基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置及测量方法

1.本发明涉及一种光纤光栅动态扭矩的测量。特别是涉及一种基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置及测量方法。


背景技术：

2.扭矩测量在船舶、汽车等领域应用极其广泛，扭矩测量在非常复杂的环境中，尤其在伴随着剧烈振动、强电磁干扰、高温高湿甚至可能在水下等恶劣状况中，往往很难准确测量，与其他扭矩测量方式相比，光纤光栅在这种环境下可以发挥出其它电学传感器无法发挥的作用。随着光纤技术的迅速发展，光纤旋转连接器已广泛应用于军事国防、工业控制、能源和医疗等领域。在一些设备或装置中需要在相对旋转的部件之间进行相互通信，传输如视频信号、音频信号、控制信号、传感信号等，现有的大部分光纤旋转连接器的共同特点是传输光信号占用了中心旋转轴位置。在某些复杂光信号传输过程中，有时会伴随着电信号等其他介质的传输或者留有机械传动轴，当旋转部件轴心被占用时，一般的光纤旋转连接器均不适用。因此，现亟需一种可以抵抗强干扰，并且可以实现信号双向传输的离轴动态扭矩测量方法。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，为了克服现的技术的不足，提供一种能够在强干扰下，在旋转部件中心部分被占用情况下进行动态扭矩测量的基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置及测量方法。
4.本发明所采用的技术方案是：一种基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置，包括有用于提供测量光源的ase宽带光源和根据接收的反射光信号得到被测弹性轴动态扭矩测量结果的光纤光栅解调仪，还设置有离轴互连器，所述的离轴互连器是由平面圆盘和锥柱形圆盘构成，所述锥形圆盘的锥底面直径与平面圆盘的直径相同，所述的锥底面与平面圆盘的一个面相对设置且间隔设定的距离，所述平面圆盘和锥柱形圆盘的中心同轴的形成有用于贯穿被测弹性轴的贯通孔，所述ase宽带光源通过第一入射光纤准直器连接所述锥形圆盘上的第一入射光口，所述光纤光栅解调仪通过第一出射光纤准直器连接所述锥形圆盘上的第一出射光口，在所述平面圆盘远离锥形圆盘的一侧设置有一端与所述平面圆盘上的第二入射光口相连的第二入射光纤准直器和一端与所述平面圆盘的第二出射光口相连的第二出射光纤准直器，所述第二入射光纤准直器和第二出射光纤准直器的另一端分别连接环形器的两端，所述环形器通过光纤连接器连接粘贴在被测弹性轴上的光纤光栅应变片。
5.所述平面圆盘上的第二出射光口和第二入射光口，分别形成在中心贯通孔周边的盘面上。
6.所述锥形圆盘上的第一入射光口和第一出射光口，分别形成在锥形圆盘的斜侧面上。
7.测量时，所述的被测弹性轴与所述平面圆盘为固定连接，与所述锥形圆盘为活动连接。
8.一种基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置的测量方法，包括如下步骤：
9.1)ase宽带光源通过第一入射光纤准直器，将光信号从锥柱形圆盘的一面输入，从另一面输出，调第一入射光纤准直器的入射角度，观察输出结果，通过计算光信号损耗量，找到传输损耗最小的入射角度；
10.2)第一入射光纤准直器按传输损耗最小的入射角度固定在所述锥柱形圆盘上的第一入射光口上，将被测弹性轴依次贯穿平面圆盘和锥柱形圆盘，并使被测弹性轴与所述平面圆盘固定连接，与所述锥柱形圆盘为活动连接；将通过光纤与环形器相连的光纤光栅应变片粘贴在被测弹性轴上，并通过外部电动机转动对被测弹性轴施加扭矩；
11.3)ase宽带光源通过第一入射光纤准直器，将光信号从锥柱形圆盘的一面输入，经过平面圆盘和锥柱形圆盘之间的多次反射后从平面圆盘的第二出射光口出射，并经准直器和光纤进入环形器，再由环形器进入光纤光栅应变片；
12.4)光纤光栅应变片反射出中心波长的窄带光经环形器、准直器和平面圆盘的第二入射光再次入射至锥柱形圆盘，经多次反射后最终从连接在锥柱形圆盘的第一出射光口上的第一出射光纤准直器输出至光纤光栅解调仪，通过光纤光栅解调仪得到当前扭矩值。
13.本发明的基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置及测量方法，能够在强干扰下，在旋转部件中心部分被占用情况下进行动态扭矩测量，具有耦合效率高、动态传输、可处理旁轴传输等特点。在经济效益方面，可广泛应用需要ct扫描、光信号的旋转连接等场合。
附图说明
14.图1是本发明基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置的结构示意图；
15.图2是本发明中锥柱形圆盘正面结构示意图；
16.图3是本发明中锥柱形圆盘侧面结构示意图；
17.图4是本发明中平面圆盘正面结构示意图；
18.图5是本发明中平面圆盘侧面结构示意图。
19.图中
20.1：ase宽带光源
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2：被测弹性轴
21.3：光纤光栅解调仪
