CN107561313A - 一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，包括基体、两个组合件和四个光纤光栅，基体包括轴环、两个光纤固定环和两个连接板，组合件包括依次连接的底座、等截面梁和质量块，两个组合件的底座分别固定在轴环外圆上，两个组合件的质量块分别位于光纤固定环端部之间的间隙内，两根光纤分别穿过两个质量块上的通孔并通过质量块两侧的光纤固定环端部上的封装槽固定，四个光栅悬置在质量块和封装槽之间。该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，能够消除旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰，具有温度自补偿功能。

Description

一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器

技术领域

本发明属于振动测量领域，具体涉及一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器。

背景技术

机械振动一般有三种表现形式，分别是轴向振动、横向振动和扭转振动。其中，扭振是旋转机械振动的常见振动形式，旋转轴在工作的时候会受到主动力矩(输入力矩)和负载力矩(输出力矩)，在两种力矩作用下，旋转轴会受到扭转变形，轴上不同部位会有相对转动，当这两种力矩平衡时，扭转变形保持不变，轴上各部位的相对扭转角保持不变，但实际上，两力矩的合力矩不为零，而是在小范围波动，这使得轴产生绕轴线的扭转振动，具体的表现为，轴上不同位置的相对扭转角在平衡值附近变化，即轴上不同部位有不断变化的相对转动，则轴上某一部位的角速度为匀速转动角速度和扭振引起的绕轴线来回扭转的角速度的叠加，轴上某一部位的角加速度即为扭振引起的绕轴线来回扭转的角加速度。

目前有许多扭振传感器是通过测量轴的角加速度的变化来表征扭振信号，这类传感器主要是将加速度计或惯性测量装置等安装在轴上，测量信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传输到仪器上，通过有线或集流环的方式传输布线繁琐，且在高速下容易使得信号失真，通过无线电传输则容易受到电磁干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，能够消除旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰，具有温度自补偿功能。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，包括基体、两个组合件和四个光纤光栅，基体包括用于与旋转轴配合的轴环、两个与轴环同心且相互对称的光纤固定环和两个连接板，两个连接板在一条直线上且一端与轴环外圆连接、另一端与光纤固定环自身中点连接，组合件包括依次连接的底座、等截面梁和质量块，两个组合件在一条直线上形成两个光纤固定环的对称中心，两个组合件的底座分别固定在轴环外圆上，两个组合件的质量块分别位于光纤固定环端部之间的间隙内，两根垂直于组合件且预紧力相同的光纤分别穿过两个质量块上的通孔并通过质量块两侧的光纤固定环端部上的封装槽固定，四个光栅悬置在质量块和封装槽之间。

进一步地，基体的材质为刚度较大的硬质金属材料。

进一步地，等截面梁的截面为矩形。

进一步地，底座分别固定在轴环外圆的两个凸台上，底座与凸台通过螺钉固定在一起。

本发明的有益效果是：

将该传感器安装在旋转轴上，传感器随旋转轴一起转动，当旋转轴有扭转振动时，由于惯性，质量块对等截面梁产生作用力使其发生弯曲变形，位于等截面梁顶端的质量块便有微小位移，这引起质量块两端的光纤光栅拉伸或压缩，光纤光栅的应变发生改变，其波长发生漂移，通过检测光纤光栅的波长漂移量便可获得扭振引起的角加速度值。该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，引入光纤光栅作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点，能够消除旋转轴轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰；具有温度自补偿功能。

附图说明

图1是本发明实施例的轴视图。

图2是本发明实施例的正视图。

图3是本发明实施例中基体的三维结构示意图。

图4是本发明实施例中组合件的三维结构示意图。

图5是扭振受力示意图。

图中：1.旋转轴；2.基体；3.螺钉；4.组合件；5.光纤光栅；2-1.轴环；2-2.连接板；2-3.光纤固定环；2-4.凸台；2-5.封装槽；4-1.螺纹孔；4-2.底座；4-3.等截面梁；4-4.质量块；4-5.通孔。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，一种基于惯性原理的光纤光栅5扭振传感器，包括基体2、两个组合件4和四个光纤光栅5，基体2包括用于与旋转轴1配合的轴环2-1、两个与轴环2-1同心且相互对称的光纤固定环2-3和两个连接板2-2，两个连接板2-2在一条直线上且一端与轴环2-1外圆连接、另一端与光纤固定环2-3自身中点连接，组合件4包括依次连接的底座4-2、等截面梁4-3和质量块4-4，两个组合件4在一条直线上形成两个光纤固定环2-3的对称中心，两个组合件4的底座4-2分别固定在轴环2-1外圆上，两个组合件4的质量块4-4分别位于光纤固定环2-3端部之间的间隙内，两根垂直于组合件4且预紧力相同的光纤分别穿过两个质量块4-4上的通孔4-5并通过质量块4-4两侧的光纤固定环2-3端部上的封装槽2-5固定，四个光栅悬置在质量块4-4和封装槽2-5之间。

将该传感器安装在旋转轴1上，传感器随旋转轴1一起转动，当旋转轴1有扭转振动时，由于惯性，质量块4-4对等截面梁4-3产生作用力使其发生弯曲变形，位于等截面梁4-3顶端的质量块4-4便有微小位移，这引起质量块4-4两端的光纤光栅5拉伸或压缩，光纤光栅5的应变发生改变，其波长发生漂移，通过检测光纤光栅5的波长漂移量便可获得扭振引起的角加速度值。该传感器利用惯性原理来测量扭转振动角加速度，结构简单、安装方便，引入光纤光栅5作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点，能够消除旋转轴1轴向振动和横向振动对扭振测量的干扰；具有温度自补偿功能。

