CN114235035A

CN114235035A - 一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置

Info

Publication number: CN114235035A
Application number: CN202111433326.XA
Authority: CN
Inventors: 何赛灵; 李驰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-03-25

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，包括控制器、光学扭矩及温度传感器、光信号传感系统、计算机、块体；控制器给被试电机施加可变负载；光学扭矩及温度传感器为紧密缠绕有光纤光栅的套筒，套筒的一端与电机定子相连，另一端与稳固不动的块体相连；光纤光栅包括应力监测光纤光栅、温度监测光纤光栅；光信号传感系统包括光源、信号接收装置，用于将应力变化和周围环境的温度变化转换成光信息的变化。本发明可以通过给被试电机施加可变负载测出施加的扭矩并结合转速传感器获得转速及机械功率，利用光纤光栅对温度的灵敏特性，可同时获得被试电机的温度变化，并补偿由于温度影响导致的扭矩测量误差，进一步提高测量精度。

Description

一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置

技术领域

本发明涉及测功机领域，特别是涉及一种基于定子所受应力测量的扭矩传感装置。

背景技术

随着工业化发展，在各领域都可以看到电机的应用，因此需要严格检验电机的性能，而目前对电机测试较多的参数是是扭矩、转速和功率等参数。

传统的对电机测试主要是通过测试电机转子输出的扭矩，并结合转速以确定功率，而在转轴上输入扭矩时，电机定子会存在反扭矩，因此一般利用秤和装在定子上的杠杆臂方便而准确地测出定子扭矩，若同时测出转速即可算出机械功率。该方法可以集负载和测试于一体，转速测试比较简单，但目前的扭矩测量精度不够，需要提出新的测功系统来提高扭矩测量精度。且，在实际应用中（如汽车发动机引擎），通常会有温度的起伏变化，会严重影响传感器的性能，因此提出一种既能监测系统扭矩又能监测系统温度的多参量传感装置是有实际意义的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的提供一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，可以实现负载和测试于一体，提高扭矩测量精度的同时还可同时监测系统温度变化。

一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，包括：控制器、光学扭矩及温度传感器、光信号传感系统、计算机、块体；所述控制器给被试电机施加可变负载；所述光学扭矩及温度传感器为紧密缠绕有光纤光栅的套筒，套筒的一端与电机定子相连，另一端与稳固不动的块体相连；所述光纤光栅包括应力监测光纤光栅、温度监测光纤光栅，应力监测光纤光栅一端与所述光信号传感系统连接，另一端与温度监测光纤光栅相连，所述温度监测光纤光栅的一端与应力监测光纤光栅相连，另一端为自由端；所述光信号传感系统包括光源、信号接收装置，用于将被试电机的电机定子受到的应力变化和周围环境的温度变化转换成光信息的变化；所述计算机与所述信号接收装置相连，用于进行数据处理并显示施加的扭矩和温度变化情况。

所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，还包括转速传感器，用于测试所述被试电机转速，为接触式磁电传感器、非接触式磁电传感器或者基于激光多普勒效应的传感器。

所述电机定子由独立的轴承座支承。

所述光学扭矩及温度传感器为缠绕有光纤光栅的套筒，套筒的一端与电机定子相连，另一端与稳固不动的块体相连，该块体与电机定子相互独立不受电机定子应力影响。

所述光学扭矩及温度传感器为缠绕有光纤光栅的套筒，套筒上的光纤光栅是反射波长的光纤光栅，或者是具有不同反射波长的一条光栅串。

所述光源为宽带光源、波长可调谐光源或两者的结合。

相比于现有技术，本发明可以集负载和测试于一体，并结合光纤光栅将扭矩造成的定子反作用力（即应力）转换成光学信息的变化，结构简单并进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明一实施方式的结构示意图。

