基于光纤光栅的扭转振动传感器及扭转振动测量方法与流程

本发明涉及扭转振动传感测量技术，尤其涉及基于光纤光栅的扭转振动传感器及扭转振动测量方法。

背景技术：

传统的测量扭振的方法一般有两种，接触法和非接触法。接触法是将多个应变片与轴线45°方向贴在轴上作为敏感元件，测量剪应变随时间的变化来反映扭振的变化，该方法具有较高的灵敏度和较宽的频响范围，但操作复杂耗时，信号传输难度较大，而且不能测量轴的刚体扭振。非接触法一般是在轴上安装齿轮、码盘等等分结构，利用位移传感器测量等分结构经过测点的时间变化来反映扭振的变化，扭振信号存在于脉冲信号的相位中，要经过鉴相器解调方可获得。该方法要求轴上有严格的等分机构，一般旋转轴扭振信号微弱，信号的提取和分析工作十分复杂，难以保证准确度。

光纤光栅具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、一线多点、无源多场等优点，将其应用到旋转机械扭振测量中将会带来许多优势。目前，各种基于光纤光栅的振动测量的传感器大量出现，也正说明了其应用的潜力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅的扭转振动传感器及扭转振动测量方法，能够精确测量扭振角速度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤光栅的扭转振动传感器，其特征在于：它包括：

底座，用于与待测物体固定连接；

转动装置，用于与底座发生相对转动，且转动装置的转动轴心与待测物体的转动轴心在同一条直线上；

扭簧，扭簧的两端分别与底座和转动装置连接，且扭簧的轴心与转动装置的转动轴心相同；

壳体，套在所述的转动装置和扭簧之外，与所述的底座固定连接；以及

带有光栅的光纤，光纤上设有分别与转动装置和壳体固定的固定点，固定点使得光栅悬置于壳体和转动装置之间。

按上述方案，所述的底座上设有空心轴，所述的扭簧套在空心轴上，所述的转动装置与空心轴嵌套连接。

按上述方案，所述的转动装置包括上下固定连接的转动盘和弹簧内套，扭簧一端的臂杆与弹簧内套固定连接。

按上述方案，所述的弹簧内套由第一连接盘和轴套构成；第一连接盘上设有用于与所述的转动盘连接的通孔，以及用于与扭簧固定连接的定位孔；轴套嵌套在所述的空心轴中。

按上述方案，所述的轴套为中空结构。

按上述方案，所述的转动盘由第二连接盘和凸起构成；第二连接盘上设有用于与所述的弹簧内套连接的螺纹孔；凸起位于转动盘的中心，且凸起上设有用于固定光纤的凹槽。

按上述方案，所述的壳体包括中间壳和盖子；中间壳上设有用于固定光纤的平台，平台与所述的凹槽位于同一平面；盖子上设有供光纤引出的引出孔。

按上述方案，所述的凸起为圆柱体，所述的凹槽沿圆柱体的周向开设；所述的光栅为2个，2个光栅之间的光纤绕在所述的凹槽中并固定，且光纤绕出凹槽时与凹槽表面相切。

一种所述的基于光纤光栅的扭转振动传感器实现的扭转振动测量方法，其特征在于：将所述的基于光纤光栅的扭转振动传感器通过底座固定在待测旋转轴上，转动装置的转动轴心与待测旋转轴的转动轴心在同一条直线上；待测旋转轴的扭振角速度通过以下公式获得：

式中，β为旋转轴的扭振角速度，J为转动盘的转动惯量，D为扭簧中径，n为扭簧圈数，E为扭簧材料的弹性模量，d为扭簧簧丝的直径，r为凸起的半径，l₀为光纤的有效长度，Δλ为光纤光栅波长漂移量，λ为光纤光栅波长，P_e为光纤的弹光系数。

按上述方法，所述的光栅为2个，

式中，Δλ₁和Δλ₂分别为2个光栅的波长漂移量。

本发明的工作原理为：将本发明装置通过底座固定在待测旋转轴上，并保证待测旋转轴的轴心与本发明装置的轴线重合，当待测旋转轴发生扭转振动时，即产生沿轴周向的角速度，转动装置在惯性力矩的作用下产生大小相等反向的角加速度，由于转动装置受到扭簧的阻碍力，发生微小的转动，从而带动一端固定在转动装置上的光纤拉伸或压缩，由此建立起旋转轴扭振角速度与光纤光栅波长漂移量之间的联系。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的扭簧、底座、转动盘的组合，利用惯性原理测量扭振信号，与传统的利用位移传感器的测量方法不同，具有结构紧凑、成本低、性能稳定、灵敏度高的优点；利用扭簧作为阻尼，提高了传感器的灵敏度。

2、将光纤绕在圆柱面上并对称布置两光栅，既能方便安装光纤光栅，又能排除偶然因素如温度、径向振动对测量的干扰。

附图说明

图1是本发明一实施例的内部结构示意图。

图2是弹簧内套的正视图。

图3是弹簧内套的剖面图。

图4是弹簧内套的立体图。

图5是转动盘的正视图。

图6是转动盘的剖面图。

图7是转动盘的立体图。

图8是光纤光栅的安装布置图。

图中：1-底座，2-扭簧，3-弹簧内套，4-转动盘，5-中间壳，6-盖子，7-连接螺钉，8-光纤，9-光栅，10-固定点，1-1-空心轴，3-1-第一连接盘，3-2-轴套，3-3-定位孔，3-4-通孔，3-5-空腔，4-1-第二连接盘，4-2-螺纹孔，4-3-凸起，4-4-凹槽，5-1-平台。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于光纤光栅的扭转振动传感器，如图1至图8所示，它包括：底座1，用于与待测物体固定连接；转动装置，用于与底座1发生相对转动，且转动装置的转动轴心与待测物体的转动轴心在同一条直线上；扭簧2，扭簧2的两端分别与底座1和转动装置连接，且扭簧2的轴心与转动装置的转动轴心相同；壳体，套在所述的转动装置和扭簧2之外，与所述的底座1固定连接；以及带有光栅9的光纤8，光纤8上设有分别与转动装置和壳体固定的固定点10，固定点10使得光栅9悬置于壳体和转动装置之间。

