CN102221374A - 扭转参量感测光纤传感装置 - Google Patents

扭转参量感测光纤传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扭转参量感测光纤传感装置，包含螺旋形壳体以及沿纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，螺旋形壳体的一端固定于待测物体上，布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，传输的光信号功率随着夹在二者的变形齿间的信号光纤曲率变化而变化，并通过测试单元探测到光信号功率的变化，依靠采用螺旋形结构，延长了可产生微弯的信号光纤的长度并减小了信号光纤的弯曲曲率，从而提高了本发明光纤传感器的动态范围并延长了信号光纤的使用寿命，本发明结构简单、设计合理、寿命长、使用效果好，使本发明的光纤传感器具有广阔的应用前景。

Description

扭转参量感测光纤传感装置
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是利用光纤进行扭转参量传感，能够对扭转参量(扭角、扭矩或扭应力)进行高精度测定的光纤传感装置。
背景技术
在机械传动系统中，扭转参量是反映生产设备系统性能的最典型机械量之一，扭转参量测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行，节省能源，提高系统效率的重要手段。提高扭转参量测量的准确性、扭转参量监测和控制的实时性以及扭转参量异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重要手段。
随着科学技术的进步和生产的发展，扭转参量测量技术有着广阔的应用前景。同时，对扭转参量的监测也提出了越来越高的要求：由静态测试转向动态在线检测；由间接测量转向直接测量；由单功能转向多功能，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆：要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化；要求扭矩的检测与动力装置的控制相结合，达到转速、扭转参量、输出功率的优化配置。
目前的扭转参量传感器，主要有应变式，磁电相位式，光电式等几种。他们存在着须专用弹性轴，安装要两只联轴器，结构复杂，弹性轴扭转应变量小，影响灵敏度等缺点。另外，在扭转参量传感器的设计中，主要的问题在于敏感元件的制造，选择，安装等。通常所用的扭转参量传感器采用压电石英晶片作为测量元件，这种传感器所需压电石英晶片数量多，晶片的高度和接触面的平面度、粗糙度要求相当严格，加工难度大，工艺要求高。
发明内容
本发明的目的是克服传统测量方法中测试麻烦，复杂，精确度不高的缺陷，发明一种新的光纤扭矩参量测量装置，该装置使测量操作简便，成本低，精度提高，测量范围扩大，并抗电磁干扰。该方法具有高测量精度、优越的全光性、绝缘性、防爆性、抗电磁干扰、耐高温性等特点。适合于高温下及有爆炸危险和有强电磁干扰等恶劣环境下大型机械的传动系统动态特性测量。具有非常广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：包含螺旋形壳体以及沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，至少螺旋形壳体的一端固定于待测物体上，布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，传输光纤将信号光纤与测试单元连接，测试单元后面接处理单元。
当螺旋形壳体在待测物体的扭转下两端位置变化时，则沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿之间的位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤中传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤通过传输光纤与测试单元连接，从而使测试单元探测到光信号功率的变化，测试单元可以是光源和光功率计；处理单元通过光信号功率的变化以及待测物的扭转物理常数得出相应的扭转参量，达到对待测物体扭转参量测定的目的。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述的螺旋形壳体内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测物体的扭转轴心平行，则A侧与B侧相对于待测物体的扭转轴心有不同的距离，当待测物体扭转时，至少有一端固定于待测物体上的螺旋形壳体内部的A、B两侧也需要在扭转相同的角度下伸长或缩短，但A、B两侧相对于扭转轴心的距离不同，则距扭转轴心距离远的一侧需要伸长或缩短的长度更多，而在没有其他外力的帮助下是做不到的，这时距扭转轴心距离远的一侧就会向距扭转轴心距离近的一侧靠近或疏远，从而使布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对距离减小或增大，并导致在二者的变形齿间夹有信号光纤的弯曲曲率的变化，并使信号光纤内部传输的光信号功率的变化，测试单元将光信号功率的变化传输给处理单元，处理单元推算出扭转参量的变化大小。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述的螺旋形壳体是平面卷簧状。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间由弹性材料连接，弹性材料可以是高分子材料、波簧等材料构成，弹性材料在有外力作用时有更大的变形，所以当螺旋形壳体两端位置变化时，使A侧的变形齿和B侧的变形齿之间的相对位置会有精细的变化。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间除了在螺旋形壳体的两端处连接外，螺旋形壳体中间部位的A侧和B侧之间没有连接。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：位于所述的螺旋形壳体的A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜，信号光纤的另一端与光时域反射计(OTDR)连接。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：位于所述的螺旋形壳体的A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜，信号光纤的另一端与1X2分路器的1口连接，1X2分路器的2口分别与测试单元的光源和光功率计连接。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述信号光纤是多模光纤、多芯光纤、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。
