专利名称：基于双光反射器的动态扭矩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，特别涉及一种基于双光反射器的动态扭矩光纤传感
直O
背景技术：
在机械传动系统中，测量转动轴的扭矩和功率的方法多数是采用粘附在轴上的应变片进行的。将应变片的数据通过滑环或无线传输的方式传递给检测装置，前者有磨损且在易燃易爆场合不能使用，后者需在转动轴上安装电池给测试部件和无线发射器提供电力，并且在强电磁干扰环境下的使用会受到干扰，这都限制了应变片类扭矩测量装置的使用范围。一种较新的测试系统是采用的脉冲延时法测量转动轴的扭转角，从而达到检测扭矩和功率的目的。美国专利4520681公开了一种利用脉冲延迟原理的系统，其主要是在转动轴上相距一定的距离安装有两个转动编码器。利用两个编码器上的脉冲时延确定转动轴的扭转角，再根据转动轴的扭转模量可得到转动轴的扭矩以及功率。转动编码器和与之配套的传感器可以是基于磁感应原理、光电感测原理，两种装置的结构复杂、测试动态范围小，灵敏度有待提高、也不适用于强电磁环境下使用，具有一定的局限性。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置。本发明操作简便，成本低，精度提高，测量范围扩大，并抗电磁干扰。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于包括螺旋形结构、转动轴、光源、1X2光耦合器、光探测器和处理单元， 所述螺旋形结构内部相对两侧且沿所述螺旋形结构纵向设置有多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，至少螺旋形结构的两端固定于转动轴上，所述A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着转动轴扭矩的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在A侧变形齿和B侧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，在螺旋形结构两端的信号光纤上分别安置有光反射器一和光反射器二，在转动轴的一端头安装有光纤旋转连接器，信号光纤通过光纤旋转连接器和传输光纤与1X2光耦合器的输入端连接，光源和光探测器分别接1X2光耦合器的输出端，光探测器与处理单元连接。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述螺旋形结构为设置在转动轴表面的螺旋形壳体。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述的螺旋形壳体内部的A侧与B侧是通过弹性材料连接。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，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，并同时与转动轴的扭转中心轴线平行。上述的基于双光反射器的高精度动态扭矩光纤传感装置，所述光源输出的光信号
3脉冲宽度小于光反射器一与光反射器二之间信号光纤两倍的长度。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述信号光纤外部包有多层保护光纤，所述保护光纤为紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤中的一种。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述信号光纤为塑料光纤或光子晶体光纤。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述的光反射器一和光反射器二为光反射镜、光纤光栅或含有气泡的光纤中的一种。上述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，所述螺旋形结构为设置在转动轴表面的凹槽，在所述凹槽内的相对两侧布设有多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，所述A 侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在A侧变形齿和B侧变形齿间夹有信号光纤。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矩，可以实现高精度测定；3、该基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置结构简单，容易安装，较普通的扭矩传感器，能具有更低的成本；4、该该基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置能够实现远距离、分布式测量， 而这是传统的传感器所不具备的；5、通过双光反射器的结构，消除了光源输出光信号功率的波动、光探测器性能的变化、光纤旋转连接器的影响以及光纤链路的损耗变化，使本装置具有较高的测试精度，解决了转动轴在动态下的高精度扭矩测量的问题，具有推广价值。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，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为图1中螺旋形壳体的截面示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例3的结构示意图。
图5为本发明实施例4的结构示意图。
图6为图5中A-A方向的剖面结构示意图。
附图标记说明
1-传输光纤；4-螺旋形壳体；5-凹槽；
4-1-A侧变形齿；4-2-B侧变形齿；6-光纤旋转连接器
8-1X2光耦合器；9-处理单元；10--光源；
