CN106802398A - 一种基于光纤光栅的转子位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的转子位置检测装置，该装置采用反射式解调系统，包括宽谱光源、三端口环形器、信号解调仪和固定设置于转子转轴上的位置传感器转子，位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，检测装置还包括设置于定子上的用于检测正弦空间磁场的3个光纤光栅位置检测探头，光纤光栅位置检测探头包括磁致伸缩材料和光纤光栅，其中各个光纤光栅位置检测探头以互差120°电角度方式分布在转轴垂直的平面上的以转轴为圆心的圆周上。本发明能够快速高效的确定转子位置同时可以实现在恶劣环境中工作。

Description

一种基于光纤光栅的转子位置检测装置

技术领域

本发明涉及转子位置测量领域，具体涉及一种基于光纤光栅的转子位置检测装置。

背景技术

包括定子和转子的三相电机是常用的电气设备动力源。转子的旋转是通过对定子线圈供电产生的磁通与永磁体的磁通之间的吸引和排斥作用来控制的。为了控制转子的旋转，有必要指定转子的准确位置并依据转子的位置将电力供应到适当的定子线圈。

最常见的检测转子磁极位置的方法是将霍尔元件安装在定子铁芯的齿或槽内，直接感知转子磁极磁场的变化，转变成电信号送入电机控制装置。但是该方法采用的霍尔传感器易受到环境腐蚀且不便于更换(霍尔元件不能完全密封，在潮湿的环境下元件管脚容易锈蚀)，并且位置信号是电信号容易受到磁场干扰，会产生检测误差。传统电类位置检测传感器存在着不能绝缘、频率响应窄等缺点。

随着光纤传感技术的发展，越来越多的领域引入了光纤信号检测。光纤磁场传感器具有电磁绝缘、全光通信、抗腐蚀、尺寸小、柔软灵巧等优势，能够在恶劣的环境中稳定工作、光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。磁致伸缩材料在外加磁场作用下，在其磁化方向发生伸长或缩短，磁致伸缩系数可达1500～2000ppm，且具有响应频带宽、响应时间短、可靠性高的优点。将光纤光纤光栅与超磁致伸缩材料结合可以将超磁致伸缩材料的应变转换为光纤光栅的中心反射波长的漂移，通过测量光纤光栅中心反射波长的漂移即可测量磁场的大小。这种磁场传感器具有抗干扰能力强、无源性、便于构成传感网络等独特优势。

发明内容

本发明提供一种基于光纤光栅的转子位置检测装置通过分析光纤光栅的波长变化确定转子的旋转方向和位置。

本发明的技术方案是：一种基于光纤光栅的转子位置检测装置包括宽谱光源、三端口环形器、信号解调仪和固定设置于转子转轴上的位置传感器转子，所述位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，其特征在于，所述检测装置还包括设置于定子上的用于检测所述正弦空间磁场的3个光纤光栅位置检测探头；

所述的光纤光栅位置检测探头包括磁致伸缩材料外壳和光纤光栅；所述3个光纤光栅位置检测探头以互差120°电角度方式分布在所述转轴垂直的平面上的以所述转轴为圆心的圆周上；

所述的宽谱光源和信号解调仪分别与三端口环形器通过光纤连接，3个光纤光栅位置检测探头通过光纤串联，第一个光纤光栅位置检测探头与三端口环形器通过光纤连接。

优选的，所述磁致伸缩材料外壳与光纤光栅采用表面贴附的耦合方式或磁致伸缩材料涂抹在光纤光栅表面。

所述磁致伸缩材料是Ni-Zn-Co铁氧体、铽铁Fe2Tb金属间化合物或镝铽铁材料Tb0.27Dy0.73Fe1.95。

优选的，所述的永磁体具有1个对级，所述的永磁体由磁极交替分布的两片瓦片式钕铁硼磁钢组成或所述永磁铁具有2个对级，所述永磁体由磁极交替分布的四片瓦片式钕铁硼磁钢组成。

一种利用本发明基于光纤光栅的转子位置检测装置的检测方法，其特征在于，根据封装于磁致伸缩材料的光纤光栅波长漂移量确定转子的旋转方向和位置，所述波长漂移量用式(1)表示：