本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是：所述的传输光纤与信号光纤是不同类型的光纤，如信号光纤是多模、光子晶体光纤或石英包层外径是80微米的微型光纤，而传输光纤是通信用标准的G.652型单模光纤，这样做的优点是一方面大幅度提高测试精度、减小信号光纤的内部应力、延长信号光纤的使用寿命，另一方面又降低了应用成本，及在远距离使用时，减少由于温度、应力对传输光纤的会叠加到信号光纤中光功率变化信号中的衰减的影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、采用全光纤结构，能有效防止电磁干扰，并可以用在危险的工作环境中；
2、作为测量元件的信号光纤可以采用普通的通信光纤或其他特种光纤，利用透射或反射光功率的变化测量扭转参量，可以实现高精度测定；
3、该方案结构简单，容易安装，较普通的扭矩传感器，能具有更低的成本；
4、该方案能够实现远距离、分布式测量，而这是传统的传感器所不具备的。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，具有广阔的应用前景。
下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。
图2为图1中螺旋形壳体内部的截面示意图。
图3为本发明第二具体实施方式的结构示意图。
图4为图3中螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。
图5为本发明第二具体实施方式的结构示意图。
图6为本发明第三具体实施方式的结构示意图。
图7为本发明第四具体实施方式的螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。
图8为本发明第五具体实施方式的螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。
附图标记说明：
1-传输光纤； 4-螺旋形壳体； 5-测试单元；
6-信号光纤； 7-处理单元； 10-待测物体；
21-平面卷簧壳体外端； 22-平面卷簧壳体内端； 25-参照物体；
30-扭转轴； 35-弹性材料； 40-1X2分路器；
4-1-A侧变形齿； 4-2-B侧变形齿；
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本发明包括一个螺旋形壳体4以及沿螺旋形壳体4纵向连续布设在所述螺旋形壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，螺旋形壳体4的两端固定于待测物体10上，布设在螺旋形壳体4内部的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的相对位置随着待测物体10扭转参量的变化而改变，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤6，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6两侧，传输光纤1将信号光纤6与测试单元5连接，测试单元后面接处理单元7。
本实施例中，当螺旋形壳体4在待测物体10的扭转下两端位置变化时，则沿螺旋形壳体4纵向连续布设在所述螺旋形壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2之间的位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤6中传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤6通过传输光纤1与测试单元5连接，从而使测试单元5探测到光信号功率的变化，测试单元5可以是光源和光功率计；处理单元7通过光信号功率的变化以及待测物体10的扭转物理常数得出相应的扭转参量，达到对待测物体10扭转参量测定的目的。
所述测试单元5也可以选用光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)来实现测量。
所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；信号光纤6也可以是塑料光纤或光子晶体光纤；为提高信号光纤寿命，在信号光纤周围有阻水材料，如阻水油膏。
为提高测试精度，所述的传输光纤1与信号光纤6是不同类型的光纤，如信号光纤6是多模、光子晶体光纤或石英包层外径是80微米的微型光纤，而传输光纤1是通信用标准的G.652型单模光纤，这样做的优点是一方面大幅度提高测试精度、减小信号光纤6的内部应力、延长信号光纤6的使用寿命，另一方面又降低了应用成本，及在远距离使用时，减少由于温度、应力对传输光纤1的会叠加到信号光纤6中光功率变化信号中的衰减的影响。
实施例2
如图3、图4和图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述螺旋形壳体4是平面卷簧状的，平面卷簧状的螺旋形壳体4的内端22固定在待测物体10上，平面卷簧状的螺旋形壳体4的外端21固定在参照物体25上，平面卷簧状的螺旋形壳体4的截面是圆环状，其中布设有A侧变形齿4-1的A侧与布设有B侧变形齿4-1的B侧平行，并且他们同时与待测物体10的扭转轴30平行，则在待测物体10扭转时，螺旋形壳体4的A侧与B侧也扭转相同的角度，但由于螺旋形壳体4的A侧与B侧相对于待测物体10的扭转轴30有不同的距离，离扭转轴30距离稍远的A侧较离扭转轴30距离稍近的B侧需要伸长得更多，而在没有其他外力的帮助下是做不到的，这时距扭转轴30距离远的A侧就会向距扭转轴30距离近的B侧靠近，从而使布设在螺旋形壳体4内部的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的相对距离减小，并导致在二者的变形齿间夹有信号光纤6的弯曲曲率的变化，并使信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5将光信号功率的变化传输给处理单元7，处理单元7推算出扭转参量的变化大小。
本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例3
如图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在信号光纤6的一端安置有反射镜，信号光纤6的另一端与1X2分路器40的1口连接，1X2分路器40的2口分别通过传输光纤1接测试单元5的光源和光功率计。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例4
