專利名稱：一種扭矩光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測試技術(shù)和光纖傳感器領(lǐng)域，特別涉及了一種新型扭 矩光纖傳感器的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)原理的方案。
背景技術(shù)：
在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，扭矩是反映生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)性能的最典型機(jī)械 量之一，扭矩測量及分析是保證各種生產(chǎn)及輔助設(shè)備安全正常運(yùn)行， 節(jié)省能源，提高系統(tǒng)效率的重要手段。提高扭矩測量的準(zhǔn)確性、扭矩 監(jiān)測和控制的實(shí)時(shí)性以及扭矩異常分析的可靠性，是減少事故發(fā)生、 使生產(chǎn)正常進(jìn)行的重要手段。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展，扭矩測量技術(shù)有著廣闊的應(yīng) 用前景。同時(shí)，對扭矩的監(jiān)測也提出了越來越高的要求由靜態(tài)測試 轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)在線檢測；由間接測量轉(zhuǎn)向直接測量；由單功能轉(zhuǎn)向多功能， 包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息 存儲(chǔ)和記憶;要求系統(tǒng)微型化、數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化； 要求扭矩的檢測與動(dòng)力裝置的控制相結(jié)合，達(dá)到轉(zhuǎn)速、扭矩、輸出功 率的優(yōu)化配置。
目前的扭矩傳感器，主要有應(yīng)變式，磁電相位式，光電式等幾種。 他們存在著須專用彈性軸，安裝要兩只聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈性軸扭 轉(zhuǎn)應(yīng)變量小，影響靈敏度等缺點(diǎn)。另外，在扭矩傳感器的設(shè)計(jì)中，主 要的問題在于敏感元件的制造，選擇，安裝等。通常所用的扭矩傳感 器采用壓電石英晶片作為測量元件，這種傳感器所需壓電石英晶片數(shù) 量多，晶片的高度和接觸面的平面度、粗糙度要求相當(dāng)嚴(yán)格，加工難 度大，工藝要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)測量方法中測試麻煩，復(fù)雜，精確度不 高的缺陷，發(fā)明一種新的光纖扭矩測量方法和新傳感器，使測量操作 簡便，成本低，精度提高，測量范圍擴(kuò)大，并抗電磁干擾。該方法具 有高測量精度、優(yōu)越的全光性、絕緣性、防爆性、抗電磁干擾、耐高 溫性等特點(diǎn)。適合于高溫下及有爆炸危險(xiǎn)和有強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境 下大型機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測量。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明包含導(dǎo)引光纖、兩個(gè)扭桿、 一段傳感光纖和一個(gè)彈簧。兩 個(gè)扭桿之間通過彈簧相連接；傳感光纖通過兩個(gè)扭桿的中軸線，并分
別固定在兩個(gè)扭桿的末端。其中，兩個(gè)扭桿通過彈簧連接。彈簧起到 的作用不僅僅是連接作用，它還能實(shí)現(xiàn)復(fù)位作用，即當(dāng)兩個(gè)扭桿之間 沒有相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈簧能保證兩個(gè)扭桿在初始位置。另外，當(dāng)施加在 扭桿上的扭矩撤去后，彈簧能保證扭桿回到初始位置，實(shí)現(xiàn)重復(fù)測量。 在該傳感器結(jié)構(gòu)中，當(dāng)扭桿受到力的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感光纖也 受到扭矩的作用產(chǎn)生扭曲。傳感光纖扭曲后其透射光譜的光強(qiáng)或波長 變化與扭矩的大小有關(guān)。通過測量傳感光纖透射光譜的光強(qiáng)或波長變 化，就可以得到扭矩值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 采用全光纖結(jié)構(gòu)，能有效防止電磁干擾，并可以用在危險(xiǎn)的 工作環(huán)境中；
2. 測量元件采用長周期光纖光柵或熔融拉錐光纖，利用傳感光 纖扭曲后其透射光譜的光強(qiáng)或波長變化來測量扭矩，可以實(shí)現(xiàn)高精度
3. 該方案結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝，較普通的扭矩傳感器，能具有 更低的成本；
4. 該方案能夠?qū)崿F(xiàn)分布式測量，而這是傳統(tǒng)的傳感器所不具備的。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖2為轉(zhuǎn)速扭矩測量實(shí)施例示意圖； 圖中l(wèi)一光纖，2、 3—扭桿，4一彈簧，5—長周期光纖光柵或熔錐 光纖，6、 7—永久磁鐵，8—被測旋轉(zhuǎn)體，9一光源，IO—探測器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 實(shí)施例
