CN111380634A

CN111380634A - 一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法

Info

Publication number: CN111380634A
Application number: CN201910052393.3A
Authority: CN
Inventors: 刘平安; 尹伊; 王勇; 霍明明
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明涉及光纤光栅传感领域，具体利用光纤光栅对扭矩进行实时测量的系统及测量方法。一种光纤光栅扭矩实时测量系统，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。本发明的光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法，具有的优点是：测量结果可靠、应用范围广、实施简单、操作方便。

Description

一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域，具体利用光纤光栅对扭矩进行实时测量的系统及测量方法。

技术背景

扭矩测量是电机试验及应用监控中一个重要的参数，尤其在电机效率评价过程中作为一个不可或缺的参数被测量。电机扭矩的准确性直接关系到电机效率的评价，而对电机扭矩实时进行测量关系到电机使用过程中的过载及故障诊断等，通过电机扭矩的实时测量可对电机的运行状态进行动态评估，因此对电机扭矩信息进行实时监控具有广泛的适用价值。

现阶段测量电机扭矩的方法主要为应变电桥测技术，通过向应变电桥提供工作电源，测试该弹性轴在扭矩变化中的电信号变化反推得到扭矩值。此方法弊端在于，所测形变受测扭应变片精度限制，测量精度有限制。另外，由于应变电桥需要供电，在对电流敏感的工作环境中，往往会对测量或实际机构工作产生影响。

光纤光栅在应变测量领域有着很好的前景，其原因在于光纤光栅可以将微弱的形变转化为明显的波长变化，其形变测量精度可以达到微米量级甚至纳米量级。这样的特性意味着光纤光栅所制成的传感器可以比传统的压电传感器更加精确，应用价值更加广泛。此外，光纤光栅在测量扭矩的过程中不需要供电，排除了电流对测量或实际机构工作产生的影响。

然而，光纤光栅在力矩测量上也有需要解决的问题。首先，光纤光栅必须连接在连续的光纤上，因此在进行电机轴连续力矩测量时会产生缠线的问题。此外，由于光纤光栅在力矩测量上的敏感性，细微的形变量都会导致最后测量数据上的误差。实验误差的主要影响因素包括重力对光纤光栅形变的影响，非对称力矩对光纤光栅形变的影响以及光纤光栅粘贴方式对形变的影响。同时，光纤光栅对外界温度变化较为敏感，会产生温度与扭矩测量交叉敏感现象。因此，光纤光栅应用于力矩传感，需要一种可靠的结构来保证动态力矩测量的连续性、准确性和可行性。

光纤光栅对外界温度变化较为敏感，消除扭矩传感光栅温度与扭矩交叉敏感现象，是现有技术需要解决的难题。

发明内容

为了减小光纤光栅扭矩传感轴测量上的误差干扰，本发明提出了一种光纤光栅扭矩实时测量系统，可以消除环境电磁干扰对测量的影响，有效减少重力、非对称力以及光纤光栅粘贴方式导致的测量误差，并可连续测量输入扭矩大小。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种光纤光栅扭矩实时测量系统，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。

进一步的，所述的光纤光栅包括两种具有不同布拉格波长的光纤光栅，一种用于测试扭矩，另一种用于温度补偿，两种光纤光栅上下一组设置在传感轴上。

进一步优选的，所述两种光纤光栅相对于传感轴对称地沿45°和-45°方向附着在传感轴表面上，两种光栅的其中一端在传感轴上呈90°夹角并与传感轴中心重合。

进一步优选的，两种光纤光栅在传感轴上的数量为一组多个，或多组多个。

进一步优选的，每组光纤光栅的尾端通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连，所述解调仪的波长解调速度可达到35KHz。

进一步的，为了解决重力对光纤光栅测量精度带来的影响，在所述传感轴及传动轴的下方设有支撑滚轮，用于支撑传感轴及传动轴，以避免由于棒材一端固定另一端悬空，致使传感轴悬空侧受重力作用产生变形，从而避免粘接的光纤光栅由于重力变形产生的波长误差。

