专利名称：扭转参量感测光纤传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，特别是利用光纤进行扭转参量传感，能够对扭转参量(扭角、扭矩或扭应力)进行高精度测定的光纤传感装置。
背景技术：
在机械传动系统中，扭转参量是反映生产设备系统性能的最典型机械量之一，扭转参量测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行，节省能源，提高系统效率的重要手段。提高扭转参量测量的准确性、扭转参量监测和控制的实时性以及扭转参量异常分析的可靠性，是减少事故发生、使生产正常进行的重要手段。随着科学技术的进步和生产的发展，扭转参量测量技术有着广阔的应用前景。同时，对扭转参量的监测也提出了越来越高的要求由静态测试转向动态在线检测；由间接测量转向直接测量；由单功能转向多功能，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、 状态组合、信息存储和记忆要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化；要求扭矩的检测与动力装置的控制相结合，达到转速、扭转参量、输出功率的优化配置。目前的扭转参量传感器，主要有应变式，磁电相位式，光电式等几种。他们存在着须专用弹性轴，安装要两只联轴器，结构复杂，弹性轴扭转应变量小，影响灵敏度等缺点。另外，在扭转参量传感器的设计中，主要的问题在于敏感元件的制造，选择，安装等。通常所用的扭转参量传感器采用压电石英晶片作为测量元件，这种传感器所需压电石英晶片数量多，晶片的高度和接触面的平面度、粗糙度要求相当严格，加工难度大，工艺要求高。
发明内容
本发明的目的是克服传统测量方法中测试麻烦，复杂，精确度不高的缺陷，发明一种新的光纤扭矩参量测量装置，该装置使测量操作简便，成本低，精度提高，测量范围扩大， 并抗电磁干扰。该方法具有高测量精度、优越的全光性、绝缘性、防爆性、抗电磁干扰、耐高温性等特点。适合于高温下及有爆炸危险和有强电磁干扰等恶劣环境下大型机械的传动系统动态特性测量。具有非常广阔的应用前景。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于包含螺旋形壳体以及沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，至少螺旋形壳体的一端固定于待测物体上， 布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，传输光纤将信号光纤与测试单元连接，测试单元后面接处理单元。当螺旋形壳体在待测物体的扭转下两端位置变化时，则沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿之间的位置改变， 从而使夹在两者变形齿间的信号光纤的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤中传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤通过传输光纤与测试单元连接，从而使测试单元探测到光信号功率的变化，测试单元可以是光源和光功率计；处理单元通过光信号功率的变化以及待测物的扭转物理常数得出相应的扭转参量，达到对待测物体扭转参量测定的目的。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述的螺旋形壳体内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测物体的扭转轴心平行，则A侧与 B侧相对于待测物体的扭转轴心有不同的距离，当待测物体扭转时，至少有一端固定于待测物体上的螺旋形壳体内部的A、B两侧也需要在扭转相同的角度下伸长或缩短，但A、B两侧相对于扭转轴心的距离不同，则距扭转轴心距离远的一侧需要伸长或缩短的长度更多，而在没有其他外力的帮助下是做不到的，这时距扭转轴心距离远的一侧就会向距扭转轴心距离近的一侧靠近或疏远，从而使布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对距离减小或增大，并导致在二者的变形齿间夹有信号光纤的弯曲曲率的变化，并使信号光纤内部传输的光信号功率的变化，测试单元将光信号功率的变化传输给处理单元，处理单元推算出扭转参量的变化大小。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述的螺旋形壳体是平面卷簧状。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间由弹性材料连接，弹性材料可以是高分子材料、波簧等材料构成，弹性材料在有外力作用时有更大的变形，所以当螺旋形壳体两端位置变化时，使A侧的变形齿和B侧的变形齿之间的相对位置会有精细的变化。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间除了在螺旋形壳体的两端处连接外，螺旋形壳体中间部位的A侧和B侧之间没有连接。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是位于所述的螺旋形壳体的 A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜，信号光纤的另一端与光时域反射计(OTDR)连接。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是位于所述的螺旋形壳体的 A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜，信号光纤的另一端与1X2分路器的1 口连接，1X2分路器的2 口分别与测试单元的光源和光功率计连接。