CN106525099B - 一种非接触式光纤光栅角量传感器及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式光纤光栅角量传感器，包括磁栅尺、转盘和磁头探测单元，其特征在于，所述的磁头探测单元由塑料外壳、缓震泡沫、录磁磁头、环氧树脂、金属套管、锥型管、光纤光栅和光纤连接器组成；光纤光栅角量传感器工作时，磁栅尺旋转，对磁栅尺与录磁磁头间的作用力的最大值进行计数，得到旋转物体的角量。本发明能够实现连续大范围测量角速度、角加速度；与现有技术相比测量范围大，精度高，测量装置安装方便简单。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种非接触式光纤光栅角量传感器及测试方法。
背景技术
随着光纤光栅制作工艺的不断提高和成熟，世界各国对光纤光栅的应用研究迅速开展起来。伴随着光纤光栅的优良特性的逐步展现，其在传感和通信领域得到了广泛研究和应用。可以说光纤光栅技术是继掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突破。光纤光栅传感器作为新型光纤传感器，除具有重量轻，抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等光纤传感器的特点外，还具有许多独特的优点。
光纤光栅是自参考型传感器，可以实现绝对测量(在对光纤光栅进行定标后)，不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始当量标定；相比光纤传感器具有更强的抗干扰能力：光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源功率的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等；能制成各种结构简单、尺寸小的传感器探头，适合于各种场合，便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、结构损伤状况等进行实时监测，构建智能材料结构；传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几，光波的频率较传统的位于光纤传感和光纤通讯目前发展很好，因为它有很多重要的优点，如高灵敏度，抗电磁干扰，能复用和组网以及波长绝对编码等。
利用光纤光栅(Fiber Bragg Grating)波长偏移的特性由于外界施加应变，已经制造了多种基于光纤光栅的传感器。然而，光纤光栅的旋转角度传感器仍然在文献报道罕见。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式光纤光栅角量传感器，能够实现连续大范围测量角量。
为了解决旋转物体角量问题，本发明提出一种非接触式光纤光栅角量传感器，包括磁栅尺、转盘和磁头探测单元，其特征在于，所述的磁头探测单元由塑料外壳、缓震泡沫、录磁磁头、环氧树脂、金属套管、锥型管、光纤光栅和光纤连接器组成；所述的磁栅尺均匀分布转盘一周；所述的光纤光栅顺次穿过锥型管、金属套管、塑料外壳和缓震泡沫的中心与录磁磁头连接；所述的录磁磁头与缓震泡沫连接并位于缓震泡沫正上方；所述的塑料外壳为环形结构，置于缓震泡沫外围；所述录磁磁头位于塑料外壳的中心位置。
优选的，所述的录磁磁头是永磁体，永磁体不易失磁，也不易被磁化而且极性不会发生变化。
优选的，所述的录磁磁头优选为双磁头，双磁头相位差为90°，双磁头方便识别磁栅尺的移动方向。
优选的，所述的锥型管、金属套管和塑料外壳顺次通过环氧树脂固定连接；所述的缓震泡沫与录磁磁头通过环氧树脂固定连接；环氧树脂固化方便，附着力强，化学性强、耐化学腐蚀同时具有良好的绝缘性和耐油性；
优选的，所述的锥型管、金属套管和塑料外壳的几何中心位置设有通孔，通孔直径0.25mm-3mm。
优选的，所述的光纤光栅与光纤连接器固定连接。
所述的磁栅尺的形状为圆形、椭圆形或多边形；所述的转盘形状为圆形、椭圆形、长方形或正方形；优选的，所述的磁栅尺为圆形磁栅尺，所述的转盘为圆形转盘。
优选的，本发明的测试方法通过下式计算旋转物体的角量：
ΔλB＝υ*(F0sinθ-mg)
其中：μ＝0或1
