[发明专利]设有光学辊筒套传感器系统的工业辊筒

说明书

技术领域

本发明涉及工业辊筒所用辊筒套上的压力测量，并具体涉及用光纤布拉格光栅传感器来测定辊筒套上所受的压力。

背景技术

在工业造纸领域中辊筒用来导引、干燥以及压榨纤维幅页张，成为纸生产的基本部件。在造纸机中，辊筒还用作湿毛毯、压榨毛毯和干燥毛毯的导辊。在造纸机的某些部中，纤维幅在两个协同动作的辊筒之间传送，在那里纤维幅在这些辊筒之间所形成的压区中受压榨。用纤维幅加工而成的纸，其特性确实大大取决于各种各样协同动作的辊筒之间压区部分中存在的压力分布。因此，造纸业者很想监控这些压区部分中的压力分布。

通常，压区压力用置于辊芯和辊筒套之间的传感器或者置于辊筒套内的传感器来监控。径向力，即作用在辊筒径向上的力，通常用压电式传感器或者机电式传感器来测量，这两种传感器在感受到压力后都产生指示他们发生畸变的电压。由于造纸机辊筒高速旋转，通常借助无线发射机将传感器信号传送到辊筒外的信号处理器。

除了电传感器以外，光纤传感器也用于监控压区内的压力条件。光纤传感器通常采用光纤波导作传感元件，因此有关光纤光学性质的应变的影响决定了光纤上所受的应变。

常规光纤中，把通过纤维的光强度方面的应变或弯曲诱发变异用作测量信号。但由于借助这些效应得到的测量信号传送了与信号起源位置无关的信息，所以不可能测定纤维光学性质已改变的位置。

如果测量信号的原点也具重要性，则优选采用包括数个可辨别测量部的光纤。在光纤布拉格光栅传感器中，位于光纤芯中的布拉格光栅形成相应的测量部。布拉格光栅由光纤纵向上光纤芯折射率的一系列变化组成。因相关的测量问题而异，(通常两个)折射率连贯变化之间的间隔(所谓的光栅间距)不变，或者在一个布拉格光栅内变化。使通过光纤芯的光在各折射率转变点上发生部分反射，同时反射系数随所涉及折射率和光波长的变化而变。折射率一系列完全改变时的多次反射，导致结构干涉或者导致破坏性干涉。因此，当布拉格光栅测量部的光栅间距恒定时，只有一个波长会被(至少部分地)反射，而当光栅间距在一个测量部内变化时，则多个波长会被反射。所得的反射光波长和反射系数因所用光栅间距的不同而各异，由于折射率改变数值出现在测量部中，所以与折射率有关，并给定光栅长度。

当测量部(即包括布拉格光栅的纤维部分)遭受应力时，光栅间距变化就引起光栅所反射光的波长成比例偏移。仅当光纤的布拉格光栅部分沿其纵向受拉伸或者压缩时，才能得到可测量的波长偏移。横向作用到纤维轴线上的力并不引起光栅间距可测量的变化，而是只有光弹性效应所致的微小布拉格波长偏移。因此，光纤布拉格传感器主要用作应变感传器，而不是用作压力感传器或者作用力传感器。

两个协动辊筒的压区部分上压力分布图实际上由径向作用在辊筒上的力来描述。为了直接测量这些力，要使光纤布拉格传感器的布拉格光栅沿辊筒的径向取向。由于光纤布拉格光栅的光栅长度的等级为毫米，长得难以在辊筒套内使用，所以相应的布局不实用。而且，光纤最小弯曲半径约为1厘米数量级，因此使光纤的最小总高度相对于径向而言长得难以实际应用。出于受限弯曲半径的同样原因，光纤布拉格光栅在辊筒套中径向排列，使每根光纤只允许有一个测量部，以致每个测量位都需要单独的光纤。

因此，通常设置光纤传感器来测量因作用在压区部分中的力在辊筒套内诱发的环向应变。为了检测辊筒套的环向应变，将光纤嵌入辊筒套内或者嵌入辊筒套和辊芯之间的边界上。欧洲专利EP 1 392 917B1中公开了一种适于测定辊筒套中切向应变的装置，在该装置中优选沿螺线轴向、切向配置了微弯光纤传感器和一种“有些随机的”结构。欧洲专利说明书EP 0 809507B1中的这种光纤结构包括那些平行于辊筒轴线、沿辊筒长度延伸的螺旋线形、波线形、散射线形和直线形光纤结构。当使用类似波形的弯曲测线时，光纤的测量部如布拉格光栅在辊筒周向上取向或者在那方向上具有至少一种元件。

当在一根布拉格传感器光纤中使用一个以上测量部时，必须把各测量信号分配给他们的发送源的各自测量部。如果在螺旋构型中设置光纤布拉格传感器的光纤，则每个测量部在辊筒的不同角度位置上越过压区。因此，可用辊筒的旋转角来实现测量部分配。

测量部引起某一光的反射，识别该测量部的另外方法的基本原理是，测定在光脉冲射入布拉格光纤与检测从光纤中一个布拉格光栅反射回来的回光之间的时间间隔。一种相应的时分复用的(time multiplexed)光纤布拉格光栅传感器装置例如公开于专利说明书US 4,996,419中。