CN109507453A - 一种基于光纤光栅的转速校准系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及校准的技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤光栅的转速校准系统及校准方法。一种基于光纤光栅的转速校准系统，其中，包括计算机、光栅波长解调系统、FBG转速传感器；所述的计算机与光栅波长解调系统连接，光栅波长解调系统与FBG转速传感器连接；所述的光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调，直接在计算机软件上直接读出此中心波长。本发明当被测仪器的转轴或转叶在一个密闭空间转动或者其他无法看到的环境转动时，仍然可以准确测量出转速。

Description

一种基于光纤光栅的转速校准系统及校准方法

技术领域

本发明涉及校准的技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤光栅的转速校准系统及校准方法。

背景技术

目前计量领域测量转速的方法有两种：第一种在转速较小、肉眼可辨的情况下使用秒表进行计量；第二种是转速较大、肉眼不能分辨的情况下使用转速表进行计量。然而不管是第一种方法，还是第二种方法，都面临一个同样的问题，那就是测量转速时，当被测仪器的转轴和转叶都无法看到，或者在一个密闭空间转动时，上述两种方法皆是无能为力的。

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。光纤布拉格光栅(FBG)是一种反射型光栅，当一束宽光谱光经过FBG时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域已经得到了广泛的应用，而在计量领域应用比较少。

现有技术中，转速较低时，使用秒表，通过测量被测仪器旋转(振荡)n个周期所需要的时间t，间接测出转速；转速较大时，使用转速表直接测出被测仪器转速。上述技术确实能够测量大多数情况下的转速，但对于特殊场合(例如密闭空间)，由于看不到转轴转动情况，因此无法测量转速，而且对于转速较大时，现有技术方案一测量转速时，距离转轴比较近，相对不安全。

另外，现有技术中使用电磁感应式传感器(发动机转速测量大多使用此法)进行转速的测量。缺点是由于其输出信号的幅值随转速的变化而变化，若转速过慢时，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测，因此这种方法不能测量低转速，另外这种方法抗电磁干扰能力比较弱。

另外，现有技术中使用基于霍尔效应制成的转速传感器(车轮转速测量大多使用此法)进行转速的测量。缺点信号随温度变化，非线性输出，需要用单片机进行非线性和温度校正。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于光纤光栅的转速校准系统及校准方法，解决目前对于密闭环境下的转速计量，使用常规的计量手段无能为力的难题。

本发明的技术方案是：一种基于光纤光栅的转速校准系统，其中，包括计算机、光栅波长解调系统、FBG转速传感器；

所述的计算机与光栅波长解调系统连接，光栅波长解调系统与FBG转速传感器连接；

所述的光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调，直接在计算机软件上直接读出此中心波长。

本发明中，当被测仪器的转轴或转叶在一个密闭空间转动或者其他无法看到的环境转动时，仍然可以准确测量出转速。

进一步的，所述的光栅波长解调系统与FBG转速传感器之间使用耦合器相连。耦合器的连接方式快速，传输效率高。

进一步的，所述的FBG转速传感器包括光纤光栅、光纤、底片，光纤光栅粘贴在底片上，光纤连接光纤光栅，且光纤延伸至底片外部。所述的光纤由玻璃制成。所述的底片由碳纤维或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料制成。

本发明中，因为光纤是由玻璃制成的，不能直接对其进行弯折，否者容易折断，因此将光纤光栅使用强力胶粘贴在底片上，底片是由碳纤维或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料制成，测量时转轴连接的叶片接触到底片，底片发生弯折变形，粘在其上的光纤光栅将会感应到应变的变化，从而导致发射中心波长发生对应的偏移。由于考虑到测量环境的不确定性，为了保护光纤免于被折断，所用光纤的涂层为聚酰亚胺或者其他能够保护光纤不易折断的材料。

可选的，所述的光纤还串接多个光纤光栅。一根光纤可以串接许多个光纤光栅(串接光栅数量与宽带光源带宽有关)，构成分布式光纤光栅测量网络，将转速传感器和温度传感器串接在一起，可以同时进行转速和温度的准确计量。

