一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统的制作方法

1.本发明涉及一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统，属于力学扭矩测量领域。


背景技术：

2.扭矩参数是直接反映电力推进的动力系统运行情况的最重要信息。扭矩的实时监测数据一方面反映了电力推进的动力系统的功率输出和性能状况，另一方面也给电力推进的动力系统操作人员提供数据判断和执行操作的直接依据，这关系到电力推进的动力系统的技术性能的发挥和设备的安全机动可靠性。安装在传动轴(旋转轴)上的旋转扭矩测量系统可测得扭矩参数，可以对电力推进系统进行“船机桨”的良好匹配、进行功率平衡的控制、进行超扭故障的预警等，提高电力推进系统工作的安全性和可靠性。旋转扭矩测量系统是提高船舶电力推进系统性能与可靠性的重要保证，也是船舶动力监测研究的难题之一。因为应用环境苛刻，即电力推进的船舶上电磁场非常强，扭矩测量装置极易受到强电磁场干扰的影响，故传统电学量扭矩测量方法难以满足要求。因此，为了解决在强电磁环境下的电力推进系统的扭矩测量，需要采用一种适用于特殊环境(强电磁场)的准确可靠的光纤光栅旋转扭矩测量技术来完成现场在线扭矩参数的准确测量，对推动船舶工业的发展具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明是要提供一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统，用于解决在特殊环境下传动轴旋转扭矩难以采用电学量进行在线监测的问题，常规电学量传感器易受强电磁干扰等特殊环境因素的影响，导致常规电学量传感器测量精度受到影响，甚至直接影响其正常工作。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统，具有一个光纤光栅测量部件、一个固定部分、一个测量系统，所述测量系统由被测旋转轴、解调仪和上位机系统组成；所述光纤光栅测量部件粘贴于被测旋转轴的表面，用于将被测旋转轴受旋转扭矩发生形变的旋转轴角应变传递至被受力敏感部位，其中，所述被测旋转轴上的受力敏感部位粘贴光纤布拉格光栅和单端固定的温度补偿光栅，用于消除温度变化导致的误差，确保温度补偿光栅不受扭力棒弯曲形变的影响；所述被测旋转轴上固定连接卡环-集成耦合器，并与光纤光栅测量部件一起构成随轴旋转部分，所述随轴旋转部分与解调仪之间通过光纤旋转连接器连接，用于信号光的双向传输。
5.进一步，所述光纤旋转连接器的随轴旋转部件由光纤准直器阵列a、自聚焦透镜环形阵列a组成，所述光纤准直器阵列a、自聚焦透镜环形阵列a安装在卡环-集成耦合器上。
6.进一步，所述光纤旋转连接器的固定部件由准直器阵列b、自聚焦透镜环形阵列b、环形光纤耦合器组成，所述准直器阵列b、自聚焦透镜环形阵列b安装在环形光纤耦合器上。
7.进一步，所述光纤准直器阵列a和准直器阵列b将接收到的信号光耦合聚焦至光纤
内，或对光纤内传输来的信号光准直发射，实现空间光路的双向传输。
8.进一步，所述光纤准直器阵列a和准直器阵列b的发射和接收光束都经过大面积较的自聚焦透镜，且自聚焦透镜组成环形阵列，能效减小因旋转轴旋转和振动导致准直光束在接收透镜的位置偏差导致的传输损耗。
9.进一步，所述光纤准直器阵列a通过卡环-集成耦合器与测量光栅的尾纤连接，所述准直器阵列b通过环形光纤耦合器与解调仪连接。
10.进一步，所述卡环-集成耦合器和自聚焦透镜环形阵列a自带夹紧机构紧固在旋转轴上，使光栅测量部件粘贴于被测旋转轴上能方便的进行安装布局，而不需要改变旋转轴的任何配置。
11.进一步，所述温度补偿光栅和光纤布拉格光栅为刻在同一根单模光纤上的两个光栅，采用波分复用的方式对返回光信号进行解调。
12.本发明的有益效果为：通过光纤测量部件粘贴、卡环安装、光纤准直器应用，保证了安装方便和高精度测量，设置温度补偿光栅可有效消除温度变化导致的误差，准直器阵列和自聚焦透镜阵列的组合可实现旁轴空间光互连，该技术具有设计巧妙、使用方便、测试精度高、稳定性好的优点。
13.为了提高测量的精度，本光纤布拉格光栅旋转扭矩测量系统在扭矩标准装置上进行扭矩值标定，经过扭矩标准装置标定后的测量系统，其测量数据可以达到很高的测量精度。如相关量程的扭矩标准装置的准确度等级为0.03级，则经过该扭矩标准装置标定的光纤光栅旋转扭矩测量系统最优可以达到0.1％的测量允许误差。
附图说明
14.图1为本发明的基于光纤光栅的旋转扭矩测量系统整体结构示意图；
15.图2为本发明的光纤光栅测量部件示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
17.如图1所示，本发明的适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统，包括随轴旋转部分20、不随轴旋转的固定部分21、测量系统。
18.随轴旋转部分20由：光纤光栅测量部件1、卡环-集成耦合器2、光纤准直器阵列a3、自聚焦透镜环形阵列a4组成。