μ＝0或1(为0代表正弦，为1代表余弦)，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，R为磁栅尺半径，λm为磁栅周期，C为弹性模量，A为光纤光栅截面积，pe为有效弹光常数，λB为光纤光栅反射波长；
当磁栅尺旋转时，对磁栅尺与磁头间的作用力的最大值F0进行计数，得到旋转物体的角量。
本发明的有益效果是：本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器能够实现连续大范围测量角速度、角加速度；与现有技术相比测量范围大，精度高，测量装置安装方便简单。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器的传感系统结构图；
图2a示出本发明录磁磁头立体图；
图2b示出本发明录磁磁头向视图；
图3示意性示出本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器工作连接图；
图4示出本发明双磁头主视图结构示意图；
图5a示出本发明工作时直流电机旋转角度与光纤光栅中心波长关系图；
图5b示出本发明工作时不同驱动电压与光纤光栅中心波长关系图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
实施例1
如图1所示为本发明的传感系统结构图，其中磁栅尺102、转盘101、磁头探测单元103。
其中，本实施例的磁栅尺102为圆形磁栅尺，转盘101为圆形转盘。
图2a所示为磁头探测单元103的立体图；图2b所示为磁头探测单元103的向视图。所述的磁头探测单元103包括塑料外壳201、缓震泡沫202、录磁磁头203、环氧树脂204、金属套管205、锥型管206、光纤光栅207和光纤连接器208。
其中，磁栅尺102均匀分布在转盘101一周，磁栅尺102个数一般6-18个，根据需要而定。
本实施例录磁磁头203为永磁体。
其中，选用光纤光栅传感器，波长在800nm-2000nm范围内，将光纤光栅207安装至永磁体表面几何中心位置，然后光纤光栅传感器用环氧树脂保护封装；安装缓震泡沫，光纤光栅207穿过缓震泡沫202几何中心，缓震泡沫202中心通孔直径与光纤光栅207的直径匹配，一般设计通孔直径为0.25mm-3mm，优选的通孔直径为0.25mm；塑料外壳201、金属套管205和锥型管206通过环氧树脂固定连接，所述的塑料外壳201置于金属套管205正前方，包围缓震泡沫202；所述锥型管206置于金属套管205正后方；光纤光栅207顺次穿过塑料外壳201、金属套管205和锥型管206，塑料外壳201、金属套管205和锥型管206的几何中心通孔直径尺寸与光纤光栅207直径匹配，一般设计通孔直径为0.25mm-3mm，优选的通孔直径为0.25mm；光纤光栅207与光纤连接器208固定连接，优选的光纤连接器208是光纤跳线APC。
塑料外壳201限制录磁磁头203的横向自由度，录磁磁头203与圆形磁性栅尺在磁力作用下相互吸引或排斥时，录磁磁头203仅在垂直于圆形磁性栅尺方向移动；塑料外壳201，金属套管205和锥型管206限制光纤光栅207横向自由度，光纤光栅207只承受轴向力。
本发明的工作原理是：
光纤光栅的基本传感原理是宽带光入射进入光纤，只有特定波长的光由光栅反射回来,反射波长值通常用λB表示，与光栅周期Λ和反向耦合有效折射率neff有关，耦合模式理论可得，满足相位匹配条件的Bragg光栅的中心波长用式(1)表示:
λB＝2neff*Λ (1)
所有引起光纤光栅波长移位的因素中，最直接的是应力和应变参量，在引起光纤光栅中心波长移位可由式(2)统一描述:
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ (2)
式中，ΔΛ为光纤本身存在应力作用下的弹性形变；Δneff为光纤的弹光效应。
不同的外界应力状态将导致ΔΛ和Δneff的不同变化。一般情况下，由于光纤光栅属于各向同性的柱体结构，所以施加其上的应力可以在柱坐标系下分解为σr,σθ,和σz三个方向，只有σz作用的情况称为轴向应力的作用；只有σr和σθ的情况称为横向应力作用，三者同时存在称为体应力作用。
Hooke定理的一般形式可以由式(3)表示，其均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时的光纤光栅的轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏度的传感模型为式(4)，光纤光栅只承受轴向力，且在弹性范围内。