一种基于光纤光栅的转速校准系统的校准方法，其中，包括以下步骤：

S1.FBG转速传感器产生作用，测量时转轴连接的叶片接触到底片，底片发生弯折变形；

S2.粘在其上的光纤光栅将会感应到应变的变化，从而导致发射中心波长发生对应的偏移；

S3.将上述信号传递到光栅波长解调系统，光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调；

S4.直接在计算机软件上直接读出此中心波长。

本发明选用光纤布拉格光栅(FBG)制成转速传感器，进行密闭空间转速不大于300r/min的转速的测量。

与现有技术相比，有益效果是：本发明当被测仪器的转轴或转叶在一个密闭空间转动或者其他无法看到的环境转动时，仍然可以准确测量出转速。

对于有些测量转速环境比较恶劣的场合，由于人员距离仪器可以很远，甚至不在一间房子，因此使用FBG传感器进行转速测量，提高了人员安全性。

对于需要计量转速的仪器往往伴随着温度的计量，一根光纤可以串接许多个光纤光栅(串接光栅数量与宽带光源带宽有关)，构成分布式光纤光栅测量网络，可以同时进行转速和温度的准确计量；此外，由于一根光纤上可以串接许多个光纤光栅，也可以对多台需要进行转速(和温度)的仪器进行同时计量，方便快捷，省时省力。

利用FBG转速传感器进行转速测量，误差来源只有计时的准确性，相比于利用秒表测量转速，消除了人工掐表的反应时间、转数记录错误的误差来源，大大提高了测量准确度；相比于利用转速表测量转速，根据转速表的精度等级和秒表的精度等级，可以计算出利用FBG转速传感器进行转速测量的不确定度小于转速表测得转速的不确定度。因此利用FBG转速传感器进行转速测量提高了精度。

附图说明

图1是本发明FBG转速传感器示意图。

图2是本发明系统模块示意图。

图3是本发明振荡水浴锅振荡图。

图4是本发明FBG转速传感器波长解调图。

图5是本发明FBG测量网络图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1、2所示，一种基于光纤光栅的转速校准系统，其中，包括计算机、光栅波长解调系统、FBG转速传感器；

计算机与光栅波长解调系统连接，光栅波长解调系统与FBG转速传感器连接；

光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调，直接在计算机软件上直接读出此中心波长。

光栅波长解调系统与FBG转速传感器之间使用耦合器相连。

本实施例中，FBG转速传感器包括光纤光栅1、光纤2、底片3，光纤光栅1粘贴在底片3上，光纤2连接光纤光栅1，且光纤2延伸至底片3外部。光纤2由玻璃制成。底片3由碳纤维或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料制成。

本发明中，因为光纤是由玻璃制成的，不能直接对其进行弯折，否者容易折断，因此将光纤光栅使用强力胶粘贴在底片上，底片是由碳纤维或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料制成，测量时转轴连接的叶片接触到底片，底片发生弯折变形，粘在其上的光纤光栅将会感应到应变的变化，从而导致发射中心波长发生对应的偏移。由于考虑到测量环境的不确定性，为了保护光纤免于被折断，所用光纤的涂层为聚酰亚胺或者其他能够保护光纤不易折断的材料。

一种基于光纤光栅的转速校准系统的校准方法，其中，包括以下步骤：

S1.FBG转速传感器产生作用，测量时转轴连接的叶片接触到底片3，底片3发生弯折变形；

S2.粘在其上的光纤光栅1将会感应到应变的变化，从而导致发射中心波长发生对应的偏移；

S3.将上述信号传递到光栅波长解调系统，光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调；

S4.直接在计算机软件上直接读出此中心波长。

测量原理如下

布拉格光栅反射的中心波长和光纤芯区的折射率及光栅周期有关，用数学表达式表示为：

式中，Λ是光栅的周期，n_eff是纤芯的有效折射率，光纤光栅传感器相当于一个滤波器，起到光波选择的作用。由式(1)可以明显发现，光纤布拉格光栅传感器波长的变化是和两个因素直接相关的，其一是光纤光栅栅区的有效折射率，另一个则是光栅周期，因此如果这两个因素受到扰动发生变化的时候，光纤光栅发射回来的中心波长也必将发生变化。通常外界扰动有温度、应变、振动等，换句话说，只要外界的信息能够导致这两个参数发生变化，就可以被检测出。

光纤本身具有弹光效应，根据弹光效应，我们知道，当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率会发生变化。温度改变时，由于热胀冷缩效应，光栅有效折射率n_eff必定变化，也就是说光栅反射中心波长随外界温度应变的变化而变化。因此应力和温度是所有反映布拉格光栅波长漂移的最直接的外界因素，这是光纤布拉格光栅传感器监测应变、温度等基本物理参量的原理。通过检测光纤内部写入的光栅反射布拉格波长的大小，实现被测物件的应变值或温度值的测量，当光栅所处外界环境温度、应变等参量变化时，FBG反射波长将发生漂移。

