本發(fā)明屬于機(jī)械振動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種切向式光纖光柵扭振傳感器。

背景技術(shù)：

在各類(lèi)回轉(zhuǎn)機(jī)械中，軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(扭振)是一種重要振動(dòng)形式。扭振是由于作用在軸上的扭矩隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，扭振引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力變化的積累往往會(huì)造成突發(fā)性的事故，通過(guò)扭振信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)主軸的運(yùn)行狀態(tài)不僅可以防止災(zāi)害事故的發(fā)生還可以對(duì)軸及其相關(guān)部件進(jìn)行損傷檢測(cè)和故障診斷。

測(cè)量扭振的方法有直接法和間接法兩類(lèi)，直接法就是直接感測(cè)軸的扭振，有接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量，接觸測(cè)量主要是將傳感器(應(yīng)變片、加速度計(jì)和編碼器等)安裝在軸上，測(cè)量信號(hào)可以通過(guò)集流環(huán)或有線、無(wú)線電發(fā)訊等方式傳輸?shù)絻x器上，非接觸測(cè)量主要有測(cè)齒法、紅外法和激光法等，這些方法無(wú)須在軸上安裝傳感器，利用非接觸方式感測(cè)軸的扭振，或者通過(guò)傳感器或直接用傳感器產(chǎn)生脈沖，脈沖的時(shí)間間隔反映了軸的瞬時(shí)角速度的大小，從而獲得扭振信息，間接法主要是通過(guò)測(cè)量與扭振有關(guān)的其他物理量來(lái)得到扭振信息，如定子電流法等。但是，接觸測(cè)量存在信號(hào)傳輸困難、抗電磁干擾能力差等問(wèn)題，非接觸測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度要求非常高，一般很難達(dá)到測(cè)量精度要求，間接法測(cè)量精度達(dá)不到要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種切向式光纖光柵扭振傳感器，該傳感器能夠排除徑向振動(dòng)對(duì)扭振測(cè)量的干擾、具有溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?、精確測(cè)量扭振、抗電磁干擾、體積小、成本低。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種切向式光纖光柵扭振傳感器，包括能夠安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的殼體，殼體垂直于軸心的平面上設(shè)有四個(gè)立柱和兩個(gè)限位槽，四個(gè)立柱相連能夠形成矩形，矩形的幾何中心位于旋轉(zhuǎn)軸的軸心，兩個(gè)限位槽分別位于矩形一對(duì)平行邊的兩個(gè)中點(diǎn)上，兩個(gè)限位槽內(nèi)分別設(shè)有兩個(gè)質(zhì)量球，一根光纖不與限位槽干涉的同時(shí)緊密的穿過(guò)兩個(gè)質(zhì)量球的球心，光纖以一定預(yù)緊力固定在四個(gè)立柱上使質(zhì)量球均空懸在限位槽內(nèi)，光纖在限位槽和立柱之間的四個(gè)部位上分別設(shè)有四個(gè)光纖光柵。

進(jìn)一步地，殼體包括內(nèi)盤(pán)和可拆卸的套在內(nèi)盤(pán)上的外殼，四個(gè)立柱和兩個(gè)限位槽設(shè)在內(nèi)盤(pán)的內(nèi)側(cè)，外殼上設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸配合的安裝孔，內(nèi)盤(pán)上設(shè)有大于旋轉(zhuǎn)軸的開(kāi)孔，光纖的末端通過(guò)開(kāi)孔伸出。

進(jìn)一步地，外殼通過(guò)螺紋套在內(nèi)盤(pán)上。

進(jìn)一步地，質(zhì)量球材料采用高密度金屬。

進(jìn)一步地，質(zhì)量球材料為銅。

本發(fā)明的有益效果是：

測(cè)量時(shí)將本發(fā)明安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，沿軸切向布置的兩對(duì)質(zhì)量球-光纖光柵的受力發(fā)生改變(參見(jiàn)圖7受力分析圖)，建立質(zhì)量球所受作用力的相互關(guān)系，通過(guò)差分得到扭振引起的加速度與光纖光柵應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)而建立起加速度與光纖光柵波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系，從而得到扭振信號(hào)。本發(fā)明不僅能夠排除徑向振動(dòng)對(duì)扭振測(cè)量的干擾，還具有溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，可以精確地測(cè)量扭振，本發(fā)明采用光纖光柵作為傳感元件，具有抗電磁干擾、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的三維外觀示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的剖面圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中內(nèi)盤(pán)的俯視圖。