11-光探测器；12-转动轴；14--轴承一；
15-光反射器一；16-光反射器二 ；17--轴承二 ；
30-扭转中心轴线；33-信号光纤；35--弹性材料。
具体实施例方式实施例1如图1、图2所示的一种基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，包括螺旋形结构、转动轴12、光源10、1X2光耦合器8、光探测器11和处理单元9，所述螺旋形结构内部相对两侧且沿所述螺旋形结构纵向设置有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，至少螺旋形结构的两端固定于转动轴12上，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的相对位置随着转动轴12扭矩的变化而改变，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设， 且在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间夹有信号光纤33，A侧变形齿4_1和B侧变形齿 4-2对应布设在信号光纤33两侧，在螺旋形结构两端的信号光纤33上分别安置有光反射器一 15和光反射器二 16，在转动轴12的一端头安装有光纤旋转连接器6，信号光纤33通过光纤旋转连接器6和传输光纤1与1X2光耦合器8的输入端连接，光源10和光探测器11 分别接1X2光耦合器8的输出端，光探测器11与处理单元9连接。本实施例中螺旋形结构所述螺旋形结构为设置在转动轴12表面的螺旋形壳体4， 所述转动轴12能绕分别设置在其上的轴承一 14和轴承二 17转动，在螺旋形壳体4内部相对两侧上布设有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，至少螺旋形壳体4的两端固定于转动轴12上，优选的做法是布设在螺旋形壳体4全长通过胶黏剂的粘接或焊接等方式固定于转动轴12上，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤33，在转动轴12因扭矩作用下扭转一定的角度后螺旋形壳体4两端位置也发生变化，沿螺旋形壳体4纵向布设在所述螺旋形壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿 4-1和多个B侧变形齿4-2之间的位置改变，从而使夹在两者变形齿间的信号光纤33的弯曲曲率减小或增大而导致信号光纤33中传输的光信号的功率增大或减少，信号光纤33通过光纤旋转连接器6、传输光纤1以及1X2光耦合器8与光源10、光探测器11连接，在螺旋形壳体4两端的信号光纤33上安置有光反射器一 15和光反射器二 16，在螺旋形壳体4包含的信号光纤33中传输的光信号功率变化时，会导致信号光纤33上的后一个光反射器二 16的入射光信号功率减少，该光反射器二 16本身的反射率不变，从而使后者的反射光信号功率大幅降低，而前一个光反射器一 15的光信号未通过螺旋形壳体4中的信号光纤33，所以其反射光信号的功率只与光源10、光探测器11、光纤旋转连接器6以及通过的传输光纤 1的链路衰减有关，从而使光探测器11探测到两个光反射器的反射光信号功率并进行差分放大，就可以分离出螺旋形壳体4中信号光纤33因弯曲而造成的光信号功率的减小信号并将给信号传递给处理单元9，处理单元9通过后者的信息以及转动轴12的扭转物理常数得出相应的扭矩，达到对转动轴12扭矩测定的目的。所述的光源10输出的、进入信号光纤33的光信号是脉冲光信号。一种优选的做法是，所述光源10输出的光信号脉冲宽度小于光反射器一 15与光反射器二 16之间信号光纤33两倍的长度。一种优选的做法是所述的螺旋形壳体4内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与转动轴12的扭转中心轴线30平行，则A侧与B侧相对于转动轴12的扭转中心轴线30有不同的距离，当转动轴12在扭矩的作用下出现扭转角度时，至少有两端固定于转动轴12上的螺旋形壳体4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两侧相对于扭转中心轴线30的距离不同，则距扭转中心轴线30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，这时距扭转中心轴线30距离远的一侧就会向距扭转中心轴线30距离近的一侧靠近或疏远，从而使布设在螺旋形壳体4 内部的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2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33的弯曲曲率的变化，并使信号光纤33内部传输的光信号功率的变化，光探测器11通过测试前后两个光反射器的反射光功率之差，并将差值传递给处理单元 9，处理单元9推算出转动轴12上承受的扭矩的大小。所述信号光纤33外部包有多层保护光纤，所述保护光纤为紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤中的一种。所述信号光纤33为塑料光纤或光子晶体光纤。为提高测试精度，所述的传输光纤1与信号光纤33是不同类型的光纤，如信号光纤33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1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33 的内部应力、延长信号光纤33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1的会叠加到信号光纤33中光功率变化信号中的衰减的影响。实施例2如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的螺旋形壳体4内部的A侧与B侧除了在螺旋形壳体4两端连接外，其余部分不连接，在转动轴12扭转时A侧相对于B 侧会有更大的位置变动，从而使测试结果更精确。