光纤布拉格光栅(FBG)转速传感器光纤光栅反射中心波长与温度和应变的关系为：Δλ/λ₀＝(α₀+ξ₀)ΔT+(1-P_e)Δε，其中Δλ是中心波长漂移量，λ₀是中心波长，α₀是FBG的热膨胀系数，ξ₀是FBG的热光系数，ΔT是温度改变量，P_e是光纤的有效光弹系数，Δε是应变变化量。对于这种FBG转速传感器而言，其所处的环境温度变化一般是恒定的，因此光纤光栅转速传感器的中心波长改变量只与应变有关，公式可简化为：Δλ/λ₀＝(1-P_e)Δε，对于选定的光纤，其材料是固定不变的，也即是说P_e是常量。即当转动开始后，周期固定转动的转叶碰触到FBG转速传感器时，将引起FBG中心波长作相同周期的变化。

如图3所示，以封闭式恒温振荡水浴锅转速测量为例，测量时，将贴在碳纤维片上的FBG转速传感器，使用一个固定用的夹具固定，放于恒温振荡水浴锅来回振荡的轴之间，调节碳纤维片的高度，使得振荡过程中，轴不会碰到光纤布拉格光栅，只会碰到碳纤维薄片。恒温振荡水浴锅两条轴之间的振荡如下图3。

测量时，将使用夹具固定的碳纤维片放于两个轴之间，使振荡时能够接触到碳纤维片，这样在振荡稳定时，碳纤维在的FBG转速传感器也将受到了周期稳定的应变的影响，通过波长解调系统，调用计算机处理软件，将得到如图4所示的同频率的FBG转速传感器波长解调图。

如图4所示，横轴为时间轴，纵轴为中心波长图，当FBG转速传感器受到周期恒定的应变时，将会通过解调软件生成如图4所示的中心波长图，通过时间轴的时间或者秒表，可以测量出振荡水浴锅在来回振荡时，振荡n个周期所用的时间t，进而求出转速r＝t/n。

对于转盘式仪器的转速测量，方法相同，通过数出转盘上专业个数N，同样可以得出转速r＝t/(N×n)。

实施例2

对于需要计量转速的仪器，例如恒温振荡水浴锅，振荡摇床等，除了需要计量转速外，往往伴随着温度的计量，温度不变的情况下，光纤布拉格光栅紧贴物体表面，可以感受应变，作为应力、压力、转速、频率传感器等，将光纤布拉格光栅自由的放在物理表面或者悬空，使它免受应变的影响，又可以作为温度传感器，监测温度的变化。

一根光纤可以串接许多个光纤光栅(串接光栅数量与宽带光源带宽有关)，构成分布式光纤光栅测量网络，将转速传感器和温度传感器串接在一起，可以同时进行转速和温度的准确计量，如下图5所示；此外，由于一根光纤上可以串接许多个光纤光栅，也可以对多台需要进行转速(和温度)的仪器进行同时计量。图5中，10为转速传感器，20为n个光栅，30为温度传感器。

本实施例的其余结构以及工作原理与实施例1雷同，在此不再叙述。

本发明的关键点是，使用新技术光纤光栅传感技术应用在传统项目转速的测量；使用FBG转速传感器测量转速提高了测量准确度；转速传感器贴在碳纤维片上或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料；转速传感器所用光栅使用的不易折断的聚酰亚胺光栅，并且价格低廉；FBG转速传感器可以和FBG温度传感器串在一根光纤上，进行转速和所处环境空间的温度分布式的测量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于，包括计算机、光栅波长解调系统、FBG转速传感器；

所述的计算机与光栅波长解调系统连接，光栅波长解调系统与FBG转速传感器连接；

所述的光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调，直接在计算机软件上直接读出此中心波长。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于：所述的光栅波长解调系统与FBG转速传感器之间使用耦合器相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于：所述的FBG转速传感器包括光纤光栅(1)、光纤(2)、底片(3)，光纤光栅(1)粘贴在底片(3)上，光纤(2)连接光纤光栅(1)，且光纤(2)延伸至底片(3)外部。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于：所述的光纤(2)由玻璃制成。

5.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于：所述的底片(3)由碳纤维或者其他韧性好、弹性恢复速度快金属材料制成。

6.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统，其特征在于：所述的光纤(2)还串接多个光纤光栅(1)。

7.利用权利要求3所述的一种基于光纤光栅的转速校准系统的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.FBG转速传感器产生作用，测量时转轴连接的叶片接触到底片(3)，底片(3)发生弯折变形；

S2.粘在其上的光纤光栅(1)将会感应到应变的变化，从而导致发射中心波长发生对应的偏移；

S3.将上述信号传递到光栅波长解调系统，光栅波长解调系统的宽带光源发出的宽带光信号经过FBG转速传感器时，将会反射特定中心波长的光波，经光栅波长解调；

S4.直接在计算机软件上直接读出此中心波长。