[发明专利]一种扭矩光纤传感器

说明书

技术领域

本发明属于测试技术和光纤传感器领域，特别涉及了一种新型扭矩光纤传感器的设计以及实现该设计原理的方案。

背景技术

在机械传动系统中，扭矩是反映生产设备系统性能的最典型机械量之一，扭矩测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行，节省能源，提高系统效率的重要手段。提高扭矩测量的准确性、扭矩监测和控制的实时性以及扭矩异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重要手段。

随着科学技术的进步和生产的发展，扭矩测量技术有着广阔的应用前景。同时，对扭矩的监测也提出了越来越高的要求：由静态测试转向动态在线检测；由间接测量转向直接测量；由单功能转向多功能，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆；要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化；要求扭矩的检测与动力装置的控制相结合，达到转速、扭矩、输出功率的优化配置。

目前的扭矩传感器，主要有应变式，磁电相位式，光电式等几种。他们存在着须专用弹性轴，安装要两只联轴器，结构复杂，弹性轴扭转应变量小，影响灵敏度等缺点。另外，在扭矩传感器的设计中，主要的问题在于敏感元件的制造，选择，安装等。通常所用的扭矩传感器采用压电石英晶片作为测量元件，这种传感器所需压电石英晶片数量多，晶片的高度和接触面的平面度、粗糙度要求相当严格，加工难度大，工艺要求高。

发明内容

本发明的目的是克服传统测量方法中测试麻烦，复杂，精确度不高的缺陷，发明一种新的光纤扭矩测量方法和新传感器，使测量操作简便，成本低，精度提高，测量范围扩大，并抗电磁干扰。该方法具有高测量精度、优越的全光性、绝缘性、防爆性、抗电磁干扰、耐高温性等特点。适合于高温下及有爆炸危险和有强电磁干扰等恶劣环境下大型机械的传动系统动态特性测量。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包含导引光纤、两个扭杆、一段传感光纤和一个弹簧。两个扭杆之间通过弹簧相连接；传感光纤通过两个扭杆的中轴线，并分别固定在两个扭杆的末端。其中，两个扭杆通过弹簧连接。弹簧起到的作用不仅仅是连接作用，它还能实现复位作用，即当两个扭杆之间没有相对转动时，弹簧能保证两个扭杆在初始位置。另外，当施加在扭杆上的扭矩撤去后，弹簧能保证扭杆回到初始位置，实现重复测量。

在该传感器结构中，当扭杆受到力的作用而旋转时，传感光纤也受到扭矩的作用产生扭曲。传感光纤扭曲后其透射光谱的光强或波长变化与扭矩的大小有关。通过测量传感光纤透射光谱的光强或波长变化，就可以得到扭矩值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.采用全光纤结构，能有效防止电磁干扰，并可以用在危险的工作环境中；

2.测量元件采用长周期光纤光栅或熔融拉锥光纤，利用传感光纤扭曲后其透射光谱的光强或波长变化来测量扭矩，可以实现高精度测量；

3.该方案结构简单，容易安装，较普通的扭矩传感器，能具有更低的成本；

4.该方案能够实现分布式测量，而这是传统的传感器所不具备的。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为转速扭矩测量实施例示意图；

图中：1-光纤，2、3-扭杆，4-弹簧，5-长周期光纤光栅或熔锥光纤，6、7-永久磁铁，8-被测旋转体，9-光源，10-探测器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例

本发明的一种新型扭矩光纤传感器包括导引光纤1，两个扭杆2、3，长周期光纤光栅或熔锥光纤5，弹簧4。扭杆2与扭杆3通过弹簧4连接，传感光纤通过两个扭杆的中轴线，并分别固定在两个扭杆的末端。其中，两个扭杆通过弹簧连接。弹簧起到的作用不仅仅是连接作用，它还能实现复位作用，即当两个扭杆之间没有相对转动时，弹簧能保证两个扭杆处在初始位置。见图1。，

在图2所示的实施例中，光源9发出的光进入光纤1后，通过传感光纤5，被光探测器10接收。在扭杆3的端部安装有一块永久磁铁6，在被测旋转体8的外侧也安装一块极性相反的永久磁铁7。当旋转体8未转动时，永久磁铁6与7之间没有相对位移，因此扭杆3位置也没有改变。在这种情况下传感光纤5没有受到扭矩作用，因此探测器10接收到透射光谱没有变化；