如图1和图4所示，在本实施例中，等截面梁4-3的截面为矩形，截面的宽度与厚度之比适当大些。

如图1和图2所示，在本实施例中，底座4-2分别固定在轴环2-1外圆的两个凸台2-4上，底座4-2与凸台2-4通过螺钉3固定在一起。

在本实施例中，基体2的材质为刚度较大的硬质金属材料。

本发明的测量原理如下：

将该传感器安装在旋转轴1上，当旋转轴1旋转并发生扭转振动时，由于惯性，质量块4-4在圆周方向受到惯性力作用，其大小为ma，与此同时，质量块4-4还受到重力mg，方向随机的横向振动引起的惯性力Fr，方向随机的轴向振动引起的惯性力F_a，以及质量块4-4两边的光纤拉力Fb，这些力的综合作用，会使得等截面梁4-3沿着X向弯曲，沿着Y向拉伸，沿着轴向弯曲。

首先分析等截面梁4-3沿着X向弯曲的情况。

对于#1FBG(一号光纤光栅5，下同)、#2FBG(二号光纤光栅5，下同)和组合件4系统来说有：

上述力在X轴方向的作用力分别为ma，mg_x，Fr_x，0，Fb，Fb，使得等截面梁4-3发生弯曲变形，质量块4-4沿着X方向有微小位移Δω，从而引起其两边的光纤光栅5拉伸或压缩Δω，光纤的拉力发生变化，分别为Fb+ΔF，Fb-ΔF。

根据叠加法，可得到等截面梁4-3顶端挠度(质量块4-4的微位移)为

其中，L为等截面梁4-3的等效作用长度(底座4-2上表面与质量块4-4中心距离)，E为等截面梁4-3的材料的弹性模量，I为等截面梁4-3横截面对与宽度b边平行且过截面中心的轴线的惯性矩，

其中，b为等截面梁4-3横截面的宽度，h为等截面梁4-3横截面的高度。

#1FBG和#2FBG的应变改变量为

其中，l₀为封装槽2-5上光纤的固定点到质量块4-4上光纤的固定点之间的光纤长度。

光纤拉力的变化量为

ΔF＝E₀A₀Δε (4)

其中，E₀为光纤光栅5的弹性模量，A₀为光纤光栅5的横截面积。

联立(1)(3)(4)式可得

联立(3)(5)得到#1FBG和#2FBG的应变改变量为

同理，可得到#3FBG(三号光纤光栅5，下同)和#4FBG(四号光纤光栅5，下同)的应变改变量为

四个FBG的应变分别为

结合(6)(7)(8)式可得

结合光纤光栅5波长漂移量与应变和温度的关系式

其中，λ为光纤光栅的中心波长、Δλ为光纤光栅的波长漂移量、P_e为光纤的弹光系数、α_f为光纤的热膨胀系数、ξ_f为光纤的热光系数、Δt为温度改变量，可得到

由于λ₁≈λ₂≈λ₃≈λ₄，联立上面两式可得

则扭振角加速度为

其中，R为质量块4-4中心到轴心的距离。

下面分析等截面梁4-3Y向拉伸的情况。

对于#1FBG、#2FBG和组合件4系统来说有；

等截面梁4-3在Y向受到的合力为Fr_y-mg_y，引起梁的顶端拉伸量为

则质量块4-4在Y向和X向的微位移之比为

式中，Fr_y-mg_y与ma+mg_x+Fr_x来源于上述的几种力，其数值在同一数量级，比值的大小主要取决于式中的系数，即

对于图1和图2所提供的实施例以及工程实际应用来说，L≥15h，Ebh＞1000E₀A₀，L＜5l₀，可知，K₁＜＜1。

由此可知，质量块4-4在Y向的微位移对光纤光栅5应变变化的影响几乎可以忽略不计。

下面再讨论轴向振动的影响。

轴向振动引起的质量块4-4的惯性力为F_a，引起的质量块4-4的微位移为

其中，I’为等截面梁4-3的横截面对与高度h边平行且过截面中心的轴线的惯性矩，

轴向振动引起的质量块4-4微位移与质量块4-4在X向的微位移之比为

对于实际工程应用来说，F_a＜ma+mg_x+Fr_x，Ebh＞1000E₀A₀，L＜5l₀，b＞8h，将其带入系数

可知K₂＜＜1，即轴向振动对测量信号的干扰非常小，可以忽略不计。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：包括基体、两个组合件和四个光纤光栅，基体包括用于与旋转轴配合的轴环、两个与轴环同心且相互对称的光纤固定环和两个连接板，两个连接板在一条直线上且一端与轴环外圆连接、另一端与光纤固定环自身中点连接，组合件包括依次连接的底座、等截面梁和质量块，两个组合件在一条直线上形成两个光纤固定环的对称中心，两个组合件的底座分别固定在轴环外圆上，两个组合件的质量块分别位于光纤固定环端部之间的间隙内，两根垂直于组合件且预紧力相同的光纤分别穿过两个质量块上的通孔并通过质量块两侧的光纤固定环端部上的封装槽固定，四个光栅悬置在质量块和封装槽之间。

2.如权利要求1所述的基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：基体的材质为刚度较大的硬质金属材料。

3.如权利要求1所述的基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：等截面梁的截面为矩形。

4.如权利要求1所述的基于惯性原理的光纤光栅扭振传感器，其特征在于：进一步地，底座分别固定在轴环外圆的两个凸台上，底座与凸台通过螺钉固定在一起。