CN101975867A - 一种基于光纤光栅的转速检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅的转速检测系统及其检测方法 Download PDF

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周祖德
魏莉
谭跃刚
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Abstract

基于光纤光栅的转速检测系统包括宽带光源、光纤光栅传感器、波长解调模块和计算机，光纤光栅传感器设置在被测物上，宽带光源发出的光信号通过光纤滑环传送至光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射回的特定光信号再经光纤滑环传送至波长解调模块，波长解调模块通过信号采集模块接至计算机。本发明的检测系统利用光纤光栅对于转速所致应变的敏感性，将转速的变化转化为传感装置中光纤光栅的波长偏移，可以有效克服环境中的电磁干扰。同时，由于光纤光栅可测参量非常多，又可以实现“一线多点”，所以系统具有很强扩展性。

Description

一种基于光纤光栅的转速检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于属于传感技术领域，特别是涉及光纤光栅转速检测领域，可用于回转轴的转速实时检测。
背景技术
现有的转速传感器大多需要在被测轴上安装齿盘或编码器，所需的安装空间比较大，在检测的过程中信号容易受到电磁干扰，影响检测结果的可靠性。光纤光栅是一种新型的光无源器件，作为传感基元，具有将外界传感量直接转化为光波长变化信息的优良特性。公知的光纤光栅传感器都是针对应变、应力、压力、位移等物理量的单参数或与温度进行的双参数感测，还未出现光纤光栅转速传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅的转速检测系统及其检测方法，本发明利用光纤光栅对于转速所致应变的敏感性，将转速的变化转化为传感装置中光纤光栅的波长偏移，可以有效克服环境中的电磁干扰。同时，由于光纤光栅可测参量非常多，又可以实现“一线多点”(一根光纤上可以有多个光栅)，所以本发明的检测系统具有很强扩展性。
本发明采用的技术方案是：基于光纤光栅的转速检测系统包括宽带光源、光纤光栅传感器、波长解调模块和计算机，光纤光栅传感器设置在被测物上，宽带光源发出的光信号通过光纤滑环传送至光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射回的特定光信号再经光纤滑环传送至波长解调模块，波长解调模块通过信号采集模块接至计算机。
进一步地，所述被测物为转轴，光纤光栅传感器的纤芯的中部刻有光纤光栅，纤芯未刻有光纤光栅的两端沿轴向粘贴在被测转轴的表面。
进一步地，所述光纤光栅采用光纤布拉格光栅。
上述转速检测系统的检测方法包括以下步骤：宽带光源将一定带宽的光通过光纤滑环入射到粘贴在被测转轴表面的光纤光栅传感器，当转轴旋转时，由于离心力的作用，光纤光栅传感器发生变形，导致光纤光栅的波长发生偏移，波长偏移量和光纤光栅本身的变形成线性关系，由此通过光纤光栅的波长偏移量以检测转轴转速的变化。
本发明的优点：本发明的检测系统利用光纤光栅对于转速所致应变的敏感性，将转速的变化转化为传感装置中光纤光栅的波长偏移，可以有效克服环境中的电磁干扰。同时，由于光纤光栅可测参量非常多，又可以实现“一线多点”(一根光纤上可以有多个光栅)，所以系统具有很强扩展性。本发明的光纤光栅传感器具有质量轻、体积小的优点，需要的安装空间小，而且对转轴的动平衡影响小。
附图说明
图1是基于光纤光栅的转速检测系统原理框图。
图2是光纤光栅传感器粘贴方法示意图。
图3是实施例的实验曲线拟合图。
图中，1：转轴；2：光纤；3：光纤光栅；4：粘贴点(光纤未刻有光纤光栅的两端)。
具体实施方式
基于光纤光栅的转速检测系统是通过光纤光栅波长偏移反映转速的变化，从而实现转速的检测。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，一种基于光纤光栅的转速检测系统包括宽带光源、光纤光栅传感器、波长解调模块和计算机，光纤光栅传感器设置在被测物上，宽带光源发出的光信号通过光纤滑环传送至光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射回的特定光信号再经光纤滑环传送至波长解调模块，波长解调模块通过信号采集模块接至计算机。
