一种径向式光纤光栅扭振传感器及测量方法与流程

本发明属于机械振动测量技术领域，具体涉及一种径向式光纤光栅扭振传感器及测量方法。

背景技术：

在各类回转机械中，轴的扭转振动(扭振)是一种重要振动形式。扭振是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动，扭振引起的扭转应力变化的积累往往会造成突发性的事故，通过扭振信号来监测主轴的运行状态不仅可以防止灾害事故的发生还可以对轴及其相关部件进行损伤检测和故障诊断。

测量扭振的方法有直接法和间接法两类，直接法就是直接感测轴的扭振，有接触测量和非接触测量，接触测量主要是将传感器(应变片、加速度计和编码器等)安装在轴上，测量信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传输到仪器上，非接触测量主要有测齿法、红外法和激光法等，这些方法无须在轴上安装传感器，利用非接触方式感测轴的扭振，或者通过传感器或直接用传感器产生脉冲，脉冲的时间间隔反映了轴的瞬时角速度的大小，从而获得扭振信息，间接法主要是通过测量与扭振有关的其他物理量来得到扭振信息，如定子电流法等。但是，接触测量存在信号传输困难、抗电磁干扰能力差等问题，非接触测量对实验设备精度要求非常高，一般很难达到测量精度要求，间接法测量精度达不到要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种径向式光纤光栅扭振传感器及测量方法，该传感器能够排除径向振动对扭振测量的干扰、具有温度补偿的效果、精确测量扭振、抗电磁干扰、体积小、成本低。

本发明所采用的技术方案是：

一种径向式光纤光栅扭振传感器，包括能够安装在旋转轴上且垂直于轴心的盘体，盘体上设有位于同一条直线上的四个立柱和两个限位槽，两个限位槽关于轴心对称，四个立柱分别位于两个限位槽的两侧并且与限位槽的距离均相等，两个限位槽内分别设有两个质量块，一根光纤不与限位槽干涉的同时紧密的穿过两个质量块的中心，光纤以一定预紧力固定在四个立柱上使质量块均空悬在限位槽内，光纤在限位槽和立柱之间的四个部位上分别设有四个光纤光栅。

进一步地，质量块材料采用高密度金属。

进一步地，质量块材料为铜。

一种基于上述径向式光纤光栅扭振传感器的扭振测量方法，测量时，将径向式光纤光栅扭振传感器安装在旋转轴上，当旋转轴有扭转振动时，沿轴切向布置的两对质量块-光纤光栅的受力发生改变，通过建立质量块所受作用力的相互关系得到质量块扭振加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到扭振信号。

本发明的有益效果是：

测量时将本发明安装在旋转轴上，当旋转轴有扭转振动时，沿轴切向布置的两对质量块-光纤光栅的受力发生改变(参见图3受力分析图)，建立质量块所受作用力的相互关系，得到质量块扭振加速度与光纤光栅应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅波长漂移量之间的关系，从而得到扭振信号。本发明不仅能够排除径向振动对扭振测量的干扰，还具有温度补偿的效果，可以精确地测量扭振，本发明采用光纤光栅作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的俯视图。

图2是图1中盘体的示意图。

图3是质量块-光纤光栅的受力分析图。

图中：1-盘体；2-质量块；3-光纤光栅；4-立柱；5-限位槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

如图1和图2所示，一种径向式光纤光栅扭振传感器，包括能够安装在旋转轴上且垂直于轴心的盘体1，盘体1上设有位于同一条直线上的四个立柱4和两个限位槽5，两个限位槽5关于轴心对称，四个立柱4分别位于两个限位槽5的两侧并且与限位槽5的距离均相等，两个限位槽5内分别设有两个质量块2，一根光纤不与限位槽5干涉的同时紧密的穿过两个质量块2的中心(质量块2上的通孔比光纤略大，相当于质量块2固定在光纤上)，光纤以一定预紧力固定在四个立柱4上使质量块2均空悬在限位槽5内，光纤在限位槽5和立柱4之间的四个部位上分别设有四个光纤光栅3(下面将四个光纤光栅3分别简写成1#FBG、2#FBG、3#FBG、4#FBG)。

测量时将本发明安装在旋转轴上，当旋转轴有扭转振动时，沿轴切向布置的两对质量块-光纤光栅的受力发生改变(参见图3受力分析图)，建立质量块2所受作用力的相互关系，得到质量块2扭振加速度与光纤光栅3应变的关系，进而建立起加速度与光纤光栅3波长漂移量之间的关系，从而得到扭振信号。本发明不仅能够排除径向振动对扭振测量的干扰，还具有温度补偿的效果，可以精确地测量扭振，本发明采用光纤光栅3作为传感元件，具有抗电磁干扰、体积小、成本低等优点。