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述信号光纤是多模光纤、多芯光纤、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。本发明的光纤传感装置解决进一步技术问题的方案是所述的传输光纤与信号光纤是不同类型的光纤，如信号光纤是多模、光子晶体光纤或石英包层外径是80微米的微型光纤，而传输光纤是通信用标准的G. 652型单模光纤，这样做的优点是一方面大幅度提高测试精度、减小信号光纤的内部应力、延长信号光纤的使用寿命，另一方面又降低了应用成本，及在远距离使用时，减少由于温度、应力对传输光纤的会叠加到信号光纤中光功率变化信号中的衰减的影响。本发明与现有技术相比具有以下优点
1、采用全光纤结构，能有效防止电磁干扰，并可以用在危险的工作环境中；2、作为测量元件的信号光纤可以采用普通的通信光纤或其他特种光纤，利用透射或反射光功率的变化测量扭转参量，可以实现高精度测定；3、该方案结构简单，容易安装，较普通的扭矩传感器，能具有更低的成本；4、该方案能够实现远距离、分布式测量，而这是传统的传感器所不具备的。综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、 使用效果好，具有广阔的应用前景。下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明第一具体实施方式
的结构示意图。图2为图1中螺旋形壳体内部的截面示意图。图3为本发明第二具体实施方式
的结构示意图。图4为图3中螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。图5为本发明第二具体实施方式
的结构示意图。图6为本发明第三具体实施方式
的结构示意图。图7为本发明第四具体实施方式
的螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。图8为本发明第五具体实施方式
的螺旋形壳体的截面示意图及与旋转轴的关系示意图。附图标记说明
权利要求
1.扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于包含螺旋形壳体以及沿螺旋形壳体纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，至少螺旋形壳体的一端固定于待测物体上，布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，传输光纤将信号光纤与测试单元连接，测试单元后面接处理单元。
2.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述的螺旋形壳体内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测物体的扭转轴平行。
3.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述的螺旋形壳体是平面卷簧状。
4.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间由弹性材料连接。
5.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述的螺旋形壳体的A侧和B侧之间除了在螺旋形壳体的两端处连接外，螺旋形壳体中间部位的A侧和B 侧之间没有连接。
6.按照权利要求1所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于位于所述的螺旋形壳体的A侧变形齿和B侧变形齿之间的信号光纤的一端安置有反射镜。
7.按照权利要求6所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于信号光纤的另一端与1X2分路器的1 口连接，1X2分路器的2 口与测试单元的连接。
8.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述信号光纤为外部包有多层光纤保护层的光纤。
9.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述信号光纤是多模光纤、多芯光纤、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。
10.按照权利要求1至7任意一项所述的扭转参量感测光纤传感装置，其特征在于所述的传输光纤与信号光纤是不同类型的光纤。
全文摘要
本发明公开了一种扭转参量感测光纤传感装置，包含螺旋形壳体以及沿纵向连续布设在所述螺旋形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，螺旋形壳体的一端固定于待测物体上，布设在螺旋形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体扭转参量的变化而改变，传输的光信号功率随着夹在二者的变形齿间的信号光纤曲率变化而变化，并通过测试单元探测到光信号功率的变化，依靠采用螺旋形结构，延长了可产生微弯的信号光纤的长度并减小了信号光纤的弯曲曲率，从而提高了本发明光纤传感器的动态范围并延长了信号光纤的使用寿命，本发明结构简单、设计合理、寿命长、使用效果好，使本发明的光纤传感器具有广阔的应用前景。
文档编号G02B6/02GK102221374SQ20101015067
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者杜兵, 杜蔚, 杜迎涛 申请人:西安金和光学科技有限公司