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4：环形器
22.5：光纤光栅应变片
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6：平面圆盘
23.7：锥柱形圆盘
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8：第二出射光纤准直器
24.9：第二入射光纤准直器
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10：第一入射光纤准直器
25.11：第一出射光纤准直器
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12：第一出射光口
26.13：第一入射光口
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14：第二出射光口
27.15：第二入射光口
具体实施方式
28.下面结合实施例和附图对本发明的基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装
置及测量方法做出详细说明。
29.如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的一种基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置，包括有用于提供测量光源的ase宽带光源1和根据接收的反射光信号得到被测弹性轴2动态扭矩测量结果的光纤光栅解调仪3，还设置有离轴互连器，所述的离轴互连器是由平面圆盘6和锥柱形圆盘7构成，所述锥形圆盘7的锥底面直径与平面圆盘6的直径相同，所述的锥底面与平面圆盘6的一个面相对设置且间隔设定的距离，所述平面圆盘6和锥柱形圆盘7的中心同轴的形成有用于贯穿被测弹性轴2的贯通孔，所述ase宽带光源1通过第一入射光纤准直器10连接所述锥形圆盘7上的第一入射光口13，所述光纤光栅解调仪3 通过第一出射光纤准直器11连接所述锥形圆盘7上的第一出射光口12，在所述平面圆盘6 远离锥形圆盘7的一侧设置有一端与所述平面圆盘6上的第二入射光口15相连的第二入射光纤准直器9和一端与所述平面圆盘6的第二出射光口14相连的第二出射光纤准直器8，所述第二入射光纤准直器9和第二出射光纤准直器8的另一端分别连接环形器4的两端，所述环形器4通过光纤连接器连接粘贴在被测弹性轴2上的光纤光栅应变片5。
30.如图2、图3所示，所述锥形圆盘7上的第一入射光口13和第一出射光口12，分别形成在锥形圆盘7的斜侧面上。
31.如图4、图5所示，所述平面圆盘6上的第二出射光口14和第二入射光口15，分别形成在中心贯通孔周边的盘面上。
32.本发明的一种基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置，在测量时，所述的被测弹性轴2与所述平面圆盘6为固定连接，与所述锥形圆盘7为活动连接。
33.本发明的基于离轴互连器的光纤光栅动态扭矩测量装置的测量方法，包括如下步骤：
34.1)ase宽带光源1通过第一入射光纤准直器10，将光信号从锥柱形圆盘7的一面输入，从另一面输出，调第一入射光纤准直器的入射角度，观察输出结果，通过计算光信号损耗量，找到传输损耗最小的入射角度；
35.2)第一入射光纤准直器10按传输损耗最小的入射角度固定在所述锥柱形圆盘7上的第一入射光口13上，将被测弹性轴2依次贯穿平面圆盘6和锥柱形圆盘7，并使被测弹性轴2 与所述平面圆盘6固定连接，与所述锥柱形圆盘7为活动连接；将通过光纤与环形器4相连的光纤光栅应变片5粘贴在被测弹性轴2上，并通过外部电动机转动对被测弹性轴2施加扭矩；
36.3)ase宽带光源1通过第一入射光纤准直器10，将光信号从锥柱形圆盘7的一面输入，经过平面圆盘6和锥柱形圆盘7之间的多次反射后从平面圆盘6的第二出射光口14出射，并经准直器8和光纤进入环形器4，再由环形器4进入光纤光栅应变片5；
37.4)外部电动机转动对被测弹性轴2施加扭矩m时，使长度为l的被测弹性轴2受扭产生应变τ，即产生扭转形变，假设此时形变很小，被测弹性轴2的长度与横截面积均不发生变化，被测弹性轴2的任意两个横截面绕中心轴发生相对转动，从而产生一个扭转角，当被测弹性轴2受到的剪切应力不超过材料的承受极限时，扭矩m表示为：
[0038][0039]
其中，r为被测弹性轴横截面的半径；i为被测弹性轴的极惯性矩；g为材料的切变
模量；τ为被测弹性轴表面处最大剪切应变；
[0040]
粘贴在被测弹性轴2上的光纤光栅应变片5反射出与扭矩值相应的波长的窄带光，该波长为窄带光的中心波长，记为λb，窄带光的中心波长变化量δλb与应变τ有以下关系：
[0041][0042]
其中，α为光纤光栅应变片与被测弹性轴轴线的夹角，k
ε
为光纤光栅应变片的应变灵敏度系数；
[0043]
基于上述的原理，所述的光纤光栅应变片5反射出中心波长的窄带光经环形器4、准直器9和平面圆盘6的第二入射光15再次入射至锥柱形圆盘7，经多次反射后最终从连接在锥柱形圆盘7的第一出射光口12上的第一出射光纤准直器11输出至光纤光栅解调仪3，通过光纤光栅解调仪3得到当前扭矩值。