CN104330046A - 适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构 - Google Patents

适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构 Download PDF

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李涛
江舒
吴承勇
乔志强
戚培芸
陈奕
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Abstract

本发明涉及一种适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，具有一个扭矩测量轴，一个密封(去掉密封)圆筒，所述扭矩测量轴置于密封圆筒内，两端伸出密封圆筒，并通过两个金属圆片与密封圆筒两端密封固定连接，扭矩测量轴上正交对称分布安装光纤光栅应变传感器，用于提高测量灵敏度和消除温度交叉敏感，密封圆筒上安装水密型光纤插座，光纤光栅扭矩传感器与测量设备之间通过水密光纤插头进行光信号传输。本发明结构简单，安装方便，抗电磁干扰，测量精度高，寿命长，有效解决了水下高压高腐恶劣环境下设备扭矩参数的测量。

Description

适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅扭矩传感器，尤其是一种适用于水下环境和恶劣潮湿环境下设备的扭矩参数的测量的光纤光栅扭矩传感器结构。
背景技术
水下运载器、潜水器、海洋钻井平台等，这些设备的动力轴系统通常工作在水下潮湿环境中，并且受到环境腐蚀，同时对这些设备动力轴系统进行扭矩的实时测量是保障设备正常运行的关键过程。传统的扭矩传感器采用电阻应变片作为测量传感器，经过密封后侵泡在水中进行扭矩测量。在高水压、高盐和各种腐蚀的长期作用下，电阻应变片容易老化；并且在深水中测量时，较长的连接电缆也会影响测量精度。
光纤光栅传感器是一种新型的光纤传感器件，具有体积小、封装简单、抗电磁干扰、抗腐蚀、长距离传输损耗小、对应变敏感、易于构建分布式传感网络等特点。目前基于光纤光栅设计的扭矩传感器多为理论分析，如研究了实心圆柱和空心圆柱对光纤光栅线性调谐特性的影响；运用高双折射光纤光栅和长周期光纤光栅进行扭矩测量等，这些研究还处于实验室研究，且适用于水下等恶劣环境下扭矩测量的光纤光栅扭矩传感器更是鲜有报道。
发明内容
针对传统电类扭矩传感器在水中等潮湿恶劣环境下使用存在的问题和迫切需求，充分发挥光纤光栅传感器在应力测量方面的优势，本发明提供了一种适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，该传感器结构构造简单、测量精度高、寿命长，能直接用于水下高压高腐蚀等恶劣环境。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，具有一个扭矩测量轴，一个密封圆筒，所述扭矩测量轴置于密封圆筒内，两端伸出密封圆筒，并通过两块金属圆板与密封圆筒两端密封固定连接，扭矩测量轴上正交对称分布安装光纤光栅应变传感器，用于提高测量灵敏度和消除温度交叉敏感，密封圆筒上安装水密型光纤插座，光纤光栅应变传感器与测量设备之间通过水密光纤插头进行光信号传输。
所述测量轴与金属圆板之间，金属板与密封圆筒之间均装有 “O”型密封圈。
所述金属圆板通过其端面的三个螺纹孔和圆周面上的三个螺纹孔分别于密封圆筒和测量轴固定连接。
所述密封圆筒上设有一个安装水密型光纤插座的长方形凹槽并开孔，所述水密型光纤插座内部与长方形凹槽之间装有“O”型密封圈，水密型光纤插座与长方形凹槽外部涂防潮保护胶水。
所述扭矩测量轴上刻有安装光纤光栅应变传感器的正交对称分布的细槽。 
所述光纤光栅应变传感器是金属镀膜光纤光栅。所述光纤光栅应变传感器在测量轴上布置成半桥或全桥方式。所述水密光纤插头光纤引出端灌入密封胶水。
本发明的有益效果是：本发明的传感器结构简单、安装方便，测量精度高，寿命长，适用于水下恶劣环境的扭矩测量，具有良好的防水密封性能。
附图说明
图1是本发明的传感器结构的主视图；
图2是水密光纤插头的结构示意图；
图3是扭矩测量轴的主视图；
图4是金属板的结构示意图；
图5是图1中沿A-A的光纤插座结构剖视图。
具体实施方式
如图1至图5所示，一种适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，包括密封圆筒1、扭矩测量轴3、金属圆板4、水密光纤插头5等。
扭矩测量轴3置于密封圆筒1内，两端伸出密封圆筒1，并通过两块金属圆板4与密封圆筒1两端密封固定连接，扭矩测量轴3上正交对称分布安装光纤光栅应变传感器，用于提高测量灵敏度和消除温度交叉敏感，密封圆筒1上安装水密型光纤插座202，光纤光栅应变传感器与测量设备之间通过水密光纤插头5进行光信号传输。测量轴3与金属圆板4)之间，金属板4与密封圆筒1之间均装有 “O”型密封圈。
如图4所示，金属圆板4通过其端面的三个螺纹孔401和圆周面上的三个螺纹孔402分别于密封圆筒1和测量轴3固定连接。
如图5所示，密封圆筒1上设有一个安装水密型光纤插座202的长方形凹槽2并开孔201。水密型光纤插座202内部与长方形凹槽2之间装有“O”型密封圈，水密型光纤插座202与长方形凹槽2外部涂防潮保护胶水。
如图3所示，扭矩测量轴3上刻有安装光纤光栅应变传感器的正交对称分布的细槽301。 光纤光栅应变传感器是金属镀膜光纤光栅。光纤光栅应变传感器在测量轴3上布置成半桥或全桥方式。
如图2所示，水密光纤插头5光纤引出端501灌入密封胶水。
将镀金属膜光纤光栅制作在一根光纤上，光纤的一段与密封型光纤插座202相连；将光纤光栅焊接在扭矩轴(3)刻好的细槽301内；光纤插座(202)与密封圆筒1添加“O”型密封圈紧密安装配合；将两块金属板4连接扭矩测量轴3和密封圆筒1，实现应变传感器的安装；连接水密光纤插头5与光纤插座202，实现应变传感器与外界的能量供给和信号传输。
将镀金属的光纤光栅串接以全桥(或半桥)方式焊接在扭矩测量轴上已刻好的细槽内，并与光纤插座连接，在密封圆筒的中间端面铣一矩形凹槽，在槽中间开一通孔，与光纤插座用螺丝固定，两者之间添加“O”型密封圈，利用水密型光纤插头与光纤插座连接，提供光能量供给和光信号传输，其中水密型光纤插头在出纤口用密封胶进行防水处理，用两块金属板将密封圆筒和扭矩测量轴固定在一起，中间添加“O”型密封圈，最后在所有连接处涂抹防腐防水密封胶水，完成光纤光栅应变传感器的密封防水保护。