作为本发明的一种优选方式，所述传感轴的材料可以是AL6061，Al6063或亚克力等。

作为本发明的一种优选方式，所述传感轴的形状可以是实心棒材，也可以是均匀的空心棒材。

本发明的光纤光栅电机扭矩实时测量系统，还包括力矩传感器，所述力矩传感器与输入轴连接，用于初始标定。

为了解决本发明的技术问题，本发明还提供一种光纤光栅扭矩实时测量方法，该方法包括以下步骤：

输入轴一端通过测试机构施加扭矩，另一端连接力矩传感器，通过力矩传感器得到实际扭矩值，与对应产生的波长变化进行对比；

测试机构改变施加的扭矩值，每次稳定后测量光纤光栅形变后波长，并对比原波长，记录各组光纤光栅差值的平均值；多次测量后，画出波长差值和施加力矩的关系曲线，获得全测量范围的对应关系，完成标定；

将传感轴与测试机构连接，传感轴上的光纤光栅通过光纤与高速光纤光栅解调仪连接，并输出光纤光栅的实时波长信息，通过软件对波长信息与扭矩信息的实时转换得到测试机构的实时扭矩信息。

与现有技术相比，本发明的光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法，具有的优点如下：

1、测量结果可靠。本测量系统采用光纤采集和传输信号，可有效抑制工业现场的强电磁干扰，原理上保障测量的准确性。光纤光栅力矩传感方法与结构，可有效减小重力、非对称力以及光纤光栅粘贴方式导致的测量误差；

2、实施简单，操作方便。此光纤光栅力矩传感的结构可布置于紧凑小型的传感器中，对环境的要求较小。组装简便，便于维修和重复测量；

3、应用范围广。此光纤光栅力矩传感测量系统不局限于电机扭矩实时测量，也可用于其他驱动结构的扭矩测试和峰值扭矩测量，如机器人手臂，重要机械部件等。通过传感轴尺寸结构上的调整可实现不同大小扭矩的测量。此外，也可以在不影响机构正常工作的情况下进行连续实时测量。

附图说明

图1是一种光纤光栅电机扭矩实时测量系统的结构示意图；

图2为发明的棒材形变仿真图；

图3为实施例中标定步骤中得到的传感轴的扭矩变化曲线；

图4为实施例中实时测量电机旋转过程中轴向的扭矩系统实验原理图；

图5为实施例中测量得到的电机实时扭矩。

图中：1. 固定端，2. 传感轴，3. 扭矩测试光纤光栅，4. 温度补偿光纤光栅，5.支撑滑轮，6. 摩擦轮，7. 传动轴，8. 传动轴皮带轮，9. 压力调整弹簧，10. 皮带，11. 测试电机，12. 输入轴，13. 输入轴带轮，14. 力矩传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种光纤光栅扭矩实时测量系统及方法作详细的阐述。

实施例1 一种光纤光栅电机扭矩实时测量系统，如图1所示，主要包括以下结构：固定端1、传感轴2、扭矩测试光纤光栅3、温度补偿光纤光栅4、支撑滑轮5、摩擦轮6、传动轴7、传动轴皮带轮8、压力调整弹簧9、皮带10、测试电机11、输入轴12、输入轴带轮13和力矩传感器14。

传感轴2的一端与固定端1固定，另一端通过摩擦轮6与传动轴7连接。扭矩测试光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4固定于传感轴2上，彼此垂直分布。传动轴7另一端与压力调整弹簧9相连，传动轴7上安装有皮带轮8，输入轴12上安装有输入轴带轮13，输入轴12与测试电机11连接。传动轴7由输入轴12通过皮带10驱动。传动方式不限于皮带传动，也可以是齿轮传动，蜗轮蜗杆传动或其他有效的传动方式。传动轴7与输入轴12平行但不同轴，不影响输入轴12连接其他机构进行正常工作。传动比例可根据实际需求进行力矩比例放大或力矩比例缩小。力矩传感器14只在进行初始标定时使用，与输入轴12连接。