图2为本发明一实施方式中的基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感器的反射光谱图；

其中，控制器1、被试电机（或汽车驱动轴）2、光学扭矩及温度传感器3、转速传感器4、光信号传感系统5、计算机6、第一固定点7、第二固定点8、块体9、应力监测光纤光栅10、温度监测光纤光栅11、外壳21、电机定子22、电机转子23、电磁单元24、轴承端盖25、电动机轴26、滚动轴承27、光源51、信号接收装置52。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称与另一个元件“连接”或元件被称为“连接至”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，其是本发明一实施方式的系统结构示意图，一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，包括：控制器1、光学扭矩及温度传感器3、转速传感器4、光信号传感系统5、计算机6、块体9、应力监测光纤光栅10、温度监测光纤光栅11。控制器1给被试电机（或汽车驱动轴）2施加可变负载；被试电机2包括外壳21、电机定子22、电机转子23、电磁单元24、轴承端盖25、电动机轴26及滚动轴承27；电机转子23通过滚动轴承27安装固定不动在电动机轴26上，电磁单元24会产生电磁场驱动电机转子23旋转，电机定子22固定不动安装在外壳21上；光学扭矩及温度传感器3为缠绕有光纤光栅的套筒，一端与电机定子22相连，另一端与稳固不动的块体9相连；固定在套筒上缠绕的应力监测光纤光栅10，一端与光信号传感系统5连接，另一端与温度监测光纤光栅11相连；温度监测光纤光栅11的一端与应力监测光纤光栅10相连，另一端为自由端（不与任何部件相连）；光信号传感系统5包括光源51、信号接收装置52，可将应力监测光纤光栅10监测到的电机定子22受到的反作用力（即应力）变化和温度监测光纤光栅11受到的温度变化转换成光信息的变化；计算机6分别与信号接收装置52、转速传感器4相连，可进行数据处理并显示施加的扭矩、转速、温度、机械功率。

电机定子22由独立的轴承座支承，需要克服所述电机转子转动产生的反作用力，在某一角度范围内反方向自由移动。

光学扭矩及温度传感器3为缠绕有光纤光栅的套筒，包括任何谐振波长、带宽的光纤光栅或光栅串，其中应力监测光纤光栅缠绕并紧密固定在套筒的表面，一端与光信号传感系统5连接，另一端与温度监测光纤光栅11相连；温度监测光纤光栅11的一端与应力监测光纤光栅10相连，另一端不与任何部件相连；所述的缠绕有光纤光栅的套筒的一端与电机定子相连，另一端与稳固不动的块体相连，可以通过电机定子受到的反作用力（即应力）联动关联控制紧密固定在套筒上的应力监测光纤光栅10的谐振波长位置，另一个温度监测光纤光栅11与外界环境温度的变化关联。

电磁单元24包括电磁线圈，可为单面波绕阻、两层波绕阻。光源51为宽带光源、波长可调谐光源或两者的结合。信号接收装置52可接收反射光信息并传递至计算机进行进一步处理。

所述转速传感器4可为接触式磁电传感器、非接触式磁电传感器或基于激光多普勒效应的传感器，在本实施例中为非接触式磁电传感器，可进行转速测量。

在本实施例中，当控制器1对被试电机（或汽车驱动轴）2施加负载之后，电磁单元24同时作用于电机定子22和所述电机转子23，电磁单元24会产生电磁场驱动电机转子23旋转，而电机定子22所受到的扭矩与电机转子23所受到的扭矩大小相等，方向相反，所以转轴上的扭矩可以通过测量电机定子22的反作用力（即应力）来进行。本实施例中基于光纤光栅对是在一根光纤上的串联的两段光纤光栅，其中一段是通过紫外固化胶缠绕紧密固定在套筒外壁上，套筒上的固定点为第一固定点7、第二固定点8，另一段光纤光栅不与套筒紧密固定，而整个套筒的一端与电机定子22相连，另一端与稳固不动的块体9相连，若电机定子22受到的反扭矩导致的反作用力（即应力）会通过套筒施加到缠绕在套筒上的应力监测光纤光栅上，从而导致该光纤光栅的谐振波长的漂移，光源5输入光至光学扭矩及温度传感器3，反射光信息被信号接收装置52所接收并进一步处理。

参阅图2，其是基于光纤光栅对反射光谱。一般来说，光纤光栅的谐振波长受光纤纤芯折射率和光栅周期影响，成单调关系，在本实施例中，光纤光栅的谐振波长与光栅周期及光纤纤芯折射率的关系如下式（1-1）所示。

