[发明专利]一种基于光纤光栅的角位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于光学传感器技术，具体涉及一种基于光纤光栅的角位移传感器。

背景技术

机电系统和液压系统在航空上能够久用不衰是由于其具有许多独特的优点。但是，它们也存在一些固有的缺陷，最主要的是不能防御雷电、电磁干扰和电磁冲击等。随着现代飞机性能不断提高、飞机的大型化和采用余度技术及电子设备日趋复杂化，必然导致电缆用量增加、线路布局复杂，增加了各线路间的干扰、地环流的相互影响等，使系统不能正常工作。目前的防护措施是采用电磁屏蔽套，然而不可能完全防御电磁干扰，却导致飞机重量的增加。未来飞机希望用复合材料代替铝合金，特别是飞机铝合金蒙皮的替代很大程度上减弱甚至消除了电磁屏蔽作用。另外，飞机外部的核爆炸产生的电磁辐射以及机载的大功率激光、定向能武器等装备，从低频到高频在电、磁领域产生相当高强度的电磁干扰，对电传操纵系统危害极大。

光传操纵系统相对于传统的电传操控系统有显著的优点，如可有效地防御雷电、电磁干扰和电磁冲击，对核爆引起的电磁脉冲不敏感，不存在金属导线固有的地回流。同时具有体积小、重量轻、传输容量大等优点，从而能够大大改善飞机的操纵品质，提高飞控系统的可靠性和生存能力。国外从二十世纪七十年代就开始了光传操纵系统的研究，作为光传操纵系统关键测量元件的光位移传感器也同时进入了研发阶段。光位移传感器可基于多种光学原理实现，其中使用光纤光栅作为传感器核心敏感元件，使传感器具有灵敏度高、电绝缘性好、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、易与波分复用和时分复用系统相结合建立分布式测量系统等独特优点，成为国内外研发人员重点关注的一种光位移传感器。

本发明的目的是：本发明设计了一种基于光纤光栅的角位移传感器，这种传感器相对于传统电磁角位移传感器具有测量角度范围大，光信号在光纤内部传输，抗电磁干扰、环境适应性强等优点，有广阔的应用前景，是电磁传感器优良的补充和替代品。

本发明的技术方案为：一种基于光纤光栅的角位移传感器是由壳体1、等强悬臂梁固定底座2、等强悬臂梁3、光纤光栅4、等速螺线凸轮5、转轴6、前部轴承7、尾部轴承8、后盖9组成；分别在等强悬臂梁3上下表面中轴线处通过光学胶11固定两根光纤光栅4；等强悬臂梁固定底座2和等强悬臂梁3为一体，由螺栓10固定在壳体1底部，尾纤12由尾纤引出孔13引出；前部轴承7和尾部轴承8分别固定在壳体1的前部和后盖9上；等速螺线凸轮5和转轴6为一体结构，通过前部轴承7和尾部轴承8与壳体1和后盖9固定并转动；后盖9通过螺纹固定在壳体1的前部。

本发明的测量角位移原理是利用光纤光栅4对轴向应变敏感的特性，转轴6发生运动时，带动等速螺线凸轮5转动，驱动等强悬臂梁3发生形变，使其上下表面对应位产生数值大小相等但正负相反的应变，上表面产生负应变，下表面产生正应变，应变将传递到光纤光栅4上，引起光纤光栅4的中心波长发生变化。同时光纤光栅4也对温度敏感，通过对等强悬臂梁3上下表面沿中轴线排布的光纤光栅4中心波长值的变化量进行解调，即可消除温度引起的中心波长漂移，得到等强悬臂梁3的轴向应变，从而得到转轴6的角位移量。

本发明的优点是：本发明具有测量角度范围大，光信号在光纤内部传输，抗电磁干扰、环境适应性强、易与波分复用和时分复用系统相结合建立分布式测量系统等独特优点。

附图说明

图1是基于光纤光栅的角位移传感器结构示意图；

图2是等速螺线凸轮正视图；

图3是传感器工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明是由壳体1、等强悬臂梁固定底座2、等强悬臂梁3、光纤光栅4、等速螺线凸轮5、转轴6、前部轴承7、尾部轴承8、后盖9组成；分别在等强悬臂梁3上下表面中轴线处通过光学胶11固定两根光纤光栅4；等强悬臂梁固定底座2和等强悬臂梁3为一体，由螺栓10固定在壳体1底部，尾纤12由尾纤引出孔13引出；前部轴承7和尾部轴承8分别固定在壳体1的前部和后盖9上；等速螺线凸轮5和转轴6为一体结构，通过前部轴承7和尾部轴承8 与壳体1和后盖9固定并转动；后盖9通过螺纹固定在壳体1的前部。

参见图1和图2，等速螺线凸轮5结构特点为，以转轴6为中心轴定速转动时，等速螺线凸轮5侧表面距轴心的距离线性增加或减小，等速螺线凸轮5表面接触的等强悬臂梁3端部挠度为线性变化。

参见图3，将角位移传感器17通过光纤19与光纤耦合器16相连，光纤耦合器16连接解调仪15，然后通过数据传输线18将解调仪15与计算机14连接。

参见图1和图3，解调仪15发出的宽带光通过光纤19和光纤耦合器16入射到角位移传感器18的光纤光栅5上，并接收通过光纤19和光纤耦合器16返回的窄带光。转轴6发生运动时，带动等速螺线凸轮5转动，驱动等强悬臂梁3发生形变，使其上下表面对应位产生数值大小相等但正负相反的应变，上表面产生负应变，下表面产生正应变，应变将传递到光纤光栅4上，引起光纤光栅4的中心波长发生变化。同时光纤光栅4也对温度敏感，通过对等强悬臂梁3上下表面沿中轴线排布的光纤光栅4中心波长值的变化量进行解调，即可消除温度引起的中心波长漂移，得到等强悬臂梁3的轴向应变，从而得到转轴6的角位移量。