專利名稱：扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是利用光纖進(jìn)行扭轉(zhuǎn)參量傳感，能夠?qū)εまD(zhuǎn)參量(扭角、扭矩或扭應(yīng)力)進(jìn)行高精度測定的光纖傳感裝置。
背景技術(shù)：
在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，扭轉(zhuǎn)參量是反映生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)性能的最典型機(jī)械量之一，扭轉(zhuǎn)參量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。提高扭轉(zhuǎn)參量測量的準(zhǔn)確性、扭轉(zhuǎn)參量監(jiān)測和控制的實(shí)時(shí)性以及扭轉(zhuǎn)參量異常分析的可靠性，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，扭轉(zhuǎn)參量測量技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，對(duì)扭轉(zhuǎn)參量的監(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、扭轉(zhuǎn)參量、輸出功率的優(yōu)化配置。目前的扭轉(zhuǎn)參量傳感器，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，在扭轉(zhuǎn)參量傳感器的設(shè)計(jì)中，主要的問題在于敏感元件的制造，選擇，安裝等。通常所用的扭轉(zhuǎn)參量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參量測量裝置，該裝置使測量操作簡便，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。具有非常廣闊的應(yīng)用前景。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于包含螺旋形殼體以及沿螺旋形殼體縱向連續(xù)布設(shè)在所述螺旋形殼體內(nèi)部相對(duì)兩側(cè)的多個(gè)A側(cè)變形齒和多個(gè)B側(cè)變形齒，至少螺旋形殼體的一端固定于待測物體上， 布設(shè)在螺旋形殼體內(nèi)部的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的相對(duì)位置隨著待測物體扭轉(zhuǎn)參量的變化而改變，所述A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒呈交錯(cuò)布設(shè)，且在二者的變形齒間夾有信號(hào)光纖，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖兩側(cè)，傳輸光纖將信號(hào)光纖與測試單元連接，測試單元后面接處理單元。當(dāng)螺旋形殼體在待測物體的扭轉(zhuǎn)下兩端位置變化時(shí)，則沿螺旋形殼體縱向連續(xù)布設(shè)在所述螺旋形殼體內(nèi)部相對(duì)兩側(cè)的多個(gè)A側(cè)變形齒和多個(gè)B側(cè)變形齒之間的位置改變， 從而使夾在兩者變形齒間的信號(hào)光纖的彎曲曲率減小或增大而導(dǎo)致信號(hào)光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的功率增大或減少，信號(hào)光纖通過傳輸光纖與測試單元連接，從而使測試單元探測到光信號(hào)功率的變化，測試單元可以是光源和光功率計(jì)；處理單元通過光信號(hào)功率的變化以及待測物的扭轉(zhuǎn)物理常數(shù)得出相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)參量，達(dá)到對(duì)待測物體扭轉(zhuǎn)參量測定的目的。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的螺旋形殼體內(nèi)部布設(shè)有變形齒的相對(duì)A、B兩側(cè)是互相平行的，并同時(shí)與待測物體的扭轉(zhuǎn)軸心平行，則A側(cè)與 B側(cè)相對(duì)于待測物體的扭轉(zhuǎn)軸心有不同的距離，當(dāng)待測物體扭轉(zhuǎn)時(shí)，至少有一端固定于待測物體上的螺旋形殼體內(nèi)部的A、B兩側(cè)也需要在扭轉(zhuǎn)相同的角度下伸長或縮短，但A、B兩側(cè)相對(duì)于扭轉(zhuǎn)軸心的距離不同，則距扭轉(zhuǎn)軸心距離遠(yuǎn)的一側(cè)需要伸長或縮短的長度更多，而在沒有其他外力的幫助下是做不到的，這時(shí)距扭轉(zhuǎn)軸心距離遠(yuǎn)的一側(cè)就會(huì)向距扭轉(zhuǎn)軸心距離近的一側(cè)靠近或疏遠(yuǎn)，從而使布設(shè)在螺旋形殼體內(nèi)部的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的相對(duì)距離減小或增大，并導(dǎo)致在二者的變形齒間夾有信號(hào)光纖的彎曲曲率的變化，并使信號(hào)光纖內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率的變化，測試單元將光信號(hào)功率的變化傳輸給處理單元，處理單元推算出扭轉(zhuǎn)參量的變化大小。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的螺旋形殼體是平面卷簧狀。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的螺旋形殼體的A側(cè)和B側(cè)之間由彈性材料連接，彈性材料可以是高分子材料、波簧等材料構(gòu)成，彈性材料在有外力作用時(shí)有更大的變形，所以當(dāng)螺旋形殼體兩端位置變化時(shí)，使A側(cè)的變形齒和B側(cè)的變形齒之間的相對(duì)位置會(huì)有精細(xì)的變化。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的螺旋形殼體的A側(cè)和B側(cè)之間除了在螺旋形殼體的兩端處連接外，螺旋形殼體中間部位的A側(cè)和B側(cè)之間沒有連接。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是位于所述的螺旋形殼體的 A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的信號(hào)光纖的一端安置有反射鏡，信號(hào)光纖的另一端與光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)連接。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是位于所述的螺旋形殼體的 A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的信號(hào)光纖的一端安置有反射鏡，信號(hào)光纖的另一端與1X2分路器的1 口連接，1X2分路器的2 口分別與測試單元的光源和光功率計(jì)連接。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述信號(hào)光纖為外部包有多層光纖保護(hù)層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、金屬涂覆光纖或聚酰亞胺涂覆。