如图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的螺旋形壳体4内部的A侧与B侧是通过弹性材料35连接，在待测物体10扭转时A侧相对于B侧有较大的位置变动，从而提高测试结果的精确性。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例5
如图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的螺旋形壳体4内部的A侧与B侧除了在螺旋形壳体4两端连接外，其余部分不连接，在待测物体10扭转时A侧相对于B侧会有更大的位置变动，从而使测试结果更精确。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：包含螺旋形壳体以及沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，至少螺旋形壳体的一端固定于待测物体上，布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，传输光纤将信号光纤与测试单元连接，测试单元后面接处理单元。
2.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述的螺旋形壳体内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测物体的扭转轴平行。
3.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述的螺旋形壳体是平面卷簧状。
4.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间由弹性材料连接。
5.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间除了在螺旋形壳体的两端处连接外，螺旋形壳体中间部位的A侧和B侧之间没有连接。
6.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：位于所述的螺旋形壳体的A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜。
7.按照权利要求6所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：信号光纤的另一端与1X2分路器的1口连接，1X2分路器的2口与测试单元的连接。
8.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤。
9.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤是多模光纤、多芯光纤、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。
10.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于：所述的传输光纤与信号光纤是不同类型的光纤。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607448A (zh) * 2012-03-12 2012-07-25 浙江大学 一种基于光纤lp21模式的光纤应变传感器及其测量方法
CN105784219A (zh) * 2015-12-17 2016-07-20 北京希卓信息技术有限公司 一种扭矩传感器及其测试系统
CN111426411A (zh) * 2020-05-11 2020-07-17 浙江大学 一种多尺度柔性光感机械压力传感器
CN113433611A (zh) * 2021-06-29 2021-09-24 暨南大学 一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN87107210A (zh) * 1986-10-30 1988-08-03 巴布科克和威尔科斯公司 微弯光纤应力计
CN1156819A (zh) * 1996-05-15 1997-08-13 南京航空航天大学 光纤微弯传感器
CN1658023A (zh) * 2004-02-19 2005-08-24 郑毅 全光纤光衰减器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN87107210A (zh) * 1986-10-30 1988-08-03 巴布科克和威尔科斯公司 微弯光纤应力计
CN1156819A (zh) * 1996-05-15 1997-08-13 南京航空航天大学 光纤微弯传感器
CN1658023A (zh) * 2004-02-19 2005-08-24 郑毅 全光纤光衰减器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘艳等: "基于光纤微弯损耗的压力传感器实验研究", 《仪表技术与传感器》, no. 1, 31 January 2008 (2008-01-31), pages 4 - 5 *
许兆文等: "基于光纤微弯的缠绕式管道形变传感器", 《传感技术学报》, no. 1, 31 March 2002 (2002-03-31), pages 34 - 36 *
邢雪宁等: "光纤的弯曲损耗和微弯损耗及其利用", 《中国有线电视》, no. 23, 31 December 2004 (2004-12-31) *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607448A (zh) * 2012-03-12 2012-07-25 浙江大学 一种基于光纤lp21模式的光纤应变传感器及其测量方法
CN105784219A (zh) * 2015-12-17 2016-07-20 北京希卓信息技术有限公司 一种扭矩传感器及其测试系统
CN105784219B (zh) * 2015-12-17 2018-08-28 北京希卓信息技术有限公司 一种扭矩传感器及其测试系统
CN111426411A (zh) * 2020-05-11 2020-07-17 浙江大学 一种多尺度柔性光感机械压力传感器
CN113433611A (zh) * 2021-06-29 2021-09-24 暨南大学 一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法
CN113433611B (zh) * 2021-06-29 2022-08-16 暨南大学 一种螺旋式结构型长周期光纤光栅干涉仪及其制作方法

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