專利名稱：一種扭矩光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測試技術和光纖傳感器領域，特別涉及了一種新型扭 矩光纖傳感器的設計以及實現(xiàn)該設計原理的方案。
背景技術：
在機械傳動系統(tǒng)中，扭矩是反映生產設備系統(tǒng)性能的最典型機械 量之一，扭矩測量及分析是保證各種生產及輔助設備安全正常運行， 節(jié)省能源，提高系統(tǒng)效率的重要手段。提高扭矩測量的準確性、扭矩 監(jiān)測和控制的實時性以及扭矩異常分析的可靠性，是減少事故發(fā)生、 使生產正常進行的重要手段。
隨著科學技術的進步和生產的發(fā)展，扭矩測量技術有著廣闊的應 用前景。同時，對扭矩的監(jiān)測也提出了越來越高的要求由靜態(tài)測試 轉向動態(tài)在線檢測；由間接測量轉向直接測量；由單功能轉向多功能， 包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息 存儲和記憶;要求系統(tǒng)微型化、數(shù)字化、智能化、虛擬化和網絡化； 要求扭矩的檢測與動力裝置的控制相結合，達到轉速、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，結構復雜，彈性軸扭 轉應變量小，影響靈敏度等缺點。另外，在扭矩傳感器的設計中，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、粗糙度要求相當嚴格，加工難 度大，工藝要求高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)測量方法中測試麻煩，復雜，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。適合于高溫下及有爆炸危險和有強電磁干擾等惡劣環(huán)境 下大型機械的傳動系統(tǒng)動態(tài)特性測量。 本發(fā)明所采用的技術方案如下
本發(fā)明包含導引光纖、兩個扭桿、 一段傳感光纖和一個彈簧。兩 個扭桿之間通過彈簧相連接；傳感光纖通過兩個扭桿的中軸線，并分
別固定在兩個扭桿的末端。其中，兩個扭桿通過彈簧連接。彈簧起到 的作用不僅僅是連接作用，它還能實現(xiàn)復位作用，即當兩個扭桿之間 沒有相對轉動時，彈簧能保證兩個扭桿在初始位置。另外，當施加在 扭桿上的扭矩撤去后，彈簧能保證扭桿回到初始位置，實現(xiàn)重復測量。 在該傳感器結構中，當扭桿受到力的作用而旋轉時，傳感光纖也 受到扭矩的作用產生扭曲。傳感光纖扭曲后其透射光譜的光強或波長 變化與扭矩的大小有關。通過測量傳感光纖透射光譜的光強或波長變 化，就可以得到扭矩值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點
1. 采用全光纖結構，能有效防止電磁干擾，并可以用在危險的 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或波長變化來測量扭矩，可以實現(xiàn)高精度
3. 該方案結構簡單，容易安裝，較普通的扭矩傳感器，能具有 更低的成本；
4. 該方案能夠實現(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)明的結構原理示意圖2為轉速扭矩測量實施例示意圖； 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—被測旋轉體，9一光源，IO—探測器。
具體實施例方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述 實施例
本發(fā)明的一種新型扭矩光纖傳感器包括導引光纖1，兩個扭桿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，傳感光纖通過兩個扭桿的中軸線，并分別固定在兩個扭桿的 末端。其中，兩個扭桿通過彈簧連接。彈簧起到的作用不僅僅是連接 作用，它還能實現(xiàn)復位作用，即當兩個扭桿之間沒有相對轉動時，彈 簧能保證兩個扭桿處在初始位置。見圖l。，
在圖2所示的實施例中，光源9發(fā)出的光進入光纖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，在被測旋轉體8的外側也安裝一塊極性相反的永久磁鐵7。當 旋轉體8未轉動時，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；
當物體8轉動時，同時帶動磁鐵7，對磁鐵6產生周期性的吸引 力，從而帶動扭桿3周期性地轉動。扭桿3周期性的轉動，產生周期 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或波長受到調制。通過光探測器 10可以接收到經過扭矩變化調制的光譜。通過測量傳感光纖5透射 光譜變化的周期，就可以測量出轉速。
由圖l，圖2可以看出，采用此傳感器結構，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，更適合在強電磁干擾、腐蝕性介質及污染等惡劣環(huán)境下進
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到更高的精度和范圍，且結構簡單，成本低。
權利要求
1.一種扭矩光纖傳感器，包括導引光纖(1)，兩個扭桿(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)通過兩個扭桿(2)、(3)的中軸線，并分別固定在兩個扭桿(2)、(3)的末端；彈簧起到連接和復位作用，且保證在沒有外力作用下兩個扭矩(2)、(3)之間沒有相對位移；當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，實現(xiàn)重復測量。
2. 如權利要求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。
3. 如權利要求1所述的一種基于這一扭矩測量原理的光纖轉速 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 轉機構(8)上安裝另一塊極性相反的磁鐵(7);旋轉機構(8)每轉動一 圈，帶動扭矩傳感器輸出一個信號。
4. 如權利要求1所述的一種扭矩光纖傳感器，其特征在于在 該傳感器結構中，當扭桿受到力的作用而旋轉時，傳感光纖也受到扭 矩的作用產生扭曲；傳感光纖扭曲后其透射光譜的光強或波長變化與 扭矩的大小有關；通過測量傳感光纖透射光譜的光強或波長變化，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計，屬于測試技術和光纖傳感器領域。本發(fā)明采用長周期光纖光柵或熔錐光纖作為測量元件，當長周期光纖光柵或熔錐光纖受到扭矩作用時，長周期光纖光柵的周期或熔錐光纖的光強或光譜產生變化，從而測量出扭矩值。該傳感器由導引光纖，扭桿(2)，(3)，長周期光纖光柵或熔錐光纖(5)，彈簧(4)構成。其中，兩個扭桿(2)，(3)由彈簧(4)連接，扭桿(2)和扭桿(3)間能夠轉動。傳感用的長周期光纖光柵或熔錐光纖分別固定在兩個扭桿(2)，(3)上。另外，在該扭矩傳感器的一個扭桿上安裝一個磁鐵，與旋轉機構上安裝一塊極性相反的磁鐵一起，可以構成基于扭矩測量的光纖轉速傳感器。
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