进一步的，所述的底座1上设有空心轴1-1，所述的扭簧2套在空心轴1-1上，所述的转动装置与空心轴1-1嵌套连接。

进一步的，所述的转动装置包括上下固定连接的转动盘4和弹簧内套3，扭簧2一端的臂杆与弹簧内套3固定连接。

再进一步的，所述的弹簧内套3由第一连接盘3-1和轴套3-2构成；第一连接盘3-1上设有用于与所述的转动盘4连接的通孔3-4，以及用于与扭簧2固定连接的定位孔3-3；轴套3-2嵌套在所述的空心轴1-1中。

优选的，所述的轴套3-2为中空结构，轴套3-2中间设有空腔3-5。

再进一步的，所述的转动盘4由第二连接盘4-1和凸起4-3构成；第二连接盘4-1上设有用于与所述的弹簧内套3连接的螺纹孔4-2；凸起4-3位于转动盘4的中心，且凸起4-3上设有用于固定光纤的凹槽4-4。本实施例中，螺纹孔4-2与通孔3-4通过连接螺钉7连接，从而将转动盘4和弹簧内套3固定在一起。

进一步细化的，所述的壳体包括中间壳5和盖子6；中间壳5上设有用于固定光纤8的平台5-1，平台5-1与所述的凹槽4-4位于同一平面；盖子6上设有供光纤8引出的引出孔。

进一步细化的，所述的凸起4-3为圆柱体，所述的凹槽4-4沿圆柱体的周向开设；所述的光栅9为2个，2个光栅9之间的光纤8绕在所述的凹槽4-4中并固定，且光纤8绕出凹槽4-4时与凹槽4-4表面相切。

本实施例中，底座1上的空心轴1-1作为扭簧2的芯轴，其外表面与扭簧2内圈留有微小间隙，所述的转动盘4通过连接螺钉7与弹簧内套3连接在一起，光纤8沿着凹槽4-4粘贴固定在转动盘4的圆柱形的凸起4-3上，另一粘贴固定端在中间壳5上环状的平台5-1上，光栅9在两固定端中间悬置，光纤8经过盖子6上的引出孔引出。扭簧2两端的臂杆与底座1和弹簧内套3上的孔的配合为间隙配合，以尽可能保证扭簧2中轴线与空心轴1-1轴线重合，之后用胶粘固定。轴套3-2的外表面与空心轴1-1内表面是动配合，两表面光滑并有微小的间隙，可在保证同轴度要求的同时，微量相对转动不受干扰。2个光栅9之间的光纤8的一部分胶粘固定在凹槽4-4内，光纤8绕出凹槽4-4时要与凹槽4-4表面相切。

一种所述的基于光纤光栅的扭转振动传感器实现的扭转振动测量方法：将所述的基于光纤光栅的扭转振动传感器通过底座1固定在待测旋转轴上，转动装置的转动轴心与待测旋转轴的转动轴心在同一条直线上；待测旋转轴的扭振角速度通过以下公式获得：

式中，β为旋转轴的扭振角速度，J为转动盘的转动惯量，D为扭簧中径，n为扭簧圈数，E为扭簧材料的弹性模量，d为扭簧簧丝的直径，r为凸起的半径，l₀为光纤的有效长度，Δλ为光纤光栅波长漂移量，λ为光纤光栅波长，P_e为光纤的弹光系数。

优选的，所述的光栅为2个，

式中，Δλ₁和Δλ₂分别为2个光栅的波长漂移量。

当待测旋转轴有扭转振动时，转动盘4和弹簧内套3受到周向的惯性力矩M的作用会绕着中心轴线转动，由于同时会受到与弹簧内套3上端相连的扭簧2的阻碍作用，使得发生微小的转动。

对于扭簧2来说，受到扭转力矩

T＝M＝Jβ (1)，

J为转动盘的转动惯量，β为旋转轴的扭振角速度。

转动盘4的转角即扭簧2的扭转角

D为扭簧中径，n为扭簧圈数，E为扭簧材料的弹性模量(Mpa)，I扭簧簧丝截面轴惯性矩，式中d为扭簧簧丝的直径。

转动盘上的凸起4-3转动，使得两段光纤光栅分别拉伸和压缩。

对于光纤光栅来说，拉伸或压缩长度Δl为

光栅应变为

r为凸起4-3的半径，l₀为光纤的有效长度。

根据光纤光栅波长漂移量Δλ与应变ε的关系式

Δλ＝(1-P_e)λε

可得

将(1)、(2)、(3)联立得灵敏度

式中，β为旋转轴的扭振角速度。

本实施例中布置了两个光栅9，可实现差动测量排除偶然因素如温度、径向振动的干扰，即：

Δλ₁和Δλ₂分别为2个光栅的波长漂移量。

结合上面的式子可得到由光纤光栅波长变化量计算扭振角速度的公式：

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。