其中，λ₀为光纤光栅原始波长；p_e为光纤光栅有效弹光系数；Δl为磁致伸缩材料横向长度变化量；L为磁致伸缩材料基底原始长度。

本发明的有益效果是：本发明在光纤光栅表面涂抹上磁致伸缩材料或将光纤光栅嵌入磁致伸缩材料外壳中形成探测器，由于磁力效应，对光纤光栅形成外应力，基于光纤光栅对外应力的敏感性，光纤光栅波长发生变化，根据波长的相应变化和磁场变化判断转子的旋转方向和准确位置。与现有技术中用霍尔元件确定转子位置比较，光纤光栅具有体积小、抗电磁干扰特点，磁致伸缩材料在外加磁场作用下，在其磁化方向发生伸长或缩短，磁致伸缩系数可达1500～2000ppm，且具有响应频带宽、响应时间短、可靠性高的特点。

且具有响应频带宽、响应时间短、可靠性高的特点。

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示意性示出本发明一种基于光纤光栅的转子位置检测装置原理结构框图；

图2a示出本发明实施例1基于光纤光栅的转子位置检测装置结构示意图；

图2b示出本发明实施例2基于光纤光栅的转子位置检测装置结构示意图；

图3示出了本发明光纤光栅位置检测探头封装示意图；

图4a、图4b、图4c分别示出了本发明的光纤光栅位置传感器温度补偿封装结构示意图；

图5示出了本发明的磁致伸缩基底在磁场作用下的形变示意图；

图6示出了本发明的光纤光栅位置检测信号波形图。

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。

磁致伸缩材料：在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动，或者相反的机械振动，在拉伸压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应的发生变化，在线圈中感应电流，将机械能转换为电能。

线磁致伸缩效应：指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化，虽然引起的体积和长度变化是微小的，但是其长度的变化比体积变化大的多。本发明应用的是磁致伸缩材料的线磁致伸缩效应。

实施例1

图1为本发明一种基于光纤光栅的转子位置检测装置原理结构框图，如图1所示包括宽谱光源101、三端口环形器103、3个光纤光栅位置检测探头104和信号解调仪102。其中3个光纤光栅位置检测探头104串联连接，宽谱光源101、信号解调仪102和第一个光纤光栅位置检测探头001通过光纤分别与三端口环形器103连接。

3个光纤光栅位置检测探头104为依次串联连接的第一光纤光栅位置检测探头001，第二光纤光栅位置检测探头002和第三光纤光栅位置检测探头003。图2a为本实施例的基于光纤光栅的转子位置检测装置结构示意图，如图2a所示，光纤光栅位置检测探头以互差120°机械角度方式分布在转轴垂直的平面上，第一光纤光栅位置检测探头001的中心与圆心的连线与第二光纤光栅位置检测探头002的中心与圆心的连线的夹角为120°机械角度，第三光纤光栅位置检测探头003的中心与圆心的连线与第二光纤光栅位置检测探头002的中心与圆心的连线的夹角也为120°机械角度。说明本实施例中电机极对数为1。其中电角度等于机械角度乘以极对数，因此，光纤光栅位置检测探头的机械角度的分布于电机极对数有关。

由于该实施方式中的位置传感器转子200具有一个对级，其旋转一周时的电角度为180°，因此相差120°的机械角度的第一光纤光栅位置检测探头001与第二光纤光栅位置检测探头002之间、第二光纤光栅位置检测探头002与第三光纤光栅位置检测探头003之间的电角度相差120°。同时，由于第一光纤光栅位置检测探头001和第三光纤光栅位置检测探头003之间的机械角度相差180°+120°，因此其电角度相差180°+120度，即第一光纤光栅位置检测探头001与第三位置检测探头003之间相差120°电角度。

图3为本发明光纤光栅位置检测探头封装示意图。如图3所示，光纤光栅位置检测探头包括磁致伸缩材料外壳302、光纤301、光纤光栅303和敏感元件304，所述的光纤光栅303由磁致伸缩材料外壳302作为基底封装，所述的敏感元件304为铜片或铝片。

光纤光栅位置检测探头的制作过程包括将光纤光栅303通过环氧树脂粘贴在一薄铜片上304，做适当保护然后将磁致伸缩材料涂抹在光纤光栅表面；或是将磁致伸缩材料外壳通过环氧树脂固定于一薄铜片304上，然后将光纤光栅303嵌入磁致伸缩材料外壳内并通过环氧树脂进行固定。

磁致伸缩材料是Ni-Zn-Co铁氧体、铽铁Fe2Tb金属间化合物或镝铽铁材料Tb0.27Dy0.73Fe1.95。本实施例优先采用的磁致伸缩材料是Ni-Zn-Co铁氧体。