如图2所示，在优选的实施方式中，所述被测物为转轴1，光纤光栅传感器的光纤2的中部刻有光纤光栅3，光纤2未刻有光纤光栅的两端4沿轴向粘贴在被测转轴1的表面。
在优选的实施方式中，所述光纤光栅3采用光纤布拉格光栅。
上述转速检测系统的检测方法包括以下步骤：宽带光源将一定带宽的光通过光纤滑环入射到粘贴在被测转轴1表面的光纤光栅传感器，当转轴1旋转时，由于离心力的作用，光纤光栅传感器发生变形，导致光纤光栅3的波长发生偏移，波长偏移量和光纤光栅3本身的变形成线性关系，由此通过光纤光栅3的波长偏移量反映转速变化引起的光栅应变的变化，以检测转轴1转速的变化。
在优选的实施方式中，光纤光栅3的反射波长λ的偏移量Δλ和应变ε之间关系为：Δλ/λ＝0.78ε。光纤光栅3的应变ε与转轴1的转速n之间是平方关系，按照下式决定：ε＝kn2。k为标定参数，可由实验结果标定。
本发明的工作原理：光纤光栅传感器沿着转轴1的轴向进行粘贴，但是粘贴方法不同于应变检测，写有光栅的部分(图2中3)不粘贴，而是以光纤光栅3为对称中心选取一段长度，将其两端固定在转轴1的表面，这样两个粘贴处的一段光纤2就构成了一个类似简支梁的结构。当轴高速旋转的时候，离心力的作用相当于给这个简支梁施加了一个均布载荷，这一段光纤2会被拉长，导致光纤光栅3的中心波长发生漂移，光纤光栅3中心波长的变化反映了该处应变的大小。显然，光纤2应变的大小主要和转轴1的半径、转速以及简支梁的长度有关，如果转轴1的半径和简支梁的长度一定，则光纤2的应变和转轴1的转速有一一对应关系，因此通过光纤光栅3波长的变化就可以知道转速的变化。
系统工作时，宽带光源将一定带宽的光，通过光纤滑环入射到粘贴在被测轴表面的光纤光栅传感器，该光纤光栅由于应变发生波长偏移时，根据光纤光栅的波长选择性作用，将需要的光反射回来，再通过光纤滑环送入到波长解调模块解调，波长解调模块测出光纤光栅的反射波长变化，将波长数据通过信号采集电路送至计算机，通过相应程序将波长换算成应变并推算出转速，实现转速的记录和显示。其中，计算机的数据处理器进行计算，最后由显示器输出，实现对转速的检测。
实施例：
在一个轴径为90mm的转轴1上粘贴了一个光纤光栅3，其两固定点之间的长度为40mm，转轴1的转速从0～2000r/min变化，间隔为100r/min，得到一组实验数据，并根据实验数据得到拟合曲线ε＝0.0000151n2，即k＝0.0000151，如图3所示。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的转速检测系统，其特征在于：它包括宽带光源、光纤光栅传感器、波长解调模块和计算机，光纤光栅传感器设置在被测物上，宽带光源发出的光信号通过光纤滑环传送至光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射回的特定光信号再经光纤滑环传送至波长解调模块，波长解调模块通过信号采集模块接至计算机。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述被测物为转轴(1)，光纤光栅传感器的纤芯(2)的中部刻有光纤光栅(3)，纤芯(2)未刻有光纤光栅的两端(4)沿轴向粘贴在被测转轴(1)的表面。
3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于：所述光纤光栅(3)采用光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求2或3所述的转速检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：宽带光源将一定带宽的光通过光纤滑环入射到粘贴在被测转轴(1)表面的光纤光栅传感器，当转轴(1)旋转时，由于离心力的作用，光纤光栅传感器发生变形，导致光纤光栅(3)的波长发生偏移，波长偏移量和光纤光栅(3)本身的变形成线性关系，由此通过光纤光栅(3)的波长偏移量以检测转轴(1)转速的变化。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：
光纤光栅(3)的反射波长λ的偏移量Δλ和应变ε之间关系为：Δλ/λ＝0.78ε；
光纤光栅(3)的应变ε与转轴(1)的转速n之间是平方关系，按照下式决定：ε＝kn2，k为标定参数。
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