Claims (8)

1.一种适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，具有一个扭矩测量轴(3)，一个密封圆筒(1)，其特征在于：所述扭矩测量轴(3)置于密封圆筒(1)内，两端伸出密封圆筒（1），并通过两个金属圆片(4)与密封圆筒(1)两端密封固定连接，扭矩测量轴（3）上正交对称分布安装光纤光栅应变传感器，用于提高测量灵敏度和消除温度交叉敏感，密封圆筒(1)上安装水密型光纤插座(202)，光纤光栅扭矩传感器与测量设备之间通过水密光纤插头(5)进行光信号传输。
2.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述测量轴(3)与金属圆片(4) 之间，金属板(4)与密封圆筒(1)之间均装有 “O”型密封圈。
3.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述金属圆片(4)通过其端面的三个螺纹孔(401)和圆周面上的三个螺纹孔(402)分别于密封圆筒(1)和测量轴(3)固定连接。
4.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述密封圆筒(1)上设有一个安装水密型光纤插座(202)的长方形凹槽(2)并开孔(201)，所述水密型光纤插座(202)内部与长方形凹槽(2)之间装有“O”型密封圈，水密型光纤插座(202)与长方形凹槽(2)外部涂防潮保护胶水。
5.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述扭矩测量轴3上刻有安装光纤光栅应变传感器的正交对称分布的细槽(301)。
6.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器是金属镀膜光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器在测量轴(3)上布置成半桥或全桥方式。
8.根据权利要求1所述的适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，其特征在于：所述水密光纤插头(5)光纤引出端(501)灌入密封胶水。
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