图5为本发明的磁致伸缩基底在磁场作用下的形变示意图，如图5所示，在磁力作用下，磁致伸缩材料体积与长度发生形变，由于长度的形变远远大于体积的微小变化，本发明考虑磁致伸缩材料的线磁致伸缩效应。磁致伸缩材料涂抹置光纤光栅表面或是将光纤光栅嵌入磁致伸缩材料外壳，当磁致伸缩材料在磁力作用发生长度形变时，光纤光栅的中心波长会相应的发生变化。其中光纤光栅的中心波长漂移量与磁致伸缩材料长度变化量的关系通过式(1)和式(2)表达：

其中L为磁致伸缩材料基底的原始长度；△l为磁致伸缩材料的横向长度变化量；λ₀为光纤光栅初始中心波长；Δλ为波长漂移量；p_e为光纤光栅有效弹光系数。

图6为本发明的光纤光栅位置检测信号波形图，如图6所示，三条正弦曲线分别代表3个光纤光栅的中心波长随转子旋转时间变化而形成的正弦特性变化。

第一条正弦曲线为光纤光栅位置检测探头001的光纤光栅中心波长变化图标记为λ₁，第二条正弦曲线为光纤光栅位置检测探头002的光纤光栅中心波长变化图标记为λ₂，第三条正弦曲线为光纤光栅位置检测探头003的光纤光栅中心波长变化图标记为λ₃。

信号解调仪102将3个光纤光栅位置检测探头的光纤光栅中心波长λ₁、λ₂和λ₃通过上位机或下位机处理转化为转子位置变化量。

结合图5和图6说明光纤光栅的中心波长漂移量与转子旋转方向之间的关系：当光纤光栅的中心波长在原始中心波长位置向右偏，定义为正方向，方波为+1；中心波长位置向左偏，定义为负方向，方波为-1。后续信号处理时，根据三个方波信号的相位关系，判断转子旋转方向是正转还是反转。

光纤光栅对物理量的相应都比较低，采用各种封装形式提高光栅的响应灵敏度。图4a、图4b、图4c分别示出了本发明的光纤光栅位置传感器温度补偿封装结构示意图。如图4a所示为分段嵌入式封装，图4b所示为完全嵌入式封装，图4c所示为组合分段嵌入式封装。本发明优选的封装形式为图4b完全嵌入式封装。

实施例2

图2b为本发明实施例2基于光纤光栅的转子位置检测装置结构示意图，如图2b所示，本实施例与实施例1相比较区别在于：本实施例的电机极对数为2，光纤光栅位置检测探头以互差60°机械角度方式分布在转轴垂直的平面上。

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 (5)

1.一种基于光纤光栅的转子位置检测装置包括宽谱光源、三端口环形器、信号解调仪和固定设置于转子转轴上的位置传感器转子，所述位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，其特征在于，所述检测装置还包括设置于定子上的用于检测所述正弦空间磁场的3个光纤光栅位置检测探头；

所述的光纤光栅位置检测探头包括磁致伸缩材料外壳和光纤光栅；所述3个光纤光栅位置检测探头以互差120°电角度方式分布在所述转轴垂直的平面上的以所述转轴为圆心的圆周上；

所述的宽谱光源和信号解调仪分别与三端口环形器通过光纤连接，3个光纤光栅位置检测探头通过光纤串联，第一个光纤光栅位置检测探头与三端口环形器通过光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的转子位置检测装置，其特征在于，所述磁致伸缩材料外壳与光纤光栅采用表面贴附的耦合方式或磁致伸缩材料涂抹在光纤光栅表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的转子位置检测装置，其特征在于，所述磁致伸缩材料是Ni-Zn-Co铁氧体、铽铁Fe2Tb金属间化合物或镝铽铁材料Tb0.27Dy0.73Fe1.95。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的转子位置检测装置，其特征在于，所述永磁体具有1个对级，所述永磁体由磁极交替分布的两片瓦片式钕铁硼磁钢组成或所述永磁铁具有2个对级，所述永磁体由磁极交替分布的四片瓦片式钕铁硼磁钢组成。

5.一种利用权利要求1所述的基于光纤光栅的转子位置检测装置的检测方法，其特征在于，根据封装于磁致伸缩材料的光纤光栅波长漂移量确定转子的旋转方向和位置；所述波长漂移量用式(1)表示：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0(1-p_e)\frac{\mathrm{\Δ}l}{L}---\left(1\right)$

其中，λ₀为光纤光栅原始波长；p_e为光纤光栅有效弹光系数；△l为磁致伸缩材料横向长度变化量；L为磁致伸缩材料基底原始长度。