圖4是圖3中a-a的剖視圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中內(nèi)盤(pán)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中外殼的剖面圖。

圖7是質(zhì)量球-光纖光柵的受力分析圖。

圖中：1-內(nèi)盤(pán)；2-質(zhì)量球；3-光纖光柵；4-外殼；5-立柱；6-限位槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖2所示，一種切向式光纖光柵扭振傳感器，包括能夠安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的殼體，殼體垂直于軸心的平面上設(shè)有四個(gè)立柱5和兩個(gè)限位槽6，四個(gè)立柱5相連能夠形成矩形，矩形的幾何中心位于旋轉(zhuǎn)軸的軸心，兩個(gè)限位槽6分別位于矩形一對(duì)平行邊的兩個(gè)中點(diǎn)上，兩個(gè)限位槽6內(nèi)分別設(shè)有兩個(gè)質(zhì)量球2，一根光纖不與限位槽6干涉的同時(shí)緊密的穿過(guò)兩個(gè)質(zhì)量球2的球心(質(zhì)量球2上的通孔比光纖略大，相當(dāng)于質(zhì)量球2固定在光纖上)，光纖以一定預(yù)緊力固定在四個(gè)立柱5上使質(zhì)量球2均空懸在限位槽6內(nèi)，光纖在限位槽6和立柱5之間的四個(gè)部位上分別設(shè)有四個(gè)光纖光柵3(下面將四個(gè)光纖光柵3分別簡(jiǎn)寫(xiě)成1#fbg、2#fbg、3#fbg、4#fbg)。

測(cè)量時(shí)將本發(fā)明安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，沿軸切向布置的兩對(duì)質(zhì)量球-光纖光柵的受力發(fā)生改變(參見(jiàn)圖7受力分析圖)，建立質(zhì)量球2所受作用力的相互關(guān)系，通過(guò)差分得到扭振引起的加速度與光纖光柵3應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)而建立起加速度與光纖光柵3波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系，從而得到扭振信號(hào)。本發(fā)明不僅能夠排除徑向振動(dòng)對(duì)扭振測(cè)量的干擾，還具有溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，可以精確地測(cè)量扭振，本發(fā)明采用光纖光柵3作為傳感元件，具有抗電磁干擾、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

如圖1至圖6所示，在本實(shí)施例中，殼體包括內(nèi)盤(pán)1和可拆卸的套在內(nèi)盤(pán)1上的外殼4(外殼4通過(guò)螺紋套在內(nèi)盤(pán)1上)，四個(gè)立柱5和兩個(gè)限位槽6設(shè)在內(nèi)盤(pán)1的內(nèi)側(cè)，外殼4上設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸配合的安裝孔，內(nèi)盤(pán)1上設(shè)有大于旋轉(zhuǎn)軸的開(kāi)孔，光纖的末端通過(guò)開(kāi)孔伸出(光纖的末端與光纖光柵3解調(diào)儀相連，對(duì)四個(gè)光纖光柵3的中心波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào))。殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。

在本實(shí)施例中，質(zhì)量球2材料采用高密度金屬，如銅。

本發(fā)明的測(cè)量原理如下：

將傳感器安裝旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量球-光纖光柵的受力分析圖參見(jiàn)圖7，將質(zhì)量球2在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的所有力都考慮到其中，分為以下幾類(lèi)：(1)重力mg，方向始終豎直向下、大小不變，其中m為質(zhì)量球2的質(zhì)量、g為重力加速度；(2)扭振引起的慣性力ma，方向沿軸的切向，其中a為扭振引起的加速度；(3)徑向振動(dòng)的干擾力的合力f；(4)光纖的拉力，方向沿著光纖向外。