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例3如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的螺旋形壳体4内部的A侧与B侧是通过弹性材料35连接，在转动轴12扭转时A侧相对于B侧有较大的位置变动，从而提高测试结果的精确性。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例 1相同。实施例3如图5、图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述螺旋形壳体为设置在转动轴12的表面的凹槽5，在凹槽5内的相对两侧布设有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有信号光纤33。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于包括螺旋形结构、转动轴 (12)、光源(10)、1X2光耦合器(8)、光探测器(11)和处理单元(9)，所述螺旋形结构内部相对两侧且沿所述螺旋形结构纵向设置有多个A侧变形齿G-1)和多个B侧变形齿0-2)， 至少螺旋形结构的两端固定于转动轴(12)上，所述A侧变形齿G-1)和B侧变形齿(4-2) 之间的相对位置随着转动轴(1 扭矩的变化而改变，所述A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿 (4-2)呈交错布设，且在A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)间夹有信号光纤(33), Afi 变形齿(4-1)和B侧变形齿(4- 对应布设在信号光纤(3 两侧，在螺旋形结构两端的信号光纤(33)上分别安置有光反射器一(15)和光反射器二(16)，在转动轴(12)的一端头安装有光纤旋转连接器(6)，信号光纤(3 通过光纤旋转连接器(6)和传输光纤(1)与1X2 光耦合器(8)的输入端连接，光源(10)和光探测器(11)分别接1X2光耦合器(8)的输出端，光探测器(11)与处理单元(9)连接。
2.根据权利要求1所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述螺旋形结构为设置在转动轴(1 表面的螺旋形壳体G)。
3.根据权利要求2所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述的螺旋形壳体内部的A侧与B侧是通过弹性材料(3 连接。
4.根据权利要求2所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，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，并同时与转动轴 (12)的扭转中心轴线(30)平行。
5.根据权利要求2所述的基于双光反射器的高精度动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述光源(10)输出的光信号脉冲宽度小于光反射器一(15)与光反射器二(16)之间信号光纤(33)两倍的长度。
6.根据权利要求2所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述信号光纤(3 外部包有多层保护光纤，所述保护光纤为紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤中的一种。
7.根据权利要求2所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述信号光纤(3 为塑料光纤或光子晶体光纤。
8.根据权利要求2所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述的光反射器一(1 和光反射器二(16)为光反射镜、光纤光栅或含有气泡的光纤中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，其特征在于所述螺旋形结构为设置在转动轴(1 表面的凹槽(5)，在所述凹槽(5)内的相对两侧布设有多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿G-2)，所述A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4_2) 呈交错布设，且在A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿G-2)间夹有信号光纤(33)。
全文摘要
本发明公开了一种基于双光反射器的动态扭矩光纤传感装置，包括螺旋形结构、转动轴、光源、1X2光耦合器、光探测器和处理单元，螺旋形结构内部相对两侧设置有多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿之间相对位置随着转动轴扭矩的变化而改变，A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，在A侧变形齿和B侧变形齿间夹有信号光纤，在螺旋形结构两端的信号光纤上分别安置有光反射器一和光反射器二，在转动轴的一端头安装有光纤旋转连接器，信号光纤通过光纤旋转连接器和传输光纤与1X2光耦合器的输入端连接，光源和光探测器分别接1X2光耦合器的输出端，光探测器与处理单元连接。本发明操作简便，成本低，精度提高。
文档编号G01L3/12GK102486423SQ201010573399
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司