进行调制，使纤芯折射率沿 纤芯轴向呈周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，而得到的一种新型光纤 无源器件。按照纤芯折射率沿轴向分布的形式划分，光纤光栅可分为两种：均 匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。均匀光纤光栅包括光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 、闪耀光纤b m g g 光栅和长周期光纤光栅；非均匀光纤光栅包括 啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、摩尔光纤光栅、切趾光纤光栅和超结构光纤光 栅。 若调制后的光纤纤芯轴向折射率变化幅度与折射率变化周期( 栅格周期) 均为常数，光栅波矢方向与光纤轴向一致，且折射率变化周期为0 1 l a m 量级， 此类光纤光栅即为光纤b m g g 光栅。光纤b r a g g 光栅是最基本的一类光纤光栅， 也是最早发展，应用最广的光纤光栅。下面我们对光纤b r a g g 光栅传感原理进 行简单的介绍。 当宽带光源光波沿着光纤传输时，光纤b r a g g 光栅相当于置于光纤中的一 个窄带反射镜，它会选择性地反射入射光中满足b r a g g 相位匹配条件的光，其 余波长光则透射，这便是光纤b r a g g 光栅传感的基本原理。满足反射条件的光 波的中心波长九称为b m g g 波长，它与光纤b r a 鹊光栅的折射率n 甜及周期人存 在如下关系： 如= 2 人 ( 2 - 1 ) 式中，以为光纤光栅的中心波长，n 毋为光纤光栅的有效折射率，人为光纤光 栅光栅周期。此式即为反射条件( b m g g 条件) ，亦称光纤光栅b r a g g 方程。 图2 1 为光纤b m g g 光栅结构及传感原理图。由光纤光栅b r a g g 方程出发 可以看出，任何引起光纤光栅有效折射率或周期变化的物理参量( 温度、应变、 压力等) 都将导致光纤光栅中心波长产生变化，因此可以通过检测光纤光栅中 心波长变化量从舟得到相应的被测物理量变化情况，从而实现物理参量的测量。 研究表明，光纤b r a g g 光栅是理想的传感元件，而且由于其检测信息为波长编 码，抗干扰能力强，因而被广泛应用与通信及传感领域。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 包层 纤芯 光纤光栅 入射光，弋7 乙_ = 7 = 7 7 、 透射光 ；蒜茅i 、生：三三三兰= = ：= 二鏊鲞兰二：= 三：三三三芏) 入射光谱透射光谱反射光谱 图2 - 1 光纤b r a g g 光栅结构及传感原理图 2 2 光纤b r a g g 光栅传感模型 对于光纤b r a g g 光栅，热光效应及弹光效应是导致其有效折射率n 酊变化的 主要原因；热膨胀效应及光纤弹性形变是导致其周期人变化的主要原因。在所 有外界因素中，温度和应变是引起光纤b r a g g 光栅中心波长移动的两个最直接 最根本的参量。因此可通过b r a g g 条件，建立应变、温度与光纤b r a g g 光栅中 心波长间的传感模型从而实现对这些物理参量的测量。 2 2 1 光纤b r a g g 光栅的应变传感模型 光纤弹光效应、弹性形变是应变引起光纤b r a g g 光栅中心波长移位的两个 主要的本质原因。 结构上讲，光纤b r a g g 光栅本身是各向同性的圆柱体，它可以受到各个方 向的作用力，作为应变类的传感器，主要是使它承受轴向的拉力或压力，也有 侧向作用力。在现实应用中，具有实际意义的是通过检测光纤b r a g g 光栅发生 轴向应变( 承受轴向拉伸或压缩产生的应变) 带来的中心波长漂移从而达到测 量应变及相关参量的目的。 在此，本文仅对光纤光栅发生均匀轴向应变情况下的传感模型进行研究， 对于非均匀轴向应变及横向应变的情况不做探讨。为了得到光纤b r a g g 光栅真 实的应变传感数学模型，同时简化问题，文章对所研究的光纤b r a g g 光栅作以 下假设： i ) 只研究裸光纤( 只包括纤芯和包层两层) 结构的应变传感特性，忽略 所有外包层的影响。 2 ) 假设在研究的应力范围内( 光纤本身不接近断裂极限) ，光纤b r a g g 光 武汉理工大学硕士学位论文 栅为理想弹性体，内部没有切应变。 3 ) 紫外光引起的光敏折射率变化不影响光纤自身各向同性的特性，且均 匀分布在光纤截面上。 4