在本实施例中，质量块2材料采用高密度金属，如铜。

本发明的测量原理如下：

将传感器安装旋转轴上，当旋转轴旋转有扭转振动时，质量块-光纤光栅的受力分析图参见图3，将质量块2在旋转运动时受到的所有力都考虑到其中，分为以下几类：(1)重力mg，方向始终竖直向下、大小不变，其中m为质量块2的质量、g为重力加速度；(2)扭振引起的ma，方向沿轴的切向，其中a为切向加速度；(3)径向振动的干扰力的合力F；(4)光纤的拉力，方向沿着光纤向外。

由于质量块2固定在光纤上，质量块2受到前三种作用力后，沿着X、Y方向移动，引起光纤的拉伸或收缩，即会受到第四种力。下面根据正交分解法则，将前三种力分解为X、Y方向上的力，分别分析质量块2引起的光纤张力的变化和光纤应变的变化。

首先，1#FBG、2#FBG、3#FBG和4#FBG均有一定的预拉伸力T，使得光纤产生预应力ε₀。

一.在X方向上。

1.对于1#FBG和2#FBG，质量块2在X方向受到的前三种力分别为mg sinθ、0、F sinγ，其中θ为mg与Y方向的夹角、γ为F与Y方向的夹角，这些力作用在质量块2上，使得质量块2在X方向上移动x₁，其中1#FBG在X方向压缩、2#FBG在X方向拉伸(拉伸量和压缩量均为x₁)，引起的1#FBG应变增量为-Δε_x、2#FBG应变增量为Δε_x，则有下式，

mg sinθ+F sinγ-mrω²＝2EAΔε_x (1)

其中E为光纤的弹性模量、A为光纤的横截面积、r为微型质量块2所在位置的半径，ω为旋转轴的角速度。

2.对于3#FBG和4#FBG，质量块2在X方向受到的前三种力分别为mg sinθ、0、F sinγ，这些力作用在质量块2上，使得质量块2在X方向上移动x₂，其中3#FBG在X方向压缩、4#FBG在X方向拉伸(拉伸量和压缩量均为x₂)，引起的3#FBG应变增量为-Δε′_x、4#FBG应变增量为Δε′_x，则有下式，

mg sinθ+F sinγ+mrω²＝2EAΔε′_x (2)

二.在Y方同上。

1.对于1#FBG和2#FBG，质量块2在Y方向上受到的前三种力为mg cosθ、-ma、-F cosγ，这些力作用在质量块2上，使得质量块2在Y方向上移动y₁，1#FBG和2#FBG在Y方向上均被拉伸y₁，引起的张力增量为ΔT，ΔT与X方向的夹角为α，引起的1#FBG和2#FBG应变增量均为Δε_y，则有下式，

mg cosθ-F cosγ-ma＝2ΔT sinα (3)

其中ΔT＝EAΔε_y，

2.对于3#FBG和4#FBG，质量块2在Y方向上受到的前三种力为mg cosθ、ma、-F cosγ，这些力作用在质量块2上，使得质量块2在Y方向上移动y₂，3#FBG和4#FBG在Y方向上均被拉伸y₂，引起的张力增量为ΔT′，ΔT′与X方向的夹角为β，引起的3#FBG和4#FBG应变增量均为Δε′_y，则有下式，

mg cosθ-F cosγ+ma＝2ΔT′sinβ (5)

其中ΔT′＝EAΔε′_y，

将(5)减去(3)得，

2ma＝2ΔT sinβ-2ΔTsinα (7)

联立(4)(6)(7)得到，

由于Δε′_y和Δε_y均远小于1，所以上式可简化为，

1#FBG、2#FBG、3#FBG和4#FBG的应变ε₁、ε₂、ε₃和ε₄可分别为表示为，

光纤光栅3的波长漂移量与应变的变化和温度的变化的关系为

其中λ为光纤光栅3的中心波长、Δλ为光纤光栅3的波长漂移量、P_e为光纤的弹光系数、α_f为光纤的热膨胀系数、ζ_f为光纤的热光系数、Δt为温度变化。

结合(10)(11)可得，

其中Δλ_0i为初始的光纤预应力ε₀下对应的i#FBG波长漂移量、λ_i为i#FBG的中心波长、Δλ_i为i#FBG的波长漂移量。

由于λ₁≈λ₂≈λ₃≈λ₄＞＞Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，所以上式简化为，

联立(9)(13)式得扭转振动的切向加速度为，

结合切向加速度和角加速度的关系，

a＝rβ (15)

其中β为旋转轴的角加速度。

可得到旋转轴的角加速度为，

根据式(14)式即可由四个光纤光栅3的波长漂移量得到旋转轴的切向加速度的变化，根据(16)式可得到旋转轴角加速度的变化，从而得到扭振信号。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。