为了解决进行连续力矩测量时会产生缠线的问题，本实施例采用了传动轴7驱动摩擦轮6使传感轴2产生形变的方式，使安装扭矩测试光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4的传感轴2只发生形变，不随传动轴7旋转。

传动轴7向传感轴2输出扭矩的方式为摩擦盘，摩擦压力可以通过压力调整弹簧9进行调节。压力调整弹簧9调节后需锁紧，实际工作中的力矩检测将不再调节。

为了解决光纤光栅粘贴方式导致的测量误差，本实施例的系统在测试时需要保证光纤光栅粘在传感轴中心，扭矩测试光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4的粘贴方式为与传感轴2呈45°夹角方向上下一组进行粘接，其中两根光栅的一端在传感轴上呈90°夹角并与传感轴2的中心重合。经计算光纤光栅与传感轴2呈45°夹角的粘贴方式可放大光纤光栅的形变量，并且通过理论计算可补偿掉外界温度对光纤光栅的影响。受单一光纤光栅扭矩测量时该光纤光栅的波长变化夹杂着外界环境的温度效应。该光纤光栅的波长变化量均值便是此扭矩时的光纤光栅形变量。电机扭矩传感轴的直径和长度分别用D和L表示。根据剪切虎克定律表明，当剪切应力不超过材料的剪切比例极限时，剪切应力与剪切应变成正比，该公式可由以下公式给出：

其中τ是剪应力，γ是剪应变，G是剪模量。在距离轴的横截面中心的任意点处的剪应力表示为：

剪切应力沿径向均匀分布。从弹性轴的静态关系可以看出，在横截面上的扭矩M是由：

因此，对于弹性实心轴，我们有：

最后，通过以下方法获得圆轴表面的剪切应变：

光纤光栅传感器是在布拉格波长处呈现谐振的光频滤波器。温度变化或沿光纤轴向方向的应变都会引起光纤光栅波长的移动，光纤光栅上的温度和应变响应可以通过以下方式给出：

其中，

为光纤光栅的中心波长，

为光弹性系数，光弹性系数是应变改变光纤芯折射率的能力，

为光纤的热膨胀系数，

为主体材料的热膨胀系数，ξ为热光系数。通过定义应变灵敏度

和热灵敏度

，可将方程简化为

上述公式表明，温度对光纤光栅的应变测量有明显的影响。在实际应用中，通常很难将波长的变化与应变的变化分开。为实现转矩测量中的自动温度补偿，需要研制一种温度自补偿光纤光栅转矩测量系统。在本实施例中，本发明选择了两个具有不同布拉格波长的光纤光栅，但是灵敏度是一样的。两个光纤光栅相对于传感轴对称地沿45°和-45°方向附着在传感轴表面上。两个光纤光栅的反射光谱分别探测了温度和应力共同作用在轴轴上引起的总波长变化，并且动态均匀应变关于它们的中心波长是对称的。布拉格波长和应变/温度变化之间的关系可以写成：

其中T是环境温度变化，

和

是分别粘贴在圆柱轴轴线45°和-45°方向的两个光纤光栅的中点处的应变，如图1所示。然

和

是两个光纤光栅的波长随应变和温度的变化。根据对称结构，我们得到了

，在测量过程中，当温度变化较大时，特别是小应变测量时，温度变化对光纤光栅的影响不容忽视。由于两个光纤光栅非常紧密地相连，它们显然经历相同的温度变化。两个光纤光栅的中心波长的差由以下给出：

根据图2对受扭矩2Nm，长500mm，直径20mm的AL6063棒材的仿真形变情况来看，在理想情况下传感轴受扭矩的形变是均匀线性的。将光纤光栅粘在传感轴中心可以减小棒材两端因固定方式或受力不均导致的形变不均匀。

传感轴2的材料为AL6061，AL6063或亚力克。在受到2 Nm的力矩时，20 mm直径的AL6061的光纤光栅形变量在微米量级。当需要扩大传感轴的直径时，也可以选用空芯棒材，保证光纤光栅的形变量在可测范围内。