本發(fā)明的一種新型扭矩光纖傳感器包括導(dǎo)引光纖1，兩個(gè)扭桿2、 3，長周期光纖光柵或熔錐光纖5，彈簧4。扭桿2與扭桿3通過彈簧 4連接，傳感光纖通過兩個(gè)扭桿的中軸線，并分別固定在兩個(gè)扭桿的 末端。其中，兩個(gè)扭桿通過彈簧連接。彈簧起到的作用不僅僅是連接 作用，它還能實(shí)現(xiàn)復(fù)位作用，即當(dāng)兩個(gè)扭桿之間沒有相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈 簧能保證兩個(gè)扭桿處在初始位置。見圖l。，
在圖2所示的實(shí)施例中，光源9發(fā)出的光進(jìn)入光纖1后，通過傳 感光纖5，被光探測器10接收。在扭桿3的端部安裝有一塊永久磁 鐵6，在被測旋轉(zhuǎn)體8的外側(cè)也安裝一塊極性相反的永久磁鐵7。當(dāng) 旋轉(zhuǎn)體8未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永久磁鐵6與7之間沒有相對位移，因此扭桿3 位置也沒有改變。在這種情況下傳感光纖5沒有受到扭矩作用，因此 探測器10接收到透射光譜沒有變化；
當(dāng)物體8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)磁鐵7，對磁鐵6產(chǎn)生周期性的吸引 力，從而帶動(dòng)扭桿3周期性地轉(zhuǎn)動(dòng)。扭桿3周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生周期 性的扭矩變化，從而傳感光纖5受到周期性的扭矩作用。這種周期性 的扭矩作用使得通過傳感光纖的光強(qiáng)或波長受到調(diào)制。通過光探測器 10可以接收到經(jīng)過扭矩變化調(diào)制的光譜。通過測量傳感光纖5透射 光譜變化的周期，就可以測量出轉(zhuǎn)速。
由圖l，圖2可以看出，采用此傳感器結(jié)構(gòu)，光纖的光路是完全 密封的，具有高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆及不干擾被測現(xiàn) 場等特點(diǎn)，更適合在強(qiáng)電磁干擾、腐蝕性介質(zhì)及污染等惡劣環(huán)境下進(jìn)
行測量；另外，相比傳統(tǒng)的扭矩傳感器，采用長周期光纖光柵或熔錐 光纖作為測量元件可以達(dá)到更高的精度和范圍，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
權(quán)利要求
1.一種扭矩光纖傳感器，包括導(dǎo)引光纖(1)，兩個(gè)扭桿(2)、(3)，長周期光纖光柵或熔錐光纖(5)，彈簧(4)，其特征在于所述的兩個(gè)扭桿(2)、(3)之間通過彈簧(4)相連接；長周期光纖光柵或熔錐光纖(5)通過兩個(gè)扭桿(2)、(3)的中軸線，并分別固定在兩個(gè)扭桿(2)、(3)的末端；彈簧起到連接和復(fù)位作用，且保證在沒有外力作用下兩個(gè)扭矩(2)、(3)之間沒有相對位移；當(dāng)施加在扭桿上的扭矩撤去后，彈簧能保證扭桿回到初始位置，實(shí)現(xiàn)重復(fù)測量。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種扭矩光纖傳感器，其特征在于該 傳感器中的熔錐光纖(5)，是通過單模光纖熔融拉錐形成，其包層和 纖芯的直徑沿光纖軸向均逐漸變細(xì)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于這一扭矩測量原理的光纖轉(zhuǎn)速 傳感器，其特征在于在一扭桿(3)上安裝一塊磁鐵(6)，在被測量旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(8)上安裝另一塊極性相反的磁鐵(7);旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(8)每轉(zhuǎn)動(dòng)一 圈，帶動(dòng)扭矩傳感器輸出一個(gè)信號。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種扭矩光纖傳感器，其特征在于在 該傳感器結(jié)構(gòu)中，當(dāng)扭桿受到力的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感光纖也受到扭 矩的作用產(chǎn)生扭曲；傳感光纖扭曲后其透射光譜的光強(qiáng)或波長變化與 扭矩的大小有關(guān)；通過測量傳感光纖透射光譜的光強(qiáng)或波長變化，得 到扭矩值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型扭矩光纖傳感器的設(shè)計(jì)，屬于測試技術(shù)和光纖傳感器領(lǐng)域。本發(fā)明采用長周期光纖光柵或熔錐光纖作為測量元件，當(dāng)長周期光纖光柵或熔錐光纖受到扭矩作用時(shí)，長周期光纖光柵的周期或熔錐光纖的光強(qiáng)或光譜產(chǎn)生變化，從而測量出扭矩值。該傳感器由導(dǎo)引光纖，扭桿(2)，(3)，長周期光纖光柵或熔錐光纖(5)，彈簧(4)構(gòu)成。其中，兩個(gè)扭桿(2)，(3)由彈簧(4)連接，扭桿(2)和扭桿(3)間能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感用的長周期光纖光柵或熔錐光纖分別固定在兩個(gè)扭桿(2)，(3)上。另外，在該扭矩傳感器的一個(gè)扭桿上安裝一個(gè)磁鐵，與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上安裝一塊極性相反的磁鐵一起，可以構(gòu)成基于扭矩測量的光纖轉(zhuǎn)速傳感器。
文檔編號G01L3/08GK101191751SQ20071017947
公開日2008年6月4日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者張佛健, 毅 江 申請人:北京理工大學(xué)