式中σ为应力张量；C为弹性模量；ε为应变张量；A为光纤光栅截面积；F为光纤光栅所受拉力；Pe为有效弹光常数，纯熔融石英参数的Pe为0.216，εB为光纤光栅受轴向力产生的应变。
将光纤光栅207垂直固定在录磁磁头203中心，塑料外壳201限制录磁磁头203横向自由度，录磁磁头203只有轴向应力的作用。录磁磁头吸引物体或排斥物体所施的力即是磁力，而磁力的大小与磁体本身有着密不可分的关系。录磁磁头优选双磁头结构，可以识别磁栅的移动方向。
图4为本发明录磁磁头主视图结构示意图。如图4所示，所述的录磁磁头410为双磁头结构；所述的塑料外壳420作为挡板，限制录磁磁头横向自由度；所述的锥形管430固定光纤光栅。
所述的双磁头410彼此间距(n±1/4)λm(n为正整数，且(n±1/4)λm≤磁尺总长度)，双磁头与磁栅尺作用力用式(5)描述:
式中，F0为磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，其值由录磁磁头本身性质和磁头与磁栅尺之间的距离决定；λm为磁栅周期；X为磁头在磁性标尺上的位移量。可知双磁头之间相位相差90°。
结合式(3)、(4)、(5)及磁头受力平衡可以推出光纤光栅中心波长移位量Δλm与磁头在磁性标尺上的位移量X之间的关系为：
式中，角量与波长移位量ΔλB是未知量；μ的值为0或1(为0代表正弦，为1代表余弦)；m是磁头的质量；g是引力常数。
由于位移量x与角量θ关系为：
式中，R为磁栅尺半径。
则光纤光栅中心波长移位量ΔλB与磁头在磁性标尺上角量θ关系为：
ΔλB＝υ*(F0sinθ-mg) (8)
其中μ＝0或1。
由式(8)可知为光纤光栅中心波长变化量与角量之间有确定的关系，增加磁头-磁栅尺之间的作用力最大幅值、减小磁头质量可以提高测量精度，磁头的质量直接影响了光纤光栅测量角量的灵敏度，小质量的磁头减弱了磁头-磁栅尺之间的作用力，所以需要选择合适的磁头来提高测量灵敏度。
灵敏度的变化频率与磁栅尺周期成反比，与栅尺半径成正比。由式(8)可知，当圆磁栅尺旋转时，可以对磁栅尺与磁头力的作用力最大值进行计数，从而得到旋转物体的角速度。
本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器测试试验。
试验装置包括电子测速仪310，发光纸311，直流电机312，电源313，磁栅盘314，磁头探测单元315，宽带光源316，环形器317，解调仪318以及个人电脑319。
其中，发光纸311固定在直流电机312右端，电子测速仪310正对于发光纸311中心位置；磁栅盘314固定在直流电机312左端，磁头探测单元315正对于磁栅盘314的一个圆形磁性栅尺；环形器317为三端口环形器，宽带光源316与环形器317的端口1通过连接跳线连接；解调仪318通过连接跳线与环形器317端口3连接；磁头探测单元315通过连接跳线与环形器317端口2连接；个人电脑319通过串口与解调仪的端口连接。
本实施例中，电子测速仪310记录直流电机312的转速和转角；八个磁栅尺和转盘组成的磁栅盘314固定在直流电机312的左端，磁头对准其中一个磁栅位置，宽带光源316(例如ASE光源)发出的宽谱光经过环形器317入射到磁头探测单元315的光纤光栅中，光纤光栅受与磁栅作用力产生形变，解调仪318(Ibsen解调仪)对反射谱解调寻峰，通过个人电脑319(上位机软件)将中心波长值解调为光纤光栅传感器的应变。
本实施例中，录磁磁头采用永磁体，其中磁铁的特征参数是：钐钴为2:17，矫顽力Hc＝700～750kA/m，几何形状为扁圆柱，直径为8mm，厚度为2mm；8个永磁铁圆心所在转盘直径D＝110mm，相邻永磁铁夹角45°且磁极性相反；光纤光栅采用低温环氧树脂固化24小时，用光谱仪AQ6370D(分辨率0.02nm)采集固化后稳定中心波长值为1567.280nm；稳压源直流电机312供电，所述直流电机参数：直条双轴减速马达、减速比为1:48、工作电压不低于6v且空载转速不超过200rpm(Revolutions Per Minute)，所述直流电机312通过电压旋转按钮调节电压可以得到不同的直流电机转速；设置解调仪318采样数率为1000Hz，实时记录0v-6v(间隔1v)电压值下的传感器单元中心波长随时间的变化值。