（1-1）

这里λ为谐振波长， n为光纤纤芯的折射率，δ为光纤光栅的周期，m为光纤光栅的阶数（一般选用的光纤光栅均为2阶，即m=2），该公式可用于推算出谐振波长。谐振波长的位置会受电机定子受到的反作用力（即应力）的变化而漂移。参阅图1，可以知道电机转子23转动使得电机定子22产生反扭矩，即为电机定子22上受到的反作用力（即应力），且在力达到平衡之后扭矩以很小的范围振荡，而紧密缠绕有光纤光栅的套筒一端与电机定子相连，另一段与稳固不动的块体相连，则紧密缠绕在套筒上的光纤光栅也会受到相同的应力作用，继而导致该光纤光栅所对应的谐振波长的漂移，而没有缠绕在套筒上的光纤光栅可以在线检测周围环境的温度变化，信号接收装置52接收两个光纤光栅的反射光信息并传送至所述计算机进一步处理。

光信号传感系统5包括三种组合方案：

（1）光源51可选用成本较低的可见光宽带光源，信号接收装置52对应为光谱仪，可以监测两段光纤光栅的输出光谱变化，例如谐振波长λ的变化，进一步处理光谱信息后得到扭矩和温度信息。

（2）光源51也可选用波长可调谐光源，信号接收装置52可为光电探测器，将输出光信号的变化转换为电信号的变化并进一步处理得到电机定子22的扭矩大小和温度信息。

（3）选用斜边法进行监测，光源51选用光源波长固定为动态范围最大的位置（即输出光谱的斜边位置上），此时光纤光栅谐振波长的变化引起的共振波长的移动会对应不同强度的输出光，因此信号接收装置52可选用功率计进行信号接收，根据输出光功率的变化判断光谱漂移情况从而得出电机定子22的位移情况。

结合转速传感器4测得的转速可获得被试电机2的机械功率，在计算机6上可显示施加的扭矩、转速、机械功率、温度等信息。实际使用时，可通过计算机记录初始状态的谐振波长，后续只要持续监测谐振波长的变化即可。

该基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置可以集负载和测试于一体，并结合光纤光栅将扭矩造成的电机定子受到的反作用力（即应力）转换成光学信息的变化，结构简单并进一步提高了测量精度，且通过复用另一段光纤光栅，可以实时在线检测电机定子周围的环境温度的变化，进一步补偿温度变化导致测量扭矩时的误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，包括：控制器（1）、光学扭矩及温度传感器（3）、光信号传感系统（5）、计算机（6）、块体（9）；所述控制器（1）给被试电机（2）施加可变负载；所述光学扭矩及温度传感器（3）为紧密缠绕有光纤光栅的套筒，套筒的一端与电机定子（22）相连，另一端与稳固不动的块体（9）相连；所述光纤光栅包括应力监测光纤光栅（10）、温度监测光纤光栅（11），应力监测光纤光栅（10）一端与所述光信号传感系统（5）连接，另一端与温度监测光纤光栅（11）相连，所述温度监测光纤光栅（11）的一端与应力监测光纤光栅（10）相连，另一端为自由端；所述光信号传感系统（5）包括光源（51）、信号接收装置（52），用于将被试电机（2）的电机定子（22）受到的应力变化和周围环境的温度变化转换成光信息的变化；所述计算机（6）与所述信号接收装置（52）相连，用于进行数据处理并显示施加的扭矩和温度变化情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，还包括转速传感器（4），用于测试所述被试电机转速，为接触式磁电传感器、非接触式磁电传感器或者基于激光多普勒效应的传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，所述电机定子（22）由独立的轴承座支承。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，所述光学扭矩及温度传感器（3）为缠绕有光纤光栅的套筒，套筒的一端与电机定子（22）相连，另一端与稳固不动的块体（9）相连，该块体（9）与电机定子相互独立不受电机定子应力影响。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，所述光学扭矩及温度传感器（3）为缠绕有光纤光栅的套筒，套筒上的光纤光栅是反射波长的光纤光栅，或者是具有不同反射波长的一条光栅串。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置，其特征在于，所述光源（51）为宽带光源、波长可调谐光源或两者的结合。