如果需要加大标定扭矩范围或提高测量精度，可以通过更改传动比或调节压力调整弹簧来实现。

传感轴2上的一组扭矩测试光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4的尾端通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连，该解调仪的波长解调速度可达到35KHz。

在传感轴2和传动轴7的下方设有支撑滑轮5，支撑滑轮5均匀布置于传感轴2及传动轴7下方，支撑滑轮的设置可以避免由于棒材一端固定另一端悬空，致使传感轴悬空侧受重力作用产生变形，从而避免粘接的光纤光栅由于重力变形产生的波长误差，消除重力对光纤光栅测量精度带来的影响。

实施例2 一种光纤光栅电机扭矩实时测量方法，步骤如下：

1、在输入轴12一端施加已知扭矩进行标定，具体方法为：控制测试电机11施加扭矩，通过力矩传感器14得到实际扭矩值，与对应产生的波长变化进行对比；

之后更改施加的扭矩值，依照上述方法固定，每次稳定后测量光纤光栅形变后波长，并对比原波长，记录各组光纤光栅差值的平均值。多次测量后，画出波长差值和施加力矩的关系曲线，获得全测量范围的对应关系，完成标定过程。光纤光栅的波长变化与实际扭矩的标定情况可以得到该传感轴的扭矩变化曲线，扭矩量程，扭矩测量误差，扭矩测量回差等信息，有效评估电机扭矩测量过程中的扭矩误差，如图3所示。

2、将标定后的传感轴2与测试电机11的转动轴连接，实时测量电机旋转过程中轴向的扭矩，如图4所示。将传感轴2上的光纤光栅通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪的解调频率为35 kHz，能实时输出光纤光栅的波长信息，通过软件对波长信息进行换算得到电机转动过程中传感轴2上的实时扭矩信息并进行界面展示与存储，电机的实时扭矩如图5所示。

上述实施方式并非是对本试验发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。通过对波长信息与扭矩信息的实时软件转换可以得到电机转动过程中的实时扭矩信息。

Claims

1.一种光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，包括：固定端、传感轴、光纤光栅、摩擦轮，传动轴，压力调整弹簧，测试机构，输入轴；传感轴一端与固定端连接，另一端通过摩擦轮与传动轴连接；光纤光栅固定于传感轴上；传动轴的另一端与压力调整弹簧相连，与输入轴传动连接；输入轴与测试机构连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述的光纤光栅包括两种具有不同布拉格波长的光纤光栅，一种用于测试扭矩，另一种用于温度补偿，两种光纤光栅上下一组设置在传感轴上。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述两种光纤光栅相对于传感轴对称地沿45°和-45°方向附着在传感轴表面上，两种光栅的其中一端在传感轴上呈90°夹角并与传感轴中心重合。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，两种光纤光栅在传感轴上的数量为一组多个，或多组多个；每组光纤光栅的尾端通过光纤法兰与高速光纤光栅解调仪相连。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，在所述传感轴及传动轴的下方设有支撑轮，用于支撑传感轴及传动轴。

6.根据权利要求1-4任一项所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述传感轴的材料为AL6061、Al6063或亚克力。

7.根据权利要求1-4任一项所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，所述传感轴的形状为实心棒材或者均匀的空心棒材。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅扭矩实时测量系统，其特征在于，还包括力矩传感器，所述力矩传感器与输入轴连接，用于初始标定。

9.一种光纤光栅扭矩实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

输入轴一端通过测试机构施加扭矩，另一端连接力矩传感器，通过力矩传感器得到实际扭矩值，与对应产生的波长变化进行对比，完成标定过程；

测试机构更改施加的扭矩值，每次稳定后测量光纤光栅形变后波长，并对比原波长，记录各组光纤光栅差值的平均值；多次测量后，画出波长差值和施加力矩的关系曲线，获得全测量范围的对应关系；

将传感轴与测试机构连接，传感轴上的光纤光栅通过光纤与高速光纤光栅解调仪连接，解调仪输出光纤光栅的实时波长信息，通过软件对波长信息与扭矩信息的实时转换得到测试机构的实时扭矩信息。