其中，磁栅尺不仅限于是圆形磁栅尺，还可以是椭圆形或多边形磁栅尺。转盘不仅限于是圆形转盘，还可以是椭圆形、长方形或正方形转盘，优选为圆形转盘。
测试试验结论：
假设录磁磁头面向磁栅盘极性为S极，根据极间的作用规律可知，同名磁极相互排斥，异名磁极相互异性，磁栅盘上S极性相邻的N极永磁体决定了传感磁头受力的大小，进而决定光纤光栅在距离确定的位置中心波长红移的最大量。根据电机旋转角度与传感单元中心波长关系图图5a得出，电机旋转方向是与S极性相邻的单个N极相同，由于永磁体的数量不同与FBG封装挡板的设置，修正受力理论模型：
ΔλB＝υ*(F0∑(sinθ)-mg)
(nπ≤θ≤2nπ,n为正整数) (9)
典型中心波长为1550nm的石英光纤光栅，理论分析的应变灵敏度为1.2pm/με。
本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器工作时直流供电电机电压不同，转速会不同，在电机供电电压为3V时，光纤光栅角量传感器的中心波长与旋转角度之间的关系曲线如下图5a所示。
本发明一种非接触式光纤光栅角量传感器工作时稳压电源输出不同电压控制直流电机带动圆形磁栅尺旋转，得出光纤光栅角量传感器在不同电压下的中心波长变化值如图5b所示。
不同驱动电压光纤光栅传感中心波长随时间的周期性变化，电压越大，转盘旋转角速度越大，中心波长随时间变化周期越短。
由于电压不同，电机旋转角速度不同，对在同一电压下对中心波长随时间变化进行傅里叶变换，得出旋转角速度，同时记录智能数字转数表数显的角速度。数字转速表测得角速度与光纤光栅录磁磁头测得比值1.02，在转速超过20rpm，线性度可达0.998。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种非接触式光纤光栅角量传感器，包括磁栅盘和磁头探测单元；
所述的磁头探测单元由塑料外壳、缓震泡沫、录磁磁头、环氧树脂、金属套管、锥型管、光纤光栅和光纤连接器组成；
所述的磁栅盘包括磁栅尺和转盘；
所述的磁栅尺均匀分布转盘一周；
所述的光纤光栅顺次穿过锥型管、金属套管、塑料外壳和缓震泡沫的中心与录磁磁头连接；所述的录磁磁头与缓震泡沫连接并位于缓震泡沫正上方；所述的塑料外壳为环形结构，置于缓震泡沫外围；所述录磁磁头位于塑料外壳的中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的录磁磁头是永磁体；所述的录磁磁头是单磁头或双磁头。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的录磁磁头为双磁头，双磁头相位差为90°。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的锥型管、金属套管和塑料外壳顺次通过环氧树脂固定连接；所述的缓震泡沫与录磁磁头通过环氧树脂固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的锥型管、金属套管和塑料外壳的几何中心位置设有通孔，通孔直径0.25mm-3mm。
6.根据权利要求4所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的光纤光栅与光纤连接器固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的磁栅尺的形状为圆形、椭圆形或多边形；所述的转盘形状为圆形、椭圆形、长方形或正方形。
8.根据权利要求7所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，所述的磁栅尺为圆形磁栅尺，所述的转盘为圆形转盘。
9.一种非接触式光纤光栅角量传感器的测试方法，该方法采用权利要求1所述的一种非接触式光纤光栅角量传感器，其特征在于，通过下式计算旋转物体的角量：
ΔλB＝υ*(F0sinθ-mg)
其中：
μ＝0或1，0代表正弦，1代表余弦，F0为录磁磁头与磁栅尺之间的最大作用力幅值，R为磁栅尺半径，λm为磁栅周期，C为弹性模量，A为光纤光栅截面积，pe为有效弹光常数，λB为光纤光栅反射波长；ΔλB为波长移位量，m是磁头的质量；g是引力常数；θ为角量；Δθ为角量的变化量；υ为角速度；
对磁栅尺与录磁磁头间的作用力的最大值F0进行计数，得到旋转物体的角量。
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