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述信號(hào)光纖是多模光纖、多芯光纖、高分子聚合物光纖或光子晶體光纖。本發(fā)明的光纖傳感裝置解決進(jìn)一步技術(shù)問題的方案是所述的傳輸光纖與信號(hào)光纖是不同類型的光纖，如信號(hào)光纖是多模、光子晶體光纖或石英包層外徑是80微米的微型光纖，而傳輸光纖是通信用標(biāo)準(zhǔn)的G. 652型單模光纖，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是一方面大幅度提高測試精度、減小信號(hào)光纖的內(nèi)部應(yīng)力、延長信號(hào)光纖的使用壽命，另一方面又降低了應(yīng)用成本，及在遠(yuǎn)距離使用時(shí)，減少由于溫度、應(yīng)力對(duì)傳輸光纖的會(huì)疊加到信號(hào)光纖中光功率變化信號(hào)中的衰減的影響。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、作為測量元件的信號(hào)光纖可以采用普通的通信光纖或其他特種光纖，利用透射或反射光功率的變化測量扭轉(zhuǎn)參量，可以實(shí)現(xiàn)高精度測定；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)遠(yuǎn)距離、分布式測量，而這是傳統(tǒng)的傳感器所不具備的。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、 使用效果好，具有廣闊的應(yīng)用前景。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明第一具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中螺旋形殼體內(nèi)部的截面示意圖。圖3為本發(fā)明第二具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中螺旋形殼體的截面示意圖及與旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)系示意圖。圖5為本發(fā)明第二具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明第三具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明第四具體實(shí)施方式
的螺旋形殼體的截面示意圖及與旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)系示意圖。圖8為本發(fā)明第五具體實(shí)施方式
的螺旋形殼體的截面示意圖及與旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)系示意圖。附圖標(biāo)記說明
權(quán)利要求
1.扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于包含螺旋形殼體以及沿螺旋形殼體縱向連續(xù)布設(shè)在所述螺旋形殼體內(nèi)部相對(duì)兩側(cè)的多個(gè)A側(cè)變形齒和多個(gè)B側(cè)變形齒，至少螺旋形殼體的一端固定于待測物體上，布設(shè)在螺旋形殼體內(nèi)部的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的相對(duì)位置隨著待測物體扭轉(zhuǎn)參量的變化而改變，所述A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒呈交錯(cuò)布設(shè)，且在二者的變形齒間夾有信號(hào)光纖，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒對(duì)應(yīng)布設(shè)在信號(hào)光纖兩側(cè)，傳輸光纖將信號(hào)光纖與測試單元連接，測試單元后面接處理單元。
2.按照權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述的螺旋形殼體內(nèi)部布設(shè)有變形齒的相對(duì)A、B兩側(cè)是互相平行的，并同時(shí)與待測物體的扭轉(zhuǎn)軸平行。
3.按照權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述的螺旋形殼體是平面卷簧狀。
4.按照權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述的螺旋形殼體的A側(cè)和B側(cè)之間由彈性材料連接。
5.按照權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述的螺旋形殼體的A側(cè)和B側(cè)之間除了在螺旋形殼體的兩端處連接外，螺旋形殼體中間部位的A側(cè)和B 側(cè)之間沒有連接。
6.按照權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于位于所述的螺旋形殼體的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的信號(hào)光纖的一端安置有反射鏡。
7.按照權(quán)利要求6所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于信號(hào)光纖的另一端與1X2分路器的1 口連接，1X2分路器的2 口與測試單元的連接。
8.按照權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖為外部包有多層光纖保護(hù)層的光纖。
9.按照權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述信號(hào)光纖是多模光纖、多芯光纖、高分子聚合物光纖或光子晶體光纖。
10.按照權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，其特征在于所述的傳輸光纖與信號(hào)光纖是不同類型的光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種扭轉(zhuǎn)參量感測光纖傳感裝置，包含螺旋形殼體以及沿縱向連續(xù)布設(shè)在所述螺旋形殼體內(nèi)部相對(duì)兩側(cè)的多個(gè)A側(cè)變形齒和多個(gè)B側(cè)變形齒，螺旋形殼體的一端固定于待測物體上，布設(shè)在螺旋形殼體內(nèi)部的A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間的相對(duì)位置隨著待測物體扭轉(zhuǎn)參量的變化而改變，傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率隨著夾在二者的變形齒間的信號(hào)光纖曲率變化而變化，并通過測試單元探測到光信號(hào)功率的變化，依靠采用螺旋形結(jié)構(gòu)，延長了可產(chǎn)生微彎的信號(hào)光纖的長度并減小了信號(hào)光纖的彎曲曲率，從而提高了本發(fā)明光纖傳感器的動(dòng)態(tài)范圍并延長了信號(hào)光纖的使用壽命，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、壽命長、使用效果好，使本發(fā)明的光纖傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102221374SQ20101015067
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者杜兵, 杜蔚, 杜迎濤 申請人:西安金和光學(xué)科技有限公司