由于質(zhì)量球2固定在光纖上，質(zhì)量球2受到前三種作用力后，沿著x、y方向移動(dòng)，引起光纖的拉伸或收縮，即會(huì)受到第四種力。下面根據(jù)正交分解法則，將前三種力分解為x、y方向上的力，分別分析其對(duì)光纖的應(yīng)力作用效果。

首先，1#fbg、2#fbg、3#fbg和4#fbg均有一定的預(yù)拉伸力t，使得光纖產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力ε0

一.對(duì)1#fbg和2#fbg分析。

1.在x方向。

質(zhì)量球2在x方向受到的前三種力分別為mgsinθ、ma、fsinγ，其中θ為mg與y方向的夾角、γ為f與y方向的夾角，這些力作用在質(zhì)量球2上，使得質(zhì)量球2在x方向上移動(dòng)x1，其中1#fbg在x方向拉伸、2#fbg在x方向壓縮(拉伸量和壓縮量均為x1)，引起的1#fbg應(yīng)變?cè)隽繛棣摩舩、2#fbg應(yīng)變?cè)隽繛?δεx，則有下式，

mgsinθ+ma+fsinγ＝2eaδεx(1)

其中e為光纖的彈性模量、a為光纖的橫截面積。

2.在y方向。

質(zhì)量球2在y方向上受到的前三種力為mgcosθ、0、-fcosγ，這些力作用在質(zhì)量球2上，使得質(zhì)量球2在y方向上移動(dòng)y1，1#fbg和2#fbg在y方向上均被拉伸y1，引起的張力增量為δt，δt與x方向的夾角為α，引起的1#fbg和2#fbg應(yīng)變?cè)隽烤鶠棣摩舮，則有下式，

mgcosθ-fcosγ-2δtsinα＝mrω²(2)

其中ω為旋轉(zhuǎn)軸角速度、r為質(zhì)量球2所在位置半徑。

二.對(duì)3#fbg和4#fbg分析。

1.在x方向。

質(zhì)量球2在x方向受到的前三種力分別為mgsinθ、-ma、fsinγ，這些力作用在質(zhì)量球2上，使得質(zhì)量球2在x方向上移動(dòng)x2，其中3#fbg在x方向壓縮、4#fbg在x方向拉伸(拉伸量和壓縮量均為x2)，引起的3#fbg應(yīng)變?cè)隽繛?δε′x、4#fbg應(yīng)變?cè)隽繛棣摩拧鋢，則有下式，

mgsinθ-ma+f′sinγ＝2eaδε′x(3)

2.在y方向。

質(zhì)量球2在y方向上受到的前三種力為-mgcosθ、0、fcosγ，這些力作用在質(zhì)量球2上，使得質(zhì)量球2在y方向上移動(dòng)y2，3#fbg和4#fbg在y方向上均被拉伸y2，引起的張力增量為δt′，δt′與x方向的夾角為β，引起的3#fbg和4#fbg應(yīng)變?cè)隽烤鶠棣摩拧鋣，則有下式，

-mgcosθ+fcosγ-2δt′sinβ＝mrω²(4)

將式(1)減去式(3)得，

2ma＝2ea(δεx-δε′x)(5)

將式(2)減去式(4)得，

2δtsinα+2δt′sinβ＝-2mrω²(6)

1#fbg、2#fbg、3#fbg和4#fbg的應(yīng)變?chǔ)?、ε2、ε3和ε4可分別為表示為

光纖光柵3的波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變的變化和溫度的變化的關(guān)系為

其中λ為光纖光柵3的中心波長(zhǎng)、δλ為光纖光柵3的波長(zhǎng)漂移量、pe為光纖的彈光系數(shù)、αf為光纖的熱膨脹系數(shù)、ξf為光纖的熱光系數(shù)、δt為溫度變化。

聯(lián)立(7)(8)可得，

其中δλ1、δλ2、δλ3和δλ4分別為1#fbg、2#fbg、3#fbg和4#fbg的波長(zhǎng)漂移量，λ1、λ2、λ3和λ4分別為1#fbg、2#fbg、3#fbg和4#fbg的中心波長(zhǎng)。

將(9)式帶入(5)得，

通過(guò)式(10)建立了加速度與光纖光柵3波長(zhǎng)漂移量之間的關(guān)系，從而得到扭振信號(hào)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。