19.不随轴旋转的固定部分21由：自聚焦透镜阵列b5、准直器阵列b6、环形光纤耦合器7组成。
20.被测旋转轴8、解调仪9和上位机系统10共同组成了整个测量系统。
21.如图2所示，光纤光栅测量部件1由：被测旋转轴8、温度补偿光栅11、光栅固定焊点12、光纤布拉格光栅13构成。光纤光栅测量部件1粘贴于被测旋转轴8的表面，卡环-集成耦合器2固定于被测旋转轴8上，光纤光栅测量部件1在旋转受扭矩时发生扭转角变化，即被测旋转轴发生形变，在轴上敏感部位粘贴有光纤布拉格光栅13和单端固定的温度补偿光栅11，确保温度补偿光栅不受扭力棒弯曲形变的影响。
22.随轴旋转部分20与解调仪9之间通过一种旁轴的光纤旋转连接器确保信号光的双
向传输，该光纤旋转连接器的随轴旋转部分由准直器阵列a3和自聚焦透镜环形阵列a4组成，固定部分由准直器阵列b6和自聚焦透镜环形阵列b5组成，其中，准直器即可将接收到的信号光耦合聚焦至光纤内，亦可对光纤内传输来的信号光准直发射，由此可实现空间光路的双向传输。由于传感部分只有无源光器件的使用，故系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀等光纤传感器的既有特性。该技术具有设计巧妙、使用方便、测试精度高、稳定性好的优点。
23.测量时，被测旋转轴产生扭矩，扭矩导致被测轴产生扭转角，扭转角导致轴上产生相对角位移应变，光栅测量部件粘贴在轴上，对应变量进行测量。
24.光纤准直器阵列a3和准直器阵列b6将接收到的信号光耦合聚焦至光纤内，或对光纤内传输来的信号光准直发射，实现空间光路的双向传输。光纤准直器阵列a3和准直器阵列b6的发射和接收光束都经过大面积较的自聚焦透镜，且自聚焦透镜组成环形阵列，能效减小因旋转轴旋转和振动导致准直光束在接收透镜的位置偏差导致的传输损耗。
25.光纤准直器阵列a3通过卡环-集成耦合器2与测量光栅的尾纤连接，所述准直器阵列b6通过环形光纤耦合器17与解调仪9连接。卡环-集成耦合器2和自聚焦透镜环形阵列a4自带夹紧机构紧固在旋转轴上，使光栅测量部件粘贴于被测旋转轴上能方便的进行安装布局，而不需要改变旋转轴的任何配置。
26.温度补偿光栅11和光纤布拉格光栅13为刻在同一根单模光纤上的两个光栅，采用波分复用的方式对返回光信号进行解调。
27.实施时，首先，按照选购的专业光纤光栅品牌正确粘贴在被测旋转轴应变敏感部位上，温度补偿光栅进行单端固定，确保温度补偿光栅不受扭力棒弯曲形变的影响，且不同特征波长的温度补偿光栅和光纤布拉格光栅刻在同一根单模光纤上，利用波分复用的方式即可分辨出不同光栅的返回光信号。随轴旋转部分与解调仪之间利用一种旁轴的光纤旋转连接器确保信号光的双向传输，该光纤旋转连接器的随轴旋转部分由准直器阵列a和自聚焦透镜环形阵列a组成，固定部分由准直器阵列b和自聚焦透镜环形阵列b组成。其中，准直器即可将接收到的信号光耦合聚焦至光纤内，亦可对光纤内传输来的信号光准直发射，由此可实现空间光路的双向传输，可保证泵浦激光能有效的输入随轴旋转的光纤布拉格光栅，并将返回的光信号有效输出至解调仪。
28.测量应变的光纤布拉格光栅特征波长变化量与应变和温度变化的关系为：
29.δλ
ε
＝k
ε
ε k
t1
δt
ꢀꢀꢀ
(1)
30.式中：δλ
ε
为应变光栅的波长变化量，ε为扭转变形量，δt为应变光栅感受到的温度变化量，k
ε
和k
t1
分别为应变和温度变化对应于应变光栅返回光波长的系数。
31.温度补偿光栅单端固定，只受温度变化的作用而不受扭力棒弯曲形变的影响：
32.δλ
t
＝k
t2
δt
ꢀꢀꢀ
(2)
33.式中：δλ
t
为温度补偿光栅的波长变化量，k
t2
为温度变化对应于温度补偿光栅返回光波长的系数。
34.两个光栅对温度的灵敏度可能会有不同，可以分别进行校准，将上式整理后得到补偿后的应变值ε为：
[0035][0036]
只需确定应变光纤布拉格光栅和温度光栅的返回光中心波长，即可计算出已消除温度误差的扭转变形量ε。
[0037]
通过对待测轴的受力分析，推导待测轴应变与扭矩之间的关系。轴上待测区域扭转角与扭矩成正比：
[0038][0039]
式中：φ为待测区域扭转角，t为轴扭矩，l为轴的测量长度，g为轴的剪切弹性模量，i
p
为轴的极惯性矩，d为轴的截面直径，e为轴的弹性模量，μ为轴的泊桑系数，其中
[0040]
轴待测部位的切向位移量由(4)式推导可得：
[0041][0042]
式中：δ为轴待测部位的切向位移量，r为轴中心线与扭力棒中心线距离。
[0043]
扭力棒弯矩与应变量之间的关系为：
[0044][0045]
式中：m
l
为扭矩，w为抗弯截面模数，iz为横截面积对z轴的惯性距，l为光纤布拉格光栅敏感部分长度，其中
[0046]
综合式(5)和式(6)，即可推出应变与扭矩之间的关系：
[0047][0048]
一般通过计算的测量结果偏差比较大，为了得到准确的测量误差，本光纤光栅旋转扭矩测量系统需要在扭矩标准装置上进行扭矩值标定，经过扭矩标准装置标定后的测量系统，其测量数据可以达到很高的测量精度。如相关量程的扭矩标准装置的准确度等级为0.03级，则经过该扭矩标准装置标定的光纤光栅旋转扭矩测量系统最优可以达到0.1％的测量允许误差。