[发明专利]一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器

说明书

技术领域

本发明属于测试技术与光纤传感领域，具体涉及一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器。

背景技术

国家重视产品安全性能的质量规范，在电子照明行业，灯头机械强度的安全指标列为国家强制检测项目；灯头机械强度性能指标抗扭矩力的检测，国家标准有明确要求。随着科技的发展，检测系统的微型化、智能化、网络化将成为趋势，传统的静态检测技术将被新的动态在线检测技术所替代。

目前使用的灯头抗扭矩力传感器一般为应变式传感器，此类传感器通常采用电阻应变片作为传感元件，存在灵敏度较低、精度不高，在大应变力作用下有较大的非线性；输出信号较微弱、抗干扰能力较差等缺点。伴随着光纤传感技术的广泛应用，新一代灯头扭矩光纤传感器研究成果应运而生。

发明内容

本发明的目的是克服传统测量设备精度不高，不易实现动态在线检测的缺陷；提供了一种可在强电磁干扰环境下长期可靠工作，结构简单，且成本较低的强度解调型灯头扭矩光纤传感器。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括均质圆形转轴、金属丝、传感光纤、灯头夹具、引导光纤。均质圆形转轴的任意一端与灯头夹具固定连接并与灯头夹具同轴设置，所述的均质圆形转轴的直径为D，长度为L，40mm≤D≤50mm，100mm≤L≤150mm；金属丝斜向紧贴绕置在均质圆形转轴表面上，金属丝与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ₁，30°≤θ₁≤60°，金属丝的直径为d，0.3mm≤d≤0.4mm；传感光纤均匀绕置在均质圆形转轴表面上且与金属丝绕置方向相反，传感光纤与均质圆形转轴的轴向的夹角为θ₂，40°≤θ₂≤50°，传感光纤绕置圈数为n，5≤n≤10；所述的金属丝与传感光纤在均质圆形转轴表面上形成3～8个交叉点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.采用全光纤结构，可在强电磁干扰环境下长期可靠的工作；

2.直接输出光强信号，只需简单的光电转换即可获得灯头扭矩值；测量响应快，解调技术成熟；

3.结构简单，较应变式传感器，具有更高的精度和较低的成本；

4.有利于实现动态在线检测，能促进检测系统的微型化、智能化和网络化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为灯头扭矩测量实施例示意图。

图中：1、均质圆形转轴，2、钢丝，3、多模光纤，4、灯头夹具，5、引导光纤，6、光源，7、探测器，8、灯具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种强度解调型灯头扭矩光纤传感器包括均质圆形转轴1、钢丝2、多模光纤3、灯头夹具4、引导光纤5。均质圆形转轴1为圆形截面、质量均匀分布的转轴。灯头夹具4通过螺母与均质圆形转轴的右端固定连接，用以固定灯头；均质圆形转轴采用有机玻璃(或者可选用铝合金)其直径为45mm，长度为150mm。钢丝(或者可选用磷铜丝)与均质圆形转轴的轴向呈45°用强力胶504粘贴在均质圆形转轴表面上，钢丝(或者可选用磷铜丝)的直径为0.35mm；多模光纤与均质圆形转轴的轴向呈45°与金属丝绕置螺旋方向呈反向绕置在均质圆形转轴表面上，光纤的两端用强力胶504粘贴在均质圆形转轴表面上；多模光纤的绕置圈数为6；钢丝与多模光纤在均质圆形转轴表面上形成6个交叉点。

如图2所示，光源6发出的光经引导光纤5传输到多模光纤3，被探测器7接收。当灯头夹具4未受外力转动时，多模光纤3与钢丝2接触处由于未受到均质圆形转轴1的剪应变所以不会产生微弯。因此探测器7接收到的透射光的强度没有变化。

当灯具8在顺时针力F₁带动下转动时，通过灯头夹具4同时带动均质圆形转轴1进行转动。此时在均质圆形转轴1的另一端施加一个反作用力F₂来保持均质圆形转轴1相对固定，均质圆形转轴1因各处产生剪应变使多模光纤3与钢丝2接触处产生微弯。灯头施加的扭矩不同，光纤的微弯曲率脉冲峰值、宽度变化不同，由此造成透过多模光纤3的光功率损耗亦不同。这种扭矩的作用使得通过多模光纤的光强受到调制。通过测量多模光纤3微弯后其透射光强度的变化，就可以得到灯头的扭矩值。

本发明的灯头扭矩测量原理为：当绕置在均质转轴上的多模光纤受扭矩作用产生微弯时，以ξ表示多模光纤轴向坐标，则曲率函数C_f(ξ)为：